本发明涉及异构能源系统优化技术领域，具体涉及一种基于经济及环境分析的异构能源系统性能优化方法。
背景技术：
异构能源系统是以天然气、太阳能等多种一次能源为输入能源，包含二次能源生产系统、二次能源传输系统以及能源消费系统等子系统，应用各种能源传输、存储与转换装置，实现冷、热、电、汽等能源产品联供以及“源-网-荷-储-用”各环节耦合运行的大型综合能源系统，其具备异质性、多模性、结构复杂性等特点，涉及各种能源行业，且运行机理复杂，因此对其进行综合全面的性能研究如能源利用水平、经济效益、生态性能等以寻求其改进优化方向和潜力则显得尤为重要。然而，目前的系统研究方法一般只针对单一子系统或设备进行性能研究，且现阶段的异构能源系统目标函数如能耗、经济成本等并不能全面分析研究异构能源系统性能，也不能全面准确指出异构能源系统的改进优化之处。
技术实现要素：
为了克服现有技术存在的缺陷与不足，本发明提供一种基于经济及环境分析的异构能源系统性能优化方法，有效解决现有异构能源系统研究方法未能全面有效分析研究异构能源系统性能的技术问题，为异构能源系统的性能分析评价以及寻求改进优化的方向和潜力提供理论指导和实践依据，实现异构能源系统的能源高效利用、系统经济运行以及低碳、可持续性发展。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于经济及环境分析的异构能源系统性能优化方法，包括下述步骤：
选择异构能源系统，确定异构能源系统内部结构及组成，建立异构能源系统工艺流程；
基于概念与平衡原理建立异构能源系统的分析数学模型；
基于经济学原理和系统经济性分析方法建立异构能源系统的经济分析数学模型；
基于环境学原理和系统全生命周期评价方法建立异构能源系统的环境分析数学模型；
基于异构能源系统工艺流程及各设备的运行参数求解分析数学模型；
通过求解分析数学模型，获得异构能源系统中各物流值数据；
结合各物流值数据和系统经济分析数据，求解经济分析数学模型，结合各物流数据和系统全生命周期评价数据，求解环境分析数学模型；
以异构能源系统的效率、经济因子、环境因子为目标函数，基于所得异构能源系统各物流值数据、经济数据、环境分析数据，计算获得目标函数值，分析研究异构能源系统性能，进行异构能源系统性能优化。
作为优选的技术方案，所述确定异构能源系统内部结构及组成，具体包括系统输入能源、系统输出能源、以及所采用的能源生产、转换及储存设备。
作为优选的技术方案，所述基于概念与平衡原理建立异构能源系统的分析数学模型，具体表示包括：
其中，exin,i、exout,j表示异构能源系统各输入、输出物流的值；exd,sys表示异构能源系统的整体损；n、m表示异构能源系统燃料输入物流、产品输出物流的数量；ex表示异构能源系统某股物流的值；表示异构能源系统某股物流的质量；ex表示异构能源系统某股物流各种的加和；表示异构能源系统某股物流的物理化学h、s表示异构能源系统某股物流实际状态下的比焓、比熵；h0、s0、t0表示异构能源系统某股物流参考状态下的比焓、比熵、温度；表示异构能源系统某股物流中某种组分的标准化学xi表示异构能源系统某股物流中某种组分的摩尔分数；r表示通用气体常数。
作为优选的技术方案，所述基于经济学原理和系统经济性分析方法建立异构能源系统的经济分析数学模型，具体表示为：
其中，表示异构能源系统各燃料输入物流、产品输出物流的经济成本值；表示异构能源系统各燃料输入物流、产品输出物流的单位经济成本值；表示异构能源系统各燃料输入物流、产品输出物流的值；zsys、表示异构能源系统的整体非能量投资成本、成本率；表示异构能源系统的整体资本投资；表示异构能源系统的运营维护成本；n、m表示异构能源系统燃料输入物流、产品输出物流的数量；crf表示异构能源系统的资本回收系数；表示异构能源系统的维护系数；n表示异构能源系统的年运行时间；a表示利率；b表示异构能源系统的运行寿命。
作为优选的技术方案，基于环境学原理和系统全生命周期评价方法建立异构能源系统的环境分析数学模型，具体表示为：
其中，表示异构能源系统各燃料输入物流、产品输出物流的环境影响值；表示异构能源系统各燃料输入物流、产品输出物流的单位环境影响值；表示异构能源系统各燃料输入物流、产品输出物流的值；n、m表示异构能源系统燃料输入物流、产品输出物流的数量；ysys表示异构能源系统全生命周期过程产生的环境影响；表示异构能源系统中各设备制造过程产生的环境影响，包括制造、运输与安装等过程；表示异构能源系统运行和维护过程产生的环境影响；表示异构能源系统中各设备处置过程产生的环境影响。
作为优选的技术方案，所述基于异构能源系统工艺流程及各设备的运行参数求解分析数学模型，具体步骤包括：
基于异构能源系统工艺流程及各设备的运行参数，获得系统参数，所述系统参数包括各物流的温度、压力和质量流量，计算得到各物流的比焓和比熵，求解分析数学模型，获得系统各物流的值和系统整体损。
作为优选的技术方案，所述求解经济分析数学模型，具体步骤包括：通过异构能源系统的经济性分析，获得系统经济分析数据，包括资本投资、运营维护成本和输入燃料的能量单价，建立辅助方程，并以各物流值数据和系统经济分析数据为已知输入量，通过解方程组的形式求解经济分析数学模型。
所述求解环境分析数学模型，具体步骤包括：通过异构能源系统的全生命周期评价，获得系统全生命周期过程产生的环境影响、输入燃料产生的环境影响，建立辅助方程，并以各物流数据和系统全生命周期评价数据为已知输入量，通过解方程组的形式求解环境分析数学模型。
作为优选的技术方案，所述效率具体表示为：
其中，α表示异构能源系统的效率；exin,i表示异构能源系统各输入能源的值；n表示异构能源系统输入能源的数量；exout,j表示异构能源系统各输出能源的值；m表示异构能源系统输出能源的数量；
所述经济因子具体表示为：
其中，β表示异构能源系统的经济因子；表示异构能源系统的整体资本投资；cd,sys表示异构能源系统的整体损成本；表示异构能源系统输入燃料的单位经济成本；exd,sys表示异构能源系统的整体损；
所述环境因子具体表示为：
其中，γ表示异构能源系统的环境因子；bd,sys表示异构能源系统的损环境影响；表示异构能源系统输入燃料的单位环境影响；exd,sys表示异构能源系统的整体损；表示异构能源系统各设备制造过程产生的环境影响。
作为优选的技术方案，所述进行异构能源系统性能优化，优化方向具体为：
当系统各目标函数值与系统性能均小于设定的基准值时，从减少系统设备损、减少系统过程损方向进行改进优化。
本实施例还提供一种基于经济及环境分析的异构能源系统性能优化系统，包括：异构能源系统工艺流程构建模块、分析数学模型构建模块、经济分析数学模型构建模块、环境分析数学模型构建模块、分析数学模型求解模块、经济分析数学模型求解模块、环境分析数学模型求解模块和优化模块；
所述异构能源系统工艺流程构建模块用于选择异构能源系统，确定异构能源系统内部结构及组成，建立异构能源系统工艺流程；
所述分析数学模型构建模块用于基于概念与平衡原理建立异构能源系统的分析数学模型；
所述经济分析数学模型构建模块用于基于经济学原理和系统经济性分析方法建立异构能源系统的经济分析数学模型；
所述环境分析数学模型构建模块用于基于环境学原理和系统全生命周期评价方法建立异构能源系统的环境分析数学模型；
所述分析数学模型求解模块用于基于异构能源系统工艺流程及各设备的运行参数求解分析数学模型；
所述经济分析数学模型求解模块用于通过求解分析数学模型，获得异构能源系统中各物流值数据，结合各物流值数据和系统经济分析数据，求解经济分析数学模型；
所述环境分析数学模型求解模块用于通过求解分析数学模型，获得异构能源系统中各物流值数据，结合各物流数据和系统全生命周期评价数据，求解环境分析数学模型；
所述优化模块用于以异构能源系统的效率、经济因子、环境因子为目标函数，基于所得异构能源系统各物流值数据、经济数据、环境分析数据，计算获得目标函数值，分析研究异构能源系统性能，进行异构能源系统性能优化。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
本申请提供了一种基于经济及环境分析的异构能源系统性能研究方法，通过构建并求解异构能源系统的经济、环境分析数学模型，并采用系统效率、系统经济因子、系统环境因子作为目标函数，研究异构能源系统中包括能源利用水平、经济效益以及生态性能等的系统性能，寻求异构能源系统的改进优化方向和潜力，解决了现有的能源系统研究方法未能全面有效分析研究异构能源系统性能的技术问题，为异构能源系统的性能分析评价以及寻求改进优化的方向和潜力提供理论指导和实践依据，实现异构能源系统的能源高效利用、系统经济运行以及低碳、可持续性发展。
附图说明
图1为本实施例1基于经济及环境分析的异构能源系统性能优化方法的流程示意图；
图2为本实施例1基于经济及环境分析的异构能源系统性能优化方法的异构能源系统框架图；
图3为本实施例2基于经济及环境分析的异构能源系统性能优化方法的异构能源系统工艺流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种基于经济及环境分析的异构能源系统性能优化方法，包括下述步骤：
s1：确定异构能源系统内部条件，建立异构能源系统工艺流程；
如图2所示，根据所研究异构能源系统，确定系统的内部结构及组成，具体包括：
系统输入能源，包括但不限于天然气等一次能源、太阳能等可再生能源等；
系统输出能源，包括但不限于电力、冷能、热能等；
所采用的能源生产、转换及储存等设备，包括但不限于燃气轮机、燃气内燃机、光伏电池、余热锅炉、蒸汽轮机、制冷机组、蓄电池、蓄热罐、蓄冷槽等，建立所研究异构能源系统的工艺流程。
s2：依据所建工艺流程，基于概念、经济学原理、环境学原理，建立异构能源系统的分析、经济分析及环境分析数学模型；
在本实施例中，对异构能源系统中的物流展开分析，其值主要考虑物理和化学化学只有系统中发生化学反应时需要考虑和计算，因此除燃料等特殊物流需考虑化学外，其他只计算物流的物理值。
基于概念与平衡原理，建立异构能源系统的分析数学模型，具体表示为：
其中，exin,i、exout,j表示异构能源系统各输入、输出物流的值；exd,sys表示异构能源系统的整体损；n、m表示异构能源系统燃料输入物流、产品输出物流的数量；ex表示异构能源系统某股物流的值；表示异构能源系统某股物流的质量；ex表示异构能源系统某股物流各种的加和；表示异构能源系统某股物流的物理化学h、s表示异构能源系统某股物流实际状态下的比焓、比熵；h0、s0、t0表示异构能源系统某股物流参考状态下的比焓、比熵、温度；表示异构能源系统某股物流中某种组分的标准化学xi表示异构能源系统某股物流中某种组分的摩尔分数；r表示通用气体常数。
在本实施例中，基于经济学原理和系统经济性分析方法，建立异构能源系统的经济分析数学模型，具体为：
其中，表示异构能源系统各燃料输入物流、产品输出物流的经济成本值；表示异构能源系统各燃料输入物流、产品输出物流的单位经济成本值；表示异构能源系统各燃料输入物流、产品输出物流的值；zsys、表示异构能源系统的整体非能量投资成本、成本率；表示异构能源系统的整体资本投资；表示异构能源系统的运营维护成本；n、m表示异构能源系统燃料输入物流、产品输出物流的数量；crf表示异构能源系统的资本回收系数；表示异构能源系统的维护系数；n表示异构能源系统的年运行时间；a表示利率；b表示异构能源系统的运行寿命。
在本实施例中，基于环境学原理和系统全生命周期评价方法，建立异构能源系统的环境分析数学模型，具体为：
其中，表示异构能源系统各燃料输入物流、产品输出物流的环境影响值；表示异构能源系统各燃料输入物流、产品输出物流的单位环境影响值；表示异构能源系统各燃料输入物流、产品输出物流的值；n、m表示异构能源系统燃料输入物流、产品输出物流的数量；ysys表示异构能源系统全生命周期过程产生的环境影响；表示异构能源系统中各设备制造过程产生的环境影响，包括制造、运输与安装等过程；表示异构能源系统运行和维护过程产生的环境影响；表示异构能源系统中各设备处置过程产生的环境影响。
s3：基于所建分析、经济分析、环境分析数学模型，基于异构能源系统与设备运行状态参数、系统经济性分析数据、系统生命周期评价数据，求解所建数学模型，获得系统各物流的经济、环境的相关数据；
在本实施例中，基于所建分析、经济分析、环境分析数学模型，以及异构能源系统与设备运行状态参数如系统输入物流的温度、压力及质量流量等；
在本实施例中，系统设备运行参数如温度、压力等；
在本实施例中，系统经济性分析数据如系统设备投资成本、运行及维护成本等；
在本实施例中，系统生命周期评价数据如系统设备制造、运行及维护、处理等过程产生的环境影响等；
在本实施例中，求解所建数学模型，获得系统各物流的经济、环境分析的相关数据如系统各物流值等。
在本实施例中，分析、经济分析、环境分析数学模型的具体求解过程如下：
1)分析数学模型求解
基于异构能源系统工艺流程及各设备的运行参数如温度t、压力p等，获得系统各物流的温度t、压力p、质量流量等参数，继而计算得到各物流的比焓h0、比熵s0等数据；基于以上所获数据，求解分析数学模型，获得系统各物流的值ex、系统整体损exd,sys等数据。
2)经济分析数学模型求解
通过求解分析数学模型，获得异构能源系统中各物流值数据；通过异构能源系统的经济性分析，获得系统的资本投资运营维护成本输入燃料的能量单价如天然气气价(元/kj)等数据，继而计算获得系统的非能量投资成本率输入燃料的经济成本建立辅助方程，并以各物流值数据和系统经济分析数据为已知输入量，通过解方程组的形式来求解经济分析数学模型，获得系统各产品物流的经济成本单位经济成本等数据。
在本实施例中，辅助方程根据系统工艺流程和系统物流输入输出关系，以及燃料-产品原则建立，具体求解过程是将各平衡方程跟辅助方程形成方程组，通过解方程组来求解数学模型，而物流值以及经济分析数据则作为方程组的一些已知量。
3)环境分析数学模型求解
通过求解分析数学模型，获得异构能源系统中各物流值数据；通过异构能源系统的全生命周期评价，获得系统全生命周期过程产生的环境影响ysys、输入燃料产生的环境影响根据系统工艺流程和系统物流输入输出关系，基于燃料-产品原则建立辅助方程，并以各物流数据和系统全生命周期评价数据为已知输入量，通过解方程组的形式来求解环境分析数学模型，获得系统各产品物流的环境影响单位环境影响等数据。
s4：以异构能源系统的效率、经济因子、环境因子为目标函数，基于所得异构能源系统各物流经济、环境分析的相关数据，计算获得三个目标函数值，分析研究异构能源系统性能，寻求系统改进优化方向。
在本实施例中，构建的异构能源系统目标函数包括效率、经济因子、环境影响因子，具体表示为：
1)效率
式中，α表示异构能源系统的效率；exin,i表示异构能源系统各输入能源的值；n表示异构能源系统输入能源的数量；exout,j表示异构能源系统各输出能源的值；m表示异构能源系统输出能源的数量。
2)经济因子
式中，β表示异构能源系统的经济因子；表示异构能源系统的整体资本投资；cd,sys表示异构能源系统的整体损成本；表示异构能源系统输入燃料的单位经济成本；exd,sys表示异构能源系统的整体损。
3)环境因子
式中，γ表示异构能源系统的环境因子；bd,sys表示异构能源系统的损环境影响；表示异构能源系统输入燃料的单位环境影响；exd,sys表示异构能源系统的整体损；表示异构能源系统各设备制造过程产生的环境影响，包括制造、运输与安装等过程。
在本实施例中，基于所获异构能源系统各物流经济及环境分析的相关数据，依据异构能源系统各目标函数的具体计算公式，计算各目标函数值，分析研究异构能源系统性能，寻求系统改进优化方向，具体准则为：
1)系统效率越高，系统损越小，能源利用水平越高；
2)系统经济因子越大，系统损成本越低，系统经济效益越好；
3)系统环境因子越大，系统损环境影响越小，系统生态性能越好。
4)系统改进优化方向：当系统各目标函数值较小，系统性能较差时，从减少系统设备损、减少系统过程损等方向进行改进优化。
本实施例基于热力学第二定律的分析法从能量品质的角度，量化系统不可逆损失，分析系统性能下降的本质原因，反映系统能量利用水平，挖掘系统性能提升潜力，评价多能量品质产品异构能源系统的运行效果；分析和经济性分析相结合的经济分析方法综合运用热力学原理和经济学原理，计算系统各产品的能量生产成本，量化系统的能量品质差异，综合评价异构能源系统的能效水平和经济效益；分析和全生命周期评价相结合的环境分析法是从系统组件层面上，计算系统组件的环境影响，继而计算出系统的总环境影响以及相关环境评价指标，揭示系统中各组成部分对总环境影响的贡献程度以及确定该影响来源，分析评价系统的生态性能，寻求提高生态性能的方向和潜力。
实施例2
上述实施例1针对一个普适性的异构能源系统，本实施例针对一个具体的系统，包括各种输入输出能源、系统具体设备等，建立具体的数学模型以及提供具体的数据，能更加清晰的阐述方法的应用过程。
本实施例提供一种基于经济及环境分析的异构能源系统性能优化方法，包括下述步骤：
确定所研究异构能源系统的内部条件，建立异构能源系统工艺流程。
如图3所示，确定本实施例中所研究异构能源系统的内部结构及组成，具体包括：系统输入能源为天然气、网购电、尿素、冷却水、冷冻水；系统输出能源为电力、冷冻水；系统主要能源生产和转换设备为空压机、燃气内燃机、脱硝反应器、热水板换、烟气热水型溴化锂机组、电制冷机组、加药泵；根据设备及物流输入输出的关系，建立所研究异构能源系统的工艺流程。
基于概念、经济学原理、环境学原理，建立异构能源系统经济及环境分析数学模型。
在本实施例中，依据所建异构能源系统的工艺流程，基于概念、经济学原理、环境学原理，构建异构能源系统分析、经济分析、环境分析数学模型分别如表1、2、3所示，其中，ex表示系统物流w表示系统设备的电能输入功或输出功，c表示系统物流的经济成本，c表示系统物流的单位经济成本，f表示燃料，p表示产品，表示系统或设备的非能量投资成本，b表示系统物流的环境影响，b表示系统物流的单位环境影响，y表示系统或设备生命周期过程产生的环境影响；下标字母中d表示系统或设备的损失，sys表示全系统，大写字母缩写表示系统工艺设备；下标数字表示系统工艺流程中物流编号。
表1系统分析数学模型
表2系统经济分析数学模型
表3系统环境分析数学模型
基于异构能源系统与设备运行状态参数、经济分析数据、生命周期评价数据，求解所建数学模型。
在本实施例中，基于异构能源系统与设备运行状态参数如温度、压力等，获得系统中各物流温度、压力等物性参数，计算得到各物流比焓、比熵等，求解分析数学模型，得到系统各物流值；基于各物流及系统经济分析数据，求解经济分析数学模型，得到系统各产品单位经济成本值；基于各物流及系统生命周期评价数据，求解环境分析数学模型，得到系统各产品单位环境影响；具体数据如表4所示。
表4系统经济、环境分析数学模型求解结果
基于模型求解结果及目标函数计算公式，计算目标函数值，分析研究异构能源系统性能，寻求系统改进优化方向。
更具体地，基于上述经济、环境分析数学模型求解数据及各目标函数具体计算公式，计算得到各目标函数值，计算结果如表5所示。
表5系统各目标函数计算结果
更具体地，基于计算所得各目标函数计算结果，分析评价该异构能源系统性能，寻求改进优化方向，具体包括：1)该系统的效率为42.14％，说明系统过程损较大，系统能源利用水平不理想；2)该系统的经济因子为4.04％，说明系统过程损所造成的成本损失占比较大，系统经济效益不佳；3)该系统的环境因子为11.01％，说明系统过程损所引起的环境影响占比较大，系统生态性能较低；通过改进工艺设备参数等操作优化系统，减少设备损及系统过程损，进而提高系统能源利用水平、经济效益以及生态性能等。
实施例3
本实施例还提供一种基于经济及环境分析的异构能源系统性能优化系统，包括：异构能源系统工艺流程构建模块、分析数学模型构建模块、经济分析数学模型构建模块、环境分析数学模型构建模块、分析数学模型求解模块、经济分析数学模型求解模块、环境分析数学模型求解模块和优化模块；
在本实施例中，异构能源系统工艺流程构建模块用于选择异构能源系统，确定异构能源系统内部结构及组成，建立异构能源系统工艺流程；
在本实施例中，分析数学模型构建模块用于基于概念与平衡原理建立异构能源系统的分析数学模型；
在本实施例中，经济分析数学模型构建模块用于基于经济学原理和系统经济性分析方法建立异构能源系统的经济分析数学模型；
在本实施例中，环境分析数学模型构建模块用于基于环境学原理和系统全生命周期评价方法建立异构能源系统的环境分析数学模型；
在本实施例中，分析数学模型求解模块用于基于异构能源系统工艺流程及各设备的运行参数求解分析数学模型；
在本实施例中，经济分析数学模型求解模块用于通过求解分析数学模型，获得异构能源系统中各物流值数据，结合各物流值数据和系统经济分析数据，求解经济分析数学模型；
在本实施例中，环境分析数学模型求解模块用于通过求解分析数学模型，获得异构能源系统中各物流值数据，结合各物流数据和系统全生命周期评价数据，求解环境分析数学模型；
在本实施例中，优化模块用于以异构能源系统的效率、经济因子、环境因子为目标函数，基于所得异构能源系统各物流值数据、经济数据、环境分析数据，计算获得目标函数值，分析研究异构能源系统性能，进行异构能源系统性能优化。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。