CN114243759A - 一种冷热电联产系统及冷热电负荷调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冷热电联产系统，包括燃气轮机燃烧天然气，供能给发电装置，提供电负荷、热负荷；光伏列阵利用太阳能提供电负荷，蒸汽轮机利用余热回收锅炉中的水蒸气发电提供电负荷；燃气轮机产生的余热以烟气的形式进入余热回收锅炉提供热负荷，余热回收锅炉通过换热器重复利用烟气提供热负荷，蒸汽轮机供能给汽水换热器提供热负荷，电热泵利用光伏列阵提供电能、热负荷；蒸汽双效型溴化锂吸收式冷水机组利用换热器以及蒸汽轮机的热能作为热源提供冷负荷，电制冷机组供给系统冷负荷。本发明的方法利用蝴蝶优化算法对蒸汽轮机、电热泵以及光伏列阵进行优化，使蒸汽轮机和电热泵保持最佳输入功率、光伏列阵保持最佳占空比输出最大功率。

Description

一种冷热电联产系统及冷热电负荷调度方法

技术领域

本发明涉及冷热电联产系统，具体涉及一种冷热电联产系统及冷热电负荷调度方法。

背景技术

在经济高速发展的大背景下，全球对于能源的需求也持续增大，虽然现如今在快速的向绿色清洁能源过度调整，但是传统化石能源依然占据主导地位，尤其在化工企业中，由于其特性，大量的工业余热并未加以利用，同时在化工企业生产工艺中经常会产生大量的蒸气，由于其利用率低造成了资源浪费，太阳能是被广泛选用的清洁能源，由于其光电转换率低，间歇性问题，耦合光伏发电的分布式能源系统应运而生。冷热电联产系统具有能量多级利用，损耗小，经济效益高，环境效益高等优点，并且可以直接安装在用户侧满足负荷需求，有效的将清洁能源与传统化石能源结合独立的输出冷、热、电负荷，是解决目前能源问题的最好选择。

现有的分布式能源系统主要包含以下几种：

以传统化石能源为燃料的CCHP系统(Combined Cooling Heating and Power冷热电联产系统)，以燃气内燃机作为动力装置，同时还包括余热直燃机组和散热水箱，以直燃机组利用余热进行制热和制冷，以燃气内燃机提供的动力供给发电机提供电负荷。

耦合光伏发电的CCHP系统，以燃气内燃机作为动力装置，同时附带太阳能发电为这个系统供电，以电制冷机进行制冷为这个系统供冷，通过余热回收锅炉以及换热器蓄热供热。

上述两种方案存在共同的问题是能源利用率不高，第一种方案以内燃机为动力装置，余热回收复杂，能源利用率低，并且设备较重体积较大，对于具有高灵活性的CCHP系统相违背。第一种方案仅以直燃机组供热供冷，且以余热为热源，供给量偏低，由于没有储热蓄冷设备，冷热负荷容易出现缺乏状况。第二种方案耦合光伏，由于光伏发电转换率低，同时在这个过程中产生大量热量可能会损坏光伏发电设备，导致光伏发电转换率进一步下降，太阳能的利用率也不高，同样的该系统没有储能设备，由于光伏发电的间歇性，容易出现冷热电负荷无法满足用户端需求的情况。

因此需要一种新型冷热电联产系统，既能够提高能源利用率，又能解决清洁能源间歇性问题，从而总体上提高冷热电联产系统经济效益和环境效益。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种针对水蒸气与过程余热利用的能源系统调度方法，能够对工业余热和太阳能充分利用，并且利用蝴蝶优化算法优化光伏列阵寻找最大功率点，最大化利用太阳能，同时搭配储能装置，解决清洁能源供能的不稳定性和间歇性问题。

技术方案：本发明的冷热电联产系统，包括燃气轮机、余热回收锅炉、蒸汽轮机、第一换热器、蒸汽双效型溴化锂吸收式冷水机组、汽水换热器、电制冷机以及电热泵、光伏列阵、钠-氯化镍电池、封装式蓄冰装置、温度分层式蓄热水箱和压缩空气储能装置；

所述燃气轮机的烟气输出端与余热回收锅炉连接，余热回收锅炉的输出端与蒸汽轮机连接，余热回收锅炉提供高温高压蒸汽驱动蒸汽轮机涡轮做功；余热回收锅炉与第一换热器连接，第一换热器的输出端输出热负荷和生活热水；

所述蒸汽轮机分别与蒸汽双效型溴化锂吸收式冷水机组、汽水换热器连接，余热回收锅炉为蒸汽双效型溴化锂吸收式冷水机组、汽水换热器提供不同温度蒸汽，蒸汽双效型溴化锂吸收式冷水机组提供冷负荷，汽水换热器提供热负荷和生活热水；

所述燃气轮机燃烧天然气提供动能，燃气轮机与电制冷机、电热泵相连，电制冷机输出端输出冷负荷，电热泵输出端输出热负荷，燃气轮机的动能输出端与发电装置连接，发电装置的输出端输出电负荷；

所述钠-氯化镍电池与光伏列阵的电能输出端、燃气轮机发电装置输出端、蒸汽轮机发电装置输出端连接，存储满足用户电负荷需求后剩余的电负荷；光伏列阵的电能输出端与电制冷机、电热泵相连；

所述温度分层式蓄热水箱分别与汽水换热器输出端、第一换热器输出端和电热泵输出端相连，存储满足用户热负荷需求后剩余的热负荷；

所述封装式蓄冰装置分别与蒸汽双效型溴化锂吸收式冷水机组输出端和电制冷机输出端相连，存储满足用户冷负荷需求后剩余的冷负荷；

所述压缩空气储能装置与燃气轮机相连，存储空气。

进一步，所述光伏列阵由多个光伏电池板和二极管组成；多个光伏电池板串并联，组成光伏列阵；一组光伏列阵并联一个二极管。

本发明的冷热电负荷调度方法，利用蝴蝶优化算法实时采集电压电流输出最佳占空比下的电压，使冷热电联产系统工作在最大功率点，同时结合冷热电联产系统的峰谷能源进行负荷调度，具体步骤如下：

S1，初始化蝴蝶的数量和位置；定义蒸汽轮机输入功率、电热泵的输入功率、光伏列阵的电压波形中波峰，分别为：

x_l1，x_l2，x_l3，…，x_ln,x_h1，x_h2，x_h3，…，x_hn,x_p1，x_p2，x_p3，…，x_pn；

其中，x_ln为n个蒸汽轮机的输入功率；x_hn为n个电热泵输入功率；x_pn为光伏列阵电压波形中的n个波峰；在可行域内，随机初始化蒸汽轮机输入功率、电热泵的输入功率、光伏列阵的电压波形中波峰的位置，并计算相应的适应度值；

S2,声明变量，分别为感觉因子c、幂指数α、开关概率p和当前最优解g^*；

S3,蝴蝶通过感知香味进行搜索，每只蝴蝶产生一定强度的香味，这些香味传播被其他蝴蝶感知，每只蝴蝶释放的香味与其适应度值相关；

其香味表示为：

f＝cI^α

其中，f为每只蝴蝶释放的香味的大小；感觉因子c取值位于[0,1]之间；I为刺激强度，与适应度值相关；

S4,设置一个开关概率p，每次迭代开始前，随机生成随机数r；根据随机数r与开关概率p比较结果，转换全局搜索和局部搜索的搜索模式；

S5,全局搜索定义为蝴蝶感知到另一只蝴蝶在这个区域散发出更多香味时做出靠近动作，具体表示为：

其中，

为第i只蝴蝶在第t+1次迭代中的解；

为第i只蝴蝶在第t次迭代中的解；r为0到1之间的随机数；g^*为当前最优解；f_i为第i只蝴蝶的香味；

局部搜索定义为蝴蝶不能感知大于自己的香味时进行随机移动，具体表示为：

其中，

和

为解空间中随机选择的第k只和第j只蝴蝶；

S6，判断是否达到最大迭代次数，若达到，则输出至冷热电系统，分别作为蒸汽轮机的输入功率、电热泵的输入功率以及光伏列阵最新的电压；否则，重复步骤S3；

S7,判断冷热电三种负荷供给是否满足条件，若满足，则输出当前的蒸汽轮机和电热泵的输入功率以及光伏列阵当前占空比下的电压；否则，重复步骤S3。

进一步，所述步骤S4中，当随机数r小于开关概率p，则进行全局搜索；当随机数r大于等于开关概率p，则进行局部搜索。

本发明与现有技术相比，其显著效果如下：

1、本发明采用燃气轮机搭配蒸汽轮机，以燃气轮机的排热来加热蒸汽，能同时取得燃气轮机排热温度较高和蒸汽轮机排热温度较低的双重优点；

2、本发明采用蒸汽双效型溴化锂吸收式冷水机组与汽水换热器结合对蒸汽轮机的蒸汽多级利用，提高这个系统的能源利用率；

3、本发明采用压缩空气储能装置，当有多余的能量，或电力需求较低时，压缩机将空气储存到一个密封的体积，以获得较高的压力。在高峰负荷或电价高时，高压空气通过涡轮机发电，提供这个系统的效率以及能源利用率，同时提高能源消纳能力；

4、本发明采用余热回收锅炉搭配换热器，利用燃气轮机烟气，驱动蒸汽轮机做工，同时供热和生活热水，提高这个系统的能源利用率；

5、本发明采用光伏列阵，附加阻抗调节电路，使系统工作在最大功率点，输出最大功率，提高这个系统的能源利用率；

6、本发明采用储能设备对系统的冷热电三种负荷进行存储，使系统能够持续性的供给冷热电负荷，同时采用压缩空气储能设备提高燃气轮机的发电效率。

7、本发明还利用蝴蝶优化算法对蒸汽轮机、电热泵以及光伏列阵进行优化，使蒸汽轮机和电热泵保持最佳输入功率、光伏列阵保持最佳占空比输出最大功率。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图；

图2为本发明的实现方法流程图；

图3为本发明的负荷调度流程图；

图4为本发明的能源利用率对比图；

图5为本发明的综合成本对比图；

图6为本发明的供电效率对比图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明做进一步详细描述。

如图1所示，本发明的冷热电联产系统，包括燃气轮机、余热回收锅炉、蒸汽轮机、第一换热器、蒸汽双效型溴化锂吸收式冷水机组、汽水换热器、电制冷机以及电热泵。还包括光伏列阵、钠-氯化镍电池、封装式蓄冰装置、温度分层式蓄热水箱和压缩空气储能装置。

燃气轮机的烟气输出端与余热回收锅炉连接，余热回收锅炉的输出端与蒸汽轮机连接，余热回收锅炉提供高温高压蒸汽驱动蒸汽轮机涡轮做功；余热回收锅炉与第一换热器连接，第一换热器的输出端为系统提供热负荷和以及生活热水。燃气轮机燃烧天然气供能产出烟气，进入余热回收锅炉，对烟气第一次利用，换热器利用余热回收锅炉排出的高温烟气供给系统热负荷以及生活热水，同时，余热回收锅炉提供高温高压蒸汽，作为蒸汽轮机动能驱动涡轮做功发电提供系统电负荷，两条支线对烟气二次利用，形成一个对烟气的多级利用，该过程还实现燃气轮机与蒸汽轮机的联合使用，充分利用燃气轮机排热高和蒸汽轮机排热低的双重优点，实现能源高效利用。

蒸汽轮机与蒸汽双效型溴化锂吸收式冷水机组、汽水换热器连接，余热回收锅炉为蒸汽双效型溴化锂吸收式冷水机组、汽水换热器提供不同温度蒸汽，蒸汽双效型溴化锂吸收式冷水机组为系统提供冷负荷，汽水换热器为系统提供热负荷以及生活热水。蒸汽轮机与蒸汽双效型溴化锂吸收式冷水机组相连，提供蒸汽作为热源进行制冷，提供系统冷负荷，蒸汽轮机与汽水换热器相连，提供蒸汽经汽水换热器蓄热提供系统热负荷以及生活热水，这个过程通过两条支线对蒸汽轮机产生的蒸汽多级利用，实现能源高效利用。

燃气轮机燃烧天然气提供系统动能；燃气轮机与电制冷机、电热泵相连，电制冷机输出端为系统提供冷负荷，电热泵输出端为系统提供热负荷，燃气轮机的动能输出端连接有发电装置，发电装置的输出端为系统提供电负荷。

钠-氯化镍电池与光伏列阵的电能输出端、燃气轮机连接的发电装置输出端、蒸汽轮机连接的发电装置输出端连接，存储满足用户电负荷需求后剩余的系统电负荷；光伏列阵的电能输出端还与电制冷机、电热泵相连。

本发明中提及的光伏列阵由多个光伏电池板和二极管组成，光伏电池板利用太阳能进行发电；二极管并联在光伏电池板旁，避免光伏电池板烧毁，由于单个光伏电池板功率较小不满足需求，因此采用多个光伏电池板串并联使用，组成光伏列阵，考虑到由于光照不均匀、部分光伏电池板受到阴影的影响，影响发电效率同时产生的高温会损坏整个光伏列阵，因此并联一个二极管在光伏电池板旁路，采取多个光伏电池板组成一组并联一个二极管的措施。

温度分层式蓄热水箱分别与汽水换热器输出端、第一换热器输出端以及电热泵输出端相连，存储满足用户热负荷需求后剩余的系统热负荷；封装式蓄冰装置分别与蒸汽双效型溴化锂吸收式冷水机组输出端以及电制冷机输出端相连，存储满足用户冷负荷需求后剩余的系统冷负荷；压缩空气储能装置与燃气轮机相连，存储多余空气在高峰负荷时通过燃气轮机的涡轮机发电。

压缩空气储能装置与燃气轮机相连，当有多余的能量，或电力需求较低时，压缩空气储能装置将空气储存到一个密封的体积，以获得较高的压力，在高峰负荷时，高压空气通过涡轮机发电，其具有功率容量大、启动速度快、效率高、自放电率低的优点，实现能源高效利用，提高能源消纳能力。

本发明在使用时，热负荷由第一换热器和汽水换热器和电热泵等设备共同提供，第一换热器和汽水换热器的优先级大于电热泵，电热泵的电力来自于燃气轮机和光伏列阵；冷负荷由蒸汽双效型溴化锂吸收式冷水机组和电制冷机共同提供，蒸汽双效型溴化锂吸收式冷水机组利用余热制冷优先级大于电制冷机，电制冷机的电力来自于燃气轮机和光伏列阵发电；电负荷由燃气轮机和蒸汽轮机发电，光伏列阵发电共同提供。

本发明还公开了一种针对水蒸气利用的能源系统的三种负荷调度优化方法，现如今光伏发电应用广泛，但是其光伏发电效率并不高，是由于光照强度不均匀或是温度的不断变化，导致内阻发生变化，因此附加阻抗调节电路，通过调节电路占空比来改变系统的等效阻抗，匹配系统阻抗使系统工作在最大功率点。本发明利用蝴蝶优化算法实时采集电压电流输出最佳占空比下的电压，使系统工作在最大功率点，同时考虑到整体系统的峰谷能源调度，分别对采用蝴蝶优化算法优化蒸汽轮机和电热泵的出力，使得系统保持峰谷合理调度，综合成本最低，方法实现的流程图见图2，具体步骤如下：

步骤一：数据初始化，初始化蝴蝶的数量及位置，定义蒸汽轮机输入功率、电热泵的输入功率、光伏列阵的电压波形中的n个波峰分别为：

x_l1，x_l2，x_l3，…，x_ln,x_h1，x_h2，x_h3，…，x_hn,x_p1，x_p2，x_p3，…，x_pn；

其中，x_ln为n个蒸汽轮机的输入功率；x_hn为n个电热泵输入功率；x_pn为光伏列阵电压波形中的n个波峰，在可行域内随机初始化它们的位置，并计算相应的适应度值。

步骤二：声明变量，分别为感觉因子c，幂指数α，开关概率p以及当前最优解g^*。

步骤三：蝴蝶通过感知香味进行搜索，每只蝴蝶产生一定强度的香味，这些香味传播被其他蝴蝶感知，每只蝴蝶释放的香味与其适应度值相关；

其香味可表示为：

f＝cI^α (1)

其中，f为每只蝴蝶释放的香味的大小；c为感觉因子，取值位于[0,1]之间；I为刺激强度，与适应度值相关；α为幂指数。

步骤四：搜索模式选择，蝴蝶优化算法过程中全局搜索和局部搜索都会发生，设置一个开关概率p转换两种搜索模式，每次迭代开始前随机生成r(此为随机生成的随机数)，位于[0，1]之间，与开关概率比较，选择搜索模式。

步骤五：全局搜索和局部搜索，全局搜索定义为蝴蝶感知到另一只蝴蝶在这个区域散发出更多香味时做出靠近动作，具体表示为：

其中，

为第i只蝴蝶在第t+1次迭代中的解；

为第i只蝴蝶在第t次迭代中的解；r为0到1之间的随机数；g^*为当前最优解；f_i为第i只蝴蝶的香味。

局部搜索定义为蝴蝶不能感知大于自己的香味时进行随机移动，具体表示为：

其中，

为第i只蝴蝶在第t+1次迭代中的解；

为第i只蝴蝶在第t次迭代中的解；r为0到1之间的随机数；

和

为解空间中随机选择的第k只和第j只蝴蝶；f_i为第i只蝴蝶的香味。

步骤六：判断是否达到最大迭代次数，若达到，则输出至冷热电系统分别作为蒸汽轮机的输入功率、电热泵的输入功率以及光伏列阵最新的电压；否则，重复步骤三；

步骤七：判断系统三种负荷供给是否满足条件，若满足，则输出当前的蒸汽轮机和电热泵的输入功率以及光伏列阵当前占空比下的电压。否则重复步骤三。

对于上述针对水蒸气利用的能源系统的三种负荷调度优化方法，数值的优化调度具体如图3所示，其仿真结果参见图4至图6。

通过图4可以得出，与传统冷热电三联供系统相比，本发明利用优化后的新型系统，其能源利用率有明显提高，可达到百分之八十几。

通过图5可以得出，与传统冷热电三联供系统相比，本发明新型结构综合能源系统的综合成本降低。

通过图6可以得出，本发明利用BOA算法(蝴蝶优化算法Butterfly OptimizationAlgorithm,BOA)后，系统的发电效率得到提高。

上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种冷热电联产系统，其特征在于，包括燃气轮机、余热回收锅炉、蒸汽轮机、第一换热器、蒸汽双效型溴化锂吸收式冷水机组、汽水换热器、电制冷机以及电热泵、光伏列阵、钠-氯化镍电池、封装式蓄冰装置、温度分层式蓄热水箱和压缩空气储能装置；

所述燃气轮机的烟气输出端与余热回收锅炉连接，余热回收锅炉的输出端与蒸汽轮机连接，余热回收锅炉提供高温高压蒸汽驱动蒸汽轮机涡轮做功；余热回收锅炉与第一换热器连接，第一换热器的输出端输出热负荷和生活热水；

所述蒸汽轮机分别与蒸汽双效型溴化锂吸收式冷水机组、汽水换热器连接，余热回收锅炉为蒸汽双效型溴化锂吸收式冷水机组、汽水换热器提供不同温度蒸汽，蒸汽双效型溴化锂吸收式冷水机组提供冷负荷，汽水换热器提供热负荷和生活热水；

所述燃气轮机燃烧天然气提供动能，燃气轮机与电制冷机、电热泵相连，电制冷机输出端输出冷负荷，电热泵输出端输出热负荷，燃气轮机的动能输出端与发电装置连接，发电装置的输出端输出电负荷；

所述钠-氯化镍电池与光伏列阵的电能输出端、燃气轮机发电装置输出端、蒸汽轮机发电装置输出端连接，存储满足用户电负荷需求后剩余的电负荷；光伏列阵的电能输出端与电制冷机、电热泵相连；

所述温度分层式蓄热水箱分别与汽水换热器输出端、第一换热器输出端和电热泵输出端相连，存储满足用户热负荷需求后剩余的热负荷；

所述封装式蓄冰装置分别与蒸汽双效型溴化锂吸收式冷水机组输出端和电制冷机输出端相连，存储满足用户冷负荷需求后剩余的冷负荷；

所述压缩空气储能装置与燃气轮机相连，存储空气。

2.根据权利要求1所述的冷热电联产系统，其特征在于，所述光伏列阵由多个光伏电池板和二极管组成；多个光伏电池板串并联，组成光伏列阵；一组光伏列阵并联一个二极管。

3.一种冷热电联产系统的冷热电负荷调度方法，其特征在于，利用蝴蝶优化算法实时采集电压电流输出最佳占空比下的电压，使冷热电联产系统工作在最大功率点，同时结合冷热电联产系统的峰谷能源进行负荷调度，具体步骤如下：

S1，初始化蝴蝶的数量和位置；定义蒸汽轮机输入功率、电热泵的输入功率、光伏列阵的电压波形中波峰，分别为：

x_l1，x_l2，x_l3，…，x_ln,x_h1，x_h2，x_h3，…，x_hn,x_p1，x_p2，x_p3，…，x_pn；

其中，x_ln为n个蒸汽轮机的输入功率；x_hn为n个电热泵输入功率；x_pn为光伏列阵电压波形中的n个波峰；在可行域内，随机初始化蒸汽轮机输入功率、电热泵的输入功率、光伏列阵的电压波形中波峰的位置，并计算相应的适应度值；

S2,声明变量，分别为感觉因子c、幂指数α、开关概率p和当前最优解g^*；

S3,蝴蝶通过感知香味进行搜索，每只蝴蝶产生一定强度的香味，这些香味传播被其他蝴蝶感知，每只蝴蝶释放的香味与其适应度值相关；

其香味表示为：

f＝cI^α

其中，f为每只蝴蝶释放的香味的大小；感觉因子c取值位于[0,1]之间；I为刺激强度，与适应度值相关；

S4,设置一个开关概率p，每次迭代开始前，随机生成随机数r；根据随机数r与开关概率p比较结果，转换全局搜索和局部搜索的搜索模式；

S5,全局搜索定义为蝴蝶感知到另一只蝴蝶在这个区域散发出更多香味时做出靠近动作，具体表示为：

其中，

为第i只蝴蝶在第t+1次迭代中的解；

为第i只蝴蝶在第t次迭代中的解；r为0到1之间的随机数；g^*为当前最优解；f_i为第i只蝴蝶的香味；

局部搜索定义为蝴蝶不能感知大于自己的香味时进行随机移动，具体表示为：

其中，

和

为解空间中随机选择的第k只和第j只蝴蝶；

S6，判断是否达到最大迭代次数，若达到，则输出至冷热电系统，分别作为蒸汽轮机的输入功率、电热泵的输入功率以及光伏列阵最新的电压；否则，重复步骤S3；

S7,判断冷热电三种负荷供给是否满足条件，若满足，则输出当前的蒸汽轮机和电热泵的输入功率以及光伏列阵当前占空比下的电压；否则，重复步骤S3。

4.根据权利要求3所述冷热电联产系统的冷热电负荷调度方法，其特征在于，所述步骤S4中，当随机数r小于开关概率p，则进行全局搜索；当随机数r大于等于开关概率p，则进行局部搜索。

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