燃氣冷熱電聯供系統(tǒng)優(yōu)化研究

摘要

摘要：結合北京某辦公建筑燃氣冷熱電聯供系統(tǒng)，采用eQUEST軟件計算了建筑全年動態(tài)冷熱電負荷。以壽命周期成本最小為目標，建立了優(yōu)化模型，對優(yōu)化后的運行策略進行了探討。分析了市

摘要：結合北京某辦公建筑燃氣冷熱電聯供系統(tǒng)，采用eQUEST軟件計算了建筑全年動態(tài)冷熱電負荷。以壽命周期成本最小為目標，建立了優(yōu)化模型，對優(yōu)化后的運行策略進行了探討。分析了市網平均電價、燃氣價格、冷熱價格對聯供系統(tǒng)投資回收期的影響。

關鍵詞： 辦公建筑；燃氣冷熱電聯供；優(yōu)化模型；運行策略；投資回收期

Optimization Study on Gas-fired Combined Cooling，Heating and Power System

Abstract：The annual dynamic cooling，heat and power loads of all office building using gas-fired combined cooling，heating and power(CCHP)system in Beijing City are calculated by eQUEST software．An optimized model is constructed using the minimum life cycle cost as the objective function and the optimized operation strategy is discussed．The effects of average net electricity price，gas price and cooling and heating prices on investment return period of CCHP system are analyzed．

Key words： office building； gas-fired combined coolin9，heating and power(CCHP)； optimized model； operation strategy； investment return period

燃氣冷熱電聯供系統(tǒng)(以下簡稱聯供系統(tǒng))利用天然氣發(fā)電，利用余熱制冷、制熱，不但降低了污染物排放，還使能源得到梯級利用，提高了能源利用效率^[1-11]。由于聯供系統(tǒng)在夏天利用天然氣發(fā)電，而夏季往往是用氣的淡季，但是電力卻是高峰期，因此起到了電力削峰填谷的作用，也可以減少天然氣冬夏兩季巨大的季節(jié)性峰谷差。本文對辦公樓聯供系統(tǒng)的優(yōu)化進行研究。

1負荷分析及能源價格

1．1 負荷分析

以北京某辦公樓作為研究對象，建筑面積為4．35×10⁴ m²，采用eQUEST模擬軟件計算其全年動態(tài)負荷，夏季、過渡季、冬季典型日的單位建筑面積逐時冷熱電負荷分別見圖1～3。圖中的電負荷僅包括照明、辦公等設備電負荷，不包含冷熱源電負荷。

由圖l～3可知，夏季、過渡季、冬季的電負荷具有相同的特性。隨著上班時間的來臨，開始增長，在中午休息時，由于部分人員外出，出現一個小低谷，然后恢復到正常水平。隨著下班時間的來臨，開始下降，直到加班人員離開辦公樓。夏季電負荷的整體水平高于過渡季、冬季。

夏季。冷負荷在開始上班的時段出現一個小高峰，然后隨著人員的增多和室外溫度的上升而增大。午后冷負荷開始逐漸下降，直到加班人員離開辦公樓?；緵]有熱負荷。

過渡季。由于晨間室外溫度較低，因此在開始上班的時段熱負荷出現一個小高峰。隨著室外溫度的上升，冷負荷逐漸增大，基本沒有熱負荷。直到晚上天氣轉涼后熱負荷再次出現一個小高峰。

冬季。熱負荷在開始上班時段出現高峰，然后較平穩(wěn)運行。臨近下班時間，室外溫度較低，由于有部分加班人員仍在辦公樓內，熱負荷出現上升趨勢，直到加班人員離開辦公樓。由于辦公樓存在內區(qū)，因此冬季仍然存在冷負荷，其變化趨勢與夏季基本相同，只是整體水平較低。

1．2 能源價格

北京現行峰谷電價制度，對于1～10 kV的工商業(yè)用電，尖峰時段電價為1．345元／(kW·h)，高峰時段電價為1．231元／(kW·h)，平時段電價為0．766元／(kW·h)，低谷時段電價為0．326元／(kW·h)。具體分時辦法為：峰段(10：00-15：00，18：00-21：O0)，平段(7：00-10：00，15：00-18：00，21：00-23：00)，谷段(23：00-7：00)。夏季7-9月每天用電高峰(11：00-13：00、20：00-21：00)實施尖峰電價，在高峰時段電價基礎上上浮l0％。北京市發(fā)電(含供熱、供冷)用燃氣的價格為2．28元／m³。

2 聯供系統(tǒng)優(yōu)化模型

2．1 系統(tǒng)流程

由于該辦公樓規(guī)模較小，岡此聯供系統(tǒng)采用燃氣內燃機發(fā)電機組(包括燃氣內燃機、發(fā)電機)+余熱型吸收式冷熱水機組(以下簡稱吸收式機組)，聯供系統(tǒng)流程見圖4。燃氣內燃機燃燒天然氣發(fā)電，吸收式機組利用燃氣內燃機排放煙氣、缸套冷卻水制冷、制熱，缸套冷卻水也可以通過換熱器直接供熱，不足冷、熱量由電制冷機組、燃氣鍋爐補充。電制冷機組優(yōu)先使用聯供系統(tǒng)所發(fā)電力，不足電量由市電網補充。

2．2優(yōu)化模型的建立

① 目標函數

以壽命周期成本最小為日標函數，壽命周期成本F的計算式為：

式中 F——壽命周期成本，元／a

F_b——壽命內設備造價的年折算費用，元／a

F_r——年能耗費用，包括年耗燃氣費用、由市電網購電費用(包括電制冷機組以及照明、辦公等設備的市網電費)，元／a

R——投資回收系數

S——沒備年維修費占造價的比例，為0．03

C_tur——燃氣內燃機發(fā)電機組造價，元

C_ra——吸收式機組造價，元

C_re——電制冷機組造價，元

C_gb——燃氣鍋爐造價，元

i——年利率，為0．07

n——系統(tǒng)壽命，a，為l5 a

②約束條件

考慮到當燃氣內燃機部分負荷率下降到0．5以下時熱效率下降嚴重，因此將燃氣內燃機部分負荷率≥0．5作為約束條件。設備性能、設備負荷率、能流平衡約束條件與文獻[12]相近。

③輸入條件

燃氣內燃機發(fā)電機組單位發(fā)電功率造價為6 000元／kW。吸收式機組單位制冷量造價為ll00元／kW，制冷性能系數為l．39，制熱性能系數為0．925。電制冷機組單位制冷量造價為970元／kW，制冷性能系數為5。燃氣鍋爐單位熱功率造價為600元／kW，熱效率為0．95。換熱器單位熱功率造價為900元／kW。輔助設備的耗電量取以上主要設備耗電量的3％。

3優(yōu)化結果

根據以壽命周期成本最小為目標的優(yōu)化模型，得到優(yōu)化后的聯供系統(tǒng)設備配置方案：燃氣內燃機發(fā)電機組發(fā)電功率為1 000 kW。吸收式機組的制冷量為1 385 kW。電制冷機組、燃氣鍋爐以保證在燃氣內燃機發(fā)電機組停運期間仍能滿足冷熱負荷為原則，電制冷機組的制冷能力為5 340 kW，燃氣鍋爐的熱功率為5 000 kW。換熱器的熱功率為829kW。與之相對應的分供系統(tǒng)采用電制冷機組+燃氣鍋爐。聯供系統(tǒng)與分供系統(tǒng)的經濟比較見表l。