CN104808638B - 互补型dmg的热功转换与优化调度辅助决策系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种互补型DMG的热功转换与优化调度辅助决策系统及方法，所述系统包括燃料特性参数模块、燃烧调整实验模块、参照模式模块、热平衡与消耗量计算模块、燃烧工况调整与管理模块、热功转换管理模块、变工况信号传递模块、全工况的操作参数管理模块、冷区网络循环模式模块、能效与环境效益评价模块以及优化调度与辅助决策管理模块。本发明针对不同温度的多热源系统，灵活地实现冷区网络循环的匹配，以构建多能源输入和多产品输出的互补型DMG系统，具有高度的灵活性和先进性；并运用过程工程的先进系统，进行了互补型DMG系统全过程的生产装置设计、稳态模拟和优化、灵敏度分析、经济评价，实现准确、及时的优化调度和辅助决策。
Description
技术领域
本发明涉及一种热功转换与优化调度辅助决策系统，尤其是一种互补型DMG的热功转换与优化调度辅助决策系统及方法，属于多联产技术领域。
背景技术
众所周知，用可再生的生物质能源部分取代不可再生的天然气资源，并将制冷、供热和发电过程一体化用于城镇自身需求或进行峰谷调节，不仅可使能源综合效率提高到原来的2-3倍，而且能够节省天然气资源，克服生物质单独利用过程中规模小，受季节性影响大的缺点，有利于节能降耗和减少污染物的排放量。但是，生物质基与天然气基互补的分布式能源站仍处于起步阶段。与发达国家相比，我国的分布式能源系统的发展也还未成规模。上海市黄浦区中心医院1999年对大型CCHP(Combined Cooling Heating and Power，热电冷联产系统)的应用进行了尝试，能源利用率达70％以上。但是由于技术和资金条件的限制，系统设计负荷与运行负荷不平衡，机组长期在偏离额定负荷工况下运行。与此同时，可再生能源与化石能源组合的多能源互补利用的分布式能源站正逐步成为未来研究的一个重要课题。而生物质与天然气互补型DMG(Distributed multi-generation)系统的能量输入侧和输出侧均存在多种品位的能量，热功在不同子系统间的转换也存在着匹配、耦合和敏感性分析等问题。
因此，互补型DMG在能流组织的过程中，应根据温度对口、梯级利用的利用原则，按照各子系统的特殊需求向其提供合适品位的输入能流。且因生物质燃料的多样性和差异性，多能源互补性分布式能源站还存在着燃烧不稳定、变容量运行及其过程匹配、优化研究不足等问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供一种判断准确、标准开发、评估及时的互补型DMG的热功转换与优化调度辅助决策系统。
本发明的另一目的在于提供一种基于上述系统实现的互补型DMG的热功转换与优化调度辅助决策方法。
上述系统及方法可以对生物质气化气的早燃、排气温度、爆发压力、能耗、污染物排放进行定量评估分析，以提高分布式能源站的CHP系统的热效率和排放效率，使其对能源站的热功转换的效率最大化；而且可根据用户负荷变化，采用生物质气化气与天然气互补的方式，主动协调“热电负荷”，并灵活地实现冷区网络循环的匹配，在给定的限制条件内辅助确定工艺的约束部位或关键单元的影响因素，实现分布式能源站的多能源输入和多产品输出的品位互补；与传统的评估方法不同的是，该系统传递的数据是充分反映互补型DMG系统的热功转换过程的实时的、动态的状态参数，而不是各部件的设计参数，使得互补型DMG系统的优化调度和辅助决策具有主动性、准确性和及时性。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
互补型DMG的热功转换与优化调度辅助决策系统，所述系统包括燃料特性参数模块、燃烧调整实验模块、参照模式模块、热平衡与消耗量计算模块、燃烧工况调整与管理模块、热功转换管理模块、变工况信号传递模块、全工况的操作参数管理模块、冷区网络循环模式模块、能效与环境效益评价模块以及优化调度与辅助决策管理模块；其中：
所述热平衡与消耗量计算模块，用于存储燃烧器主体中有关于各种生物质燃气的主要参数；
所述燃烧调整实验模块，用于结合燃烧器中冷态和热态的燃烧调整实验，分析燃烧器主体的工作状态，以考察燃烧器主体的合理性及其对不同生物质燃气的适应性；
所述参照模式模块，用于存储有关于各种生物质燃气的燃烧器主体的主要参数；
所述燃烧工况调整与管理模块，用于将燃烧调整实验模块中主要参数的变化历程与参照模式模块存储的参数进行对比，结合热平衡和消耗量计算模块的预处理结果，作出是否会发生异常现象的判断，并根据判断结果选取和调整燃烧工况；
所述热功转换管理模块，用于在热平衡与消耗量计算模块、燃烧工况调整与管理模块的基本数据的基础之上，根据CHP系统工作原理及节能特性的数学模型，通过生物质的气化，与天然气一起构成多联供动力系统，进入CHP系统的主机-燃气轮机；
所述变工况信号传递模块，用于传递互补型DMG系统中各单元的入口边界条件，温度、流量和压力分布，以及热流、能流的输入和输出情况；
所述冷区网络循环模式模块，用于将余热热源视为不同温度的多热源系统，基于氨水混合物、溴化锂的基础热力学物性模拟和吸收式循环构型图谱，利用加热、回热以及蓄能装置实现冷区网络循环的匹配；
所述全工况的操作参数管理模块，用于进行互补型DMG系统的全过程模拟，并改变预设的额定工况条件，以得到全工况的物流流率、组成和性质，温度、流量和压力分布情况，以及互补型DMG系统外网输出的冷热电能；
所述能效与环境效益评价模块，用于反映DMG系统的能量的收益与输出比值，反映互补型DMG系统的经济效益的当量效率和经济效率，以及反映互补型DMG系统的环保效益；
所述优化调度与辅助决策管理模块，用于分析全工况的操作参数管理模块的全过程模拟的可行性，并分析关键单元变容量运行规律以及不同单元之间的关联规律，为生产装置设计、运行优化和经济技术评价提供决策信息。
作为一种实施方案，所述全工况的操作参数管理模块中，进行互补型DMG系统的全过程模拟，具体为：
采用过程工程的先进系统建立互补型DMG系统全过程的图形化工艺流程，然后利用基本物性关系，使用Aspen Plus序贯模块方法去初始化稳态模拟，并在额定工况下，使用Aspen Custom Modeler联立方程法求解动态模拟，预测互补型DMG系统中各单元之间的物流流率、组成和性质，温度、流量和压力分布情况，以及互补型DMG系统外网输出的冷热电能。
作为一种实施方案，所述图形化工艺流程分为生物质气化单元、中间处理单元、燃气轮机单元和余热锅炉单元。
作为一种实施方案，所述额定工况下的环境温度为15℃，环境压力为1atm，提供的热水为50℃～60℃。
作为一种实施方案，所述优化调度与辅助决策管理模块中，分析全工况的操作参数管理模块的全过程模拟的可行性，具体为：
将全工况的操作参数管理模块模拟的全过程状态参数与现场数据进行对比，得到准确率；同时，进行灵敏度分析研究工艺变量之间的关系，快速地测试互补型DMG系统中各个装置的配置方案，辅助确定工艺流程的约束部位或关键单元，校验互补型DMG系统是否满足工艺目标。
作为一种实施方案，所述热功转换管理模块在余热热源不能提供所需的能量时，利用天然气充当可再生能源利用系统的蓄能装置，采用“源头调节”方式进行能量补给，并利用动力系统的排热充当制冷系统的高温驱动热源，将其与制冷系统集成，构成正逆耦合循环。
作为一种实施方案，所述冷区网络循环模式模块对余热的回收利用，采用以下任意一种方式：
a)利用动力系统的燃气透平的高温排气直接加热吸收式制冷机组的循环工质，对高温排气中的热量直接加以利用；
b)利用热水或蒸汽的中间介质回收生物质气化气排出的热量，然后对中间介质热量加以回收，间接利用排气热量。
作为一种实施方案，所述燃烧调整实验模块，还用于分析生物质燃气燃烧工况的稳定性及其对发动机性能的影响。
作为一种实施方案，所述燃烧调整实验模块通过FLUENT软件平台实现。
本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：
互补型DMG的热功转换与优化调度辅助决策系统实现的互补型DMG的热功转换与优化调度辅助决策方法，所述方法包括以下步骤：
S1、燃料特性参数模块的燃料特性参数经热平衡与消耗量计算模块预处理，热平衡与消耗量计算模块将预处理结果传递给燃烧工况调整与管理模块；
S2、燃烧调整实验模块结合燃烧器中冷态和热态的燃烧调整实验，分析燃烧器主体的工作状态，以考察燃烧器主体的合理性及其对不同生物质燃气的适应性；
S3、燃烧工况调整与管理模块将燃烧调整实验模块中主要参数的变化历程与参照模式模块存储的参数进行对比，结合热平衡和消耗量计算模块的预处理结果，作出是否会发生异常现象的判断，并根据判断结果选取和调整燃烧工况；
S4、热功转换管理模块在热平衡与消耗量计算模块、燃烧工况调整与管理模块的基本数据的基础之上，根据CHP系统工作原理及节能特性的数学模型，通过生物质的气化，与天然气一起构成多联供动力系统，进入CHP系统的主机-燃气轮机；
S5、变工况信号传递模块在余热热源不能提供所需的能量时，其信号通过热功转换管理模块，热功转换管理模块采用天然气充当补充，采用“源头调节”方式进行能量补给，并将余热热源的温度、流量信息传递给冷区网络循环模式模块；
S6、冷区网络循环模式模块将余热热源视为不同温度的多热源系统，基于氨水混合物、溴化锂的基础热力学物性模拟和吸收式循环构型图谱，利用加热、回热以及蓄能装置实现冷区网络循环的匹配；
S7、全工况的操作参数管理模块接收变工况信号传递模块逐级、有序的传递信号，针对热功转换管理系统和冷区网络循环模式定制的工艺流程，进行互补型DMG系统的全过程模拟，并改变预设的额定工况条件，得到全工况的物流流率、组成和性质，温度、流量和压力分布情况，以及互补型DMG系统外网输出的冷热电能；
S8、能效与环境效益评价模块从全工况的操作参数管理模块中获得各单元的供热、供功、供冷数据和污染物排放量，根据热力学第一定律确定互补型DMG系统的总能利用率、相对节能率，进而反映能量的收益与输出比值；根据热力学第二定律确定互补型DMG系统的经济效益的当量效率、经济效率；根据排放系数，比较互补型DMG系统与传统能源供应系统的环保效益；
S9、优化调度与辅助决策管理模块分析全工况的操作参数管理模块的全过程模拟的可行性，并将相关数据反馈给全工况的操作参数管理模块，全工况的操作参数管理模块不断修正流体工质的物理性质-热力学模型、各单元模型的操作条件，进而完善全工况的操作参数管理模块；然后优化调度与辅助决策管理模块根据修正后的数据，分析关键单元变容量运行规律以及不同单元之间的关联规律，为生产装置设计、运行优化和经济技术评价提供决策信息。
本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：
1、本发明利用燃烧工况调整技术，可以预防生物质气化气的早燃、排气温度过高、爆发压力偏低、能耗偏高、污染物增加等等异常现象，以提高分布式能源站的效率，达到减少CO、NOX排放量的目的。
2、本发明利用燃烧调整实验和数值模拟的方法进行基础理论研究，得到了生物质气化过程和生物质气化气燃烧的预测模型，揭示了气化过程和气化气燃烧过程的本质特征和基础条件，大大增加了生物质利用系统的可靠性。
3、本发明改变只考虑用户需求，或者根据负荷“消峰填谷”的被动蓄能方式，采用可再生能源与化石能源热化学互补的“源头蓄能”，并以“温度对口，梯级利用”为设计原则，针对不同温度的多热源系统(余热热源)，灵活地实现冷区网络循环的匹配，降低品位不对口带来的换热用损失，以构建多能源输入和多产品输出的互补型DMG系统，具有高度的灵活性和先进性。
4、本发明运用各工况下的状态参数进行能效和环保效益评价，反映DMG系统的能量的收益与输出比值，互补型DMG系统的经济效益的当量效率和经济效率，以及反映互补型DMG系统的环保效益，使得相关经济技术指标更具实用性和参考价值。
5、本发明运用过程工程的先进系统(Advanced System for ProcessEngineering，Aspen plus)，能够进行了互补型DMG系统全过程的生产装置设计、稳态模拟和优化、灵敏度分析、经济评价，实现准确、及时的优化调度和辅助决策。
6、本发明能适应燃料多样化、设备微型化以及分布式能源系统的组建愈发开放和灵活的要求，对不同的DMG系统进行了严格的全过程稳态仿真模拟、工况优化和燃烧条件改造，为互补型DMG系统的生产装置的设计和优化、灵敏度分析、经济评价和运行优化、调度提供决策信息，推动分布式能源站向可再生型方向发展，为构建结构新颖、资源节约型、环境友好型的联产系统提供重要的理论根据。
附图说明
图1为本发明的互补型DMG的热功转换与优化调度辅助决策系统原理图。
图2为本发明的互补型DMG系统的构成及其工艺流程图。
图1中，1-燃料特性参数模块，2-燃烧调整实验模块，3-参照模式模块，4-热平衡与消耗量计算模块，5-燃烧工况调整与管理模块，6-热功转换管理模块，7-变工况信号传递模块，8-冷区网络循环模式模块，9-全工况的操作参数管理模块，10-能效与环境效益评价模块，11-优化调度与辅助决策管理模块。
图2中，RYIELD-收率反应器；RGIBBS-吉布斯反应器；SEPARATE-子物流反应器；LC-低压蒸汽再热器；AC-空气预热器；GASCOLD-冷能利用；SEP2-脱硫装置；COMPR1、2、3-空气压缩机1、2、3；S1、2、3-抽气机1、2、3；COMBU-燃烧室；COMP-燃气透平；HPS-高压过热器，再热器；HPB-高压蒸发器；IPS-中压过热器；LPB-低压蒸发器；LPE-低压省煤器；HPE2-高压省煤器2；LPS-低压过热器；IPB-中压蒸发器；HPE1-高压省煤器1，中压省煤器；AOCOLD-热能利用1；LPCOLD-热能利用2；HCOMP-高压蒸汽透平；ICOMP-中压蒸汽透平；LCOMP-低压蒸汽透平；IMIX，LMIX-混合器；LP-低压给水泵；IP-中压给水泵；HP-高压给水泵；SPLIT-给水分流器。
具体实施方式
实施例1：
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图1所示，本实施例的互补型DMG的热功转换与优化调度辅助决策系统包括燃料特性参数模块1、燃烧调整实验模块2、参照模式模块3、热平衡与消耗量计算模块4、燃烧工况调整与管理模块5、热功转换管理模块6、变工况信号传递模块7、冷区网络循环模式模块8、全工况的操作参数管理模块9、能效与环境效益评价模块10以及优化调度与辅助决策管理模块11；其中：
所述燃料特性参数模块1，用于存储燃料特性参数，燃料特性参数包括生物质的种类和成分、热值的测定、原料的适应性等主要的物理和化学特性参数。
所述热平衡与消耗量计算模块4，用于对燃料特性参数模块1中的燃料特性参数进行预处理，整个预处理涉及生物质燃料在各工况下的助燃空气量变化、气化温度和压力计算，以确保生物质气化气的热值、气化产率和气化效率。
所述燃烧调整实验模块2，是从生物质燃气与天然气的差异性出发，借助FLUENT软件平台，研究气体流动起因、性质及对燃烧过程的作用；一方面结合燃烧器中冷态和热态的燃烧调整实验，分析燃烧器主体的工作状态，如一次空气系数、压力变化、二次配风量、火道的燃烧稳定性、流体流量等，以考察燃烧器主体的合理性及其对不同生物质燃气的适应性；另一方面从缸内气体运动和火焰传播速度的相关关系、燃烧效率、NOx生成量等方面，分析生物质燃气燃烧工况的稳定性及其对发动机性能的影响。
所述参照模式模块3，用于存储燃烧器主体中有关于各种生物质燃气的主要参数，如一次空气系数、压力变化、二次配风量、火道的燃烧稳定性、流体流量、喷嘴直径等。
所述燃烧工况调整与管理模块5，用于将燃烧调整实验模块2中主要参数的变化历程与参照模式模块3存储的参数进行对比，考察火道的燃烧稳定性以及流体流量，结合热平衡和消耗量计算模块4的预处理结果，作出是否会发生异常现象(如发生早燃、排气温度过高、爆发压力偏低、能耗偏高、污染物增加等现象)的判断，并根据判断结果选取和调整燃烧工况，以提高CHP(combined heat and power，热电联产)系统的热效率和排放效率，并达到与燃烧后热力循环的品位相关联的目的。
所述热功转换管理模块6，用于在热平衡与消耗量计算模块4、燃烧工况调整与管理模块5的基本数据的基础之上，确定用户的冷热电负荷，根据电负荷选定的燃气轮机参数确定发电系统的功率；根据CHP系统工作原理及节能特性的数学模型，通过生物质的气化，与天然气一起构成多联供动力系统，进入CHP系统的主机-燃气轮机，可以按照温度的梯级变化进行不同方式的组合，从而提供给用户热需求；在余热热源不能提供所需的能量时，利用天然气充当可再生能源利用系统的蓄能装置，采用“源头调节”方式进行能量补给，并利用动力系统的排热充当制冷系统的高温驱动热源，将其与制冷系统集成，构成正逆耦合循环；热功转换管理模块6主要分析生物质燃气流量的变化对CHP系统的工况稳定性、启停成本的影响及其后的余热驱动正逆耦合循环的功冷并供转换效率的影响，不同的能源互补利用可适应多种热电比的变化，可根据热或电的需求进行不同能源比例的调节从而增加热功转换管理模块6的变容量运行的可靠性。
热功转换管理模块6在进行CHP系统的余热锅炉温度梯度设计时，为了尽可能多地利用余热，应尽量地降低余热锅炉的排烟温度值；但是，排气温度因为所选用的余热锅炉压力级别一定局限性；另外余热锅炉的主蒸汽温度受到燃气轮机排气温度的限制。一般，主蒸汽温度比排气温度低25℃～40℃；中压蒸汽和低压蒸汽的温度要比其对应的换热器的入口温度相差11℃左右。同时，高压透平排气与中压蒸汽，中压透平排气与低压蒸汽的温差不宜过大，否则会引起汽轮机内热应力过大。综上所述，确定余热锅炉每个部件的设计温度和锅炉的温度梯度表，如下表1所示。
表1 余热锅炉的温度梯度表
所述变工况信号传递模块7，用于传递互补型DMG系统中各单元的入口边界条件，温度、流量和压力分布，以及热流、能流的输入和输出情况，可以逐级、有序地传递信号，进行能量品位的关联。
所述冷区网络循环模式模块8对余热的回收利用，有两种方式：a)利用动力系统(即燃气轮机)的燃气透平的高温排气直接加热吸收式制冷机组的循环工质，对高温排气中的热量直接加以利用；b)利用热水或蒸汽的中间介质回收生物质气化气排出的热量，然后对中间介质热量加以回收，间接利用排气热量；而余热锅炉的排气温度较低，只能用于直接供热；动力系统相关过程中产生的热能品位较高，温度一般在538℃左右；生物质气化气排气温度在约300-500℃之间。互补型DMG系统中的中温热能主要由生物质气化和动力系统的输出，其品位高低和热量大小存在客观的限制，如果采用同样、不变的的技术，其热能的利用效果会有很大差异。因此，冷区网络循环模式模块8针对其他CCHP中存在不同温度水平热量利用困难的问题，将余热热源视为不同温度的多热源系统，基于氨水混合物、溴化锂等溶液的基础热力学物性模拟和吸收式循环构型图谱，利用加热、回热以及蓄能装置实现冷区网络(DCN：District cooling network)循环的匹配，以降低品位不对口带来的换热用损失，解决CHP系统尾部热量的利用不足的缺点。
所述全工况的操作参数管理模块9，用于进行互补型DMG系统的全过程模拟，并改变预设的额定工况条件，以得到全工况的物流流率、组成和性质，温度、流量和压力分布情况，以及互补型DMG系统外网输出的冷热电能；其中，进行互补型DMG系统的全过程模拟，具体如下：
采用过程工程的先进系统(Advanced System for Process Engineering，Aspenplus)建立互补型DMG系统全过程的图形化工艺流程，工艺流程分为生物质气化单元、中间处理单元、燃气轮机单元和余热锅炉单元，如图2所示；然后利用质量和能量平衡、速率系数(反应和质量/热量传递)等基本物性关系，使用Aspen Plus序贯模块方法去初始化稳态模拟，并在额定工况下，使用Aspen Custom Modeler联立方程法求解动态模拟，预测互补型DMG系统中各单元之间的物流流率、组成和性质，温度、流量和压力分布情况，以及互补型DMG系统外网输出的冷热电能。
所述能效与环境效益评价模块10，用于反映DMG系统的能量的收益与输出比值，反映互补型DMG系统的经济效益的当量效率和经济效率，以及反映互补型DMG系统的环保效益；
所述优化调度与辅助决策管理模块11，用于分析全工况的操作参数管理模块9的全过程模拟的可行性，并分析关键单元变容量运行规律以及不同单元之间的关联规律(单元指的是上述工艺流程划分的生物质气化单元、中间处理单元、燃气轮机单元和余热锅炉单元)，为生产装置设计、运行优化和经济技术评价提供决策信息；其中，分析全工况的操作参数管理模块9的全过程模拟的可行性，具体为：
将全工况的操作参数管理模块9模拟的全过程状态参数与现场数据进行对比，得到准确率；同时，进行灵敏度分析研究工艺变量之间的关系，快速地测试互补型DMG系统中各个装置的配置方案，辅助确定工艺流程的约束部位或关键单元，校验互补型DMG系统是否满足工艺目标。
在本实施例中，基于上述系统实现的互补型DMG的热功转换与优化调度辅助决策方法，包括以下步骤：
S1、燃料特性参数模块1的燃料特性参数经热平衡与消耗量计算模块4预处理，热平衡与消耗量计算模块将预处理结果传递给燃烧工况调整与管理模块；
S2、燃烧调整实验模块2结合燃烧器中冷态和热态的燃烧调整实验，分析燃烧器主体的工作状态(一次空气系数、压力变化、二次配风量、火道的燃烧稳定性、流体流量等)，以考察燃烧器主体的合理性及其对不同生物质燃气的适应性；并从缸内气体运动和火焰传播速度的相关关系、燃烧效率、NOx生成量等方面，分析生物质燃气燃烧工况的稳定性及其对发动机性能的影响；
S3、燃烧工况调整与管理模块5将燃烧调整实验模块2中主要参数的变化历程与参照模式模块3存储的参数进行对比，结合热平衡和消耗量计算模块的预处理结果，作出是否会发生早燃、排气温度过高、爆发压力偏低、能耗偏高、污染物增加等异常现象的判断，并根据判断结果选取和调整燃烧工况；
S4、热功转换管理模块6在热平衡与消耗量计算模块4、燃烧工况调整与管理模块5的基本数据的基础之上，根据CHP系统工作原理及节能特性的数学模型，通过生物质的气化，与天然气一起构成多联供动力系统，进入CHP系统的主机-燃气轮机；
S5、变工况信号传递模块7在余热热源不能提供所需的能量时，其信号通过热功转换管理模块6，热功转换管理模块6采用天然气充当补充，采用“源头调节”方式进行能量补给，并将余热热源的温度、流量信息传递给冷区网络循环模式模块8；
S6、冷区网络循环模式模块8根据不同工况下的余热热源的温度、流量信息，分析工质的Gibbs(吉布斯)自由能和可用能，以及工质热物性对耦合循环的作用机理，将余热热源视为不同温度的多热源系统，基于氨水混合物、溴化锂等溶液的基础热力学物性模拟和吸收式循环构型图谱，利用加热、回热以及蓄能装置实现冷区网络循环的匹配；
S7、全工况的操作参数管理模块9接收变工况信号传递模块7逐级、有序的传递信号，针对热功转换管理系统6和冷区网络循环模式8定制的工艺流程，采用过程工程的先进系统建立互补型DMG系统全过程的图形化工艺流程，工艺流程分为生物质气化单元、中间处理单元、燃气轮机单元和余热锅炉单元，如图2所示；
本实施例中，假设互补型DMG系统在稳定工况下进行，不考虑环境参数的变化，并忽略系统各元件的散热损失及各管道的压力损失；然后利用质量和能量平衡、速率系数(反应和质量/热量传递)等基本物性关系，使用Aspen Plus序贯模块方法去初始化稳态模拟，在额定工况下，若环境温度为15℃，环境压力为1atm，提供的热水为50℃～60℃，使用AspenCustom Modeler联立方程法求解动态模拟，预测互补型DMG系统中各单元之间的物流流率、组成和性质，温度、流量和压力分布情况，以及互补型DMG系统外网输出的冷热电能；改变预设的额定工况条件，得到全工况的物流流率、组成和性质，温度、流量和压力分布情况，以及互补型DMG系统外网输出的冷热电能；
S8、能效与环境效益评价模块10从全工况的操作参数管理模块9中获得各单元的供热、供功、供冷数据和污染物排放量，根据热力学第一定律确定互补型DMG系统的总能利用率、相对节能率，进而反映能量的收益与输出比值；考虑不同能量的品位差异，得到互补型DMG系统的经济效益的当量效率；从经济价值考虑、功热价格不等出发，模仿当量效率，考察不同能量价格的差异和不同系统的经济性，得到互补型DMG系统的经济效益的经济效率，当量效率和经济效率根据热力学第二定律确定；根据排放系数，比较互补型DMG系统与传统能源供应系统的环保效益；
所述排放系数的计算以SO2为例，采用下式计算SO2的排放系数：
KSO2＝(eg×δ×S×H)/V
式中，KSO2表示火电站的SO2的排放系数，单位是kg/kW；eg表示火电站机组的发电煤耗，单位是kg/kWh，取发改委(发展和改革委员会)数据的334g/kWh；S表示火电站机组的燃料含硫量，取1.12％；δ表示火电站机组的SO2生成系数，取0.9；V表示标准煤和原煤的转化系数，取0.7143t标准煤/t原煤；H表示硫转变为SO2的比例系数，取2。同理，CO2和NOX排放系数也采用同样的方式计算，在此不再一一赘述。
S9、优化调度与辅助决策管理模块11将全工况的操作参数管理模块9模拟的全过程状态参数与现场数据进行对比，得到准确率；同时，进行灵敏度分析研究工艺变量之间的关系，快速地测试互补型DMG系统中各个装置的配置方案，在给定的限制内优化工艺条件、设备操作参数，确保流程输入的合理性，辅助确定工艺流程的约束部位或关键单元，校验互补型DMG系统是否满足工艺目标，并将相关数据反馈给全工况的操作参数管理模块9，全工况的操作参数管理模块9不断修正流体工质的物理性质-热力学模型、各单元(这里的单元指的是上述工艺流程划分的生物质气化单元、中间处理单元、燃气轮机单元和余热锅炉单元)的操作条件，进而完善全工况的操作参数管理模块9；然后优化调度与辅助决策管理模块11根据修正后的数据，分析关键单元变容量运行规律以及不同单元之间的关联规律，为生产装置设计、运行优化和经济技术评价提供决策信息。
综上所述，本发明利用燃烧调整实验和数值模拟的方法进行基础理论研究得到了生物质气化过程和生物质气化气燃烧的预测模型；采用可再生能源与化石能源热化学互补的“源头蓄能”，并以“温度对口，梯级利用”为设计原则，针对不同温度的多热源系统，灵活地实现冷区网络循环的匹配，获得了具有高度的灵活性和先进性的互补型DMG系统；并运用过程工程的先进系统(Advanced System for Process Engineering，Aspen plus)，进行了互补型DMG系统全过程的生产装置设计、稳态模拟和优化、灵敏度分析、经济评价，实现准确、及时的优化调度和辅助决策。
以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利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专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明专利构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。
Claims (10)
1.互补型DMG的热功转换与优化调度辅助决策系统，其特征在于：所述系统包括燃料特性参数模块、燃烧调整实验模块、参照模式模块、热平衡与消耗量计算模块、燃烧工况调整与管理模块、热功转换管理模块、变工况信号传递模块、全工况的操作参数管理模块、冷区网络循环模式模块、能效与环境效益评价模块以及优化调度与辅助决策管理模块；其中：
所述热平衡与消耗量计算模块，用于对燃料特性参数模块中的燃料特性参数进行预处理；
所述燃烧调整实验模块，用于结合燃烧器中冷态和热态的燃烧调整实验，分析燃烧器主体的工作状态，以考察燃烧器主体的合理性及其对不同生物质燃气的适应性；
所述参照模式模块，用于存储燃烧器主体中有关于各种生物质燃气的主要参数；
所述燃烧工况调整与管理模块，用于将燃烧调整实验模块中主要参数的变化历程与参照模式模块存储的参数进行对比，结合热平衡和消耗量计算模块的预处理结果，作出是否会发生异常现象的判断，并根据判断结果选取和调整燃烧工况；
所述热功转换管理模块，用于在热平衡与消耗量计算模块、燃烧工况调整与管理模块的基本数据的基础之上，根据CHP系统工作原理及节能特性的数学模型，通过生物质的气化，与天然气一起构成多联供动力系统，进入CHP系统的主机-燃气轮机；
所述变工况信号传递模块，用于传递互补型DMG系统中各单元的入口边界条件，温度、流量和压力分布，以及热流、能流的输入和输出情况；
所述冷区网络循环模式模块，用于将余热热源视为不同温度的多热源系统，基于氨水混合物、溴化锂的基础热力学物性模拟和吸收式循环构型图谱，利用加热、回热以及蓄能装置实现冷区网络循环的匹配；
所述全工况的操作参数管理模块，用于进行互补型DMG系统的全过程模拟，并改变预设的额定工况条件，以得到全工况的物流流率、组成和性质，温度、流量和压力分布情况，以及互补型DMG系统外网输出的冷热电能；
所述能效与环境效益评价模块，用于反映DMG系统的能量的收益与输出比值，反映互补型DMG系统的经济效益的当量效率和经济效率，以及反映互补型DMG系统的环保效益；
所述优化调度与辅助决策管理模块，用于分析全工况的操作参数管理模块的全过程模拟的可行性，并分析关键单元变容量运行规律以及不同单元之间的关联规律，为生产装置设计、运行优化和经济技术评价提供决策信息。
2.根据权利要求1所述的互补型DMG的热功转换与优化调度辅助决策系统，其特征在于：所述全工况的操作参数管理模块中，进行互补型DMG系统的全过程模拟，具体为：
采用过程工程的先进系统建立互补型DMG系统全过程的图形化工艺流程，然后利用基本物性关系，使用Aspen Plus序贯模块方法去初始化稳态模拟，并在额定工况下，使用Aspen Custom Modeler联立方程法求解动态模拟，预测互补型DMG系统中各单元之间的物流流率、组成和性质，温度、流量和压力分布情况，以及互补型DMG系统外网输出的冷热电能。
3.根据权利要求2所述的互补型DMG的热功转换与优化调度辅助决策系统，其特征在于：所述图形化工艺流程分为生物质气化单元、中间处理单元、燃气轮机单元和余热锅炉单元。
4.根据权利要求2所述的互补型DMG的热功转换与优化调度辅助决策系统，其特征在于：所述额定工况下的环境温度为15℃，环境压力为1atm，提供的热水为50℃～60℃。
5.根据权利要求1所述的互补型DMG的热功转换与优化调度辅助决策系统，其特征在于：所述优化调度与辅助决策管理模块中，分析全工况的操作参数管理模块的全过程模拟的可行性，具体为：
将全工况的操作参数管理模块模拟的全过程状态参数与现场数据进行对比，得到准确率；同时，进行灵敏度分析研究工艺变量之间的关系，快速地测试互补型DMG系统中各个装置的配置方案，辅助确定工艺流程的约束部位或关键单元，校验互补型DMG系统是否满足工艺目标。
6.根据权利要求1所述的互补型DMG的热功转换与优化调度辅助决策系统，其特征在于：所述热功转换管理模块在余热热源不能提供所需的能量时，利用天然气充当可再生能源利用系统的蓄能装置，采用“源头调节”方式进行能量补给，并利用动力系统的排热充当制冷系统的高温驱动热源，将其与制冷系统集成，构成正逆耦合循环。
7.根据权利要求1所述的互补型DMG的热功转换与优化调度辅助决策系统，其特征在于：所述冷区网络循环模式模块对余热的回收利用，采用以下任意一种方式：
a)利用动力系统的燃气透平的高温排气直接加热吸收式制冷机组的循环工质，对高温排气中的热量直接加以利用；
b)利用热水或蒸汽的中间介质回收生物质气化气排出的热量，然后对中间介质热量加以回收，间接利用排气热量。
8.根据权利要求1所述的互补型DMG的热功转换与优化调度辅助决策系统，其特征在于：所述燃烧调整实验模块，还用于分析生物质燃气燃烧工况的稳定性及其对发动机性能的影响。
9.根据权利要求1所述的互补型DMG的热功转换与优化调度辅助决策系统，其特征在于：所述燃烧调整实验模块通过FLUENT软件平台实现。
10.基于权利要求1-9任一项所述系统实现的互补型DMG的热功转换与优化调度辅助决策方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
S1、燃料特性参数模块的燃料特性参数经热平衡与消耗量计算模块预处理，热平衡与消耗量计算模块将预处理结果传递给燃烧工况调整与管理模块；
S2、燃烧调整实验模块结合燃烧器中冷态和热态的燃烧调整实验，分析燃烧器主体的工作状态，以考察燃烧器主体的合理性及其对不同生物质燃气的适应性；
S3、燃烧工况调整与管理模块将燃烧调整实验模块中主要参数的变化历程与参照模式模块存储的参数进行对比，结合热平衡和消耗量计算模块的预处理结果，作出是否会发生异常现象的判断，并根据判断结果选择燃烧工况；
S4、热功转换管理模块在热平衡与消耗量计算模块、燃烧工况调整与管理模块的基本数据的基础之上，根据CHP系统工作原理及节能特性的数学模型，通过生物质的气化，与天然气一起构成多联供动力系统，进入CHP系统的主机-燃气轮机；
S5、变工况信号传递模块在余热热源不能提供所需的能量时，其信号通过热功转换管理模块，热功转换管理模块采用天然气充当补充，采用“源头调节”方式进行能量补给，并将余热热源的温度、流量信息传递给冷区网络循环模式模块；
S6、冷区网络循环模式模块将余热热源视为不同温度的多热源系统，基于氨水混合物、溴化锂的基础热力学物性模拟和吸收式循环构型图谱，利用加热、回热以及蓄能装置实现冷区网络循环的匹配；
S7、全工况的操作参数管理模块接收变工况信号传递模块逐级、有序的传递信号，针对热功转换管理系统和冷区网络循环模式定制的工艺流程，进行互补型DMG系统的全过程模拟，并改变预设的额定工况条件，得到全工况的物流流率、组成和性质，温度、流量和压力分布情况，以及互补型DMG系统外网输出的冷热电能；
S8、能效与环境效益评价模块从全工况的操作参数管理模块中获得各单元的供热、供功、供冷数据和污染物排放量，根据热力学第一定律确定互补型DMG系统的总能利用率、相对节能率，进而反映能量的收益与输出比值；根据热力学第二定律确定互补型DMG系统的经济效益的当量效率、经济效率；根据排放系数，比较互补型DMG系统与传统能源供应系统的环保效益；
S9、优化调度与辅助决策管理模块分析全工况的操作参数管理模块的全过程模拟的可行性，并将相关数据反馈给全工况的操作参数管理模块，全工况的操作参数管理模块不断修正流体工质的物理性质-热力学模型、各单元模型的操作条件，进而完善全工况的操作参数管理模块；然后优化调度与辅助决策管理模块根据修正后的数据，分析关键单元变容量运行规律以及不同单元之间的关联规律，为生产装置设计、运行优化和经济技术评价提供决策信息。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20170725 Termination date: 20180429 |