CN107909293B - 一种冷热电三联供系统综合效益评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种冷热电三联供系统综合效益评估方法，其特征在于：建立包括经济指标，环境指标和能效指标在内的综合效益评估体系，利用加权法将各项指标综合并量化用以评估三联供系统的综合效益。本发明通过综合评估冷热电三联供系统，能有效改善三联供系统在实际运用中的经济效益，环境影响以及能效指标。
Description
技术领域
本发明涉及一种冷热电三联供系统综合效益评估方法，适用于不同场景，不同运行模式，不同控制策略下冷热电三联供系统的综合效益评估。
背景技术
随着能源危机和环境污染的日益加剧，人们对动力设备的技术革新已开始从追求单独设备的高效率和低能耗向注重能源梯级、高效综合利用及环境保护等方面转变。冷热电联供是一种建立在能源梯级利用概念的基础上，集制冷、供热(采暖和供热水)及发电过程的各子系统为一体的多联供总能系统。但是，冷热电三联供系统的各子系统之间存在耦合关系，因此在运行时存在多种运行策略和运行模式，所以在冷热电三联供系统投入运营的前期必须对系统进行包括经济效益，环境影响以及能效在内的综合全面的评估。目前冷热电三联供系统的评估多是针对其经济性，没有对冷热电三联供系统的综合效益进行评估，同时缺少对冷热电三联供系统的综合效益的评估方法，在评估过程中很少考虑到冷热电三联供系统对环境的影响。因此往往会导致联供系统在不能经常运行在最佳状态。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种冷热电三联供系统综合效益评估方法，通过综合评估冷热电三联供系统，提高三联供系统在实际运用中的经济效益，环境影响以及能效指标。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
本发明冷热电三联供系统综合效益评估方法的特点是：建立包括经济指标，环境指标和能效指标在内的综合效益评估体系，利用加权法将各项指标综合并量化用以评估三联供系统的综合效益；针对所述经济指标使用不同的权重系数以突出初期投资成本或年能耗运行费用对三联供系统的经济性的影响；针对所述环境指标利用全球变暖潜能值衡量温室效应气体强度，利用酸化潜能值是用来衡量土壤酸化强度，以及利用臭氧层耗竭潜能值衡量臭氧层耗竭强度；针对所述能效指标利用一次能耗率和发电效率描述三联供系统的能效情况。
本发明冷热电三联供系统综合效益评估方法按如下步骤进行：
步骤1、建立冷热电三联供系统综合效益评估指标体系
所述评估指标体系中包含的综合效益评估指标分别为：经济指标、环境指标和能效指标，所述经济指标包含：年运行能耗费用、初期投资成本和年运行效益；所述环境指标包含：温室效应指标、土壤酸化指标和臭氧层耗竭指标；所述能效指标包含：一次能耗率和发电效率；
步骤2、通过对三联供模型的模型分析计算，获得不同运行策略下的燃气流量Q、发电功率Pe、制热功率Ph和制冷功率Pc；所述运行策略包括：跟随电负荷运行策略、跟随冷负荷运行策略、跟随热负荷运行策略以及最大出力运行策略；
步骤3、计算获得综合效益评估指标：
3.1：由式(1)、式(2)和式(3)计算获得三联供系统在不同运行策略下的年运行能耗费用：
Fjk.g为第k个小时的燃气使用量，t为模型分析计算时的步长，Q(i)为模型分析计算时第i个步长的燃气流量；
Ejk.grid为第k个小时的电能缺额，Peu(i)为模型分析计算时第i个步长的用户电功率需求，Pe(i)为第i个步长三联供系统输出的额定电功率；
Cf为年运行能耗费用，j表示一年中的第j天，Ck.e为第k个小时城市电网电价；Cg表示燃气价格；
3.2：由式(4)计算获得三联供系统的初期投资成本CO：
Nn为第n个设备的安装容量，Cn为第n个设备的单位容量投资成本，l为三联供系统中的设备总数；
3.3：由式(5)、式(6)、式(7)和式(8)计算获得三联供系统年运行效益：
Ejk.CCHP为第k个小时三联供系统发电量
Hjk.CCHP为第k个小时的三联供系统制热量；Ph(i)为第i个步长三联供系统输出的制热功率；
Cjk.CCHP为第k个小时的三联供系统制冷量；Pc(i)为第i个步长三联供系统输出的制冷功率；
M＝ε×CO (8)，
M为三联供系统年运行维护投入，ε为比例系数，ε＝3％-5％；
则：三联供系统年运行效益W为：
COPc为冷电比，COPc取值为1.4，COPh为热电比，COPh取值为1.6；
3.4：利用全球变暖潜能值衡量温室效应气体强度，将二氧化碳CO2的潜能值定义为1，温室气体的潜能值越高对温室效应的贡献越大；利用酸化潜能值是用来衡量土壤酸化强度，将二氧化硫SO2的酸化潜能值定义为1，酸化潜能值越高对土壤酸化的贡献越大；利用臭氧层耗竭潜能值衡量臭氧层耗竭强度，将一氟三氯甲烷R11,CC13F的臭氧层耗竭潜能值定义为1；
由式(9)、式(10)、式(11)和式(12)计算获得全球变暖潜能值CO2_equiv、酸化潜能值SO2_equiv和臭氧耗竭潜能值R11_equiv：
[X]表示三联供系统各污染物的排放矩阵，hr为三联供系统输入燃料的低位热值，[μ]表示输入燃料对应的污染物排放系数矩阵，则有：
CO2_equiv＝[GWP]×[X] (10)，
SO2_equiv＝[AP]×[X] (11)，
R11_equiv＝[ODP]×[X] (12)，
[GWP]表示各污染物的全球变暖系数矩阵，[AP]表示各污染物的酸化潜能系数矩阵，[ODP]表示各污染物的臭氧耗竭潜能系数矩阵；
[X]＝[CO2,CH4,N2O,NOx,VOC,SO2]T；[μ]＝[203.74,0.015,0.0004,0.202,0.018,0.011]T
[GWP]＝[1,21,310,0,11,0]T,[AP]＝[0,0,0.7,0.7,0,1]T,[ODP]＝[0,0,0.17,0,0,0]T
3.5：由式(13)计算获得三联供系统的一次能耗率Se,c：
由式(14)计算获得三联供系统的发电效率Ce：
步骤四：通过加权计算获得各综合效益评估指标评估值
由式(15)计算获得经济指标评估值Ec：
Ec值越大表明经济效益越好，α为权重系数，α的取值范围为[0,1]；
若是更加注重初期投资成本对经济效益的影响，则将α取值为0<α<0.5；
若是更加注重年能耗运行费用对经济效益的影响，则将α取值为0.5<α<1；
由式(16)计算获得环境指标评估值EIRc：
EIRc＝α×CO2_equiv+β×SO2_equiv+γ×R11_equiv (16)，
EIRc值越大说明对环境造成的危害越大，其中0<α,β,γ<1，且：α+β+γ＝1；
由式(17)计算获得能效指标评估值Sc：
Sc值越大表明三联供系统的整体能效越优。
在传统电力系统中由于冷热电三联供系统的装机容量小，认为其对环境几乎没有影响，导致冷热电三联供系统的综合效益评估体系中大多不考虑其对环境的影响，而在分析其经济效益时大多仍采用的是恒定的电网电价而没有考虑峰谷电价。近年来随着政策的扶持，以及冷热电三联供系统本身的高效率，高功率比等优势，其装机容量正在逐步提升，所以针对装机容量小的冷热电三联供系统的综合效益的评估体系很难在适用，本发明建立了一个能够综合评估冷热电三联供系统效益的指标体系，与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明方法实现了对冷热电三联供系统的经济效益，环境影响以及能效进行综合评估；
2、本发明方法在综合评估冷热电三联供系统的基础上可以对冷热电三联供系统进行优化，降低项目的投资成本；
3、本发明可以在综合评估冷热电三联供系统的基础上合理配置冷热电三联供系统实现对环境的影响降低到最小。
附图说明
图1为4月典型日下不同运行策略，余热不同分配比例情况下的经济指标；
图2为7月典型日下不同运行策略，余热不同分配比例情况下的经济指标；
图3为10月典型日下不同运行策略，余热不同分配比例情况下的经济指标；
图4为12月典型日下不同运行策略，余热不同分配比例情况下的经济指标；
图5为4月典型日下不同运行策略，余热不同分配比例情况下的二氧化碳排放当量；
图6为7月典型日下不同运行策略，余热不同分配比例情况下的二氧化碳排放当量；
图7为10月典型日下不同运行策略，余热不同分配比例情况下的二氧化碳排放当量；
图8为12月典型日下不同运行策略，余热不同分配比例情况下的二氧化碳排放当量；
图9为4月典型日下不同运行策略，余热不同分配比例情况下的能效指标；
图10为7月典型日下不同运行策略，余热不同分配比例情况下的能效指标；
图11为10月典型日下不同运行策略，余热不同分配比例情况下的能效指标；
图12为12月典型日下不同运行策略，余热不同分配比例情况下的能效指标。
具体实施方式
本实施例中冷热电三联供系统综合效益评估方法是：建立包括经济指标，环境指标和能效指标在内的综合效益评估体系，利用加权法将各项指标综合并量化用以评估三联供系统的综合效益；针对经济指标使用不同的权重系数以突出初期投资成本或年能耗运行费用对三联供系统的经济性的影响；针对环境指标利用全球变暖潜能值衡量温室效应气体强度，利用酸化潜能值是用来衡量土壤酸化强度，以及利用臭氧层耗竭潜能值衡量臭氧层耗竭强度；针对能效指标利用一次能耗率和发电效率描述三联供系统的能效情况。
本实施例中冷热电三联供系统综合效益评估方法按如下步骤进行：
步骤1、建立冷热电三联供系统综合效益评估指标体系
为适应不断提升的冷热电三联供系统装机容量的现状，本实施例建立能够综合评估冷热电三联供系统效益的指标体系，其评估指标体系中包含的综合效益评估指标分别为：经济指标、环境指标和能效指标，经济指标包含：年运行能耗费用、初期投资成本和年运行效益；环境指标包含：温室效应指标、土壤酸化指标和臭氧层耗竭指标；能效指标包含：一次能耗率和发电效率。
步骤2、通过对三联供模型的模型分析计算，获得不同运行策略下的燃气流量Q、发电功率Pe、制热功率Ph和制冷功率Pc；运行策略包括：跟随电负荷运行策略、跟随冷负荷运行策略、跟随热负荷运行策略以及最大出力运行策略。
步骤3、计算获得综合效益评估指标：
3.1：由式(1)、式(2)和式(3)计算获得三联供系统在不同运行策略下的年运行能耗费用：
Fjk.g为第k个小时的燃气使用量，t为模型分析计算时的步长，Q(i)为模型分析计算时第i个步长的燃气流量；
Ejk.grid为第k个小时的电能缺额，Peu(i)为模型分析计算时第i个步长的用户电功率需求，Pe(i)为第i个步长三联供系统输出的额定电功率，将电能缺额按小时划分有利于使用峰谷电价计算经济性指标，使评估结果更加实际，更加准确；
Cf为年运行能耗费用，j表示一年中的第j天，Ck.e为第k个小时城市电网电价；Cg表示燃气价格。
3.2：由式(4)计算获得三联供系统的初期投资成本CO：
Nn为第n个设备的安装容量，Cn为第n个设备的单位容量投资成本，l为三联供系统中的设备总数。
3.3：由式(5)、式(6)、式(7)和式(8)计算获得三联供系统年运行效益：
Ejk.CCHP为第k个小时三联供系统发电量
Hjk.CCHP为第k个小时的三联供系统制热量；Ph(i)为第i个步长三联供系统输出的制热功率；
Cjk.CCHP为第k个小时的三联供系统制冷量；Pc(i)为第i个步长三联供系统输出的制冷功率；
M＝ε×CO (8)，
M为三联供系统年运行维护投入，ε为比例系数，ε＝3％:5％；
则：三联供系统年运行效益W为：
COPc为冷电比，COPc取值为1.4，COPh为热电比，COPh取值为1.6；利用冷电比和热电比可以将热能转化成等效的电能，这样也更加有利于与集中式的供电系统作经济效益的对比。
3.4：利用全球变暖潜能值衡量温室效应气体强度，将二氧化碳CO2的潜能值定义为1，温室气体的潜能值越高对温室效应的贡献越大；利用酸化潜能值是用来衡量土壤酸化强度，将二氧化硫SO2的酸化潜能值定义为1，酸化潜能值越高对土壤酸化的贡献越大；利用臭氧层耗竭潜能值衡量臭氧层耗竭强度，将一氟三氯甲烷R11,CC13F的臭氧层耗竭潜能值定义为1；对于环境的影响往往是多种污染排放物综合作用的效果，利用潜能值可以将冷热电三联供系统对环境的具体影响量化。
由式(9)、式(10)、式(11)和式(12)计算获得全球变暖潜能值CO2_equiv、酸化潜能值SO2_equiv和臭氧耗竭潜能值R11_equiv：
[X]表示三联供系统各污染物的排放矩阵，hr为三联供系统输入燃料的低位热值，[μ]表示输入燃料对应的污染物排放系数矩阵，则有：
CO2_equiv＝[GWP]×[X] (10)，
SO2_equiv＝[AP]×[X] (11)，
R11_equiv＝[ODP]×[X] (12)，
[GWP]表示各污染物的全球变暖系数矩阵，[AP]表示各污染物的酸化潜能系数矩阵，[ODP]表示各污染物的臭氧耗竭潜能系数矩阵；
[X]＝[CO2,CH4,N2O,NOx,VOC,SO2]T；[μ]＝[203.74,0.015,0.0004,0.202,0.018,0.011]T
[GWP]＝[1,21,310,0,11,0]T,[AP]＝[0,0,0.7,0.7,0,1]T,[ODP]＝[0,0,0.17,0,0,0]T
3.5：由式(13)计算获得三联供系统的一次能耗率Se,c：
由式(14)计算获得三联供系统的发电效率Ce：
步骤四：通过加权计算获得各综合效益评估指标评估值
由式(15)计算获得经济指标评估值Ec：
Ec值越大表明经济效益越好，α为权重系数，α的取值范围为[0,1]；若是更加注重初期投资成本对经济效益的影响，则将α取值为0<α<0.5；若是更加注重年能耗运行费用对经济效益的影响，则将α取值为0.5<α<1；利用加权的方法可以将不同的经济指标转换成一个量化的指标，同时可以通过选择不同的权重来表达对哪一部分的经济效益更加关注。
由式(16)计算获得环境指标评估值EIRc：
EIRc＝α×CO2_equiv+β×SO2_equiv+γ×R11_equiv (16)，
EIRc值越大说明对环境造成的危害越大，其中0<α,β,γ<1，且：α+β+γ＝1；利用加权的方法可以将不同的环境影响综合成一个量化的指标去评估整个三联供系统的环境影响。
由式(17)计算获得能效指标评估值Sc：
Sc值越大表明三联供系统的整体能效越优。
图1-图12中的曲线1为跟随电负荷模式，曲线2为跟随冷负荷模式，曲线3为跟随热负荷模式，曲线4为最大出力模式。从图1到图4可以看出在12月典型日负荷下，三联供系统的运行成本比较小，其中在余热分配比例为50％的情况下，三联供系统的运行成本达到最小。从图5到图8可以看出在余热分配比例比较小的情况下跟随热负荷运行控制策略排放的二氧化碳当量比较小，当余热比例逐渐增大时，跟随热负荷运行控制策略下的三联供系统排放的二氧化碳当量增多，而跟随冷负荷运行控制策略下的三联供系统排放的二氧化碳当量减少。从图9到图12可以看出最大出力运行情况下的冷热电三联供系统能效最优。
以四月典型日负荷为例，三联供系统采用不同模式的控制策略，在不同余热分配比例情况下的运行成本如图1所示。
以七月典型日负荷为例，三联供系统采用不同模式的控制策略，在不同余热分配比例情况下的运行成本如图2所示。
以十月典型日负荷为例，三联供系统采用不同模式的控制策略，在不同余热分配比例情况下的运行成本如图3所示。
以十二月典型日负荷为例，三联供系统采用不同模式的控制策略，在不同余热分配比例情况下的运行成本如图4所示。
以四月典型日负荷为例，三联供系统采用不同模式的控制策略，在不同余热分配比例情况下的二氧化碳排放当量如图5所示。
以七月典型日负荷为例，三联供系统采用不同模式的控制策略，在不同余热分配比例情况下的二氧化碳排放当量如图6所示。
以十月典型日负荷为例，三联供系统采用不同模式的控制策略，在不同余热分配比例情况下的二氧化碳排放当量如图7所示。
以十二月典型日负荷为例，三联供系统采用不同模式的控制策略，在不同余热分配比例情况下的二氧化碳排放当量如图8所示。
以四月典型日负荷为例，三联供系统采用不同模式的控制策略，在不同余热分配比例的情况下的能效指标如图9所示。
以七月典型日负荷为例，三联供系统采用不同模式的控制策略，在不同余热分配比例情况下的能效指标如图10所示。
以十月典型日负荷为例，三联供系统采用不同模式的控制策略，在不同余热分配比例情况下的能效指标如图11所示。
以十二月典型日负荷为例，三联供系统采用不同模式的控制策略，在不同余热分配比例情况下的能效指标如图12所示。
Claims (1)
1.一种冷热电三联供系统综合效益评估方法，其特征在于，建立包括经济指标，环境指标和能效指标在内的综合效益评估体系，利用加权法将各项指标综合并量化评估三联供系统的综合效益；针对所述经济指标，使用不同的权重系数突出初期投资成本或年运行能耗费用对三联供系统的经济性的影响；针对所述环境指标，利用全球变暖潜能值衡量温室效应气体强度，利用酸化潜能值衡量土壤酸化强度，以及利用臭氧层耗竭潜能值衡量臭氧层耗竭强度；针对所述能效指标，利用一次能耗率和发电效率描述三联供系统的能效情况；
所述冷热电三联供系统综合效益评估方法按如下步骤进行：
步骤1、建立冷热电三联供系统综合效益评估指标体系：
所述评估指标体系中综合效益评估指标包含经济指标、环境指标和能效指标，所述经济指标包含年运行能耗费用、初期投资成本和年运行效益；所述环境指标包含温室效应指标、土壤酸化指标和臭氧层耗竭指标；所述能效指标包含一次能耗率和发电效率；
步骤2、通过对三联供系统的模型分析计算，获得不同运行策略下的燃气流量Q、发电功率Pe、制热功率Ph和制冷功率Pc；所述运行策略包括跟随电负荷运行策略、跟随冷负荷运行策略、跟随热负荷运行策略以及最大出力运行策略；
步骤3、计算获得综合效益评估指标：
3.1：由式(1)、式(2)和式(3)计算获得三联供系统在不同运行策略下的年运行能耗费用Cf：
Fjk.g为第k个小时的燃气使用量，t为模型分析计算时的步长，Q(i)为模型分析计算时第i个步长的燃气流量；
Ejk.grid为第k个小时的电能缺额，Peu(i)为模型分析计算时第i个步长的用户电功率需求，Pe(i)为第i个步长三联供系统输出的额定发电功率；
Cf为年运行能耗费用，j表示一年中的第j天；
Ck.e为第k个小时城市电网电价；Cg表示燃气价格；
3.2：由式(4)计算获得三联供系统的初期投资成本CO：
Nn为第n个设备的安装容量，Cn为第n个设备的单位容量投资成本，l为三联供系统中的设备总数；
3.3：由式(5)、式(6)、式(7)和式(8)计算获得三联供系统年运行效益W：
Ejk.CCHP为第k个小时三联供系统发电量；
Hjk.CCHP为第k个小时的三联供系统制热量；Ph(i)为第i个步长三联供系统输出的制热功率；
Cjk.CCHP为第k个小时的三联供系统制冷量；Pc(i)为第i个步长三联供系统输出的制冷功率；
M＝ε×CO (8)
M为三联供系统年运行维护投入，ε为比例系数，ε＝3％-5％；
则三联供系统年运行效益W为：
COPc为冷电比，COPc取值为1.4，COPh为热电比，COPh取值为1.6；
3.4：利用全球变暖潜能值衡量温室效应气体强度，将二氧化碳CO2的全球变暖潜能值定义为1，全球变暖潜能值越高对温室效应的贡献越大；利用土壤酸化潜能值衡量土壤酸化强度，将二氧化硫SO2的酸化潜能值定义为1，土壤酸化潜能值越高对土壤酸化的贡献越大；利用臭氧层耗竭潜能值衡量臭氧层耗竭强度，将一氟三氯甲烷R11,CC13F的臭氧层耗竭潜能值定义为1；利用潜能值将冷热电三联供系统对环境的具体影响量化；
由式(9)、式(10)、式(11)和式(12)计算获得全球变暖潜能值CO2_equiv、酸化潜能值SO2_equiv和臭氧耗竭潜能值R11_equiv：
[X]表示三联供系统各污染物的排放矩阵，hr为三联供系统输入燃料的低位热值，[μ]表示输入燃料对应的污染物排放系数矩阵，则有：
CO2_equiv＝[GWP]×[X] (10)
SO2_equiv＝[AP]×[X] (11)
R11_equiv＝[ODP]×[X] (12)
[GWP]表示各污染物的全球变暖潜能系数矩阵，[AP]表示各污染物的酸化潜能系数矩阵；
[ODP]表示各污染物的臭氧耗竭潜能系数矩阵；[X]＝[CO2,CH4,N2O,NOx,VOC,SO2]T；[μ]＝[203.74,0.015,0.0004,0.202,0.018,0.011]T[GWP]＝[1,21,310,0,11,0]T,[AP]＝[0,0,0.7,0.7,0,1]T,[ODP]＝[0,0,0.17,0,0,0]T
3.5：由式(13)计算获得三联供系统的一次能耗率Se,c：
由式(14)计算获得三联供系统的发电效率Ce：
步骤4：通过加权法计算获得各综合效益评估指标评估值：
由式(15)计算获得经济指标评估值Ec：
Ec值越大经济效益越好，α为权重系数，α的取值范围为[0,1]；
若是更加注重初期投资成本对经济效益的影响，则将α取值为0＜α＜0.5；
若是更加注重年运行能耗费用对经济效益的影响，则将α取值为0.5＜α＜1；
由式(16)计算获得环境指标评估值EIRc：
EIRc＝α×CO2_equiv+β×SO2_equiv+γ×R11_equiv (16)
EIRc值越大对环境造成的危害越大，其中0＜α,β,γ＜1，且α+β+γ＝1；
利用加权法将不同环境影响综合成一个量化指标评估整个三联供系统环境影响；
由式(17)计算获得能效指标评估值Sc：
Sc值越大三联供系统的整体能效越优。
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