小型冷热电联供系统多目标优化设计与能量管理策略研究

当今全球能源短缺和环境污染日趋严重,我国面临的节能减排形势异常严峻,大力推广分布式能源发展已刻不容缓。冷热电联供系统以其节能、高效和环保等诸多优良特性而备受各界关注。其中以小功率动力设备为核心的家用或小型商用冷热电联供系统日渐兴起,逐步成为新的研究热点,极具发展潜力。为此本文主要围绕小型冷热电联供系统,多角度深入探索了其在热力性、经济性和环保性等方面的运行特性,进而提出了一系列优化设计方法与高效能量管理策略,有效提升了系统综合性能。与此同时,深刻揭示了冷热电联供系统内部能量耦合关系,并阐述了各不同性能指标间相互矛盾的根源所在,从而为推动冷热电联供系统的发展构建了一套较完整的理论体系。首先,阐述了基本冷热电联供系统组成结构与能量流程变化规律,并通过常规设计方法对系统各主要设备容量予以配置。同时,以传统分供系统为参照,深入分析了基本冷热电联供系统在"以电定热"和"以热定电"两种常规运行模式下的节能、经济和减排特性。并进一步研究评估了设备容量、技术、经济和排放等主要参数与不同性能指标间的敏感度。其次,基于动态系统仿真程序平台(Transient System Simulation Program,TRNSYS)设计了一种采用混合制冷模式的小型生物质沼气冷热电联供系统,并计及设备变工况特性建立了综合能源、经济和环境效益的多目标优化设计模型,采用带约束因子的粒子群算法求解了优化设备容量和运行参数。以某养殖场建筑全年冷热电负荷数据为例完成仿真实验,分析了优化系统运行情况,同时对比了沼气与天然气联供系统的性能差别。再次,进一步提出了计及节能率最大化与能耗成本最小化的优化运行模型。并基于TRNSYS与Matlab构成的联合仿真平台引入快速非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)求解得到多组不同运行参数组合下的优化运行策略。通过仿真实验全面分析了系统在优化策略下的运行特性,进一步揭示了各优化目标之间的耦合关系,验证了所提出方法的有效性和可行性。然后,以含储能装置的小型冷热电联供系统为研究对象,建立了计及能源、经济和环境效益的多目标模型,并采用NSGA-ⅡⅡ算法求解获得了多组偏重于不同性能目标的设计方案,从而优化了发电机组额定功率、储能装置容量、电制冷比和机组最低负荷率等关键参数。在此基础上以节能率为例,详细揭示了各设计参数对系统性能的内在影响,并量化了各目标函数间的相互耦合关系。同时,考虑到小型冷热电联供系统经济性较差,而储热等辅助单元的加入更将加重系统成本负担。鉴于此,在前述含储能的冷热电联供系统结构基础上,由工程实际需求出发,提出了由投资运行成本、能源成本和环境成本构成的经济优化模型。同时采用遗传算法求解得到燃机日逐时最优出力。并以某地办公建筑夏、冬两季典型日负荷为例,详细分析了主要单元出力及各经济成本的变化情况。所得结果为有效改善小型冷热电联供系统运行经济性提供了理论依据。最后,为验证本文所提出的一系列优化设计方法与能量管理策略,以山东大学与潍柴动力公司联合研发的新型高效内燃发电机组为核心单元,同时充分考虑可再生能源利用需求,设计了一套基于生物质燃气与太阳能等多种能源,并含吸收式制冷机和电辅助热泵等不同能量转换单元的多能互补CCHP试验系统,从而为理论验证提供可靠有效的技术应用平台。总而言之,本文研究成果为小型冷热电联供系统的配置设计与运行管理提供了行之有效的手段与方法,对推动分布式能源的发展具有重要理论价值。