论热电管理系统的热电厂优化运行研究

摘要：在当前的能源和环境形势下，利用天然气的热电(冷)联产技术以其能源综合利用效率高、环境污染小的优点而具有十分广阔的发展前景。然而，该系统在我国大中城市的应用尚处于起步阶段，存在系统配置和运行方面的诸多问题。本文针对这一情况，运用数学规划的基本原理和思想，对小型区域热电(冷)联产系统和建筑热电(冷)联产系统的优化配置和运行调节问题进行了深入的研究。

关键词：热电(冷)联产；优化运行；研究分析

1.发展热电技术的现实意义

虽然我国近几年连续发现几个储量较大的天然气田，但是天然气相较于其它几种常规能源的开发成本仍很高昂，那么利用天然气的能源消耗装置就十分有必要进行深入的研究，以提高其能源利用率，减少能源的浪费。目前，天然气能源在城镇中的消耗方式主要是炊事燃料和供暖用能。结合国内外天然气的使用现状，我们发现发展能源的梯级利用是非常有效和合理的一种模式，不但能减少天然气的无故浪费，还能改善城镇能源环境以及降低燃料调整带来的成本增加，应该说是当前最好的能源利用方案，值得进一步的分析和研究。

我国热电项目的研究起步较国外来说是比较晚的，但是从发展速度来看，是非常迅速的，但和国外发达国家相比，仍然存在较大差距。据不完全统计，从2000年至2010年的十年间，我国新建热电项目达220多个，而且呈逐年递增趋势，全国范围来看，有相当一些是在火力发电厂基础上兴建起来的，其供暖总容量已近兆瓦级别，由于热电厂可以在火力发电厂的基础上改建而成，加之北方冬天平均气温较低，供暖需求较大，所以北方热电项目相较南方明显多一些。

由于缺乏相关行业的经验，我国热电行业的起步较晚，发展也较为缓慢，相对比较先进的地方有北京和上海等地。“十二五”规划期间，北京、上海等地都把能源结构调整作为一项重要战略部署，积极寻找新能源，改善传统能源的利用方式，以期达到优化能源结构，保护环境，促进社会和谐发展的宏伟目标，天然气热电联产有着极高的能源输出效率，但是成本也比较高昂，如何能够进行优化设计，保障天然气热电系统安全高效运行的同时，节省单位能源的投资成本是研究的热点问题。目前，江苏、浙江、四川一些能源企业也在积极筹建热电厂，说明热电技术在不远的将来有着无可替代的位置，甚至有望成为21世纪优势能源产业的佼佼者。

2.优化运行研究

若想研究热电系统的优化运行问题，就必须建立合理的数学模型，模型的性质决定于模型的细化程度和灵活程度，二者相互联系又相互矛盾。模型尽可能地细致，描述的对象就越接近与研究问题本身，但是其自由度却比较大，模型的线性特性几乎就没有了，求解最优解就比较困难。而优化目标比较单一，线性系统就比较容易建立，利用相关的算法就比较容易确定最优解。

在热电优化运行的研究中，被广泛使用的有两种模型：线性规划和混合整数非线性规划，之所以被广泛使用是因为二者的解法比较纯熟。对于相对比较复杂的热电厂管理系统优化问题可以在混合整数非线性规划模型中增加动态规划，将复杂的实际问题逐层分解，每个子问题就变得相对简单了。假如系统模型的初始问题就有非线性部分，可以用泰勒级数将非线性方程化为线性方程然后进行求解。还有一种情况是系统的条件和结果都包含非线性情况，那么就非常麻烦了。单独的混合整数非线性规划可能就不再适用了，可能要借助于计算机建立一个程序找出适用的模型，然后进行求解，总之是比较繁琐的。

混合整数非线性规划的求解是比较困难的，传统的解法要求我们寻找一种更为合适的算法，查找相关文献发现基因遗传算法是众多求解非线性问题方法中比较突出的一种算法，还有学者在其中尝试了模拟退火的研究，验证了在个别情况下尤其是模型的动态特性较明显的时候此法有较其它算法比较明显的优越性。最近又有学者提出蚁群搜索算法，但适用还不纯熟，尚在讨论阶段，以证明其再解决非线性问题时的可能性。

动态规划的最大特点是有着明显的层次属性，整个热电系统可以按照工作原理分为若干个不同的阶段，每个阶段都有着若干种不同的可行性方案。不同层次间的方案选择最终组合成一种解决管理系统运行的方案，也可以说是一个策略，每个阶段都可以选择不同的方案，而且要充分考虑到对下个层次的影响，全局方案的目标是要使整个系统优化运行，而不要局限于某个环节，动态规划可以照顾到这种设计理念，进行多阶段整合，输出一个着眼于整个系统的最优方案。可以说，动态规划是最适合热电管理系统的优化设计办法。

动态规划求解的关键在于如何将一个复杂的多元问题分解成为若干个相互依赖、相互联系的易于求解优化的少阶段低维问题，在各个阶段都能做出序贯性的最佳决策，并且在序贯决策的状态推移进程中达到整个系统的最优效果。

在热电联产系统的设计中，通常将经济性或节能的要求来作为评价准则，这一准则是受到众多因素的制约的。这众多的影响因素被划分为四类：a)系统装置b)能量输入c)能量输出d)能源管理。这些冈素必须是综合考虑的。一般来说，对于给定的系统结构、能源价格、负荷需求来说，主要设备的容量配置是必须与系统的运行策略一并考虑的。本文中所介绍的方法就是为寻求系统最佳的容量配置服务的。

模型的决策变量包括两部分，即配置层面的设备容量变量以及表达运行策略的变量。在这里已经暗含了种简化：尽管在实际的系统设计中设备的容量是供选择的离散值，在本模型中它以连续型变量出现。运行策略通过二进制变量和连续型变量来描述，它们分别代表了各组成设备的肩/停状态以及负荷水平。

图1 简单循环燃气轮机热电(冷)联产系统简图

整个系统由简单循环燃气轮机、余热锅炉、辅助锅炉、吸收式制冷机以及离心式制冷机所组成。从图1中可以看出，电的来源有两种途径，燃气轮机发电以及从电网购电，用于满足建筑物的电负荷需求以及提供离心式制冷机的能源。燃气轮机发电后的烟气余热在余热锅炉中进一步得到利用，供给建筑采暖及生活用热的需求，多余的热则废弃，热负荷不足再由燃气辅助锅炉进行补充。制冷也有两种途径：利用余热锅炉热量的溴化锂吸收式制冷机以及依靠电制冷。

3.结语

通过采用建立目标模型的方法，本研究对基于热电管理系统的热电厂的优化运行问题进行了研究，通过工程化的逆向推理对模型进行了在约束条件下的求解，并实现了程序化；通过程序得到热电厂优化前后的运行状态，并对优化前后热电厂的状态量进行比较，尽管其存在一定的误差，但是可以看出优化的效果依然是明显的。

参考文献

[1]张蓓红，龙惟定．热电(冷)联产系统运行调节的双目标规划[J]暖通空调，2005，35(10)

[2]朱凡，王彦佳．热电联产热力系统优化运行研究[J]宝钢技术，2001(1)