CN105488596A - 一种有机朗肯循环系统的成本电价优化方法 - Google Patents

一种有机朗肯循环系统的成本电价优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种有机朗肯循环系统的成本电价优化方法，其包括以下步骤：步骤1、实现有机朗肯循环DCS的运行数据与Scilab算法平台的读写；步骤2、利用Scilab算法平台的曲线拟合工具箱，形成循环系统成本流目标函数；步骤3、在所述循环系统成本流目标函数的基础上，考虑机循环系统容量约束、冷凝器窄点温差约束和有机工质蒸发压力约束，设计有机朗肯循环系统的综合目标函数；步骤4、利用遗传算法，快速得出基于工程运行数据的优化成本电价结果。本发明可实现成本电价的最优化，有利于指导、控制、调节电力生产，使用户合理承担电力成本，提高能源使用效率及企业、社会经济效益，实现社会可持续发展的目的。

Description

一种有机朗肯循环系统的成本电价优化方法
技术领域
本发明涉及低品位能源发电经济性领域，尤其涉及的是有机朗肯循环成本电价优化方法。
背景技术
目前，我国创造1美元的GDP值要耗电1.25千瓦时，欧美发达国家平均耗电0.3-0.4千瓦时，日本需要0.23千瓦时，随着我国用电负荷不断增大，消费用电价格将进一步提高，尽管我国实施了单一电价、峰谷分时电价、差别电价和梯级电价等多种政策，但是仍然不能达到大多数居民要求，因此，如何优化成本电价，减小用户购电费用成为一个难题。优化成本电价可以有效指导、控制、调节电力生产和消费，使用户合理承担电力成本，提高能源使用效率及企业、社会经济效益，实现社会可持续发展的目的。
发明内容
为克服现有低品位有机朗肯循环发电系统成本电价的明感性问题，本发明提供一种有机朗肯循环系统的成本电价优化方法，该方法利用有机朗肯循环系统的分布式控制系统DCS(distributecontrolsystem)提供的运行数据，修正并无缝桥接多约束寻优的Scilab算法平台，构造非线性的综合目标函数，利用遗传算法，将发电系统容量和成本流有机结合起来，并考虑循环系统容量、冷凝器窄点温差、有机工质蒸发压力等约束条件，最小化有机朗肯循环系统的综合目标函数，快速得出基于工程运行数据的优化成本电价结果，有利于系统设备性能和成本电价的优化。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种有机朗肯循环系统的成本电价优化方法，其包括以下步骤：
步骤1、实现有机朗肯循环DCS的运行数据与Scilab算法平台的读写，所述Scilab算法平台并为接入电力成本优化系统软件预留参数接口，以达到Scilab算法平台与电力成本优化系统软件的无缝对接；
所述实现有机朗肯循环DCS的运行数据与Scilab算法平台的读写的方法是：
将有机朗肯循环DCS的运行数据输出至Excel平台，形成Excel文件，并将所述Excel文件读入至Scilab算法平台中，实现运行数据与Scilab算法语言数据读写；
步骤2、利用Scilab算法平台的曲线拟合工具箱，利用不同阶次多项式形式，整理拟合由Excel文件读入的有机朗肯循环DCS的运行数据，选取残差低的多项式拟合式表达热源温度与循环机组成本流关系公式，形成循环系统成本流目标函数；
步骤3、在所述循环系统成本流目标函数的基础上，考虑机循环系统容量约束、冷凝器窄点温差约束和有机工质蒸发压力约束，设计有机朗肯循环系统的综合目标函数，所述综合目标函数及其约束为：
综合目标函数：
min C p , t o t = Σ i = 1 N [ η 1 ( C F , i + Z C L , i + Z O M , i ) + η 2 ( C e m i s i o n )
其中，Cp，tot表征有机朗肯循环系统总成本流；
CF，i表征第i种燃料的成本流；
ZCL，i表征第i种设备的成本流；
ZOM，i表征第i种设备运行管理的成本流；
Cemision表征发电循环系统污染物排放的成本流；
η1，η2表征发电循环系统成本流的比例系数，η1为0.8，η2为0.2；
冷凝器窄点温差约束：
ΔTpinch＝min(5，Tdew-Tc，Tcon，in-Tout，Tcon，out-Tin)
其中，ΔTpinch表征冷凝器窄点温差；
Tdew表征冷凝器中有机工质露点温度；
Tc表征冷凝器中冷却水在有机工质露点温度条件下的对应温度；
Tcon，in表征冷凝器中有机工质进口温度；
Tout表征冷凝器中冷却水出口温度；
Tcon，out表征冷凝器中有机工质出口温度；
Tin表征冷凝器中冷却水进口温度；
循环系统容量约束：
Qmin＜Q＜Qmax
其中，Qmin表征发电机组的最小发电容量，为硬性约束；
Qmax表征发电机组的最大发电容量，为软性约束；
有机工质蒸发压力约束：
Pcond＜P＜min(Pcrit，Pheat)
其中，Pcrit表征有机工质的临界压力；
Pheat表征有机工质在热源温度下对应的饱和压力；
Pcond表征有机工质在冷凝温度下对应的饱和压力；
步骤4、利用遗传算法，最小化有机朗肯循环系统的综合目标函数，快速得出基于工程运行数据的优化成本电价结果。
在所述步骤2之前还包括：修有机朗肯循环系统正运行参数；
所述运行参数包括热源质量流量、热源温度、工质流量和传热系数，其中热源质量流量和工质流量均通过剔除明显测试错误值后取平均值的方法得到；热源温度和传热系数均通过乘以修正系数得到。
所述步骤1中，Scilab算法平台为电力成本优化系统软件预留参数接口包括：
(1-1)、有机工质名称；
(1-2)、热源温度；
(1-3)、热源质量流量；
(1-4)、环境干球温度；
(1-5)、环境湿球温度；
(1-6)、环境相对湿度；
(1-7)、冷却温差；
(1-8)、过热度；
(1-9)、汽轮机效率；
(1-10)、泵效率；
(1-11)、预热器传热系数；
(1-12)、蒸发器传热系数；
(1-13)、回热器传热系数；
(1-14)、冷凝器传热系数；
(1-15)、系统运行生命周期；
(1-16)、年收益率；
(1-17)、内部收益率；
(1-18)、名义收益率。
本发明的有益效果是：本发明利用一种有机朗肯循环DCS提供的运行数据，写入Scilab算法平台，并进行参数修正，拟合非线性的综合目标函数，将发电系统容量和成本流有机结合起来，考虑循环系统容量、冷凝器窄点温差、有机工质蒸发压力等约束条件，最小化有机朗肯循环系统的综合目标函数，快速得出基于工程运行数据的优化成本电价结果。
通过地热发电站的案例验证，本发明可实现成本电价的最优化，有利于指导、控制、调节电力生产，使用户合理承担电力成本，提高能源使用效率及企业、社会经济效益，实现社会可持续发展的目的。
附图说明
图1为一种有机朗肯循环系统的成本电价优化方法流程图；
图2为基于地热有机朗肯循环发电系统的成本电价优化结果。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。
实施例
以地热有机朗肯循环发电系统为实施例，请参照图1所示，一种有机朗肯循环系统的成本电价优化方法，具体包括：
(1)确定电价优化模型的不确定参数
影响成本电价的因素，除了电力系统本身的设备外，还有一部分外界因素，如地热井出口热源温度，内部收益率、系统运行生命周期、名义收益率等。
(2)实现有机朗肯循环DCS的运行数据与Scilab算法平台的读写，Scilab算法平台并为接入电力成本优化系统软件预留参数接口，以达到Scilab算法平台与电力成本优化系统软件的无缝对接。
有机朗肯循环DCS的运行数据的“读”就是数据输出，Scilab(ScientificLaboratory科学实验室，是一种科学工程计算软件)算法平台的“写”就是输入。有机朗肯循环DCS的运行数据的的“读”主要是通过数据采集传感器和数据通信线传送到计算机，计算机安装有数据采集软件，以EXCEL的方式读出数据，并进行保存，形成Excel文件；Scilab平台的“写”将上述形成有机朗肯循环DCS运行数据的Excel文件手动导入Scilab软件计算平台。
(3)修正运行参数，拟合有机朗肯循环的运行性能曲线，形成循环系统电力成本流目标函数，具体修正参数包括蒸发压力、热源温度、冷却水温度。
修正运行参数主要包括热源质量流量、热源温度、工质流量和传热系数。热源质量流量和工质流量主要通过剔除明显测试错误值(突然出现的极高点和极地点)和取平均值(多个热源质量流量或工质流量测量值的平均值)的方法得到；热源温度和传热系数是通过测量值乘以修正系数得到。
拟合曲线在Scilab算法平台实现；在软件平台中，可以对曲线进行多项式拟合、幂指数拟合、对数函数拟合等，通过函数拟合，得到成本流的目标函数；该目标函数的表达式为f(x，y，z，......)＝Axm+Byn+Czi+…
其中，x、y、z...为运行参数和模拟参数，包括蒸发压力、冷凝压力、蒸发温度、冷凝温度、换热系数等，A、B、C、m、n、i...为拟合系数。
(4)考虑循环系统容量、冷凝器窄点温差、有机工质蒸发压力等约束条件，利用EES遗传算法，最小化有机朗肯循环系统的综合目标函数，快速得出基于工程运行数据的优化成本电价结果；
(5)有机朗肯循环DCS(distributecontrolsystem)的运行数据与EES对接，通过整合，输出有机朗肯循环系统的数据库至EXCEL平台，并且读入Scilab算法平台，实现运行数据与Scilab算法语言数据读写，实现成本电价的优化。与Scilab算法平台对接的接口主要包括18个参数：
1，有机工质名称
2，热源温度
3，热源质量流量
4，环境干球温度
5，环境湿球温度，
6，环境相对湿度
7，冷却温差
8，过热度，
9，汽轮机效率
10，泵效率
11，预热器传热系数
12，蒸发器传热系数
13，回热器传热系数
14，冷凝器传热系数
15，系统运行生命周期
16，年收益率
17，内部收益率
18，名义收益率
(6)成本电价的优化主要通过以下步骤实现：
(一)利用Scilab算法平台的曲线拟合工具箱，利用不同阶次多项式形式，整理拟合由Excel文件读入的朗肯循环机组运行数据，选取残差较低的多项式拟合式表达热源温度与循环机组成本流关系公式，形成循环系统成本流目标函数；
(二)利用读入Scilab算法平台的运行数据，形成非线性的综合目标函数；
(三)目标函数设计
有机朗肯循环系统的综合目标函数设计包括：考虑机循环系统容量、冷凝器窄点温差、有机工质蒸发压力等约束。综合考虑成本流(循环系统成本流目标函数)及各约束后，可得综合目标函数目标函数及其约束如下：
min C p , t o t = Σ i = 1 N ( C F , i + Z C L , i + Z O M , i )
其中，Cp，tot表征有机朗肯循环系统总成本流，
CF，i表征第i种燃料的成本流
ZCL，i表征第i种设备的成本流
ZOM，i表征第i种设备运行管理的成本流
冷凝器窄点温差约束：
ΔTpinch＝min(5，Tdew-Tc，Tcon，in-Tout，Tcon，out-Tin)
ΔTpinch表征冷凝器窄点温差；
Tdew表征冷凝器中有机工质露点温度；
Tc表征冷凝器中冷却水在有机工质露点温度条件下的对应温度；
Tcon，in表征冷凝器中有机工质进口温度；
Tout表征冷凝器中冷却水出口温度；
Tcon，out表征冷凝器中有机工质出口温度；
Tin表征冷凝器中冷却水进口温度；
循环系统容量约束：
Qmin＜Q＜Qmax
Qmin表征发电机组的最小发电容量，为硬性约束；
Qmax表征发电机组的最大发电容量，为软性约束；
有机工质蒸发压力约束：
Pcond＜P＜min(Pcrit，Pheat)
Pcrit表征有机工质的临界压力；
Pheat表征有机工质在热源温度下对应的饱和压力；
Pcond表征有机工质在冷凝温度下对应的饱和压力。
(四)优化循环系统电价成本流目标函数，解决有机朗肯循环成本电价定价问题，得出基于工程运行数据的优化成本电价结果。
这里是以综合目标函数为基础，考虑循环系统容量、窄点温差等约束条件，通过遗传算法、共轭方向法、多尺度法和全局直接优化法等方法，快速得到优化成本电价结果。
以遗传算法为例(当然也可以选择其他算法)，遗传算法提供了一个求解复杂系统优化问题的通用框架，不依赖问题的领域和种类。遗传算法以适应度函数为依据，通过对群体中的个体施加遗传操作，实现群体内个体结构重组的迭代处理过程。基本遗传算法(也称标准遗传算法、简单遗传算法、SimpleGeneticAlgorithms简称SGA)是一种最基本的遗传算法。其数学模型对一个需要进行优化计算的实际应用问题，通常按下述步骤来构造求最优解的遗传算法：
A、确定决策变量及其各种约束条件，即确定出个体的表现型和问题的解空间；(即成本流函数和综合目标函数)；
B、建立优化模型，即确定出目标函数的类型(求最大值还是最小值？)及其数学描述形式或量化方法；(成本流最小，目标函数最大)；
C、确定表示可行解的染色体编码方法，即确定出个体的基因型和遗传算法的搜索空间；(参数的边界条件)；
D、确定解码方法，即确定由个体基因型到个体表现型的对应关系或转换关系；(运行参数内部之间的公式，如：压力和温度计算流体焓值)；
E、确定个体适应度的量化评价方法，即确定出由目标函数到个体适应度的转换规则；(目标函数的拟合公式)；
F、设计遗传算子，即确定出选择、交叉、变异等算子的具体操作方法；(改变主要运行参数(压力、温度等)，进行收敛性计算)；
G、确定遗传算法的有关运行参数。(分析输出最优参数)。
根据上述过程最终得出基于工程运行数据的优化成本电价结果，如图2所示。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种有机朗肯循环系统的成本电价优化方法，其特征在于，其包括以下步骤：
步骤1、实现有机朗肯循环DCS的运行数据与Scilab算法平台的读写，所述Scilab算法平台并为接入电力成本优化系统软件预留参数接口，以达到Scilab算法平台与电力成本优化系统软件的无缝对接；
所述实现有机朗肯循环DCS的运行数据与Scilab算法平台的读写的方法是：
将有机朗肯循环DCS的运行数据输出至Excel平台，形成Excel文件，并将所述Excel文件读入至Scilab算法平台中，实现运行数据与Scilab算法语言数据读写；
步骤2、利用Scilab算法平台的曲线拟合工具箱，利用不同阶次多项式形式，整理拟合由Excel文件读入的有机朗肯循环DCS的运行数据，选取残差低的多项式拟合式表达热源温度与循环机组成本流关系公式，形成循环系统成本流目标函数；
步骤3、在所述循环系统成本流目标函数的基础上，考虑机循环系统容量约束、冷凝器窄点温差约束和有机工质蒸发压力约束，设计有机朗肯循环系统的综合目标函数，所述综合目标函数及其约束为：
综合目标函数：
minC p , t o t = Σ i = 1 N [ η 1 ( C F , i + Z C L , i + Z O M , i ) + η 2 ( C e m i s i o n )
其中，Cp，tot表征有机朗肯循环系统总成本流；
CF，i表征第i种燃料的成本流；
ZCL，i表征第i种设备的成本流；
ZOM，i表征第i种设备运行管理的成本流；
Cemision表征发电循环系统污染物排放的成本流；
η1，η2表征发电循环系统成本流的比例系数，η1为0.8，η2为0.2；
冷凝器窄点温差约束：
ΔTpinch＝min(5，Tdew-Tc，Tcon，in-Tout，Tcon，out-Tin)
其中，ΔTpinch表征冷凝器窄点温差；
Tdew表征冷凝器中有机工质露点温度；
Tc表征冷凝器中冷却水在有机工质露点温度条件下的对应温度；
Tcon，in表征冷凝器中有机工质进口温度；
Tout表征冷凝器中冷却水出口温度；
Tcon，out表征冷凝器中有机工质出口温度；
Tin表征冷凝器中冷却水进口温度；
循环系统容量约束：
Qmin＜Q＜Qmax
其中，Qmin表征发电机组的最小发电容量，为硬性约束；
Qmax表征发电机组的最大发电容量，为软性约束；
有机工质蒸发压力约束：
Pcond＜P＜min(Pcrit，Pheat)
其中，Pcrit表征有机工质的临界压力；
Pheat表征有机工质在热源温度下对应的饱和压力；
Pcond表征有机工质在冷凝温度下对应的饱和压力；
步骤4、利用遗传算法，最小化有机朗肯循环系统的综合目标函数，快速得出基于工程运行数据的优化成本电价结果。
2.根据权利要求1所述的有机朗肯循环系统的成本电价优化方法，其特征在于，在所述步骤2之前还包括：修有机朗肯循环系统正运行参数；
所述运行参数包括热源质量流量、热源温度、工质流量和传热系数，其中热源质量流量和工质流量均通过剔除明显测试错误值后取平均值的方法得到；热源温度和传热系数均通过乘以修正系数得到。
3.根据权利要求2所述的有机朗肯循环系统的成本电价优化方法，其特征在于，所述步骤1中，Scilab算法平台为电力成本优化系统软件预留参数接口包括：
(1-1)、有机工质名称；
(1-2)、热源温度；
(1-3)、热源质量流量；
(1-4)、环境干球温度；
(1-5)、环境湿球温度；
(1-6)、环境相对湿度；
(1-7)、冷却温差；
(1-8)、过热度；
(1-9)、汽轮机效率；
(1-10)、泵效率；
(1-11)、预热器传热系数；
(1-12)、蒸发器传热系数；
(1-13)、回热器传热系数；
(1-14)、冷凝器传热系数；
(1-15)、系统运行生命周期；
(1-16)、年收益率；
(1-17)、内部收益率；
(1-18)、名义收益率。
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