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基于燃氣輪機冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)運行策略優(yōu)化
燃氣輪機是以連續(xù)流動的氣體為工質(zhì)帶動葉輪高速旋轉(zhuǎn)，將燃料的能量轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ膬?nèi)燃式動力機械，是一種旋轉(zhuǎn)葉輪式熱力發(fā)動機。
摘要：本文提出了燃氣輪機冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的最優(yōu)運行策略，根據(jù)某一地區(qū)的冷熱電負荷以及滿足該地區(qū)冷熱電負荷需求的聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)和分產(chǎn)系統(tǒng)的模型配置，任意選定該地區(qū)一個時間的冷熱電負荷，基于多目標(biāo)評價指標(biāo)下，得到并且比較不同運行策略的多目標(biāo)值PCA的大小，比較以電定熱和以熱定電兩種運行方式在燃氣輪機冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中哪個更優(yōu)。
關(guān)鍵詞：冷熱電分產(chǎn);以電定熱;以熱定電;多目標(biāo)評價指標(biāo);冷熱電聯(lián)產(chǎn)
引言
長期以來，我國一次能源儲備中煤炭最為豐富，石油和天然氣相對較少，因此，我國電力行業(yè)以傳統(tǒng)火電為主，傳統(tǒng)的能源的結(jié)構(gòu)特點是大型化，集中化，輸配電比較復(fù)雜，可靠性弱，適應(yīng)性不強[1]，煤炭和石油在燃燒過程中產(chǎn)生氮氧化合物，碳氧化合物，而天然氣在燃燒過程中很少產(chǎn)生這些物質(zhì)。隨著《能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃》，分布式能源被提出，天然氣冷熱電聯(lián)產(chǎn)得到了大力的發(fā)展[2].鑒于此，國內(nèi)外許多學(xué)者對冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)有了大量的研究。目前，對CCHP系統(tǒng)評價指標(biāo)比較單一，基本以單一的評價指標(biāo)評價聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，但是對不同指標(biāo)差異性分析比較少，馮志兵等人對幾種評價指標(biāo)做了比較詳細的比較[3]。
在以上基礎(chǔ)上，以南方某地區(qū)某燃氣輪機冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)為依托，綜合考慮一次能源節(jié)約率，二氧化碳減排率，費用節(jié)約率等因素，選取該南方地區(qū)某時刻的冷，熱，電負荷，計算在多目標(biāo)指標(biāo)下，以電定熱[1]和以熱定電兩種運行方式下的多目標(biāo)指標(biāo)PCA，比較得出該時刻針對該地區(qū)的最優(yōu)運行策略。
一、燃氣輪機冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)基本原理
燃氣輪機冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)主要包括燃氣輪機，帶補燃的余熱鍋爐，溴化鋰制冷機組，熱交換設(shè)備。燃氣輪機冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的原理如圖1所示[4]。
天然氣在燃氣輪機燃燒室中燃燒，燃氣進入透平做工，帶動發(fā)電機發(fā)電，電量提供用戶電負荷。做工后的高溫蒸汽進入余熱鍋爐加熱鍋爐給水，從而產(chǎn)生飽和蒸汽。飽和蒸汽一方面通過熱點換設(shè)備向用戶供熱，滿足用戶熱負荷，另一方面驅(qū)動溴化鋰吸收式制冷機制冷，滿足用戶冷負荷。冷凝水返回余熱鍋爐繼續(xù)吸收。整個系統(tǒng)中發(fā)電機發(fā)電滿足用戶電負荷，不夠的通過電網(wǎng)購買，余熱鍋爐的高溫蒸汽不夠滿足用戶冷熱負荷的，通過對余熱鍋爐補燃來滿足。
二、冷熱電分產(chǎn)系統(tǒng)原理
冷熱電分產(chǎn)系統(tǒng)由燃氣鍋爐，熱交換設(shè)備，離心式制冷機組成，系統(tǒng)流程圖如圖2所示。
用戶所需要的冷負荷由離心式制冷機提供，離心式制冷機消耗的電量和滿足用戶電負荷的電量由電網(wǎng)提供。用戶所需熱負荷由燃氣輪機通過燃燒天然氣，再通過熱交換設(shè)備提供。
三、聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)和分產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)備數(shù)學(xué)模型及優(yōu)化模型建立
在傳統(tǒng)的分產(chǎn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，多目標(biāo)指標(biāo)模型下，比較冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)相對于分產(chǎn)系統(tǒng)的優(yōu)劣。本文選取夏季典型日某一時間段內(nèi)，南方某地區(qū)的冷熱電負荷。通過模型建立，求出“以電定熱”和“以熱定電”兩種運行策略的多目標(biāo)值PCA，比較兩種運行方式的PCA的大小以確定該時間段的最優(yōu)運行策略。
本文中聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)和分產(chǎn)系統(tǒng)模型中設(shè)計的設(shè)備性能參數(shù)見表1和表2。
3.1 聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)備數(shù)學(xué)模型的建立
3.1.1 燃氣輪機的發(fā)電功率和余熱量與燃料量成正比關(guān)系[5]
(1)
式(1)中指燃氣輪機實際發(fā)電功率，Kw;是燃氣輪機排氣可利用熱量，kW;是輸入燃氣輪機的天然氣熱量，kW;指設(shè)計工況下，燃氣輪機的額定發(fā)電功率，kW;，指燃氣輪機實際最大，最小發(fā)電功率kW;設(shè)計工況溫度，=15℃，實際環(huán)境溫度;a，b，c，d，e是與燃氣輪機容量以及工況有關(guān)的系數(shù)。
3.1.2 補燃余熱鍋爐數(shù)學(xué)模型
余熱鍋爐補燃供熱量與余熱鍋爐補燃消耗的熱量成正比關(guān)系[6]
(2)
在式(2)中指余熱鍋爐補燃供熱量，kWh;余熱鍋爐補燃的燃料熱量，kWh;，余熱實際運行熱效率;，余熱鍋爐額定熱效率，取0.8;余熱鍋爐的負荷率。
3.1.3 溴化鋰吸收式制冷機組數(shù)學(xué)模型
溴化鋰吸收式制冷機的制冷量與制冷所需的熱量成正比關(guān)系[7]
(3)
式(3)中指制冷機的制冷量，kWh;指制冷機制冷所需熱量，kWh;指制冷機實際運行參數(shù)
3.2 分產(chǎn)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立
3.2.1 燃氣鍋爐數(shù)學(xué)模型
燃氣鍋爐的供熱量和燃氣鍋爐的消耗的燃料熱量成正比
(4)
式(4)中：指燃氣鍋爐供熱量，kWh;指燃氣鍋爐消耗的天然氣熱量，kWh;燃氣鍋爐的運行熱效率，取0.8;
3.2.2 離心式制冷機數(shù)學(xué)模型
離心式制冷機的制冷量和離心式制冷機制冷所需要的電量成正比關(guān)系
(5)
式(5)中：離心式制冷機的制冷量，kWh;離心式制冷機制冷消耗的電量，kWh;離心式制冷機實際運行性能系數(shù)，取4.0。
3.3 系統(tǒng)目標(biāo)函數(shù)的確定
本文主要將一次能源節(jié)約率P，二氧化碳減排率C，費用節(jié)約率A三個指標(biāo)綜合起來作為評價指標(biāo)。
3.3.1 一次能源節(jié)約率
本文中將系統(tǒng)購電量和燃料量折合成一次能源。一次能源節(jié)約率(P)只滿足相同的冷熱電負荷情況下，聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)相對于分產(chǎn)系統(tǒng)的一次能源節(jié)約量與分產(chǎn)系統(tǒng)的一次能源消耗量的比值。其中電網(wǎng)輸電效率取0.92，電廠平均供電效率取0.377。
(6)
3.3.2 二氧化碳減排率
二氧化碳減排率指聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)相對于分產(chǎn)系統(tǒng)的二氧化碳減排量與分產(chǎn)系統(tǒng)的二氧化碳排放量的比值。其中取外購電對應(yīng)的二氧化碳排放量為877g/kWh，燃燒天然氣對應(yīng)的二氧化碳排放量為220g/kWh。
(7)
3.3.3 費用節(jié)約率
評價主要包括投資成本，維護費用和運行費用。用聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)相對于分產(chǎn)系統(tǒng)的總費用節(jié)約量與分產(chǎn)系統(tǒng)的總費用的比值表示費用節(jié)約率。其中年利率取7%，設(shè)備殘值率取0，設(shè)備的壽命年限取20。
(8)
3.3.4 一次能源節(jié)約率，二氧化碳減排率和費用節(jié)省率(PCA)最小化
本文中綜合評價指標(biāo)把一次能源節(jié)約率，二氧化碳減排率和費用節(jié)省率同等看待，取各自的權(quán)重為1/3.得到最終的評價指標(biāo)。
(9)
四、系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果分析
在以上的聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)和分產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型下，多目標(biāo)評價指標(biāo)下，選取南方某地區(qū)一個小時的冷熱電負荷，此時環(huán)境溫度為25℃，用戶的電負荷為3000kWh，熱負荷為1000kWh，冷負荷為4000kWh。通過計算可以得到“以電定熱”運行策略下的多目標(biāo)評價指標(biāo)為PCA1=0.1847，“以熱定電”運行策略下的多目標(biāo)評價指標(biāo)PCA2=0.1709。
五、結(jié)論
本文在確定的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)和傳統(tǒng)分產(chǎn)系統(tǒng)模型下，采用多目標(biāo)評價指標(biāo)評價比較“以電定熱”和“以熱定電”兩種運行方式，其中多目標(biāo)評價指標(biāo)包括三個方面，節(jié)能性，經(jīng)濟性，環(huán)保性，且每個評價指標(biāo)都采用聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)相對于分產(chǎn)系統(tǒng)的節(jié)約率，從以上結(jié)果可以看到，“以電定熱”和“以熱定電”兩種運行方式下的PCA值都大于0，說明在多目標(biāo)評價指標(biāo)下聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)是優(yōu)于分產(chǎn)系統(tǒng)的，在以上負荷下以電定熱的多目標(biāo)值大于以熱定電的評價值，說明在上述負荷和環(huán)境下，采用以電定熱運行方式是優(yōu)于以熱定電的運行方式的。在確定的聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)模型下，多目標(biāo)指標(biāo)評價下，通過比較兩種運行方式的多目標(biāo)值有助于指導(dǎo)聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)采用最優(yōu)的運行策略。
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