基于生物質氣的冷熱電聯供系統及能量優化控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及生物質能與冷熱電聯供領域，尤其涉及一種基于生物質能的冷熱電聯 供系統及其優化控制方法。
【背景技術】
[0002] 在能源短缺和環境污染日趨嚴重的今天，可再生能源的利用及其關鍵科學和技術 的研宄備受世人關注。特別是生物質能具有可再生、資源量大、分布廣泛、低污染等突出特 點，遂成為一種極具發展潛力的新能源。而分布式冷熱電聯供系統是一種基于能源梯級利 用概念，集制冷、供熱（采暖和供熱水）和發電于一體的多聯產總能系統，為生物質能的利 用和發展提供了一種嶄新而有效的途徑。因此，利用生物質氣發電，并實現冷熱電聯供對于 發展循環經濟，建設環境友好型社會，推動經濟社會可持續發展意義重大。
[0003] 我國生物質資源儲備豐富，卻始終未能解決普及率差和利用率低等弊端。尤其是 農村生物質沼氣僅被用于農戶炊事，其余時間則處于閑置狀態，造成了設備、資金及資源的 極大浪費，即使較先進的生物質沼氣利用也僅以發電為主，未能實現冷熱電聯供，發電余熱 大量浪費。
[0004] 與此同時，現有冷熱電聯供系統大多仍以天然氣為主要能源，但因天然氣是有限 的化石燃料，故難以最大程度彰顯分布式供能系統的節能減排特性。且現有的冷熱電聯供 系統通常采用機組全負荷運行，較少考慮變工況特性，或是簡單區分夏季、冬季、過渡季負 荷情況的不同，按照"以熱定電"或者"以電定熱"模式運行，缺少綜合考慮經濟性、能源利 用率、變工況、熱電耦合、分時電價等因素，科學有效的能量管理系統，系統運行效率低。
[0005] 由此可見，優化設計適用于農村地區、生態養殖場等的生物質氣冷熱電聯供系統 以滿足其生物質氣利用的迫切需求，已成為亟待解決的重要問題，備受企業界與學術界關 注。

【發明內容】

[0006] 為解決現有技術存在的不足，本發明公開了基于生物質氣的冷熱電聯供系統及多 目標能量優化控制方法，該系統適用于農村地區、養殖場等，能夠合理高效的利用能量，達 到系統在不同冷熱電負荷需求下的經濟性和能源利用率達到綜合最優。
[0007] 為實現上述目的，本發明的具體方案如下：
[0008] 基于生物質氣的冷熱電聯供系統，包括生物質氣內燃發電機組，生物質氣內燃發 電機組將生物質氣轉換成電能、煙氣，同時內燃發電機組產生帶有余熱的缸套水，電能輸 送至補光裝置及電制冷機組，煙氣輸送至溴化鋰冷溫水機組及煙氣換熱器，帶有余熱的缸 套水輸送至缸套水換熱器，溴化鋰冷溫水機組將冷溫水輸送至風機盤管，風機盤管與燃氣 鍋爐相連，燃氣鍋爐、缸套水換熱器及煙氣換熱器均與蓄水池相連，所述生物質氣內燃發電 機組、溴化鋰冷溫水機組及燃氣鍋爐及電制冷機組分別與控制系統及上位機監控系統相 連，上位機監控系統將監測到的數據和負荷需求歷史數據傳送至能量管理系統，能量管理 系統通過調整生物質氣內燃發電機組、溴化鋰冷溫水機組、燃氣鍋爐及電制冷機組的出力， 保證系統在不同冷熱電負荷需求下的經濟性和能源利用率達到綜合最優。
[0009] 所述蓄水池與清洗系統相連，用于為清洗系統提供所需熱水。
[0010] 所述煙氣換熱器將輸出的低溫煙氣輸送到蔬菜大棚。
[0011] 所述溴化鋰冷溫水機組與冷卻塔相連。
[0012] 所述生物質氣還與溴化鋰冷溫水機組及燃氣鍋爐相連，用于補燃。
[0013] 所述電制冷機組與牛奶冷藏罐相連，用于制冷。
[0014] 所述生物質氣內燃發電機組產生的電能與市電并網。
[0015] 基于生物質氣的冷熱電聯供系統的能量優化控制方法，包括以下步驟：
[0016] 步驟一：以母線功率平衡和設備運行約束為約束條件建模；
[0017] 步驟二：以系統總成本、系統能源利用率最優為優化目標建立冷熱電聯供系統能 量管理模型；
[0018] 步驟三：上位機監控系統對設備運行狀態進行監控，以滿足步驟一中約束條件為 前提，能量管理系統根據位機監控系統所監控的數據使用粒子群算法求解出系統最優目標 值和各設備不同時段的輸出或輸入。
[0019] 步驟一建模就是用于步驟三中輸出的限制。步驟一建模為建立約束條件，即輸出 限制；步驟二建立輸出目標函數；步驟三是根據步驟一中限制條件和步驟二中目標進行優 化計算。
[0020] 所述母線功率平衡指母線的能量輸入應等于其輸出，設備的運行約束指個設備的 輸入和輸出應在設備的額定運行范圍之內。
[0021] 所述步驟一中，母線功率平衡包括電母線功率平衡、煙氣母線功率平衡、供熱母線 功率平衡、供冷母線功率平衡和熱水母線功率平衡。
[0022] 所述設備運行約束包括內燃發電機組運行約束、電制冷機組運行約束、溴化鋰冷 溫水機組運行約束、燃氣鍋爐運行約束、缸套水換熱器運行約束及煙氣換熱器運行約束。
[0023] 如圖3所示，所述步驟三中，能量管理系統控制流程為：
[0024] (3-1)將上位機監控系統中冷熱電負荷需求歷史數據導入能量管理系統中；
[0025] (3-2)能量管理系統根據冷熱電負荷歷史數據，結合當時分時電價、氣價、系統運 行成本信息，以系統總成本、系統能源利用率最優為優化目標，進行多目標優化，得到系統 各單元出力情況；
[0026] (3-3)能量管理系統將得到各單元最優出力數據傳輸給控制系統，控制系統根據 所獲信息，調整各單元運行出力，并將各單元運行狀態反饋給上位機監控系統；
[0027] (3-4)上位機監控系統檢測系統目前冷熱電負荷需求情況，包括過負荷、欠負荷及 飽和，并將狀態信息傳輸給能量管理系統；
[0028] (3-5)能量管理系統根據冷熱電負荷信息和設備當前運行情況，再次進行優化各 設備運行出力情況，并將數據傳輸給控制系統。
[0029] 工作原理：生物質氣燃料能通過內燃發電機組轉換成為電能和煙氣余熱，電能直 接供給用電負荷、用于牛奶冷藏的電制冷機組、用于蔬菜補光的蔬菜大棚的LED燈，多余電 能則向電網銷售，不足電能從電網購買，以滿足電負荷需求；煙氣通過溴化鋰冷溫水機組后 產生冷/熱媒水，經冷熱水泵輸送到風機盤管，為用戶供冷/熱；當煙氣余熱提供能量不能 滿足用戶冷/熱需求時，可補燃溴化鋰冷溫水機組進行，以滿足冷/熱需求。生物質氣燃料 能還可通過燃氣鍋爐轉換為熱媒水熱能、水蒸氣熱能和煙氣余熱能，熱媒水經熱水泵輸送 到風機盤管，為用戶供熱；水蒸氣通過水泵輸送到蓄水池，為用戶提供生活熱水。蓄水池水 通過缸套水換熱器將缸套水熱能回收，得到熱水；也可經過煙氣換熱器，回收發電機組產生 的未被溴化鋰冷溫水機組利用的煙氣余熱和燃氣鍋爐產生的煙氣余熱，得到熱水，為用戶 提供CIP清洗系統所需熱水和生活熱水。通過煙氣換熱器后的低溫煙氣輸送到蔬菜大棚 中，為植物生長提供熱量和二氧化碳。
[0030] 根據負荷需求，內燃機和溴化鋰冷溫水機組的實際變工況特性，并考慮系統發電 循環和冷熱循環的耦合影響，系統熱損耗，管道壓力損耗等，設計系統能量優化模型；以系 統運行經濟性和能源利用率最優為優化目標，綜合考慮生物質氣價格、熱值、可燃氣成分含 量、分時電價、負荷動態變化等對系統經濟性和能源利用率的影響，根據養殖場一年春、夏、 秋、冬四季，全天24小時冷熱電負荷變化數據，采用粒子群算法求解，調整系統生物質氣內 燃發電機組、溴化鋰冷溫水機組、燃氣鍋爐、電制冷機組出力，保證系統在不同冷熱電負荷 需求下的經濟性和能源利用率達到綜合最優。
[0031] 本發明的有益效果：
[0032] 應用本發明提出的方法，可以開發出專門用于生物質氣型冷熱電聯供系統能量管 理和控制系統，適用于農村地區、生態養殖場等的生物質氣冷熱電聯供系統，根據用戶冷熱 電負荷需求，調度聯供系統工作于最佳運行模式，減少能源消耗，降低運行成本，提高系統 的能源利用率。
【附圖說明】
[0033] 圖1為本發明冷熱電聯供系統結構圖；
[0034] 圖2為本發明冷熱電聯供系統母線式結構圖；
[0035] 圖3為本發明冷熱電聯供系統控制流程圖；
[0036] 圖中，1、LED燈，2、電制冷機組，3、牛奶冷藏罐，4、內燃發電機組，5、溴化鋰冷溫水 機組，6、風機盤管，7、缸套水換熱器，8、煙氣換熱器，9、蔬菜大棚，10、燃氣鍋爐，11、清洗系 統，12、蓄水池，13、冷卻塔，14、散熱器，15、冷負荷，16、電網，17、熱負荷，18、生活熱水。
【具體實施方式】：
[0037] 下面結合附圖對本發明進行詳細說明：
[00