燃机热电冷联供自备电站优化研究

陈吉文

摘要：经济可行性是燃机热电冷联供系统能否被采用的决定性因素之一。本文研究了燃机热电冷联系统组成部分进行分析。考虑到热电冷联产系统设计过程中优化方法，采用遗传算法进行运行策略的优化，确定优化的自备电站的规模与组成形式。在电网售电价较高的条件下，燃机热电冷联供自备电站的建设具有经济可行性。

关键词：燃机；热电冷联供；优化配置；优化运行；

研究表明能源的消耗与环境的恶化有着直接的联系。在日常使用的能源中，清洁能源只占很小的一部分，大部分的能源在制造和传输过程中都可能对环境带来污染。为了提高能源的利用率，降低对环境的破坏，同时也为提高经济的效益，很多学者在能源的循环利用、合理分配等方面开展了大量的研究。因此，燃机热电冷联供（CCHP）具有耗能低、可靠性高、效率高、低排污的特点，是提高能源利用效率、降低电热冷成本和保护生态环境的重要措施。

一、燃机热电冷联供系统

由于燃气轮机的推广大大提升了电能生产的便捷性，与余热锅炉、溴化锂制冷机等共同组合起来的全能量系统满足了电能、热能的分配需求，受到了发达国家的积极推广。燃机的供电效率达30%左右，采用联合循环供电模式后的效率达50%左右，促进了电能生产水平的改善。燃汽机是分布式热、电、冷联产模式的组合代表，其具备站点面积小、操作性能强、传输功率高等特点，满足了新时期电力企业的生产运营成本控制要求。

1、燃气热电冷联供的技术原理

燃机发电又称为燃气－蒸汽联合循环发电，由燃气发电和蒸汽发电两个热力循环系统构成。燃气热电冷联供系统是利用燃料的化学能在燃气轮机的燃烧器中通过燃烧，产生高温、高压烟气推动透平叶轮作功带动发电机发电，电能通过供电系统可供给离心式制冷机组或直接对外输出。燃气轮机排出的中温烟气在余热锅炉中通过与水热交换产生蒸汽，供给溴化锂吸收式制冷机组热能或直接对外供汽。最后低品位的低温烟气被排放。

2、热电冷联供系统的特点

分布式能源系统是热电冷联最大的优势，主要是为了减少了中间输送的环节，直接安装在用户终端，有效的减少了输送过程中的能源损耗，提高了能源的利用率，这种形势能够最大程度的发挥能源的效率。在分布式能源系统中，主要是以气体燃料作为一次能源，然后将后续过程中产生的可再生能源作为辅助能源，将各种能源得到充分的利用，这是热电冷联供的主要形式。在用户终端安装燃气热电冷联供系统，能够将电力、热力、制冷以及蓄能等各项技术进行有效的整合，能够最大程度的满足用户的各种需求，在与公用能源系统的配合方面，二者之间能够进行高效的支持和补充。比如说燃气热电冷联供系统与低压电网以及冷、热水管道中就可以进行互相补充，从而提高了能源供应的可靠性。燃气热电冷联供系统将能源的经济效益发挥到最大程度，同时又保护了环境，符合我国经济发展的长远目标。

3、余热锅炉补燃系统原理

余热锅炉补燃系统可以分为外补燃和内补燃两种。补燃燃料可以采用燃油或天然气。所谓外补燃系统即在锅炉系统外部设有专用的燃烧室，燃烧室中布置有受热面，补燃用空气由补燃风机提供，燃料与补燃空气混合后在补燃燃烧室内燃烧，热烟气进入烟道中与燃机排气混合，将燃机排气加热到预定温度后进入余热锅炉。在提高烟气温度的同时，又产生了部分蒸汽。其优点是补燃量可以设计得较大，当燃机停止运行时，也可以利用外补燃装置的燃烧维持锅炉运行。

二、燃机热电冷联存在的问题

1、燃机热电机组供热成本高

天然气作为优质的清洁能源，目前单位热量的价格是煤炭的3～4倍，在不考虑环保折价和没有政府补贴的情况下，燃机热电供热成本远远高于燃煤热电供热成本。

2、冷热联供负荷峰谷差异明显

对热电冷联供需求较大的高新技术园区受生产班制和气候变化的影响，热负荷一般都具有明显的季节性、昼夜时段性峰谷差异，对机组的安全性和经济性有较大影响。

3、能源价格不合理，制冷市场打不开局面。

据统计，在我国的总能耗中，建筑能耗占30%左右。建筑耗能主要包括采暖、空调、热水、照明、电器、炊事等，其中采暖与空调的能耗占60%左右。实际上，由于政府给予企业电价优惠政策较大，出现“用电省钱不节能，用热节能不省钱”的局面，以致被业界称为电网上的电空调大量消耗了高品位的电能，挤占了溴化锂中央空调制冷的蒸汽价格和生存空间。

三、热力系统优化运行与优化配置

1、热电冷联产系统设计过程中优化方法

本系统规模较小，包含三种类型的能量流：电能，热能，冷却，并且假设本系统已经与电力网相连接，对于其管理策略，仅从生产者的角度予以考虑。使用者有两种：一种是可以购买本系统所产全部电力的电力网，另一种则是局部负荷，局部负荷常被认为是局部邻域，可以购买其所需要的电能，热能和冷却。

首先满足局部邻域的需要，电网应该对所有供电储备进行补给，储电设备内部需要的电力可以忽略不计，内部需要的热力由内部本身提供。本系统中，热电冷联产的各个组件如活塞式发动机，涡轮机，微型燃气轮机，光电发生器，燃料电池系统等，可以替代CHP（热电联产）系统，原因是能量流的类型，可以有其他类型的CHP系统，但本文所指的CHP是一种把活塞式发动机和一个可以同时生产电力及热水的发电机连接在一起的系统。

优化运行的要点在于实现科技经济化的运行，需要降低投资，节省资金、时间、燃料和环境资源，获得更多的效益和舒适度。在联机优化运行方法中，负荷曲线图没有被限定，下一刻的负荷质量是无法预知的。因此，就需要测定系统运作中的负荷，理论上应该测定每时每刻的负荷，实际操作时只能测定每个特定的较短的时短的负荷。这种负荷存在于大多数复杂的系统中。这种方法需要先进的控制硬件和软件。系统在测定快速的负荷时要有快速的反应，但是由于系统含有非电力（加热，制冷）的部件，其热力学性质限制了系统的反应速度。这是联机优化运行方法的最主要的局限性问题，应该进行权衡

2、热力系统优化运行问题及优化算法

热电冷联产系统的优化运行是测定热电联产系统中每个时段的能量流，从而实现所有的负荷需求，把总的日均收益最大化。本配置中使用了能量流的多费率表。

设燃机热电冷联供自备电厂由N个由燃气轮机、补燃式余热锅炉所组成的子热力系统组成。在某一时刻供热（冷）所需的热负荷为Es（k）kJ/h、电负荷为Ps（k）MW，则应使整个热力系统所供的全部电力与热量满足负荷要求，

式中Pck表示城市电网电功率，优化运行计算的目的是在满足一定的电热冷负荷要求下，合理分配机组、尖峰锅炉和城市电网所供电力与热量的比例，确定一定的机组运行工况点，使得整个系统的运行成本最低。

可以看出，在热电联供机组可运行区间内，热和电的可生产产量要受到复杂约束条件的制约，同时，改变热或者电的产量可能会影响电或热的输出。很明显，热电联供的相互依赖对热电生产调度的优化运行带来相当难度。

分析了热电冷联产系统配置各参数的表示形式后，将对这些参数之间的约束关系进行分析。建立约束关系时，主要需从以下几个方面考虑：能量生产部件中应考虑所有的生产界限；热能储备的局限，以及从热能储备罐中提取热能的局限是不可避免的；必须考虑热电比，且各种能源需求必须包括在内；如果电负荷低于CHP最小能量输出，而且电力的价格也很低，热电联产系统的组件必须关闭；如果热负荷低于锅炉的最小热能输出，而且不需要制冷时，辅助锅炉组件必须关闭；由于优化的总持续时间是24小时，一些参数、有效系数等可能会随着境温度或者其他因素而变化，在优化过程中应该给予调整。

结束语综上所述，热电冷联供系统具有能够稳定地提供能量、降低能源消耗费用、实现对能源的有效利用、环保等优点。因此，在给定的负荷和外部条件情况下，燃机热电冷联供自备电站的采用会带来相当的经济效益。

参考文献：

[1]张士杰；李宇红；叶大均.燃机热电冷联供自备电站优化配置研究[J].中国电机工程学院报，2004（10）

[2]吴昊轩.浅谈燃气热电冷联供技术及应用[J].科技创新与应用.2015（23）