安克¹，李曉江²

　　(1.北京京能清潔能源電力股份有限公司，北京100028；2.山西漳山發電有限責任，山西長治046021)

　　摘要：以系統生物質能利用率、年度CO₂降排率、系統經濟節約量作為目標函數，以冷熱電聯產系統的主要設備容量和熱電比作為決策變量，建立了系統優化模型，利用遺傳算法進行優化計算，得到了聯供系統的優化設計方案。

　　0引言

　　冷熱電聯產系統(CCHP，Combined Cooling，Hea-ting and Power)是臨近用戶小型能源供應系統，它能有效降低電、熱、冷等能量遠距離輸送損失和相應的輸配系統投資，為用戶提供高品質、高可靠性和清潔的能源服務，與普通的單產系統相比，聯產系統具有安全可靠、能源利用率高、環境友好等特點，是一種多輸出的高效能源系統。本文以河北天馬居民社區為研究對象，從系統效率、環境效益、經濟效益三方面出發，選取了3個相關指標作為模型的優化目標，以系統的負荷率和熱電比作為決策變量，對系統能效加以分析，得到系統的優化運行方案。

　　1系統結構及負荷分析

　　圖1中給出了系統能量的流動狀況，系統中電負荷由燃氣輪機發電提供，系統采用連網而不上網的策略，燃氣輪機及蒸汽輪機循環產生的余熱可經吸收式制冷機提供冷量，同時冷負荷需求較高時可借助壓縮式制冷機供冷，熱負荷由余熱鍋爐提供。

　　在進行冷熱電聯產系統設計時，冷、熱、電負荷的逐時對應關系直接影響到系統的配置與運行，逐時負荷的計算分析是三聯供系統優化運行及配置的基礎，本文以河北天馬居民社區為例，對系統負荷狀況進行分析探討，此社區全年負荷數據統計如表1所示。

　　從表1統計數據來看，該社區能源消費分為4個部分，分別為系統制冷能耗、系統制熱能耗、生活熱水能耗及電力能耗。其電力供應能耗逐月變化波動變化不大，全年需求較為平穩，而系統制冷、系統空調供熱及生活熱水能耗隨季節變化波動較大。

　　2多目標函數優化模型

　　2.1確定優化模型目標函數

　　為了得到較高的生物質能利用率、較低的CO₂降排率、較高的系統經濟性能指數，將此3個條件作為模型的評價指標。利用權重系數將三者聯系起來，得出系統的模型優化目標函數如下：

　　2.2決策變量及約束條件

　　文中將系統熱電比和負荷率作為函數的決策變量，大大反映了對系統的CO₂降排率、經濟型指數等因素的影響。在相應時間里系統平均負荷與最大負荷之比的百分數稱為系統負荷率，系統負荷率反應了系統設備的利用程度。系統熱電比反映了系統的熱電需求狀況和系統能量的分配問題，影響著系統的總能利用效率。本文中系統總耗熱量與耗電量的比值定義為熱電比，如式（2）所示：

　　系統約束條件分為等式約束條件和不等式約束條件。分析系統的能量流圖，根據能量輸入輸出平衡原理，得出系統的3個等式約束條件問：電量平衡、冷量平衡、熱量平衡；

　　系統設備的負荷率及運行方式決定了系統的不等式約束條件，相關不等式約束條件如下：

　　3系統優化運算及結果分析

　　基于上述條件，在不同的運行策略下，尋求合適的系統發電負荷率和熱電比，滿足CO₂降排量、生物質能利用率、系統經濟性指數達到最優，該過程的優化屬于多目標優化問題(MOP，Multi-objective Optimiza-tion Problems)。多目標優化的解為1個Pareto最優解集，而不是唯一解。本文采用遺傳算法求解Pareto最優解集。而在實際工程應用中則需綜合考慮相關指標，從Pareto集中選取較為合適的有效解閻。

　　為了對系統Pareto解集進行更加有效的分析，文中根據居民小區的負荷特點，對3個目標函數分別作了優化分析對比。系統的一次能源利用率、CO₂降排率隨系統負荷率和熱電比的變化情況如圖2、圖3所示。

　　由圖2可知，隨著系統負荷率的增加，生物質能利用率也在增加，且負荷率較低時段所對應的生物質能利用率在20％左右。由圖3可知，系統CO₂降排率為負值時，對應系統負荷率較低階段，此時分產系統較聯產系統環境效益更為優越，其變化趨勢在一定范圍內，降排率與熱電比為正比關系，當熱電比達到一定范圍時，CO₂降排率與熱電比顯示為反比關系。

　　文中假定初始投資為定值，系統運行費用決定了系統的總費用，運行策略又直接影響運行費用。文中分別采用“熱定電”和“電定熱”兩種運行模式分析系統的年度運行費用。第一種運行方式已知量選為系統的供熱量，由熱電比可得到系統的發電量，第二種已知量選取系統發電量，根據熱電比定義得到系統的供熱量，輔助鍋爐提供系統不足時的熱量。

　　從圖4和圖5中可看出，“熱定電”運行方式時，當系統經濟性指數達到最優時所對應的熱電比在3.0～4.9左右，然而，“電定熱”運行方式時，當系統經濟性指數達到最優時熱電比在1.2～2.8左右。對比表1，可得出“熱定電”模式下優化結果所對應的熱電比較小，而“熱定電”模式下優化結果所對應的熱電比較大。

　　實際應用中應根據實際負荷特征采用不同的運行方式，經計算分析，在熱電比較大時，為了更大程度滿足用戶的冷、熱、電負荷，應采用“以熱定電”運行模式；在熱電比較小的時段，更適合采用“以電定熱”方式運行，從而使系統達到更高的綜合指數。

　　4結語

　　生物質能冷熱電聯產系統是一種新型高效的總能系統，分析了生物質聯產系統的能量結構和特征，對系統對象的負荷數據進行了分析，建立了以一次能源利用率、CO₂降排率、全年年度費用為目標的多目標優化模型，通過優化分析，可得出以下結論：a)熱電冷聯產系統相對于分產系統來說，并不是任何時候都能處于高能效狀態，若系統發電量較少，處于長期低負荷狀態下工作，聯產系統不能體現高效能，甚至能耗要高于分產系統。為了保證聯產系統發揮本身的高效特性，應使系統負荷率處于50％以上；b)聯產系統運行方式對系統能效狀態有一定影響，系統在熱電比較大的季節時段，更適合采用“以熱定電”運行方式，在熱電比較小的季節時段，更適宜采用“以電定熱”運行方式。