基于燃气轮机冷热电联产系统运行策略优化

李天超,李志斌(上海电力学院　自动化工程学院,上海　200090)



基于燃气轮机冷热电联产系统运行策略优化

李天超,李志斌
(上海电力学院自动化工程学院,上海200090)

摘 要：本文提出了燃气轮机冷热电联产系统的最优运行策略，根据某一地区的冷热电负荷以及满足该地区冷热电负荷需求的联产系统和分产系统的模型配置，任意选定该地区一个时间的冷热电负荷，基于多目标评价指标下，得到并且比较不同运行策略的多目标值PCA的大小，比较以电定热和以热定电两种运行方式在燃气轮机冷热电联产系统中哪个更优。

关键词：冷热电分产；冷热电联产；以电定热；以热定电；多目标评价指标

0　引言

长期以来，我国一次能源储备中煤炭最为丰富，石油和天然气相对较少，因此，我国电力行业以传统火电为主，传统的能源的结构特点是大型化，集中化，输配电比较复杂，可靠性弱，适应性不强[1]，煤炭和石油在燃烧过程中产生氮氧化合物，碳氧化合物，而天然气在燃烧过程中很少产生这些物质。随着《能源发展“十二五”规划》，分布式能源被提出，天然气冷热电联产得到了大力的发展[2].鉴于此，国内外许多学者对冷热电联产系统有了大量的研究。目前，对CCHP系统评价指标比较单一，基本以单一的评价指标评价联产系统，但是对不同指标差异性分析比较少，冯志兵等人对几种评价指标做了比较详细的比较[3]。

在以上基础上，以南方某地区某燃气轮机冷热电联产系统为依托，综合考虑一次能源节约率，二氧化碳减排率，费用节约率等因素，选取该南方地区某时刻的冷，热，电负荷，计算在多目标指标下，以电定热[1]和以热定电两种运行方式下的多目标指标PCA，比较得出该时刻针对该地区的最优运行策略。

1　燃气轮机冷热电联产系统基本原理

燃气轮机冷热电三联供系统主要包括燃气轮机，带补燃的余热锅炉，溴化锂制冷机组，热交换设备。燃气轮机冷热电联产系统的原理如图1所示[4]。

图1　燃气轮机冷热电联产系统原理

天然气在燃气轮机燃烧室中燃烧，燃气进入透平做工，带动发电机发电，电量提供用户电负荷。做工后的高温蒸汽进入余热锅炉加热锅炉给水，从而产生饱和蒸汽。饱和蒸汽一方面通过热点换设备向用户供热，满足用户热负荷，另一方面驱动溴化锂吸收式制冷机制冷，满足用户冷负荷。冷凝水返回余热锅炉继续吸收。整个系统中发电机发电满足用户电负荷，不够的通过电网购买，余热锅炉的高温蒸汽不够满足用户冷热负荷的，通过对余热锅炉补燃来满足。

2　冷热电分产系统原理

冷热电分产系统由燃气锅炉，热交换设备，离心式制冷机组成，系统流程图如图2所示。

图2　冷热电分产系统流程图

用户所需要的冷负荷由离心式制冷机提供，离心式制冷机消耗的电量和满足用户电负荷的电量由电网提供。用户所需热负荷由燃气轮机通过燃烧天然气，再通过热交换设备提供。

3　联产系统和分产系统设备数学模型及优化模型建立

在传统的分产系统的基础上，多目标指标模型下，比较冷热电联产系统相对于分产系统的优劣。本文选取夏季典型日某一时间段内，南方某地区的冷热电负荷。通过模型建立，求出“以电定热”和“以热定电”两种运行策略的多目标值PCA，比较两种运行方式的PCA的大小以确定该时间段的最优运行策略。

本文中联产系统和分产系统模型中设计的设备性能参数见表1和表2。

3.1联产系统设备数学模型的建立

3.1.1燃气轮机的发电功率和余热量与燃料量成正比关系[5]

表1　冷热电联产系统配置及设备性能参数

表2　传统分产系统配置及设备性能参数

式（1）中E指燃气轮机实际发电功率，Kw; Q是燃气轮机排气可利用热量，kW；F是输入燃气轮机的天然气热量，kW；Emax0指设计工况下，燃气轮机的额定发电功率，kW；Emax，Emin指燃气轮机实际最大，最小发电功率kW；t0设计工况温度，t0=15℃，t1实际环境温度；a，b，c，d，e是与燃气轮机容量以及工况有关的系数。

3.1.2补燃余热锅炉数学模型

余热锅炉补燃供热量与余热锅炉补燃消耗的热量成正比关系[6]

在式（2）中Q指余热锅炉补燃供热量，kWh；Fsf余热锅炉补燃的燃料热量，kWh；HRh，余热实际运行热效率；hHR0，余热锅炉额定热效率，取0.8；HRb余热锅炉的负荷率。

3.1.3溴化锂吸收式制冷机组数学模型

溴化锂吸收式制冷机的制冷量与制冷所需的热量成正比关系[7]

式（3）中Qc指制冷机的制冷量，kWh；QR指制冷机制冷所需热量，kWh；COP指制冷机实际运行参数

3.2分产系统数学模型的建立

3.2.1燃气锅炉数学模型

燃气锅炉的供热量和燃气锅炉的消耗的燃料热量成正比

式（4）中：Qa指燃气锅炉供热量，kWh；Fa指燃气锅炉消耗的天然气热量，kWh；gbh燃气锅炉的运行热效率，取0.8；

3.2.2离心式制冷机数学模型

离心式制冷机的制冷量和离心式制冷机制冷所需要的电量成正比关系

式（5）中：Qc离心式制冷机的制冷量，kWh；Ec离心式制冷机制冷消耗的电量，kWh；COPc离心式制冷机实际运行性能系数，取4.0。

3.3系统目标函数的确定

本文主要将一次能源节约率P，二氧化碳减排率C，费用节约率A三个指标综合起来作为评价指标。

3.3.1一次能源节约率

本文中将系统购电量和燃料量折合成一次能源。一次能源节约率（P）只满足相同的冷热电负荷情况下，联产系统相对于分产系统的一次能源节约量与分产系统的一次能源消耗量的比值。其中电网输电效率取0.92，电厂平均供电效率取0.377。

3.3.2二氧化碳减排率

二氧化碳减排率指联产系统相对于分产系统的二氧化碳减排量与分产系统的二氧化碳排放量的比值。其中取外购电对应的二氧化碳排放量为877g/kWh，燃烧天然气对应的二氧化碳排放量为220g/kWh。

3.3.3费用节约率

评价主要包括投资成本，维护费用和运行费用。用联产系统相对于分产系统的总费用节约量与分产系统的总费用的比值表示费用节约率。其中年利率取7%，设备残值率取0，设备的寿命年限取20。

3.3.4一次能源节约率，二氧化碳减排率和费用节省率（PCA）最小化

本文中综合评价指标把一次能源节约率，二氧化碳减排率和费用节省率同等看待，取各自的权重为1/3.得到最终的评价指标。

4　系统优化结果分析

在以上的联产系统和分产系统的数学模型下，多目标评价指标下，选取南方某地区一个小时的冷热电负荷，此时环境温度为25℃，用户的电负荷为3000kWh，热负荷为1000kWh，冷负荷为4000kWh。通过计算可以得到“以电定热”运行策略下的多目标评价指标为PCA1=0.1847,“以热定电”运行策略下的多目标评价指标PCA2=0.1709。

5　结论

本文在确定的冷热电联产系统和传统分产系统模型下，采用多目标评价指标评价比较“以电定热”和“以热定电”两种运行方式，其中多目标评价指标包括三个方面，节能性，经济性，环保性，且每个评价指标都采用联产系统相对于分产系统的节约率，从以上结果可以看到，“以电定热”和“以热定电”两种运行方式下的PCA值都大于0，说明在多目标评价指标下联产系统是优于分产系统的，在以上负荷下以电定热的多目标值大于以热定电的评价值，说明在上述负荷和环境下，采用以电定热运行方式是优于以热定电的运行方式的。在确定的联产系统模型下，多目标指标评价下，通过比较两种运行方式的多目标值有助于指导联产系统采用最优的运行策略。

参考文献：

[1]Alanne K,Saari A.Distributed energy generation and sustainable development[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2006,10(06):539-558.

[2]国家发展和改革委员会.能源发展“十二五”规划[M].北京,2013(01).

[3]冯志兵,金红光.冷热电联产系统的评价准则[J].工程热物理学报，2005,26(05):725-728.

[4]胡自勤,蔡睿贤.燃气轮机热电并供系统变工况性能[J].工程热物理学报,1990,11(04):57-360.

[5]陆伟.城市（北京）能源环境中分布式功能系统优化配置研究[D].中国科学院研究生院(工程热物理研究所),2007.

[6]冯志兵，金红光.燃气轮机冷热电联产系统与蓄能变工况特性[J].中国电机工程学报,2006,26(04):25-30.

[7]LI H,Nalim R,Haldi P-A.Thermal Economic optimization of a distributed Multi-generation energy System-A case study of Beijing[J].Applied Thermal Engineering，2006,26:709-719

作者简介：李天超（1990-），男，安徽滁州人，硕士，研究方向:检测技术与自动化装置，节能技术。

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.03.056