一种小型生物质沼气冷热电联供系统综合优化方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及能源技术领域，尤其涉及一种小型生物质沼气冷热电联供系统综合优 化方法。
【背景技术】
[0002] 我国作为农业大国，具有相当丰富的生物质能资源，每年可用于生产生物质气的 资源约折合2. 5亿吨标准煤，能转化当量沼气约1990亿立方米，折合天然气1200亿立方 米，相当于我国2011年天然气消费量1290亿立方米的93%，按照2011年的能源消费总量 (34.8亿吨标准煤）计算，生物质气发展将使中国气体能源消费的比重提高7%左右。而 沼气作为一种典型的生物质气可再生能源，具有热值高、燃烧污染小等优点，1立方米沼气 完全燃烧能产生相当于〇. 7千克无烟煤提供的热量，利用沼气发电不仅可解决电力短缺问 题，又能减少甲烷等温室气体的排放，净化空气环境。
[0003] 然而一个不争的事实是，目前我国大量的生物质资源未能实现合理高效的利用， 如农村生物质沼气大多仅用于农户炊事，其余时间则处于闲置状态，造成了设备、资金及资 源的极大浪费。冷热电联供系统是一种建立在能量梯级利用概念基础上的总能系统，其最 大特点是可对不同品位的热能实现综合梯级利用，同时完成发电、制冷及供热（包括供暖 和热水）三过程，就地满足用户的冷、热、电需求，从而降低远距离供能的传输损失，极大的 提高社会经济效益及能源利用效率。尤其是数十千瓦级的生物质气冷热电联供系统恰好适 合我国生物质资源分散式、小规模应用的需求，其发出的电力可满足手工业、排灌以及边远 地区的生活用电，同时还可极大的缓解农村供热难和局部环境污染的问题，对推动农业结 构调整及建设社会主义新农村具有重要意义。
[0004] 显而易见，我国对数十千瓦级生物质气冷热电联供分布式供能系统的需求十分紧 迫，需求数量巨大。而联供系统作为一种多联产的复杂总能系统，组成结构与运行模式种类 繁多，同时还伴随着建筑物负荷实时变化，从而使得其设计问题变得极为复杂，一旦设计不 当将会导致效率低下及投资浪费等诸多弊端。
[0005] 经过对现有技术的公开文献检索发现，如公开号为CN 1945472的专利以费用和 能耗为优化目标，提出了一种冷热电联供系统的集中优化控制方法，实现了对终端设备运 行参数的控制；申请号为201010147996. 0的专利公开了一种冷热电联供系统能效优化调 度系统，以负荷预测及相关优化计算为基础优化调度各能量单元的出力计划，进而实现了 冷热电能量的供需平衡。虽然上述方法均有效的改善了联供系统性能，但同时也存在一定 不足：
[0006] 1)未涉及针对小型冷热电联供系统，尤其是以生物质为能源的联供系统工程优化 设计。一方面，现有冷热电联供系统大多仍以天然气为主要能源，但由于天然气属于化石燃 料，故难以最大程度彰显分布式供能系统节能减排的优势。另一方面，随着家用及小型商用 联供系统日渐兴起，数十千瓦级燃机愈发受人关注。而作为此类小型联供系统的核心，其在 机组参数、效率及余热量等方面与大中型机组均有所差别，进而影响到后续与其相匹配设 备的选型与容量选择，也就导致系统整体设计方案也将不同以往。
[0007] 2)联供系统是由多个单元组成的复杂能源系统，其中各单元，特别是关键设备的 输入输出特性对系统整体性能具有举足轻重的影响。然而由于各部件建模困难，工作量大 等原因导致目前常规的优化设计方法仅以能量流函数入手，未涉及各设备的动态特性。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种小型生物质沼气冷热电联供系统 综合优化方法，以分供系统为参照对象，能源节约率、成本回收率及ccy咸排率为综合目标， 建立了计及设备变工况特性的小型生物质沼气内燃发电机组冷热电联供系统优化模型，并 求解得到内燃发电机组容量、启停系数及电制冷比重，实现了小型生物质沼气联供系统的 优化设计。
[0009] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0010] 一种小型生物质沼气冷热电联供系统综合优化方法，包括以下步骤：
[0011] 步骤一：针对可产沼气的给定用户，模拟其在典型气象年的全年逐时冷热电负荷 需求，得到建筑全年冷热电负荷曲线；
[0012] 步骤二：设计联供系统主要设备的变工况特性；
[0013] 步骤三：构造设计小型生物质沼气冷热电联供系统；
[0014] 步骤四：确定小型生物质沼气冷热电联供系统的优化变量，包括：
[0015] 内燃发电机组的容量、内燃发电机组启停系数和电制冷比三个变量，其中电制冷 比审义为：
【主权项】
1. 一种小型生物质沼气冷热电联供系统综合优化方法，其特征是，包括以下步骤： 步骤一：针对可产沼气的给定用户，模拟其在典型气象年的全年逐时冷热电负荷需求， 得到建筑全年冷热电负荷曲线； 步骤二：设计联供系统主要设备的变工况特性； 步骤三：构造设计小型生物质沼气冷热电联供系统； 步骤四：确定小型生物质沼气冷热电联供系统的优化变量，包括： 内燃发电机组的容量、内燃发电机组启停系数和电制冷比三个变量，其中电制冷比定 义为：
式中：Qdl和Qab分别表示电制冷机组的电制冷量和吸收式制冷机组的吸收式制冷量； 除内燃发电机组与制冷机组外，依据调研情况设定设备效率值、燃气与电网发电的二 氧化碳排放系数、算法参数以及能源价格； 步骤五：确定优化约束条件；建立优化设计目标函数，以相对传统分供系统的节能率、 成本回收率及减排效益为综合目标；求解优化设计目标函数得到所述步骤四中的优化变 量，进一步得到系统其它设备的最优配置。
2. 如权利要求1所述一种小型生物质沼气冷热电联供系统综合优化方法，其特征是， 所述步骤二中，联供系统主要设备包括内燃发电机组、溴化锂吸收式制冷机和电制冷机； 联供系统主要设备的变工况特性设计的具体方法为：根据内燃发电机组部分负荷率确 定各项效率参数；根据余热回收产生的热水温度和冷却水温度确定溴化锂吸收式制冷机最 大制冷量；依据设定冷冻水温度和冷却水温度计算电制冷机最大制冷量；通过样条插值法 拟合得到变工况特性曲线或面。
3. 如权利要求1所述一种小型生物质沼气冷热电联供系统综合优化方法，其特征是， 所述步骤三中，小型生物质沼气冷热电联供系统包括沼气预处理设备、储气罐、内燃发电机 组、换热器、辅助锅炉、吸收式制冷机组、电制冷机组及大电网供电系统； 生物质厌氧发酵产生的沼气经沼气净化设备后进入储气罐，用于驱动内燃发电机组发 电，内燃发电机组输出电能供给用户、电制冷机、冷却塔及其他设备用电，同时以大电网系 统为辅助供电电源；采用换热器水循环系统串联方式充分回收烟气余热和缸套水余热；回 收热量适用于驱动小容量的单效吸收式制冷机；所述辅助锅炉也以沼气为燃料，用于补充 系统的热需求缺额；所述电制冷机组配合吸收式制冷机为用户供冷。
4. 如权利要求1所述一种小型生物质沼气冷热电联供系统综合优化方法，其特征是， 所述步骤五中， 优化约束条件的确定方法为：在优化计算过程中，保证系统内部冷热电能量的平衡，并 设定优化变量的上下限，符合设备的变工况特性。
5. 如权利要求1所述一种小型生物质沼气冷热电联供系统综合优化方法，其特征是， 所述步骤五中， 优化设计目标函数为： max V = ω ^ESR+ ω 2ACR+ ω 3C02ERR 其中
式中PESR为联供系统能源节约率；ACR为联供系统通过节约能源费用以回收增加的设 备购置成本所需年限，即年度成本回收率；CO2ERR为联供系统的二氧化碳减排率；ω2、 ? 3分别代表PESR、ACR、C02EER的权重系数，并满足0彡ω1Ν ω2、ω3< 1，且ω i+c^+c^ = I ;max V表示综合目标函数最大化；Gran^Gsp分别表示为联供系统和分供系统全年总能源消 耗量，CO2Eraip为联供系统年二氧化碳排放量，CO 2ESP表示分供系统的年二氧化碳排放量；G gas 表示联供系统所消耗的总燃气能量，E#id为联供系统来自大电网的购电量；R OTP、Rsp分别表 示联供系统与分供系统的设备投资成本；Esp则为分供系统的耗电量；i和j分别表示日和 小时；Pu为j时刻的分时电价、P肩为燃料价格。
6.如权利要求1所述一种小型生物质沼气冷热电联供系统综合优化方法，其特征是， 根据所述步骤四中得到的优化变量，进一步结合用户负荷确定吸收式制冷机组、换热器、辅 助锅炉及电制冷机的容量，对比本小型生物质沼气冷热电联供系统与天然气联供系统在全 年耗气量、能源成本与CO 2排放量方面的差别。
【专利摘要】本发明公开了一种小型生物质沼气冷热电联供系统综合优化方法，针对可产沼气的给定用户，模拟其在典型气象年的全年逐时冷热电负荷需求，得到建筑全年冷热电负荷曲线；设计联供系统主要设备的变工况特性；构造设计小型生物质沼气冷热电联供系统；确定小型生物质沼气冷热电联供系统的优化变量，以相对传统分供系统的节能率、成本回收率及减排效益为综合目标，并设定小型生物质沼气冷热电联供系统中其他设备的参数；确定优化约束条件；建立优化设计目标函数；求解优化设计目标函数得到优化变量，进一步得到系统其它设备的最优配置。该方法简便易行，结合建筑物能耗分析理论，可适用于不同种类的小型冷热电联供系统工程优化设计。
【IPC分类】G06Q10-04, G06Q50-06
【公开号】CN104766133
【申请号】CN201510102047
【发明人】张承慧, 魏大钧, 孙波, 沙琮田
【申请人】山东大学
【公开日】2015年7月8日
【申请日】2015年3月9日