基于燃氣輪機冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統運行策略?xún)?yōu)化

　　燃氣輪機是以連續流動(dòng)的氣體為工質(zhì)帶動(dòng)葉輪高速旋轉，將燃料的能量轉變?yōu)橛杏霉Φ膬热际絼?dòng)力機械，是一種旋轉葉輪式熱力發(fā)動(dòng)機。

　　摘要：本文提出了燃氣輪機冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統的最優(yōu)運行策略，根據某一地區的冷熱電負荷以及滿(mǎn)足該地區冷熱電負荷需求的聯(lián)產(chǎn)系統和分產(chǎn)系統的模型配置，任意選定該地區一個(gè)時(shí)間的冷熱電負荷，基于多目標評價(jià)指標下，得到并且比較不同運行策略的多目標值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)系統中哪個(gè)更優(yōu)。

　　關(guān)鍵詞：冷熱電分產(chǎn);以電定熱;以熱定電;多目標評價(jià)指標;冷熱電聯(lián)產(chǎn)

　　引言

　　長(cháng)期以來(lái)，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)以傳統火電為主，傳統的能源的結構特點(diǎn)是大型化，集中化，輸配電比較復雜，可靠性弱，適應性不強[1]，煤炭和石油在燃燒過(guò)程中產(chǎn)生氮氧化合物，碳氧化合物，而天然氣在燃燒過(guò)程中很少產(chǎn)生這些物質(zhì)。隨著(zhù)《能源發(fā)展“十二五”規劃》，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，國內外許多學(xué)者對冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統有了大量的研究。目前，對CCHP系統評價(jià)指標比較單一，基本以單一的評價(jià)指標評價(jià)聯(lián)產(chǎn)系統，但是對不同指標差異性分析比較少，馮志兵等人對幾種評價(jià)指標做了比較詳細的比較[3]。

　　在以上基礎上，以南方某地區某燃氣輪機冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統為依托，綜合考慮一次能源節約率，二氧化碳減排率，費用節約率等因素，選取該南方地區某時(shí)刻的冷，熱，電負荷，計算在多目標指標下，以電定熱[1]和以熱定電兩種運行方式下的多目標指標PCA，比較得出該時(shí)刻針對該地區的最優(yōu)運行策略。

　　一、燃氣輪機冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統基本原理

　　燃氣輪機冷熱電三聯(lián)供系統主要包括燃氣輪機，帶補燃的余熱鍋爐，溴化鋰制冷機組，熱交換設備。燃氣輪機冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統的原理如圖1所示[4]。

　　天然氣在燃氣輪機燃燒室中燃燒，燃氣進(jìn)入透平做工，帶動(dòng)發(fā)電機發(fā)電，電量提供用戶(hù)電負荷。做工后的高溫蒸汽進(jìn)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(guò)熱點(diǎn)換設備向用戶(hù)供熱，滿(mǎn)足用戶(hù)熱負荷，另一方面驅動(dòng)溴化鋰吸收式制冷機制冷，滿(mǎn)足用戶(hù)冷負荷。冷凝水返回余熱鍋爐繼續吸收。整個(gè)系統中發(fā)電機發(fā)電滿(mǎn)足用戶(hù)電負荷，不夠的通過(guò)電網(wǎng)購買(mǎi)，余熱鍋爐的高溫蒸汽不夠滿(mǎn)足用戶(hù)冷熱負荷的，通過(guò)對余熱鍋爐補燃來(lái)滿(mǎn)足。

　　二、冷熱電分產(chǎn)系統原理

　　冷熱電分產(chǎn)系統由燃氣鍋爐，熱交換設備，離心式制冷機組成，系統流程圖如圖2所示。

　　用戶(hù)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(mǎn)足用戶(hù)電負荷的電量由電網(wǎng)提供。用戶(hù)所需熱負荷由燃氣輪機通過(guò)燃燒天然氣，再通過(guò)熱交換設備提供。

　　三、聯(lián)產(chǎn)系統和分產(chǎn)系統設備數學(xué)模型及優(yōu)化模型建立

　　在傳統的分產(chǎn)系統的基礎上，多目標指標模型下，比較冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統相對于分產(chǎn)系統的優(yōu)劣。本文選取夏季典型日某一時(shí)間段內，南方某地區的冷熱電負荷。通過(guò)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值PCA，比較兩種運行方式的PCA的大小以確定該時(shí)間段的最優(yōu)運行策略。

　　本文中聯(lián)產(chǎn)系統和分產(chǎn)系統模型中設計的設備性能參數見(jiàn)表1和表2。

　　3.1 聯(lián)產(chǎn)系統設備數學(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(shí)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;指設計工況下，燃氣輪機的額定發(fā)電功率，kW;，指燃氣輪機實(shí)際最大，最小發(fā)電功率kW;設計工況溫度，=15℃，實(shí)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。

　　3.1.2 補燃余熱鍋爐數學(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(shí)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(shí)際運行參數

　　3.2 分產(chǎn)系統數學(xué)模型的建立

　　3.2.1 燃氣鍋爐數學(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(shí)際運行性能系數，取4.0。

　　3.3 系統目標函數的確定

　　本文主要將一次能源節約率P，二氧化碳減排率C，費用節約率A三個(gè)指標綜合起來(lái)作為評價(jià)指標。

　　3.3.1 一次能源節約率

　　本文中將系統購電量和燃料量折合成一次能源。一次能源節約率(P)只滿(mǎn)足相同的冷熱電負荷情況下，聯(lián)產(chǎn)系統相對于分產(chǎn)系統的一次能源節約量與分產(chǎn)系統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(chǎng)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)系統相對于分產(chǎn)系統的二氧化碳減排量與分產(chǎn)系統的二氧化碳排放量的比值。其中取外購電對應的二氧化碳排放量為877g/kWh，燃燒天然氣對應的二氧化碳排放量為220g/kWh。

　　(7)

　　3.3.3 費用節約率

　　評價(jià)主要包括投資成本，維護費用和運行費用。用聯(lián)產(chǎn)系統相對于分產(chǎn)系統的總費用節約量與分產(chǎn)系統的總費用的比值表示費用節約率。其中年利率取7%，設備殘值率取0，設備的壽命年限取20。

　　(8)

　　3.3.4 一次能源節約率，二氧化碳減排率和費用節省率(PCA)最小化

　　本文中綜合評價(jià)指標把一次能源節約率，二氧化碳減排率和費用節省率同等看待，取各自的權重為1/3.得到最終的評價(jià)指標。

　　(9)

　　四、系統優(yōu)化結果分析

　　在以上的聯(lián)產(chǎn)系統和分產(chǎn)系統的數學(xué)模型下，多目標評價(jià)指標下，選取南方某地區一個(gè)小時(shí)的冷熱電負荷，此時(shí)環(huán)境溫度為25℃，用戶(hù)的電負荷為3000kWh，熱負荷為1000kWh，冷負荷為4000kWh。通過(guò)計算可以得到“以電定熱”運行策略下的多目標評價(jià)指標為PCA1=0.1847，“以熱定電”運行策略下的多目標評價(jià)指標PCA2=0.1709。

　　五、結論

　　本文在確定的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統和傳統分產(chǎn)系統模型下，采用多目標評價(jià)指標評價(jià)比較“以電定熱”和“以熱定電”兩種運行方式，其中多目標評價(jià)指標包括三個(gè)方面，節能性，經(jīng)濟性，環(huán)保性，且每個(gè)評價(jià)指標都采用聯(lián)產(chǎn)系統相對于分產(chǎn)系統的節約率，從以上結果可以看到，“以電定熱”和“以熱定電”兩種運行方式下的PCA值都大于0，說(shuō)明在多目標評價(jià)指標下聯(lián)產(chǎn)系統是優(yōu)于分產(chǎn)系統的，在以上負荷下以電定熱的多目標值大于以熱定電的評價(jià)值，說(shuō)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)系統模型下，多目標指標評價(jià)下，通過(guò)比較兩種運行方式的多目標值有助于指導聯(lián)產(chǎn)系統采用最優(yōu)的運行策略。

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