一種小型生物質沼氣冷熱電聯供系統綜合優化方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及能源技術領域，尤其涉及一種小型生物質沼氣冷熱電聯供系統綜合優 化方法。
【背景技術】
[0002] 我國作為農業大國，具有相當豐富的生物質能資源，每年可用于生產生物質氣的 資源約折合2. 5億噸標準煤，能轉化當量沼氣約1990億立方米，折合天然氣1200億立方 米，相當于我國2011年天然氣消費量1290億立方米的93%，按照2011年的能源消費總量 (34.8億噸標準煤）計算，生物質氣發展將使中國氣體能源消費的比重提高7%左右。而 沼氣作為一種典型的生物質氣可再生能源，具有熱值高、燃燒污染小等優點，1立方米沼氣 完全燃燒能產生相當于〇. 7千克無煙煤提供的熱量，利用沼氣發電不僅可解決電力短缺問 題，又能減少甲烷等溫室氣體的排放，凈化空氣環境。
[0003] 然而一個不爭的事實是，目前我國大量的生物質資源未能實現合理高效的利用， 如農村生物質沼氣大多僅用于農戶炊事，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。冷熱電聯供系統是一種建立在能量梯級利用概念基礎上的總能系統，其最 大特點是可對不同品位的熱能實現綜合梯級利用，同時完成發電、制冷及供熱（包括供暖 和熱水）三過程，就地滿足用戶的冷、熱、電需求，從而降低遠距離供能的傳輸損失，極大的 提高社會經濟效益及能源利用效率。尤其是數十千瓦級的生物質氣冷熱電聯供系統恰好適 合我國生物質資源分散式、小規模應用的需求，其發出的電力可滿足手工業、排灌以及邊遠 地區的生活用電，同時還可極大的緩解農村供熱難和局部環境污染的問題，對推動農業結 構調整及建設社會主義新農村具有重要意義。
[0004] 顯而易見，我國對數十千瓦級生物質氣冷熱電聯供分布式供能系統的需求十分緊 迫，需求數量巨大。而聯供系統作為一種多聯產的復雜總能系統，組成結構與運行模式種類 繁多，同時還伴隨著建筑物負荷實時變化，從而使得其設計問題變得極為復雜，一旦設計不 當將會導致效率低下及投資浪費等諸多弊端。
[0005] 經過對現有技術的公開文獻檢索發現，如公開號為CN 1945472的專利以費用和 能耗為優化目標，提出了一種冷熱電聯供系統的集中優化控制方法，實現了對終端設備運 行參數的控制；申請號為201010147996. 0的專利公開了一種冷熱電聯供系統能效優化調 度系統，以負荷預測及相關優化計算為基礎優化調度各能量單元的出力計劃，進而實現了 冷熱電能量的供需平衡。雖然上述方法均有效的改善了聯供系統性能，但同時也存在一定 不足：
[0006] 1)未涉及針對小型冷熱電聯供系統，尤其是以生物質為能源的聯供系統工程優化 設計。一方面，現有冷熱電聯供系統大多仍以天然氣為主要能源，但由于天然氣屬于化石燃 料，故難以最大程度彰顯分布式供能系統節能減排的優勢。另一方面，隨著家用及小型商用 聯供系統日漸興起，數十千瓦級燃機愈發受人關注。而作為此類小型聯供系統的核心，其在 機組參數、效率及余熱量等方面與大中型機組均有所差別，進而影響到后續與其相匹配設 備的選型與容量選擇，也就導致系統整體設計方案也將不同以往。
[0007] 2)聯供系統是由多個單元組成的復雜能源系統，其中各單元，特別是關鍵設備的 輸入輸出特性對系統整體性能具有舉足輕重的影響。然而由于各部件建模困難，工作量大 等原因導致目前常規的優化設計方法僅以能量流函數入手，未涉及各設備的動態特性。

【發明內容】

[0008] 本發明的目的就是為了解決上述問題，提供一種小型生物質沼氣冷熱電聯供系統 綜合優化方法，以分供系統為參照對象，能源節約率、成本回收率及ccy咸排率為綜合目標， 建立了計及設備變工況特性的小型生物質沼氣內燃發電機組冷熱電聯供系統優化模型，并 求解得到內燃發電機組容量、啟停系數及電制冷比重，實現了小型生物質沼氣聯供系統的 優化設計。
[0009] 為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：
[0010] 一種小型生物質沼氣冷熱電聯供系統綜合優化方法，包括以下步驟：
[0011] 步驟一：針對可產沼氣的給定用戶，模擬其在典型氣象年的全年逐時冷熱電負荷 需求，得到建筑全年冷熱電負荷曲線；
[0012] 步驟二：設計聯供系統主要設備的變工況特性；
[0013] 步驟三：構造設計小型生物質沼氣冷熱電聯供系統；
[0014] 步驟四：確定小型生物質沼氣冷熱電聯供系統的優化變量，包括：
[0015] 內燃發電機組的容量、內燃發電機組啟停系數和電制冷比三個變量，其中電制冷 比審義為：
【主權項】
1. 一種小型生物質沼氣冷熱電聯供系統綜合優化方法，其特征是，包括以下步驟： 步驟一：針對可產沼氣的給定用戶，模擬其在典型氣象年的全年逐時冷熱電負荷需求， 得到建筑全年冷熱電負荷曲線； 步驟二：設計聯供系統主要設備的變工況特性； 步驟三：構造設計小型生物質沼氣冷熱電聯供系統； 步驟四：確定小型生物質沼氣冷熱電聯供系統的優化變量，包括： 內燃發電機組的容量、內燃發電機組啟停系數和電制冷比三個變量，其中電制冷比定 義為：
式中：Qdl和Qab分別表示電制冷機組的電制冷量和吸收式制冷機組的吸收式制冷量； 除內燃發電機組與制冷機組外，依據調研情況設定設備效率值、燃氣與電網發電的二 氧化碳排放系數、算法參數以及能源價格； 步驟五：確定優化約束條件；建立優化設計目標函數，以相對傳統分供系統的節能率、 成本回收率及減排效益為綜合目標；求解優化設計目標函數得到所述步驟四中的優化變 量，進一步得到系統其它設備的最優配置。
2. 如權利要求1所述一種小型生物質沼氣冷熱電聯供系統綜合優化方法，其特征是， 所述步驟二中，聯供系統主要設備包括內燃發電機組、溴化鋰吸收式制冷機和電制冷機； 聯供系統主要設備的變工況特性設計的具體方法為：根據內燃發電機組部分負荷率確 定各項效率參數；根據余熱回收產生的熱水溫度和冷卻水溫度確定溴化鋰吸收式制冷機最 大制冷量；依據設定冷凍水溫度和冷卻水溫度計算電制冷機最大制冷量；通過樣條插值法 擬合得到變工況特性曲線或面。
3. 如權利要求1所述一種小型生物質沼氣冷熱電聯供系統綜合優化方法，其特征是， 所述步驟三中，小型生物質沼氣冷熱電聯供系統包括沼氣預處理設備、儲氣罐、內燃發電機 組、換熱器、輔助鍋爐、吸收式制冷機組、電制冷機組及大電網供電系統； 生物質厭氧發酵產生的沼氣經沼氣凈化設備后進入儲氣罐，用于驅動內燃發電機組發 電，內燃發電機組輸出電能供給用戶、電制冷機、冷卻塔及其他設備用電，同時以大電網系 統為輔助供電電源；采用換熱器水循環系統串聯方式充分回收煙氣余熱和缸套水余熱；回 收熱量適用于驅動小容量的單效吸收式制冷機；所述輔助鍋爐也以沼氣為燃料，用于補充 系統的熱需求缺額；所述電制冷機組配合吸收式制冷機為用戶供冷。
4. 如權利要求1所述一種小型生物質沼氣冷熱電聯供系統綜合優化方法，其特征是， 所述步驟五中， 優化約束條件的確定方法為：在優化計算過程中，保證系統內部冷熱電能量的平衡，并 設定優化變量的上下限，符合設備的變工況特性。
5. 如權利要求1所述一種小型生物質沼氣冷熱電聯供系統綜合優化方法，其特征是， 所述步驟五中， 優化設計目標函數為： max V = ω ^ESR+ ω 2ACR+ ω 3C02ERR 其中
式中PESR為聯供系統能源節約率；ACR為聯供系統通過節約能源費用以回收增加的設 備購置成本所需年限，即年度成本回收率；CO2ERR為聯供系統的二氧化碳減排率；ω2、 ? 3分別代表PESR、ACR、C02EER的權重系數，并滿足0彡ω1Ν ω2、ω3< 1，且ω i+c^+c^ = I ;max V表示綜合目標函數最大化；Gran^Gsp分別表示為聯供系統和分供系統全年總能源消 耗量，CO2Eraip為聯供系統年二氧化碳排放量，CO 2ESP表示分供系統的年二氧化碳排放量；G gas 表示聯供系統所消耗的總燃氣能量，E#id為聯供系統來自大電網的購電量；R OTP、Rsp分別表 示聯供系統與分供系統的設備投資成本；Esp則為分供系統的耗電量；i和j分別表示日和 小時；Pu為j時刻的分時電價、P肩為燃料價格。
6.如權利要求1所述一種小型生物質沼氣冷熱電聯供系統綜合優化方法，其特征是， 根據所述步驟四中得到的優化變量，進一步結合用戶負荷確定吸收式制冷機組、換熱器、輔 助鍋爐及電制冷機的容量，對比本小型生物質沼氣冷熱電聯供系統與天然氣聯供系統在全 年耗氣量、能源成本與CO 2排放量方面的差別。
【專利摘要】本發明公開了一種小型生物質沼氣冷熱電聯供系統綜合優化方法，針對可產沼氣的給定用戶，模擬其在典型氣象年的全年逐時冷熱電負荷需求，得到建筑全年冷熱電負荷曲線；設計聯供系統主要設備的變工況特性；構造設計小型生物質沼氣冷熱電聯供系統；確定小型生物質沼氣冷熱電聯供系統的優化變量，以相對傳統分供系統的節能率、成本回收率及減排效益為綜合目標，并設定小型生物質沼氣冷熱電聯供系統中其他設備的參數；確定優化約束條件；建立優化設計目標函數；求解優化設計目標函數得到優化變量，進一步得到系統其它設備的最優配置。該方法簡便易行，結合建筑物能耗分析理論，可適用于不同種類的小型冷熱電聯供系統工程優化設計。
【IPC分類】G06Q10-04, G06Q50-06
【公開號】CN104766133
【申請號】CN201510102047
【發明人】張承慧, 魏大鈞, 孫波, 沙琮田
【申請人】山東大學
【公開日】2015年7月8日
【申請日】2015年3月9日