生物质冷热电联供系统多目标优化分析

安克¹，李晓江²

　　(1.北京京能清洁能源电力股份有限公司，北京100028；2.山西漳山发电有限责任，山西长治046021)

　　摘要：以系统生物质能利用率、年度CO₂降排率、系统经济节约量作为目标函数，以冷热电联产系统的主要设备容量和热电比作为决策变量，建立了系统优化模型，利用遗传算法进行优化计算，得到了联供系统的优化设计方案。

　　0引言

　　冷热电联产系统(CCHP，Combined Cooling，Hea-ting and Power)是临近用户小型能源供应系统，它能有效降低电、热、冷等能量远距离输送损失和相应的输配系统投资，为用户提供高品质、高可靠性和清洁的能源服务，与普通的单产系统相比，联产系统具有安全可靠、能源利用率高、环境友好等特点，是一种多输出的高效能源系统。本文以河北天马居民社区为研究对象，从系统效率、环境效益、经济效益三方面出发，选取了3个相关指标作为模型的优化目标，以系统的负荷率和热电比作为决策变量，对系统能效加以分析，得到系统的优化运行方案。

　　1系统结构及负荷分析

　　图1中给出了系统能量的流动状况，系统中电负荷由燃气轮机发电提供，系统采用连网而不上网的策略，燃气轮机及蒸汽轮机循环产生的余热可经吸收式制冷机提供冷量，同时冷负荷需求较高时可借助压缩式制冷机供冷，热负荷由余热锅炉提供。

　　在进行冷热电联产系统设计时，冷、热、电负荷的逐时对应关系直接影响到系统的配置与运行，逐时负荷的计算分析是三联供系统优化运行及配置的基础，本文以河北天马居民社区为例，对系统负荷状况进行分析探讨，此社区全年负荷数据统计如表1所示。

　　从表1统计数据来看，该社区能源消费分为4个部分，分别为系统制冷能耗、系统制热能耗、生活热水能耗及电力能耗。其电力供应能耗逐月变化波动变化不大，全年需求较为平稳，而系统制冷、系统空调供热及生活热水能耗随季节变化波动较大。

　　2多目标函数优化模型

　　2.1确定优化模型目标函数

　　为了得到较高的生物质能利用率、较低的CO₂降排率、较高的系统经济性能指数，将此3个条件作为模型的评价指标。利用权重系数将三者联系起来，得出系统的模型优化目标函数如下：

　　2.2决策变量及约束条件

　　文中将系统热电比和负荷率作为函数的决策变量，大大反映了对系统的CO₂降排率、经济型指数等因素的影响。在相应时间里系统平均负荷与最大负荷之比的百分数称为系统负荷率，系统负荷率反应了系统设备的利用程度。系统热电比反映了系统的热电需求状况和系统能量的分配问题，影响着系统的总能利用效率。本文中系统总耗热量与耗电量的比值定义为热电比，如式（2）所示：

　　系统约束条件分为等式约束条件和不等式约束条件。分析系统的能量流图，根据能量输入输出平衡原理，得出系统的3个等式约束条件问：电量平衡、冷量平衡、热量平衡；

　　系统设备的负荷率及运行方式决定了系统的不等式约束条件，相关不等式约束条件如下：

　　3系统优化运算及结果分析

　　基于上述条件，在不同的运行策略下，寻求合适的系统发电负荷率和热电比，满足CO₂降排量、生物质能利用率、系统经济性指数达到最优，该过程的优化属于多目标优化问题(MOP，Multi-objective Optimiza-tion Problems)。多目标优化的解为1个Pareto最优解集，而不是唯一解。本文采用遗传算法求解Pareto最优解集。而在实际工程应用中则需综合考虑相关指标，从Pareto集中选取较为合适的有效解阎。

　　为了对系统Pareto解集进行更加有效的分析，文中根据居民小区的负荷特点，对3个目标函数分别作了优化分析对比。系统的一次能源利用率、CO₂降排率随系统负荷率和热电比的变化情况如图2、图3所示。

　　由图2可知，随着系统负荷率的增加，生物质能利用率也在增加，且负荷率较低时段所对应的生物质能利用率在20％左右。由图3可知，系统CO₂降排率为负值时，对应系统负荷率较低阶段，此时分产系统较联产系统环境效益更为优越，其变化趋势在一定范围内，降排率与热电比为正比关系，当热电比达到一定范围时，CO₂降排率与热电比显示为反比关系。

　　文中假定初始投资为定值，系统运行费用决定了系统的总费用，运行策略又直接影响运行费用。文中分别采用“热定电”和“电定热”两种运行模式分析系统的年度运行费用。第一种运行方式已知量选为系统的供热量，由热电比可得到系统的发电量，第二种已知量选取系统发电量，根据热电比定义得到系统的供热量，辅助锅炉提供系统不足时的热量。

　　从图4和图5中可看出，“热定电”运行方式时，当系统经济性指数达到最优时所对应的热电比在3.0～4.9左右，然而，“电定热”运行方式时，当系统经济性指数达到最优时热电比在1.2～2.8左右。对比表1，可得出“热定电”模式下优化结果所对应的热电比较小，而“热定电”模式下优化结果所对应的热电比较大。

　　实际应用中应根据实际负荷特征采用不同的运行方式，经计算分析，在热电比较大时，为了更大程度满足用户的冷、热、电负荷，应采用“以热定电”运行模式；在热电比较小的时段，更适合采用“以电定热”方式运行，从而使系统达到更高的综合指数。

　　4结语

　　生物质能冷热电联产系统是一种新型高效的总能系统，分析了生物质联产系统的能量结构和特征，对系统对象的负荷数据进行了分析，建立了以一次能源利用率、CO₂降排率、全年年度费用为目标的多目标优化模型，通过优化分析，可得出以下结论：a)热电冷联产系统相对于分产系统来说，并不是任何时候都能处于高能效状态，若系统发电量较少，处于长期低负荷状态下工作，联产系统不能体现高效能，甚至能耗要高于分产系统。为了保证联产系统发挥本身的高效特性，应使系统负荷率处于50％以上；b)联产系统运行方式对系统能效状态有一定影响，系统在热电比较大的季节时段，更适合采用“以热定电”运行方式，在热电比较小的季节时段，更适宜采用“以电定热”运行方式。