基于生物质气的冷热电联供系统及能量优化控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及生物质能与冷热电联供领域，尤其涉及一种基于生物质能的冷热电联 供系统及其优化控制方法。
【背景技术】
[0002] 在能源短缺和环境污染日趋严重的今天，可再生能源的利用及其关键科学和技术 的研宄备受世人关注。特别是生物质能具有可再生、资源量大、分布广泛、低污染等突出特 点，遂成为一种极具发展潜力的新能源。而分布式冷热电联供系统是一种基于能源梯级利 用概念，集制冷、供热（采暖和供热水）和发电于一体的多联产总能系统，为生物质能的利 用和发展提供了一种崭新而有效的途径。因此，利用生物质气发电，并实现冷热电联供对于 发展循环经济，建设环境友好型社会，推动经济社会可持续发展意义重大。
[0003] 我国生物质资源储备丰富，却始终未能解决普及率差和利用率低等弊端。尤其是 农村生物质沼气仅被用于农户炊事，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，即使较先进的生物质沼气利用也仅以发电为主，未能实现冷热电联供，发电余热 大量浪费。
[0004] 与此同时，现有冷热电联供系统大多仍以天然气为主要能源，但因天然气是有限 的化石燃料，故难以最大程度彰显分布式供能系统的节能减排特性。且现有的冷热电联供 系统通常采用机组全负荷运行，较少考虑变工况特性，或是简单区分夏季、冬季、过渡季负 荷情况的不同，按照"以热定电"或者"以电定热"模式运行，缺少综合考虑经济性、能源利 用率、变工况、热电耦合、分时电价等因素，科学有效的能量管理系统，系统运行效率低。
[0005] 由此可见，优化设计适用于农村地区、生态养殖场等的生物质气冷热电联供系统 以满足其生物质气利用的迫切需求，已成为亟待解决的重要问题，备受企业界与学术界关 注。
【发明内容】
[0006] 为解决现有技术存在的不足，本发明公开了基于生物质气的冷热电联供系统及多 目标能量优化控制方法，该系统适用于农村地区、养殖场等，能够合理高效的利用能量，达 到系统在不同冷热电负荷需求下的经济性和能源利用率达到综合最优。
[0007] 为实现上述目的，本发明的具体方案如下：
[0008] 基于生物质气的冷热电联供系统，包括生物质气内燃发电机组，生物质气内燃发 电机组将生物质气转换成电能、烟气，同时内燃发电机组产生带有余热的缸套水，电能输 送至补光装置及电制冷机组，烟气输送至溴化锂冷温水机组及烟气换热器，带有余热的缸 套水输送至缸套水换热器，溴化锂冷温水机组将冷温水输送至风机盘管，风机盘管与燃气 锅炉相连，燃气锅炉、缸套水换热器及烟气换热器均与蓄水池相连，所述生物质气内燃发电 机组、溴化锂冷温水机组及燃气锅炉及电制冷机组分别与控制系统及上位机监控系统相 连，上位机监控系统将监测到的数据和负荷需求历史数据传送至能量管理系统，能量管理 系统通过调整生物质气内燃发电机组、溴化锂冷温水机组、燃气锅炉及电制冷机组的出力， 保证系统在不同冷热电负荷需求下的经济性和能源利用率达到综合最优。
[0009] 所述蓄水池与清洗系统相连，用于为清洗系统提供所需热水。
[0010] 所述烟气换热器将输出的低温烟气输送到蔬菜大棚。
[0011] 所述溴化锂冷温水机组与冷却塔相连。
[0012] 所述生物质气还与溴化锂冷温水机组及燃气锅炉相连，用于补燃。
[0013] 所述电制冷机组与牛奶冷藏罐相连，用于制冷。
[0014] 所述生物质气内燃发电机组产生的电能与市电并网。
[0015] 基于生物质气的冷热电联供系统的能量优化控制方法，包括以下步骤：
[0016] 步骤一：以母线功率平衡和设备运行约束为约束条件建模；
[0017] 步骤二：以系统总成本、系统能源利用率最优为优化目标建立冷热电联供系统能 量管理模型；
[0018] 步骤三：上位机监控系统对设备运行状态进行监控，以满足步骤一中约束条件为 前提，能量管理系统根据位机监控系统所监控的数据使用粒子群算法求解出系统最优目标 值和各设备不同时段的输出或输入。
[0019] 步骤一建模就是用于步骤三中输出的限制。步骤一建模为建立约束条件，即输出 限制；步骤二建立输出目标函数；步骤三是根据步骤一中限制条件和步骤二中目标进行优 化计算。
[0020] 所述母线功率平衡指母线的能量输入应等于其输出，设备的运行约束指个设备的 输入和输出应在设备的额定运行范围之内。
[0021] 所述步骤一中，母线功率平衡包括电母线功率平衡、烟气母线功率平衡、供热母线 功率平衡、供冷母线功率平衡和热水母线功率平衡。
[0022] 所述设备运行约束包括内燃发电机组运行约束、电制冷机组运行约束、溴化锂冷 温水机组运行约束、燃气锅炉运行约束、缸套水换热器运行约束及烟气换热器运行约束。
[0023] 如图3所示，所述步骤三中，能量管理系统控制流程为：
[0024] (3-1)将上位机监控系统中冷热电负荷需求历史数据导入能量管理系统中；
[0025] (3-2)能量管理系统根据冷热电负荷历史数据，结合当时分时电价、气价、系统运 行成本信息，以系统总成本、系统能源利用率最优为优化目标，进行多目标优化，得到系统 各单元出力情况；
[0026] (3-3)能量管理系统将得到各单元最优出力数据传输给控制系统，控制系统根据 所获信息，调整各单元运行出力，并将各单元运行状态反馈给上位机监控系统；
[0027] (3-4)上位机监控系统检测系统目前冷热电负荷需求情况，包括过负荷、欠负荷及 饱和，并将状态信息传输给能量管理系统；
[0028] (3-5)能量管理系统根据冷热电负荷信息和设备当前运行情况，再次进行优化各 设备运行出力情况，并将数据传输给控制系统。
[0029] 工作原理：生物质气燃料能通过内燃发电机组转换成为电能和烟气余热，电能直 接供给用电负荷、用于牛奶冷藏的电制冷机组、用于蔬菜补光的蔬菜大棚的LED灯，多余电 能则向电网销售，不足电能从电网购买，以满足电负荷需求；烟气通过溴化锂冷温水机组后 产生冷/热媒水，经冷热水泵输送到风机盘管，为用户供冷/热；当烟气余热提供能量不能 满足用户冷/热需求时，可补燃溴化锂冷温水机组进行，以满足冷/热需求。生物质气燃料 能还可通过燃气锅炉转换为热媒水热能、水蒸气热能和烟气余热能，热媒水经热水泵输送 到风机盘管，为用户供热；水蒸气通过水泵输送到蓄水池，为用户提供生活热水。蓄水池水 通过缸套水换热器将缸套水热能回收，得到热水；也可经过烟气换热器，回收发电机组产生 的未被溴化锂冷温水机组利用的烟气余热和燃气锅炉产生的烟气余热，得到热水，为用户 提供CIP清洗系统所需热水和生活热水。通过烟气换热器后的低温烟气输送到蔬菜大棚 中，为植物生长提供热量和二氧化碳。
[0030] 根据负荷需求，内燃机和溴化锂冷温水机组的实际变工况特性，并考虑系统发电 循环和冷热循环的耦合影响，系统热损耗，管道压力损耗等，设计系统能量优化模型；以系 统运行经济性和能源利用率最优为优化目标，综合考虑生物质气价格、热值、可燃气成分含 量、分时电价、负荷动态变化等对系统经济性和能源利用率的影响，根据养殖场一年春、夏、 秋、冬四季，全天24小时冷热电负荷变化数据，采用粒子群算法求解，调整系统生物质气内 燃发电机组、溴化锂冷温水机组、燃气锅炉、电制冷机组出力，保证系统在不同冷热电负荷 需求下的经济性和能源利用率达到综合最优。
[0031] 本发明的有益效果：
[0032] 应用本发明提出的方法，可以开发出专门用于生物质气型冷热电联供系统能量管 理和控制系统，适用于农村地区、生态养殖场等的生物质气冷热电联供系统，根据用户冷热 电负荷需求，调度联供系统工作于最佳运行模式，减少能源消耗，降低运行成本，提高系统 的能源利用率。
【附图说明】
[0033] 图1为本发明冷热电联供系统结构图；
[0034] 图2为本发明冷热电联供系统母线式结构图；
[0035] 图3为本发明冷热电联供系统控制流程图；
[0036] 图中，1、LED灯，2、电制冷机组，3、牛奶冷藏罐，4、内燃发电机组，5、溴化锂冷温水 机组，6、风机盘管，7、缸套水换热器，8、烟气换热器，9、蔬菜大棚，10、燃气锅炉，11、清洗系 统，12、蓄水池，13、冷却塔，14、散热器，15、冷负荷，16、电网，17、热负荷，18、生活热水。
【具体实施方式】：
[0037] 下面结合附图对本发明进行详细说明：
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