CN111709638B - 基于图论和等效电法的冷热电联供系统构建方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种基于图论和等效电法的冷热电联供系统构建方法及系统，根据图论思想构造能量流网络供能用能模型，选取等效电权值最大为目标函数，并对图论模型中的各可选路径分析比较，得到最佳的供能路径，确定冷热电联供系统的供能结构；本公开提供的节点式、图形化的设计方法考虑了多能源种类、多设备结构、多供能路径耦合等方面，为多源多汇多路径耦合的CCHP系统结构设计提供了思路。
Description
技术领域
本公开属于环保与节能领域，涉及一种基于图论和等效电法的冷热电联供系统构建方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
据统计，约占全国能源消费比重30％的建筑能耗中，有近50％的冷热负荷，而部分区域以电为单一能源的供能方式，存在转化次数多，品味不对口等缺陷，能源浪费极为严重。冷热电联供系统(combined cooling,heating and power，CCHP)基于能量梯级利用原理，同时完成发电、制冷和供热，实现了能源高效利用，并有效减少温室气体排放，从而被公认为未来科学用能的最佳方式之一，极具发展潜力。CCHP系统结构复杂、设备类型多样，优化设计是保障系统高效经济运行的基础。然而，目前CCHP系统的优化设计方法大多是采用固定系统结构，且结构设计具有较大的主观性，缺少科学的方法指导，无法确保优化所用的结构能达到最优的供能效果。
通过对现有专利进行检索，发明人发现冷热电联供系统的三级协同整体优化设计方法(专利号CN104808489A)，此专利提出一种计及设备选型-容量配置-运行参数的冷热电联供联供三级协同优化设计方法，提高了系统综合性能，然而该专利的优化设计方法并未考虑系统结构设计问题。专利基于图论的区域冷热电综合能源优化配置方法及装置(专利号CN106651628B)，完成了区域冷热电综合能源的优化配置，然而该专利亦是在已知系统结构的情况下实现的。
综上，目前缺乏针对系统结构科学有效的设计方法。
发明内容
本公开为了解决上述问题，提出了一种基于图论和等效电法的冷热电联供系统构建方法及系统，本公开考虑了多能源种类、多设备结构、多供能路径耦合等方面，为多源多汇多路径耦合的CCHP系统结构设计提供了思路。
根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
一种基于图论和等效电法的冷热电联供系统构建方法，包括以下步骤：根据图论思想构造能量流网络供能用能模型，选取等效电权值最大为目标函数，并对图论模型中的各可选路径分析比较，得到最佳的供能路径，确定冷热电联供系统的供能结构。
作为可选择的实施方式，根据图论思想构造能量流网络供能用能模型时，将冷热电联供系统看成不同能源经不同能量转化设备满足不同用户需求的复杂能量系统，即多源多汇多路径的能流网。
作为可选择的实施方式，构造能量流网络供能用能模型时，将冷热电联供系统分为能源的输入、转换与需求三个环节，每个环节的组成均为一个节点，各节点之间的连线代表能量传递和转换的流动路径。
作为进一步的限定，能源转化环节是连接能源输入和能源需求的过渡环节，包括能源转换设备或者系统；
能源输入指一次能源的输入，包括煤、天然气、可再生能源等；
能源需求指各建筑物的热、电、冷需求。
作为可选择的实施方式，获得能量流网络供能用能模型后，利用矩阵模型描述能流网络的节点属性和拓扑结构，定义能源输入矩阵和能源消耗矩阵，利用可达矩阵表示能流路径的转换效率权重，实现将冷热电联供系统的能源输入、转换和消耗的能流过程矩阵化。
作为可选择的实施方式，选取等效电权值最大为目标函数的过程中，利用等效电法将各种形式的能源能够完全转换成电能，同时在转换的过程中，考虑到当前实际生产水平，取目前生产工艺下对应能源可能达到的最高对外做功温度，计算得到该能源的等效电系数。
一种基于图论和等效电法的冷热电联供系统构建系统，包括：
图论建模模块，被配置为根据图论思想构造能量流网络供能用能模型；
比较平价模块，被配置为选取等效电权值最大为目标函数，并对图论模型中的各可选路径分析比较，得到最佳的供能路径，确定冷热电联供系统的供能结构。
一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行所述的一种基于图论和等效电法的冷热电联供系统构建方法。
一种终端设备，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行所述的一种基于图论和等效电法的冷热电联供系统构建方法。
一种冷热电联供系统，由上述一种基于图论和等效电法的冷热电联供系统构建方法设计得到。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
本公开通过节点式、图形化的设计方法考虑了多能源种类、多设备结构、多供能路径耦合等方面，为多源多汇多路径耦合的CCHP系统结构设计提供了思路。
本公开能够在未知、不完全已知、已知等几种情况下，根据能源种类、需求个数和转换设备，构建多源多汇多路径耦合的CCHP系统结构，能够科学的判断各路径的优缺点，以确定最优路径。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1是本实施例的CCHP系统图论模型。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
一种基于图论的冷热电联供系统结构优化设计方法,包括根据图论方法原理，针对CCHP系统，可看成不同能源经不同能量转化设备满足不同用户需求的复杂能量系统，即多源多汇多路径的能流网。
为方便分析与研究，可分为能源的输入、转换与需求三个环节。其中能源输入就是指煤、天然气、可再生能源等一次能源的输入；能源需求就是指商场、学校、住宅等建筑物的热、电、冷需求；能源转换环节则是对一次能源的加工，该环节通过各种能源转换设备或者系统，如发电机组、吸收式制冷机、锅炉、热泵等，能源转化环节是连接能源输入和能源消耗的过渡环节。
为减少能源转换环节中的系统设备繁多和转换方式多样带来的能流网络复杂性，根据一次能源的分类和能量转化特点，对主要的供能设备和系统进行了简化分类，具体节点定义见表1。
表1能源系统能量转换方式及所需设备或系统
将CCHP系统按照图论思想建立图论模型，定义点P(provide)、T(transfer)、C(consume)为CCHP系统的能源输入、转换和消耗，CCHP网络系统模型如图1所示，各点之间的连线代表能量传递和转换的流动路径，具体节点定义见表2。
表2节点名称及代表的意义
结合上述CCHP系统图论模型的能流网络，利用矩阵模型描述能流网络的节点属性和拓扑结构，定义能源输入矩阵和能源消耗矩阵分别为：
Pin＝[P1 P2 … Pn]T
Cout＝[C1 C2 C3]T
引入可达矩阵T表示能流路径的转换效率权重：
因此，可以将CCHP系统的能源输入、转换和消耗的能流过程矩阵化表示为：
其中，Pi为第i种能源的输入，包括煤、天然气、可再生能源等；Cj为第j种能源的需求，包括冷、热、电负荷；是第i种能源输入经过设备转换成第j种能源消耗的路径效率权重。
如CCHP系统图论模型可知，满足能源需求可以有多种匹配路径，定义合理的评价指标，进行路径分析比较，从而在满足用户端需求的前提下，实现多能流路径耦合的组合优化。CCHP系统作为一个多输入多输出的供能系统，具有节约成本，提高能源利用率，减少碳排放等综合效益。
为了综合能源的数量、质量及可能利用的程度，本实施例利用等效电法对CCHP系统结构设计进行合理分析与评价。根据这种方法可以把任何一种形式的能源Q转换为等效电Qe：
Qe＝ηQ
式中，η为对应能源折算成等效电的换算系数，由于电能的品味最高，作为参考标准其等效电系数为1，对于其他形式的能源，根据热力学第二定律，可计算出该能源在相应温度下折算成电的最大转换率：
式中T1为相应能源向外做功时的绝对温度，T0为室外绝对温度，其单位均为K。虽然理论上各种形式的能源能够完全转换成电能，但受限于生产技术水平能量生产过程中可能无法达到相应的做功温度，因此考虑到当前实际生产水平，取目前生产工艺下对应能源可能达到的最高对外做功温度，计算得到该能源的等效电系数，见表3。
表3常见的一次和二次能源的等效电转换系数
基于CCHP系统图论模型，供能路径组合的优化目标V可表示为：
以建筑物冷热电三种负荷比为3:3:2为例，即建筑物所需1单位电能的同时还需要1.5单位的热能和冷能。按照本实施例提出的基于图论模型的等效电权值优化设计方法，对常见的几种供能路径组合进行评价，结果如4所示。
表4不同供能路径组合用等效电权值优化方法的供能评价
本实施例基于图论解决最优路径规划的方法，提出了一种针对多输入多输出多能源转换设备的CCHP系统结构设计方法。此方法的主要内容是根据图论思想构造出能量流网络供能用能模型，然后选取等效电权值最大为目标函数，并对图论模型中的各可选路径分析比较，最终得到最佳的供能路径，即CCHP系统的供能结构。这种节点式、图形化的设计方法考虑了多能源种类、多设备结构、多供能路径耦合等方面，为多源多汇多路径耦合的CCHP系统结构设计提供了思路。
还提供一下产品实施例：
一种基于图论和等效电法的冷热电联供系统构建系统，包括：
图论建模模块，被配置为根据图论思想构造能量流网络供能用能模型；
比较平价模块，被配置为选取等效电权值最大为目标函数，并对图论模型中的各可选路径分析比较，得到最佳的供能路径，确定冷热电联供系统的供能结构。
一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行所述的一种基于图论和等效电法的冷热电联供系统构建方法。
一种终端设备，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行所述的一种基于图论和等效电法的冷热电联供系统构建方法。
一种冷热电联供系统，由上述一种基于图论和等效电法的冷热电联供系统构建方法设计得到。
本领域内的技术人员应明白，本公开的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本公开可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本公开可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本公开是参照根据本公开实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种基于图论和等效电法的冷热电联供系统构建方法，其特征是：包括以下步骤：根据图论思想构造能量流网络供能用能模型，选取等效电权值最大为目标函数，并对图论模型中的各可选路径分析比较，得到最佳的供能路径，确定冷热电联供系统的供能结构；
基于冷热电联供系统图论模型，供能路径组合的优化目标V可表示为：
其中P和C分别表示能源输入和能源消耗，定义能源输入矩阵和能源消耗矩阵分别为：
Pin＝[P1P2…Pn]T
Cout＝[C1 C2 C3]T
引入可达矩阵T表示能流路径的转换效率权重：
将CCHP系统的能源输入、转换和消耗的能流过程矩阵化表示为：
其中，Pi为第i种能源的输入；Cj为第j种能源的需求；是第i种能源输入经过设备转换成第j种能源消耗的路径效率权重；
利用等效电法对CCHP系统结构设计进行合理分析与评价，公式如下所示：
Qe＝ηQ
式中，η为对应能源折算成等效电的换算系数，公式如下所示：
式中T1为相应能源向外做功时的绝对温度，T0为室外绝对温度。
2.如权利要求1所述的一种基于图论和等效电法的冷热电联供系统构建方法，其特征是：根据图论思想构造能量流网络供能用能模型时，将冷热电联供系统看成不同能源经不同能量转化设备满足不同用户需求的复杂能量系统，即多源多汇多路径的能流网。
3.如权利要求1所述的一种基于图论和等效电法的冷热电联供系统构建方法，其特征是：构造能量流网络供能用能模型时，将冷热电联供系统分为能源的输入、转换与需求三个环节，每个环节的组成均为一个节点，各节点之间的连线代表能量传递和转换的流动路径。
4.如权利要求3所述的一种基于图论和等效电法的冷热电联供系统构建方法，其特征是：能源转化环节是连接能源输入和能源需求的过渡环节，包括能源转换设备或者系统；
能源输入指一次能源的输入；
能源需求指各建筑物的热、电、冷需求。
5.如权利要求1所述的一种基于图论和等效电法的冷热电联供系统构建方法，其特征是：获得能量流网络供能用能模型后，利用矩阵模型描述能流网络的节点属性和拓扑结构，定义能源输入矩阵和能源消耗矩阵，利用可达矩阵表示能流路径的转换效率权重，实现将冷热电联供系统的能源输入、转换和消耗的能流过程矩阵化。
6.如权利要求1所述的一种基于图论和等效电法的冷热电联供系统构建方法，其特征是：选取等效电权值最大为目标函数的过程中，利用等效电法将各种形式的能源能够完全转换成电能，同时在转换的过程中，考虑到当前实际生产水平，取目前生产工艺下对应能源可能达到的最高对外做功温度，计算得到该能源的等效电系数。
7.一种基于图论和等效电法的冷热电联供系统构建系统，其特征是：包括：
图论建模模块，被配置为根据图论思想构造能量流网络供能用能模型；
比较平价模块，被配置为选取等效电权值最大为目标函数，并对图论模型中的各可选路径分析比较，得到最佳的供能路径，确定冷热电联供系统的供能结构；
基于冷热电联供系统图论模型，供能路径组合的优化目标V可表示为：
其中P和C分别表示能源输入和能源消耗，定义能源输入矩阵和能源消耗矩阵分别为：
Pin＝[P1 P2…Pn]T
Cout＝[C1 C2 C3]T
引入可达矩阵T表示能流路径的转换效率权重：
将CCHP系统的能源输入、转换和消耗的能流过程矩阵化表示为：
其中，Pi为第i种能源的输入；Cj为第j种能源的需求；ωPiCj是第i种能源输入经过设备转换成第j种能源消耗的路径效率权重；
利用等效电法对CCHP系统结构设计进行合理分析与评价，公式如下所示：
Qe＝ηQ
式中，η为对应能源折算成等效电的换算系数，公式如下所示：
式中T1为相应能源向外做功时的绝对温度，T0为室外绝对温度。
8.一种计算机可读存储介质，其特征是：其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行权利要求1-6中任一项所述的一种基于图论和等效电法的冷热电联供系统构建方法。
9.一种终端设备，其特征是：包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行权利要求1-6中任一项所述的一种基于图论和等效电法的冷热电联供系统构建方法。
10.一种冷热电联供系统，其特征是：由权利要求1-6中任一项一种基于图论和等效电法的冷热电联供系统构建方法设计得到。
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2020
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