一种基于损率分析的园区热力系统能效提升方法与流程

[0001]
本发明属于多种能源综合利用的供能技术领域，涉及园区热力系统能效提升方法，尤其是一种基于损率分析的园区热力系统能效提升方法。


背景技术：

[0002]
我国能源生产量和消费量均已居世界前列，但在能源供给和利用方式上存在着一系列突出问题，如能源结构不合理、能源利用效率不高、可再生能源开发利用比例低、能源安全利用水平有待进一步提高等。针对传统能源布局中在智慧城市建设增速和综合能源交易市场发展的背景下，综合能源服务成为各个能源服务公司争夺终端用户的主要竞争手段。在此背景下，综合能源系统应运而生，其理念突破了传统能源系统的技术、市场和管理壁垒，是电、气、热、冷等各类能源统一规划、统一调度的综合性能源系统，对于推动能源结构转型，推进我国能源革命具有重要意义。综合能源系统势必将成为未来能源系统的主要形态。
[0003]
目前传统的能源系统的冷、热、电等不同供能子系统一般是相互独立的，其功能结构设计与运行控制往往不相关联，使得整个能源系统很难实现最大化的能源利用以及最小化的能源损失。采用多能互补的综合统筹能效分析能够将冷、热、电等各供能子系统进行配合、协调以及优化，从各系统之间的联系入手考虑整个能源总系统的综合性能。
[0004]
目前传统的能源系统，包括多能互补的综合系统多是以能源利用率的角度进行评估，从热力系统角度来看，即多是从热效率的角度进行评估。正是稳定流动的工质，遵循卡诺循环所能做出的最大机械功。或者说，在实质上是表示工质在某一状态下可作的最大机械功。虽然迄今为止完全按卡诺循环进行工作的热机和工质还不存在，但是却有着理论和实践上的重要意义。是理论上工质从某一状态变化到另一状态所能做出的最大机械功。因此可以作为衡量工质质量或者品位的量度，从而使我们根据工质值的大小和损的大小，来确定工质品位的高低和鉴定热力设备(过程)热力学的完善程度，从而指导节能工作。


技术实现要素：

[0005]
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于损率分析的园区热力系统能效提升方法，能够实现整个综合供能系统损率的最小化。
[0006]
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
[0007]
一种基于损率分析的园区热力系统能效提升方法，包括如下步骤：
[0008]
步骤1、结合约束条件，根据前一日的热负荷分配比例对热力系统进行热负荷分配；
[0009]
步骤2、建立各子系统损失及损率模型，根据步骤1的热负荷分配结果，采集地源热泵、燃气锅炉、余热锅炉和电加热的各子系统的运行数据，并根据采集到的数据计算
各子系统的损率、损敏感性，最后计算系统总损率；
[0010]
步骤3、在保证总负荷满足的前提下，首先根据损敏感性调节负荷分配，根据前一日的运行数据可得改变系统损率对应的负荷调节方向，根据实际设备情况设定调节步长δd，每次调节时优先对系统承载能力与总系统负荷需求进行判断，判断为合理后对系统是否需要电加热补偿进行判断，之后进行系统总损率变化的计算；
[0011]
步骤4、重复步骤2和步骤3，直至系统总损率达到最小。
[0012]
而且，所述步骤1的约束条件包括：
[0013]
(1)子系统设备负荷承载能力
[0014]
客观存在的约束，每个子系统设备具有负荷承载上限，安排设备在承载能力之外运行是不现实的。
[0015]
(2)用户热负荷总需求
[0016]
首先需要满足的最基本约束，根据客观的子系统负荷承载能力合理设置调配使总系统负荷承载能力满足用户热负荷需求。
[0017]
(3)辅助系统
[0018]
优先使用地源热泵、燃气锅炉、燃气轮机余热锅炉，以下情况时使用电加热设备进行补偿：各子系统满负荷后系统总负荷仍不能满足需求符合时；为满足总负荷需求而增大某子系统负荷时产生的损率增加大于直接用电加热补偿的损率增加时。
[0019]
而且，所述步骤2的具体步骤包括：
[0020]
(1)建立各子系统损失及损率模型：
[0021]
①
燃气锅炉损失
[0022]
l
g
＝l
gout
+l
gin
，
[0023]
其中外部损失l
gout
包括排烟损失l
ga
，气体未完全燃烧损失l
gb
，散热损失l
gc
，灰渣物理损失l
gd
，即
[0024]
l
gout
＝l
ga
+l
gb
+l
gc
+l
gd
，
[0025]
内部损失l
gin
包括燃烧不可逆损失l
ge
，传热损失l
gf
，即
[0026]
l
gin
＝l
ge
+l
gf
，
[0027]
燃气锅炉总损失
[0028]
l
g
＝l
ga
+l
gb
+l
gc
+l
gd
+l
ge
+l
gf
，
[0029]
燃气锅炉总损率
[0030][0031]
其中，load
g
表示燃气锅炉承载的热负荷。
[0032]
②
余热锅炉损失
[0033]
l
w
＝l
wout
+l
win
，
[0034]
其中外部损失l
wout
包括排烟损失l
wa
，散热损失l
wb
，灰渣物理损失l
wc
，即
[0035]
l
wout
＝l
wa
+l
wb
+l
wc
，
[0036]
内部损失l
win
为传热损失l
wd
，即
[0037]
l
win
＝l
wd
，
[0038]
余热锅炉总损失
[0039]
l
w
＝l
wa
+l
wb
+l
wc
+l
wd
，
[0040]
余热锅炉总损率
[0041][0042]
其中，load
w
表示余热锅炉承载的热负荷。
[0043]
③
地源热泵损失
[0044]
地源热泵系统损失包括地埋管换热器损失l
pa
、空气处理单元损失l
pb
、热泵机组损失l
pc
、系统中各水泵的总能耗∑w
pump
、系统中末端风机的总能耗∑w
fan
，即
[0045]
l
p
＝l
pa
+l
pb
+l
pc
+∑w
pump
+∑w
fan
，
[0046]
地源热泵总损率
[0047][0048]
其中，load
p
表示地源热泵承载的热负荷。
[0049]
④
直接式电加热设备损失
[0050][0051]
其中，t0、t
s
分别为环境温度、设备供暖时的绝对温度，在损失计算时认定其为定值，因而认为电加热设备损失只与电加热设备提供热负荷load
ed
有关系，因此，电加热设备的总损率为
[0052][0053]
(2)计算损敏感性
[0054]
定义系统损敏感性，为损率的变化量与负荷变化量的比值，即
[0055][0056]
针对各子系统：优先调节运行于损率较高工况的子系统，当多个子系统运行于损率较高工况时，应优先调节损敏感性强的子系统；当多个子系统运行于损率较低工况时，应优先调节损敏感性弱的子系统。
[0057]
(3)计算系统总损失
[0058][0059]
系统总损率
[0060][0061]
其中，load
total
表示系统承载的总热负荷；
[0062]
而且，所述步骤3的计算系统总损率变化的计算公式为：
[0063]
[0064]
其中，下标1表示当次优化，下标0表示前一次优化，每日首次优化时，前一次优化的系统总损率定义为0，根据计算结果判断是否需要进行下一次优化。
[0065]
而且，所述步骤3的根据损敏感性调节负荷分配的原则为：优先调节运行于损率较高工况的子系统，当多个子系统运行于损率较高工况时，应优先调节损敏感性强的子系统；当多个子系统运行于损率较低工况时，应优先调节损敏感性弱的子系统。
[0066]
而且，所述步骤3的针对系统承载能力与总系统负荷需求的判断原则为：存在某一个或某几个子系统分配负荷超过其承载能力，判断为不合理；总系统负荷不满足用户热负荷需求，判断为不合理；同时保证各子系统分配负荷不超额，且总系统负荷满足用户热负荷需求，判断为合理。
[0067]
而且，所述步骤3的是否需要电加热补偿的判断原则：各子系统满负荷后系统总负荷仍不能满足需求符合时、为满足总负荷需求而增大某子系统负荷时产生的损率增加大于直接用电加热补偿的损率增加时判断为需要电加热补偿。
[0068]
而且，所述步骤4的判断系统总损率最小的方法为：δe
ltotal
等于0或者趋近0，这表示在该方法下系统总损率已经达到了最小。
[0069]
本发明的优点和积极效果是：
[0070]
1、本发明以子系统为地源热泵、燃气锅炉、燃气轮机余热锅炉、电加热的多能互补生态园区供热系统为研究对象，以热负荷分配为手段，以为评价标准，提出了一种系统能效提升方法。该方法从的角度进行分析，从热力学第二定律的高度，不仅考虑能量的数量，也考虑能量的品质，基于损率最小的原则对园区热力系统热负荷分配进行优化，进一步统筹优化各种供能子系统工作的协调配合，通过分配调节各系统的供热负荷，实现整个系统在满足负荷需求下的最小损率运行。
[0071]
2、本发明能够从损率分析的角度出发，通过不断重新分配园区热力系统中地源热泵、燃气锅炉、余热锅炉、电加热等各子系统的工作中的热负荷，实现整个综合供能系统损率的最小化。
附图说明
[0072]
图1为本发明的处理流程图。
具体实施方式
[0073]
以下结合附图对本发明实施例作进一步详述：
[0074]
一种基于损率分析的园区热力系统能效提升方法，如图1所示，包括如下步骤：
[0075]
步骤1、结合约束条件，根据前一日的热负荷分配比例对热力系统进行热负荷分配。
[0076]
在本实施例中，所述步骤1的约束条件包括：
[0077]
(1)子系统设备负荷承载能力
[0078]
客观存在的约束，每个子系统设备具有负荷承载上限，安排设备在承载能力之外
运行是不现实的。
[0079]
(2)用户热负荷总需求
[0080]
首先需要满足的最基本约束，根据客观的子系统负荷承载能力合理设置调配使总系统负荷承载能力满足用户热负荷需求。
[0081]
(3)辅助系统
[0082]
优先使用地源热泵、燃气锅炉、燃气轮机余热锅炉，以下情况时使用电加热设备进行补偿：各子系统满负荷后系统总负荷仍不能满足需求符合时；为满足总负荷需求而增大某子系统负荷时产生的损率增加大于直接用电加热补偿的损率增加时。
[0083]
步骤2、建立各子系统损失及损率模型，根据步骤1的热负荷分配结果，采集地源热泵、燃气锅炉、余热锅炉和电加热的各子系统的运行数据，并根据采集到的数据计算各子系统的损率、损敏感性，最后计算系统总损率e
ltotal1
。
[0084]
在本实施例中，所述步骤2的具体步骤包括：
[0085]
(1)建立各子系统损失及损率模型：
[0086]
①
燃气锅炉损失
[0087]
l
g
＝l
gout
+l
gin
，
[0088]
其中外部损失l
gout
包括排烟损失l
ga
，气体未完全燃烧损失l
gb
，散热损失l
gc
，灰渣物理损失l
gd
，即
[0089]
l
gout
＝l
ga
+l
gb
+l
gc
+l
gd
，
[0090]
内部损失l
gin
包括燃烧不可逆损失l
ge
，传热损失l
gf
，即
[0091]
l
gin
＝l
ge
+l
gf
，
[0092]
燃气锅炉总损失
[0093]
l
g
＝l
ga
+l
gb
+l
gc
+l
gd
+l
ge
+l
gf
，
[0094]
燃气锅炉总损率
[0095][0096]
其中，load
g
表示燃气锅炉承载的热负荷。
[0097]
②
余热锅炉损失
[0098]
l
w
＝l
wout
+l
win
，
[0099]
其中外部损失l
wout
包括排烟损失l
wa
，散热损失l
wb
，灰渣物理损失l
wc
，即
[0100]
l
wout
＝l
wa
+l
wb
+l
wc
，
[0101]
内部损失l
win
为传热损失l
wd
，即
[0102]
l
win
＝l
wd
，
[0103]
余热锅炉总损失
[0104]
l
w
＝l
wa
+l
wb
+l
wc
+l
wd
，
[0105]
余热锅炉总损率
[0106][0107]
其中，load
w
表示余热锅炉承载的热负荷。
[0108]
③
地源热泵损失
[0109]
地源热泵系统损失包括地埋管换热器损失l
pa
、空气处理单元损失l
pb
、热泵机组损失l
pc
、系统中各水泵的总能耗∑w
pump
、系统中末端风机的总能耗∑w
fan
，即
[0110]
l
p
＝l
pa
+l
pb
+l
pc
+∑w
pump
+∑w
fan
，
[0111]
地源热泵总损率
[0112][0113]
其中，load
p
表示地源热泵承载的热负荷。
[0114]
④
直接式电加热设备损失
[0115][0116]
其中，t0、t
s
分别为环境温度、设备供暖时的绝对温度，在损失计算时认定其为定值，因而认为电加热设备损失只与电加热设备提供热负荷load
ed
有关系，因此，电加热设备的总损率为
[0117][0118]
(2)计算损敏感性
[0119]
定义系统损敏感性，为损率的变化量与负荷变化量的比值，即
[0120][0121]
针对各子系统：优先调节运行于损率较高工况的子系统，当多个子系统运行于损率较高工况时，应优先调节损敏感性强的子系统；当多个子系统运行于损率较低工况时，应优先调节损敏感性弱的子系统。
[0122]
(3)计算系统总损失
[0123][0124]
系统总损率
[0125][0126]
其中，load
total
表示系统承载的总热负荷；
[0127]
步骤3、在保证总负荷满足的前提下，首先根据损敏感性调节负荷分配，根据前一日的运行数据可得改变系统损率对应的负荷调节方向，根据实际设备情况设定调节步长δd，每次调节时优先对系统承载能力与总系统负荷需求进行判断，判断为合理后对系统是否需要电加热补偿进行判断，之后进行系统总损率变化的计算
[0128][0129]
其中，下标1表示当次优化，下标0表示前一次优化，每日首次优化时，前一次优化的系统总损率定义为0，根据计算结果判断是否需要进行下一次优化。
[0130]
在本实施例中，所述步骤3的根据损敏感性调节负荷分配的原则为：优先调节运行于损率较高工况的子系统，当多个子系统运行于损率较高工况时，应优先调节损
敏感性强的子系统；当多个子系统运行于损率较低工况时，应优先调节损敏感性弱的子系统。
[0131]
在本实施例中，所述步骤3的针对系统承载能力与总系统负荷需求的判断原则为：存在某一个或某几个子系统分配负荷超过其承载能力，判断为不合理；总系统负荷不满足用户热负荷需求，判断为不合理；同时保证各子系统分配负荷不超额，且总系统负荷满足用户热负荷需求，判断为合理。
[0132]
在本实施例中，所述步骤3的是否需要电加热补偿的判断原则：各子系统满负荷后系统总负荷仍不能满足需求符合时、为满足总负荷需求而增大某子系统负荷时产生的损率增加大于直接用电加热补偿的损率增加时判断为需要电加热补偿。
[0133]
步骤4、重复步骤2和步骤3，直至系统总损率达到最小，判断系统总损率最小的方法为：等于0或者趋近0，这表示在该方法下系统总损率已经达到了最小。
[0134]
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0135]
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0136]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0137]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0138]
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。