CN102411303B - 一种燃气型冷热电联供系统的优化调度装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了设备优化运行技术领域中的一种燃气型冷热电联供系统的优化调度装置及方法。本发明包括人机界面、数据采集与管理器、综合性能运算器和运行模式选择器；数据采集与管理器采集、存储和管理冷热电联供系统的运行数据，人机界面用于人工输入数据并显示计算出的性能参数，综合性能运算器计算以电定热和以热定电模式下的各性能参数，运行模式选择器根据运行数据和性能参数确定出最优运行模式并送回冷热电联供系统的运行控制环路。应用本发明可以使调度冷热电联供系统工作于最佳运行模式，减少能源消耗与温室气体排放，降低运行成本，提高系统的综合运行性能。

Description

一种燃气型冷热电联供系统的优化调度装置及方法

技术领域

本发明属于设备优化运行技术领域，尤其涉及一种燃气型冷热电联供系统的优化调度装置及方法。

背景技术

燃气型冷热电联供系统以天然气为主要燃料(也可使用煤气、沼气或油气等其它可燃气体)，将燃气轮机、发电机、热回收和制冷装置整合为一个整体，通过统一管理制冷、供热及供电过程，实现能源的梯级利用，进而达到提高能源利用效率，减少污染物排放的目的。有资料显示，冷热电联供系统的燃料利用效率可达70％～90％，明显优于传统燃煤机组。

但是，冷、热、电能的产生在燃气型联供系统中是由不同装置完成的，各装置之间必须密切配合，才能实现能量转换过程中的逐级匹配；同时，冷、热、电能的负荷需求存在很大的不确定性，季节、天气、工农业生产、社会生活、重大活动等都会对其产生显著影响。因此，只有根据负荷变化及节能环保需求，适时调整冷热电联供系统的运行方式，提高机组运行水平，才能充分发挥其结构优势，有效提高系统的综合效益。

目前，燃气型冷热电联供系统的典型运行模式有两种：以电定热模式和以热定电模式。

在以电定热模式下，燃气轮机带动发电机产生的电能完全匹配用户对电负荷的需求，其排放的高温烟气(废热)送入热回收装置，制冷和加热装置将回收的热能转换为用户所需的冷、热负荷(制冷和加热装置均需要热能驱动)。此时，若热回收装置回收的热能多于用户的冷、热负荷需求，则多余的热能需要存储于储热装置；若回收的热能少于用户的冷、热负荷需求，则需要启动辅助锅炉，通过燃烧燃气，补足热量供应的差额。通常，燃气轮机排放的废热与用户的冷、热负荷需求是不匹配的。

在以热定电模式下，热回收装置回收燃气轮机排放的高温烟气，其产生的热能将完全匹配用户对于冷、热负荷的需求。此时，燃气轮机带动发电机产生的电能通常不能完全匹配用户的电负荷需求：若发出的电能多于用户的需求，则多余的电能卖给电网；若发出的电能少于用户需求，则差额部分通过从电网购电补足。

基于上述两种基本的运行模式，目前常用的调度策略(确定机组当前应该运行在何种模式)主要以满足用户的负荷需求为目标，基本不考虑能源消耗和污染物排放等问题。但是，随着一次能源价格的波动、上网电价的变化以及环保指标等的约束，在相同的冷、热、电负荷需求条件下，采用不同的运行模式，冷热电联供系统的性能会体现出显著的差异。为此，有必要按照一定的优化指标，构造优化策略，研制优化调度装置，实时调整系统的运行模式，使机组始终运行在综合性能较好的运行模式，从而有效提高冷热电联供系统的整体性能。

发明内容

针对上述背景技术中提到现有冷热电联供系统的调度策略没有考虑能源消耗和污染排放等不足，本发明提出了一种燃气型冷热电联供系统的优化调度装置及方法。

本发明的技术方案是，一种燃气型冷热电联供系统的优化调度装置，其特征是该优化调度装置包括人机界面、数据采集与管理器、综合性能运算器和运行模式选择器；

所述人机界面与数据采集与管理器连接；数据采集与管理器分别与综合性能运算器和运行模式选择器连接；综合性能运算器和运行模式选择器连接；

所述人机界面用于输入数据和显示图像；

所述数据采集与管理器用于采集、存储和管理冷热电联供系统的数据；

所述综合性能运算器用于计算系统在各运行模式下的综合性能；

所述运行模式选择器用于运行模式的选择。

一种使用权利要求1所述的优化调度装置进行运行模式优化调度的方法，其特征是该方法包括以下步骤：

步骤1：数据采集与管理器从冷热电联供系统现有的控制环路中实时采集用户的负荷需求数据，并通过人机界面输入设备效率、转换系数和能源价格参数到数据采集与管理器，数据采集与管理器将采集到的数据经有效性判别后以不同的存储频率存入数据库，供综合性能运算器和运行模式选择器调用；

步骤2：综合性能运算器从数据采集与管理器提取指定数据，计算出以电定热模式下和以热定电模式下的冷热电联供系统的综合性能数据，将计算出的各项性能数据通过人机界面进行数据值及趋势图的显示；

步骤3：运行模式选择器根据综合性能计算器计算出的性能数据以及通过数据采集与管理器获得的用户的能量需求数据，按照内置的优化调度规则确定出使系统性能最优的运行模式，并将运行模式数据通过数据采集与管理器送入冷热电联供系统的运行控制环路。

所述综合性能运算器能够计算并提供给人机界面显示的系统性能数据包括：

以电定热模式下，系统的总能耗：G_FEL＝F_m-FELk_f；

以热定电模式下，系统的总能耗：G_FTL＝E_gridk_e+F_m-FTLk_f；

以电定热模式下，系统的二氧化碳排放量：C_FEL＝F_m-FELμ_f；

以热定电模式下，系统的二氧化碳排放量：C_FTL＝E_gridμ_e+F_m-FTLμ_f；

以电定热模式下，系统的运行成本：O_FEL＝F_m-FELγ_f+F_m-FELμ_fγ_c；

以热定电模式下，系统的运行成本可以计为：O_FTL＝E_gridγ_e+F_m-FTLγ_f+F_m-FTLμ_fγ_c；

以电定热模式下，系统的综合性能： ${\mathrm{IPC}}_{\mathrm{FEL}}={\mathrm{\ω}}_1\frac{G_{\mathrm{FEL}}}{G_{\mathrm{SP}}}+{\mathrm{\ω}}_2\frac{C_{\mathrm{FEL}}}{C_{\mathrm{SP}}}+{\mathrm{\ω}}_3\frac{Q_{\mathrm{FEL}}}{O_{\mathrm{SP}}};$

以热定电模式下，系统的综合性能： ${\mathrm{IPC}}_{\mathrm{FTL}}={\mathrm{\ω}}_1\frac{G_{\mathrm{FTL}}}{G_{\mathrm{SP}}}+{\mathrm{\ω}}_2\frac{C_{\mathrm{FTL}}}{C_{\mathrm{SP}}}+{\mathrm{\ω}}_3\frac{Q_{\mathrm{FTL}}}{O_{\mathrm{SP}}};$

以上各性能数据中相关参数的定义如下：

k_f为燃气生产及传输损耗系数；

k_e为电能生产及传输损耗系数；

μ_f为天然气燃烧过程中二氧化碳的排放系数；

μ_e为从电网购买的电能在生产过程中二氧化碳的排放系数；

γ_f为天然气的单位价格；

γ_c为单位体积的碳排放税；

γ_e为电网电价；

E_grid为系统从电网购买的电量；

F_m-FEL为以电定热模式下系统消耗的燃气总量；

F_m-FTL为以热定电模式下系统消耗的燃气总量；

G_SP为单一能量供应系统供应等量用户需求的总能源消耗量；

C_SP为单一能量供应系统供应等量用户需求的二氧化碳总排放量；

O_SP为单一能量供应系统供应等量用户需求的总运行成本；

ω₁为总能源消耗量在综合性能指标中的权重系数；

ω₂为二氧化碳总排放量在综合性能指标中的权重系数；

ω₃为总运行成本在综合性能指标中的权重系数；

0≤ω₁，ω₂，ω₃≤1且ω₁+ω₂+ω₃＝1。

所述优化调度规则为：

a.若能量需求关系式

成立，则保持冷热电联供系统原有运行模式不变；

在能量需求关系式中：

E_req为用户的电负荷需求；

Q_c为用户的冷量需求；

Q_h为用户的热量需求；

COP_ch为吸收式制冷机的转换系数；

η_hc为加热装置的效率；

为冷热电联供系统的能量梯级转换系数；

在冷热电联供系统的能量梯级转换系数的定义式中，

η_pgu为燃气轮机的热效率；

η_rec为热回收装置的效率；

b.若能量需求关系式 $E_{\mathrm{req}}>K(\frac{Q_c}{{\mathrm{COP}}_{\mathrm{ch}}}+\frac{Q_h}{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{hc}}})$ 成立，则进一步计算：

$C_1=E_{\mathrm{grid}}({\mathrm{\ω}}_1\frac{\frac{1}{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{pgu}}}{k}_f-k_e}{G_{\mathrm{SP}}}+{\mathrm{\ω}}_2\frac{\frac{1}{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{pgu}}}{\mathrm{\μ}}_f-{\mathrm{\μ}}_e}{C_{\mathrm{SP}}}+{\mathrm{\ω}}_3\frac{\frac{1}{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{pgu}}}({\mathrm{\γ}}_f+{\mathrm{\μ}}_f{\mathrm{\γ}}_c)-{\mathrm{\γ}}_e}{O_{\mathrm{SP}}})$

若|C₁|≤ε，ε为阈值，则保持冷热电联供系统原有运行模式不变；若C₁＜-ε，则调度系统当前的运行模式为以电定热模式；若C₁＞ε，则调度系统当前的运行模式为以热定电模式；

c.若能量需求关系式 $E_{\mathrm{req}}<K(\frac{Q_c}{{\mathrm{COP}}_{\mathrm{ch}}}+\frac{Q_h}{{\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{hc}}})$ 成立，则进一步计算：

$C_2=F_{\mathrm{boiler}-\mathrm{FEL}}[1-\frac{{\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{boiler}}}{{\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{rec}}(1-{\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{pgu}})}]({\mathrm{\&omega;}}_1\frac{k_f}{G_{\mathrm{SP}}}+{\mathrm{\&omega;}}_2\frac{{\mathrm{\&mu;}}_f}{C_{\mathrm{SP}}}+{\mathrm{\&omega;}}_3\frac{{\mathrm{\&gamma;}}_f+{\mathrm{\&mu;}}_f{\mathrm{\&gamma;}}_c}{O_{\mathrm{SP}}})$

若|C₂|≤ε，则保持冷热电联供系统原有运行模式不变；若C₂＜-ε，则调度系统当前的运行模式为以电定热模式；若C₂＞ε，则调度系统当前的运行模式为以热定电模式；

上式中，

$F_{\mathrm{boiler}-\mathrm{FEL}}=\frac{Q_{b-\mathrm{FEL}}}{{\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{boiler}}}$ 为辅助锅炉消耗的燃气量；

在辅助锅炉消耗的燃气量的计算式中：

Q_b-FEL为辅助锅炉提供的热能；

η_boiler为辅助锅炉的热转换效率。

应用本发明提出的方法，可以开发出专门用于燃气型冷热电联供系统运行调度的优化装置，辅助运行人员，根据外部负荷需求，调度联供系统工作于最佳运行模式，减少能源消耗与温室气体排放，降低运行成本，提高系统的综合运行性能。

附图说明

图1为燃气型冷热电联供系统优化调度装置结构示意图；

图2为燃气型冷热电联供系统的基本结构；

图3为本发明所述优化调度装置的工作流程图；

图4为北京某酒店在不同季节典型日的负荷需求曲线；

图5为经本发明优化后的运行模式的调度结果。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

本发明的目的是基于外部参数(如一次能源价格、上网电价、二氧化碳排放成本等)和机组运行状态数据(如机组负荷、运行效率、能量转换系数等)，依据所构造的综合性能指标和优化策略，提出一种燃气型冷热电联供系统的优化调度装置，用以提高机组的整体运行性能。

本发明的技术方案为：数据采集与管理器从冷热电联供系统现有的控制环路中实时采集用户的负荷需求数据，同时通过人机接口输入设备效率、转换系数、能源价格等参数；将采集到的相关数据经有效性判别后以不同的存储频率存入数据库，供综合性能运算器和运行模式选择器调用；综合性能运算器将当前时刻的运行状态数据和外部参数代入综合性能计算方程，计算出当前状态下不同运行模式的综合性能，并将计算结果通过数据接口送到人机界面进行显示及趋势绘制；运行模式选择器利用计算出的、不同运行模式下的综合性能数据，针对冷热电联供系统当前的负荷需求情况，按照设定的调度规则，确定出当前负荷条件下系统性能最优的运行模式，并将该运行模式通过数据接口送入冷热电联供系统的运行控制环路，指导运行。

具体实施步骤如下：

1)建立综合性能计算器中的性能计算方程：

已知燃气型冷热电联供系统的设备配置如图2所示，包括：燃气轮机、热回收装置、辅助锅炉、吸收式制冷机以及加热装置。燃气轮机燃烧天然气带动发电机发电，为用户提供电能；热回收装置从燃气轮机排放的高温烟气中回收余能；吸收式制冷机利用热回收装置回收的部分热能制冷，满足用户的冷量需求；加热装置把热回收装置提供的热能转换为用户所需的热能形式；当燃气轮机做功产生的电能不足以满足用户电能需求时，需从电网购电；当热回收装置回收的热能不足以满足用户热能需求时，辅助锅炉需启动补充热能。

为了便于说明，首先给出冷热电联供系统在两种运行模式(以电定热模式和以热定电模式)下的稳态关系模型。

(1)在以电定热模式下，系统生产的电能E_FEL与用户的电负荷需求E_req完全匹配：

E_FEL＝E_req                                                  (1)

此时，燃气轮机消耗的燃气F_pgu-FEL为：

$F_{\mathrm{pgu}-\mathrm{FEL}}=\frac{E_{\mathrm{FEL}}}{{\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{pgu}}}---\left(2\right)$

其中，η_pgu为燃气轮机的热效率；

由余热回收装置回收的热量Q_R-FEL为：

Q_R-FEL＝(F_pgu-FEL-E_FEL)η_rec＝F_pgu-FEL(1-η_pgu)η_rec        (3)

其中，η_rec为热回收装置的效率；

如果余热回收装置回收的热能不足以满足用户的冷、热负荷需求，则需要启动辅助锅炉提供额外的热能Q_b-FEL。此时，辅助锅炉消耗的燃气F_boiler-FEL为：

$F_{\mathrm{boiler}-\mathrm{FEL}}=\frac{Q_{b-\mathrm{FEL}}}{{\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{boiler}}}---\left(4\right)$

其中，η_boiler为辅助锅炉的热转换效率；

因此，系统总的燃气消耗量F_m-FTL可以计为：

F_m-FEL＝F_pgu-FEL+F_boiler-FEL                            (5)

(2)在以热定电模式下，系统中通过余热回收装置回收的热能Q_R-FTL应与用户的热负荷需求完全匹配：

Q_R-FTL＝Q_ch+Q_hc                                         (6)

这里，Q_ch为吸收式制冷机供应用户冷负荷所需的热量，Q_hc为供热装置供应用户热负荷所需的热量；因此，燃气轮机总的燃气消耗量可以表示为：

$F_{\mathrm{pgu}-\mathrm{FTL}}=\frac{Q_{R-\mathrm{FTL}}}{{\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{rec}}(1-{\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{pgu}})}---\left(7\right)$

此时，燃气轮机产生的总电量为：

E_FTL＝F_pgu-FTLη_pgu                                     (8)

若燃气轮机生产的电能不足以满足用户的电负荷需求，则需从电网购电E_grid：

E_grid＝E_req-E_FTL                                        (9)

在以热定电模式下系统总的燃气消耗量为：

F_m-FTL＝F_pgu-FTL                                        (10)

根据以上的稳态关系模型，可以计算两种运行模式下系统的各项性能。首先，考虑系统总的能源消耗情况：

以电定热模式下，燃气型冷热电联供系统的总能耗可以计为：

G_FEL＝F_m-FELk_f                                          (11)

其中，F_m-FEL为以电定热模式下系统的燃气消耗量，考虑到燃气在生产和输送过程中存在损耗，将F_m-FEL乘上损耗系数k_f，得到以电定热模式下系统实际的总能源消耗量G_FEL。由于在以电定热模式下不需要从外部输入电能，方程(11)仅与燃气消耗量有关；

在以热定电模式下，系统的总能耗可以计为：

G_FTL＝E_gridk_e+F_m-FTLk_f                                  (12)

其中，F_m-FTL为以热定电模式下系统的燃气消耗量，E_grid为该模式下为满足用户的电负荷需求从电网购买的电量，考虑到电能在生产和远距离传输过程中也存在损耗，将F_m-FTL和E_grid分别乘上两种能源形式的损耗系数k_f和k_e，得到以热定电模式下系统实际的总一次能源消耗量G_FTL。由于在以热定电模式下可能需要从外部输入电能，方程(12)还与从电网购买电能的数量有关。

其次，考虑冷热电联供系统所要满足的环保性指标，将系统的二氧化碳排放情况计入：

以电定热模式下，系统的二氧化碳排放量可以计为：

C_FEL＝F_m-FELμ_f                                         (13)

其中，μ_f为天然气燃烧过程中二氧化碳的排放系数；

以热定电模式下，系统的二氧化碳排放量可以计为：

C_FTL＝E_gridμ_e+F_m-FTLμ_f                                (14)

其中，μ_e为电网购买的电能在生产过程中二氧化碳的排放系数。

进一步，核算两种运行模式下系统的运行成本，其中包含了对征收碳排放税的考虑：

以电定热模式下，系统的运行成本可以计为：

O_FEL＝F_m-FELγ_f+F_m-FELμ_fγ_c                           (15)

其中，γ_f为天然气的单位价格，γ_c为单位体积的碳排放税；

以热定电模式下，系统的运行成本可以计为：

O_FTL＝E_gridγ_e+F_m-FTLγ_f+F_m-FTLμ_fγ_c                   (16)

其中，γ_e为从电网购电的价格。

为了综合体现上述性能指标，需要将其标么化。因此，给出如下单一能量供应系统作为参比系统。单一能量供应系统仅提供用户所需的热能，用户所需的电能及制冷所需的电能均来自电网。

在单一能量供应系统中，为满足用户的用电和制冷需求，需要消耗的来自电网的总电能为其中包含用户的用电需求E_req及电制冷机的耗电量

$E_{\mathrm{grid}}^{\mathrm{SP}}=E_{\mathrm{req}}+E_c^{\mathrm{SP}}---\left(17\right)$

电制冷机提供的用户的冷量需求Q_c与其转换效率COP_ec相关：

$E_c^{\mathrm{SP}}=\frac{Q_c}{{\mathrm{COP}}_{\mathrm{ec}}}---\left(18\right)$

单一能量供应系统通过供热锅炉提供用户所需的热能。供热锅炉消耗的燃料

与用户的热量需求Q_h之间的关系为：

$F_{\mathrm{boiler}}^{\mathrm{SP}}=\frac{Q_h}{{\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{boiler}}^{\mathrm{SP}}{\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{hc}}^{\mathrm{SP}}}---\left(19\right)$

其中，

为锅炉燃烧效率，

为供热装置的转换效率。

对于单一能量供应系统(分别、单独生产电或冷、热的系统)，其能源消耗、二氧化碳排放及运行成本等也可以仿照冷热电联产系统计算如下：

$G_{\mathrm{SP}}=E_{\mathrm{grid}}^{\mathrm{SP}}{k}_e+F_{\mathrm{boiler}}^{\mathrm{SP}}{k}_f---\left(20\right)$

$C_{\mathrm{SP}}=E_{\mathrm{grid}}^{\mathrm{SP}}{\mathrm{\&mu;}}_e+F_{\mathrm{boiler}}^{\mathrm{SP}}{\mathrm{\&mu;}}_f---\left(21\right)$

$O_{\mathrm{SP}}=E_{\mathrm{grid}}^{\mathrm{SP}}{\mathrm{\&gamma;}}_e+F_{\mathrm{boiler}}^{\mathrm{SP}}{\mathrm{\&gamma;}}_f+F_{\mathrm{boiler}}^{\mathrm{SP}}{\mathrm{\&mu;}}_f{\mathrm{\&gamma;}}_c---\left(22\right)$

其中，G_SP为单一能量供应系统供应用户需求的总能源消耗量，C_SP为单一能量供应系统供应等量用户需求的二氧化碳总排放量，O_SP为单一能量供应系统供应等量用户需求的总运行成本；

为单一能量供应系统消耗的燃气总量；其它各参数的含义与冷热电联供系统相同。

结合上述(11)-(16)和(20)-(22)式，可以给出冷热电联供系统两种运行模式下的综合性能计算方程如下：

${\mathrm{IPC}}_{\mathrm{FEL}}={\mathrm{\&omega;}}_1\frac{G_{\mathrm{FEL}}}{G_{\mathrm{SP}}}+{\mathrm{\&omega;}}_2\frac{C_{\mathrm{FEL}}}{C_{\mathrm{SP}}}+{\mathrm{\&omega;}}_3\frac{Q_{\mathrm{FEL}}}{O_{\mathrm{SP}}}---\left(23\right)$

${\mathrm{IPC}}_{\mathrm{FTL}}={\mathrm{\&omega;}}_1\frac{G_{\mathrm{FTL}}}{G_{\mathrm{SP}}}+{\mathrm{\&omega;}}_2\frac{C_{\mathrm{FTL}}}{C_{\mathrm{SP}}}+{\mathrm{\&omega;}}_3\frac{Q_{\mathrm{FTL}}}{O_{\mathrm{SP}}}---\left(24\right)$

其中，IPC_FEL为以电定热模式下的综合性能指标，IPC_FTL为以热定电模式下的综合性能指标，ω₁、ω₂和ω₃是各分指标的权重系数，满足的约束条件为：0≤ω₁，ω₂，ω₃≤1且ω₁+ω₂+ω₃＝1。通常情况下，单一能量供应系统的运行消耗要高于冷热电联供系统，即(23)和(24)式的各分项指标均小于1，乘以权重系数后，综合性能指标的取值总是大于0、小于1。综合性能指标综合考虑了系统的一次能源消耗、运行成本和CO₂排放情况，其值越小，说明系统运行的能耗和排放越少，性能越好。

2)建立运行模式选择器的优化调度规则：

运行模式选择器根据外部负荷情况，按照一定的调度规则，择优选择冷热电联供系统的运行模式，使系统的综合性能最优。

根据公式(2)、(3)、(8)、(9)可知：燃气轮机带动发电机发出的电能E_pgu与通过余热回收装置回收的热能Q_R(用于供应用户冷、热负荷)之间存在如下关系：

$E_{\mathrm{pgu}}=\frac{{\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{pgu}}}{{\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{rec}}(1-{\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{pgu}})}{Q}_R={\mathrm{KQ}}_R---\left(25\right)$

其中，K为冷热电联供系统的能量梯级转换系数。

实际应用中，用户的电和冷热负荷需求是动态变化的，很难完全符合关系式(25)，为此，需分三种情况加以讨论。

第一种情况，若用户的电负荷和冷热负荷需求关系为：E_req＞KQ_req

根据(6)式可知，用户对热负荷的总需求Q_req可分解为吸收式制冷机的热负荷需求Q_ch和供热装置的热负荷需求Q_hc两部分：

Q_req＝Q_ch+Q_hc                                        (26)

考虑到吸收式制冷机和供热装置的自身效率，(26)式可进一步改写为：

$Q_{\mathrm{req}}=\frac{Q_c}{{\mathrm{COP}}_{\mathrm{ch}}}+\frac{Q_h}{{\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{hc}}}---\left(27\right)$

其中，COP_ch为吸收式制冷机的效率，η_hc为加热装置的效率；Q_c为用户最终的冷量需求量，Q_h为用户最终的热量需求量。

当

时，无论系统处于何种运行模式，均不需要起动辅助锅炉，即F_boiler-FEL＝0。为了确定系统的运行模式，比较(23)式和(24)式的大小，其中，较小者代表的运行模式即为选定的运行模式。

${\mathrm{IPC}}_{\mathrm{FEL}}-{\mathrm{IPC}}_{\mathrm{FTL}}={\mathrm{\&omega;}}_1\frac{G_{\mathrm{FEL}}-G_{\mathrm{FTL}}}{G_{\mathrm{SP}}}+{\mathrm{\&omega;}}_2\frac{G_{\mathrm{FEL}}-C_{\mathrm{FEL}}}{C_{\mathrm{SP}}}+{\mathrm{\&omega;}}_3\frac{O_{\mathrm{FEL}}-O_{\mathrm{FTL}}}{O_{\mathrm{SP}}}---\left(28\right)$

综合(2)、(5)及(8)～(16)各式，可将(28)式化简为如下形式：

$C_1={\mathrm{IPC}}_{\mathrm{FEL}}-{\mathrm{IPC}}_{\mathrm{FTL}}=E_{\mathrm{grid}}({\mathrm{\&omega;}}_1\frac{\frac{1}{{\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{pgu}}}{k}_f-k_e}{G_{\mathrm{SP}}}+{\mathrm{\&omega;}}_2\frac{\frac{1}{{\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{pgu}}}{\mathrm{\&mu;}}_f-{\mathrm{\&mu;}}_e}{C_{\mathrm{SP}}}+{\mathrm{\&omega;}}_3\frac{\frac{1}{{\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{pgu}}}({\mathrm{\&gamma;}}_f+{\mathrm{\&mu;}}_f{\mathrm{\&gamma;}}_c)-{\mathrm{\&gamma;}}_e}{O_{\mathrm{SP}}})---\left(29\right)$

其中：

$C_{\mathrm{SP}}=(E_{\mathrm{req}}+\frac{Q_c}{{\mathrm{COP}}_{\mathrm{ec}}})k_e+\frac{Q_h}{{\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{boiler}}^{\mathrm{SP}}{\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{hc}}^{\mathrm{SP}}}{k}_f,$ $C_{\mathrm{SP}}=(E_{\mathrm{req}}+\frac{Q_c}{{\mathrm{COP}}_{\mathrm{ec}}}){\mathrm{\&mu;}}_e+\frac{Q_h}{{\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{boiler}}^{\mathrm{SP}}{\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{hc}}^{\mathrm{SP}}}{\mathrm{\&mu;}}_f,$ $Q_{\mathrm{SP}}=(E_{\mathrm{req}}+\frac{Q_c}{{\mathrm{COP}}_{\mathrm{ec}}}){\mathrm{\&gamma;}}_e+\frac{Q_h}{{\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{boiler}}^{\mathrm{SP}}{\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{hc}}^{\mathrm{SP}}}({\mathrm{\&gamma;}}_f+{\mathrm{\&mu;}}_f{\mathrm{\&gamma;}}_c).$

第二种情况，若用户的电负荷和冷热负荷需求关系为：E_req＜KQ_req

即当

时，无论系统处于何种运行模式，均不需要额外从电网购买电能，即E_grid＝0。为了确定系统的运行模式，同样采用(28)式进行比较。综合(3)、(4)及(7)式，同时参照(29)式的化简过程，可以得到：

$C_2={\mathrm{IPC}}_{\mathrm{FEL}}-{\mathrm{IPC}}_{\mathrm{FTL}}=E_{\mathrm{boiler}-\mathrm{FEL}}[1-\frac{{\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{boiler}}}{{\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{rec}}(1-{\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{pgu}})}]({\mathrm{\&omega;}}_1\frac{k_f}{G_{\mathrm{SP}}}+{\mathrm{\&omega;}}_2\frac{{\mathrm{\&mu;}}_f}{C_{\mathrm{SP}}}+{\mathrm{\&omega;}}_3\frac{{\mathrm{\&gamma;}}_f+{\mathrm{\&mu;}}_f{\mathrm{\&gamma;}}_c}{O_{\mathrm{SP}}})---\left(30\right)$

第三种情况，若用户的电负荷和冷热负荷需求关系为：E_req＝KQ_req

即当

时，无论系统处于何种运行模式都能获得最佳的运行性能，两种运行模式下的综合性能指标相等，系统保持当前运行模式。

考虑到计算误差并避免运行模式的频繁切换，设置幅值为ε＞0的切换阈值。

根据冷、热、电三种负荷的需求情况，参照(27)和(28)式，可以建立冷热电联供系统的优化调度规则如下：

①若 $E_{\mathrm{req}}=K(\frac{Q_c}{{\mathrm{COP}}_{\mathrm{ch}}}+\frac{Q_h}{{\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{hc}}}),$ 则系统现有运行模式保持不变。

②若

将相关参数带入(29)式进行计算，如果计算结果小于-ε，则冷热电联供系统应采用以电定热运行模式；如果计算结果大于ε，则系统应采用以热定电模式；如果计算结果位于[-ε，ε]之间，则保持原有运行模式不变；

③...若

将相关参数带入(30)式进行计算，如果计算结果小于-ε，则冷热电联供系统应采用以电定热运行模式；如果计算结果大于ε，则系统应采用以热定电模式；如果计算结果位于[-ε，ε]之间，则保持原有运行模式不变；

3)数据分类采集与管理

参与上述性能计算与调度规则设定的参数主要分为如下四类，包括：

①实时变化数据

包含：用户电负荷需求E_req，用户冷负荷需求Q_c与用户热负荷需求Q_h。实时变化数据需要通过数据采集与管理装置从冷热电联供系统的运行控制系统实时获取；计算得到的优化运行模式也实时向运行控制系统传送。

②中长期变化数据

包含：燃气轮机的热效率η_pgu，热回收装置的效率η_rec，辅助锅炉热效率η_boiler，单一能量供应系统锅炉热效率

单一能量供应系统供热装置的转换效率加热装置的效率η_hc，电制冷机的转换系数COP_ec，吸收式制冷机的转换系数COP_ch，燃气生产及传输损耗系数k_f，电能生产及传输损耗系数k_e，天然气燃烧过程中二氧化碳的排放系数μ_f，电能生产过程中二氧化碳的排放系数μ_e。中长期变化数据不需要实时更新，只需要按照一定周期由技术人员通过人机界面输入，相关数据可以是设备的标称参数，也可以是定期试验测试的数据。

③政策性数据

包括：天然气的单位价格γ_f，单位体积的碳排放税γ_c，电网电价γ_e。政策性数据也是由技术人员根据国家定价的变动，通过人机界面设置和更新。

④阈值、权重数据

包括：综合性能指标中各分指标的权重系数ω₁、ω₂和ω₃，以及优化调度规则中的切换阈值ε。各数值可根据经验，通过人机界面设置和调整，但应满足约束条件0≤ω₁，ω₂，ω₃≤1且ω₁+ω₂+ω₃＝1。

上述实时变化数据及运行模式的选择结果要以较高的采样频率存储于数据库中，以备绘制实时/历史趋势使用；其它数据的变化频率较低，可在数据库中开辟专门的空间以较低频率存储，供优化调度规则使用。

4)优化调度装置的实现方式

本发明所述冷热电联供系统的优化调度装置可基于嵌入式系统进行实现。

嵌入式系统具有较高的安全可靠性，可以长时间不间断运行，具有良好的可开发性，同时提供友好的用户界面。本发明所需的嵌入式系统除应包含通常的硬件配置、数据采集接口、嵌入式操作系统、嵌入式数据库、完整的图形屏幕、软件开发工具(包括编译器、连接器、调试器等)外还应具有一定的内部自检功能(如系统自检、外围设备检测、电源检查、通信检查等)。

本发明中的数据采集与管理器部分要利用数据采集接口，同时辅助软件编程；综合性能运算器和运行模式选择器主要利用嵌入式系统软件开发工具编程实现(包含底层运算和用户界面)，同时结合嵌入式数据库的数据管理功能。

本发明提出一种燃气型冷热电联供系统的优化调度装置，以下结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步描述。

实施例：针对一套为北京市某酒店提供冷、热、电负荷的联供系统模型进行分析。该酒店共三层，总建筑面积4050平方米，一层包含300平方米的餐厅和1050平方米的办公空间，二层和三层均为1350平方米的客房，玻璃幕墙面积占总墙面的40％，其传热系数为4.20瓦/(平方米·开氏温标)，外墙传热系数为0.438瓦/(平方米·开氏温标)，内墙传热系数为0.72瓦/(平方米·开氏温标)，地板传热系数2.929瓦/(平方米·开氏温标)，屋顶传热系数0.372瓦/(平方米·开氏温标)。相应的冷热电联供系统的各项参数和能源价格为：燃气轮机热效率η_pgu＝0.25，热回收装置效率η_rec＝0.8，吸收式制冷机的转换系数COP_ch＝0.7，加热装置的效率η_hc＝0.8，辅助锅炉热效率η_boiler＝0.8，燃气生产及传输损耗系数k_f＝1.047，电能生产及传输损耗系数k_e＝3.336，天然气燃烧过程中二氧化碳排放系数μ_f＝220克/千瓦时，电能生产过程中二氧化碳排放系数μ_e＝968克/千瓦时；作为参比系统，单联产系统的锅炉热效率

供热装置转换效率

电制冷机的转换系数COP_ec＝3；天然气的单位价格γ_f＝0.194元/千瓦时，单位体积的碳排放税γ_c＝0.00002元/千瓦时，电网电价γ_e＝0.93元/千瓦时；为了简化计算，取ω₁＝ω₂＝ω₃＝1/3、ε＝0。

将上述参数输入到如图1所示的优化调度装置，同时将图4所示不同季节典型日的冷、热、电负荷需求情况也输入优化调度装置，按照图3所示的工作流程，计算出不同负荷需求下联供系统的最优运行方式如图5所示。

根据上述的优化结果还可以进一步测算出该冷热电联供系统在典型日中的各项性能指标。以冬季典型日为例，按照本发明所述方法得到的优化调度结果进行运行，其总能耗G＝2985.4千瓦时，运行总成本O＝580.89元，二氧化碳排放总量C＝639730克，综合性能指标IPC＝0.818。同时，系统还可额外供给630.95千瓦时的热量。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种使用燃气型冷热电联供系统的优化调度装置进行运行模式优化调度的方法，其特征是该方法包括以下步骤：

步骤1：数据采集与管理器从冷热电联供系统现有的控制环路中实时采集用户的负荷需求数据，并通过人机界面输入设备效率、转换系数和能源价格参数到数据采集与管理器，数据采集与管理器将采集到的数据经有效性判别后以不同的存储频率存入数据库，供综合性能运算器和运行模式选择器调用；

步骤2：综合性能运算器从数据采集与管理器提取指定数据，计算出以电定热模式下和以热定电模式下的冷热电联供系统的综合性能数据，将计算出的各项性能数据通过人机界面进行数据值及趋势图的显示；

步骤3：运行模式选择器根据综合性能计算器计算出的性能数据以及通过数据采集与管理器获得的用户的能量需求数据，按照内置的优化调度规则确定出使系统性能最优的运行模式，并将运行模式数据通过数据采集与管理器送入冷热电联供系统的运行控制环路；

所述优化调度规则为：

a.若能量需求关系式

成立，则保持冷热电联供系统原有运行模式不变；

在能量需求关系式中：

E_req为用户的电负荷需求；

Q_c为用户的冷量需求；

Q_h为用户的热量需求；

COP_ch为吸收式制冷机的转换系数；

η_hc为加热装置的效率；

为冷热电联供系统的能量梯级转换系数；

在冷热电联供系统的能量梯级转换系数的定义式中，

η_pgu为燃气轮机的热效率；

η_rec为热回收装置的效率；

b.若能量需求关系式

成立，则进一步计算：

$C_1=E_{\mathrm{grid}}({\mathrm{\&omega;}}_1\frac{\frac{1}{{\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{pgu}}}{k}_f-k_e}{G_{\mathrm{SP}}}+{\mathrm{\&omega;}}_2\frac{\frac{1}{{\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{pgu}}}{\mathrm{\&mu;}}_f-{\mathrm{\&mu;}}_e}{C_{\mathrm{SP}}}+{\mathrm{\&omega;}}_3\frac{\frac{1}{{\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{pgu}}}({\mathrm{\&gamma;}}_f+{\mathrm{\&mu;}}_f{\mathrm{\&gamma;}}_c)-{\mathrm{\&gamma;}}_e}{O_{\mathrm{SP}}})$

其中，k_f为燃气生产及传输损耗系数；

k_e为电能生产及传输损耗系数；

μ_f为天然气燃烧过程中二氧化碳的排放系数；

μ_e为从电网购买的电能在生产过程中二氧化碳的排放系数；

γ_f为天然气的单位价格；

γ_c为单位体积的碳排放税；

γ_e为电网电价；

E_grid为系统从电网购买的电量；

G_SP为单一能量供应系统供应等量用户需求的总能源消耗量；

C_SP为单一能量供应系统供应等量用户需求的二氧化碳总排放量；

O_SP为单一能量供应系统供应等量用户需求的总运行成本；

ω₁为总能源消耗量在综合性能指标中的权重系数；

ω₂为二氧化碳总排放量在综合性能指标中的权重系数；

ω₃为总运行成本在综合性能指标中的权重系数；

0≤ω₁,ω₂,ω₃≤1且ω₁+ω₂+ω₃=1；

若|C₁|≤ε，ε为阈值，则保持冷热电联供系统原有运行模式不变；若C₁<-ε，则调度系统当前的运行模式为以电定热模式；若C₁>ε，则调度系统当前的运行模式为以热定电模式；

c.若能量需求关系式

成立，则进一步计算：

$C_2=F_{\mathrm{boiler}-\mathrm{FEL}}[1-\frac{{\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{boiler}}}{{\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{rec}}(1-{\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{pgu}})}]({\mathrm{\&omega;}}_1\frac{k_f}{G_{\mathrm{SP}}}+{\mathrm{\&omega;}}_2\frac{{\mathrm{\&mu;}}_f}{C_{\mathrm{SP}}}+{\mathrm{\&omega;}}_3\frac{{\mathrm{\&gamma;}}_f+{\mathrm{\&mu;}}_f{\mathrm{\&gamma;}}_c}{O_{\mathrm{SP}}})$

若|C₂|≤ε，则保持冷热电联供系统原有运行模式不变；若C₂<-ε，则调度系统当前的运行模式为以电定热模式；若C₂>ε，则调度系统当前的运行模式为以热定电模式；

上式中，

为辅助锅炉消耗的燃气量；

在辅助锅炉消耗的燃气量的计算式中：

Q_b-FEL为辅助锅炉提供的热能；

η_boiler为辅助锅炉的热转换效率。

2.根据权利要求1所述的运行模式优化调度的方法，其特征是所述综合性能运算器能够计算并提供给人机界面显示的系统性能数据包括：

以电定热模式下，系统的总能耗：G_FEL=F_m-FELk_f；

以热定电模式下，系统的总能耗：G_FTL=E_gridk_e+F_m-FTLk_f；

以电定热模式下，系统的二氧化碳排放量：C_FEL=F_m-FELμ_f；

以热定电模式下，系统的二氧化碳排放量：C_FTL=E_gridμ_e+F_m-FTLμ_f；

以电定热模式下，系统的运行成本：O_FEL=F_m-FELγ_f+F_m-FELμ_fγ_c；

以热定电模式下，系统的运行成本可以计为：O_FTL=E_gridγ_e+F_m-FTLγ_f+F_m-FTLμ_fγ_c；

以电定热模式下，系统的综合性能： ${\mathrm{IPC}}_{\mathrm{FEL}}={\mathrm{\&omega;}}_1\frac{G_{\mathrm{FEL}}}{G_{\mathrm{SP}}}+{\mathrm{\&omega;}}_2\frac{C_{\mathrm{FEL}}}{C_{\mathrm{SP}}}+{\mathrm{\&omega;}}_3\frac{O_{\mathrm{FEL}}}{O_{\mathrm{SP}}};$

以热定电模式下，系统的综合性能： ${\mathrm{IPC}}_{\mathrm{FTL}}={\mathrm{\&omega;}}_1\frac{G_{\mathrm{FTL}}}{G_{\mathrm{SP}}}+{\mathrm{\&omega;}}_2\frac{C_{\mathrm{FTL}}}{C_{\mathrm{SP}}}+{\mathrm{\&omega;}}_3\frac{O_{\mathrm{FTL}}}{O_{\mathrm{SP}}};$

以上各性能数据中相关参数的定义如下：

F_m-FEL为以电定热模式下系统消耗的燃气总量；

F_m-FTL为以热定电模式下系统消耗的燃气总量。

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