微型燃气轮机冷热电联供系统的优化运行研究

（２）余热锅炉的供热量
ａ．微燃机排放余热供热
ｇＲＢ，１＝叩ＲＢ，１ｑｍ—ＲＢ艿
（１６）
ｂ．补燃供热
ｇＲＢ，２
２叩ＲＢ，２９ＲＢ删ｇ艿
（１７）
（３）吸收式制冷（热）机组的供热或制冷量
ａ．微燃机排放余热供热
ｑＡＢＳ，１＝‰，１ｑｍ—ＡＢＳ艿 （１８）
ｂ．补燃供热
ｑＡＢＳ，２＝叩‰，２９ＡＢＳⅡⅣｇ艿
（１９）
零 褂 辏
室
穴 丑
＋效率＋出力
温度，℃
图３ Ｃ ６０微燃机效率和出力与进口温度的关系 Ｆｉｇ．３ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔ、ｊｌ，ｅｅｎ ｅｆｆｉｃｉ∞ｃｙ／Ｏｕｔｐｕｔ ａｎｄ
ｔ锄ｐｅ眦ｕｒｅ ｏｆ Ｇ６０ ＭＴ
２ 选定建筑物的冷热电联供系统经 济性分析
２．１建筑物的选定及能源价格的确定 某建筑面积为７ ０００ ｍ２，空调系统为夏季制
究。确立了以年运行费用最小为目标的函数及约束条件，在选定建筑物，满足其冷热电负荷的情况下，对几
种运行方案分别进行了优化，得出了适合该建筑的最优方案，并对其运行策略进行了分析。讨论了天然气价
格、微燃机价格对联供系统投资回收期的影响。
关键词：微型燃气轮机；冷热电联供系统；优化运行；经济行分析
中图分类号：ＴＫＤｌ８
（９） 为了保证数学模型解的合理性以及符合优化 条件，考虑实际因素，需加上约束条件，如式
（１０）～（２５）。 （１）微燃机
微燃机组发电功率ｅＭ丌ｆ和能耗＾仃Ｕ之间的
关系：
ＰＭｎＩ＝６Ｍ兀，／洒）＋ｃ唧ｆＡ
（１０）
＾删。商。≤＾仃Ｕ≤＾ⅡＵ．一
（１１）
Ａ＜咒
（１２）
式中：６Ｍ兀Ｉ、ｃ删为微燃Baidu Nhomakorabea组的性能参数；
０引 言
微型燃气轮机具有寿命长、噪声低、重量 轻、体积小、低污染、多燃料、低油耗、可遥 控、自诊断以及多台集成扩容等一系列优点【１｜。 与其他燃气轮机相比，可尽量避免部分负荷运 行，某台出现故障，电力供应受影响小。微型燃 气轮机为核心的微燃机冷热电联供系统以天然 气、沼气、汽油、柴油及烷类气体等为燃料，通 过微型燃气轮机燃烧作功，其余热烟气驱动余热 利用机组实现供电、供热、制冷和生活卫生用水 等【２｜，具有实现能源梯级利用、节能、环保等诸 多优势，是分布式能源发展的重要方向。本文对 微燃机冷热电联供系统优化配置及运行进行了研 究，满足同样建筑用能负荷下，分析了不同运行 方案的最优结果及最适合该建筑方案的运行策 略，探讨了天然气价格和微燃机价格对联供系统
第３４卷第２期 ２００７年３月
华北电力大学学报
Ｊｏｍａｌ ｏｆ Ｎｏｒｔｈ ｃｈｉｍ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
Ｖｄ．３４．Ｎｏ．２ Ｍａｒ．．２００７
微型燃气轮机冷热电联供系统的优化运行研究
魏兵，王志伟，蒋露，李莉
（华北电力大学能源与动力工程学院，河北保定０７１００３）
摘要：根据微燃机冷热电联供的优化配置步骤及考虑因素，对微燃机冷热电联供系统的几种方案进行了研
ｉ＝１
ｄ．天然气平衡
＾
ｇｇｐ口＋三＋∑乙ｇｇｍＭ，Ｔ，ｉｉ＋＋ｇｇＡＡＢＢＳｓ＋＋ｇｇＲＲＢＢ
（２９）
ｉ＝１
Ｐ．烟气平衡
：乙ＶＭＴ，ｉ＝ＶＡＢｓ＋１，ＲＢ＋ＶＲｓＶＬ （３０）
ｉ＝ｌ
式（２６）～（３０）为联供系统的优化配置和
运行的数学规划模型，系统选型及运行不断调整 达到年运行成本最小的目标。
图３为Ｃａｐｓ白０ｎｅ Ｃ ６０微燃机效率和出力情况 与其进口温度的关系ｌ ４｜。
电后的高温烟气送入排烟再燃型溴化锂吸收式冷
温水机组，根据季节不同供热、制冷，不足的冷
量或热量由天然气补燃获得。方案２为微燃机组
＋余热锅炉＋电制冷机，微燃机发电后的高温烟
气冬季送入余热锅炉，不足的热量由天然气补燃
获得，夏季冷负荷由电制冷机提供。方案３为微
燃机组＋余热锅炉＋溴化锂吸收式直热制冷机＋
电空调机，微燃机发电后的高温烟气送人余热锅
收稿日 万期：方２０数０６．据０９．３０
经济运行的影响。
１ 数学模型的建立
１．１微燃机冷热电联供系统优化运行步骤 本文优化运行分析主要针对冷热电联供系统
的年运行费用，包括年运行能耗费用、初投资年 等值费用和年维护费用（含维护人员费用支出） 三部分。初投资和维护费用认为是设备容量的函 数，运行能耗费用为每年支出的电费、燃气费等 能源费用。约束条件主要考虑系统各组成设备的 性能特性及整个系统的能流平衡。联供系统满足 的用能负荷需求除了全年工况中选取夏、冬、 春、秋典型日的逐时负荷为需求对象外，还要加 上在夏、冬两季高峰时刻的最大负荷和全年负 荷。典型日负荷及最大日负荷用来确定系统各配 置的容量，全年负荷为经济性分析用【３Ｊ。图１为 微燃机冷热电联供系统优化配置的示意图。优化 的目标是整个系统年度费用的最小化，通过改变 设备配置的赋值而向目标逼近。
曩
《
ｌ，ｌｌ （ａ）夏季典型逐时负荷
良 岜 耀 斌
表２能源价格信息 Ｔａｂ．２ Ｉｎｆｏ咖ａｔｉｏｎ ｏｆ ｅｎ哪黟ｐｒｉｃｅ
天然气 （陕甘宁）低位热值
１．８元／ｍ３ ３５ ２００ｋＪ／抽３（９．７８ ｋｗ·ｈ／而３）
２．２微燃机数量的确定及最优方案的选择 为了分析微燃机冷热电联供系统的经济性，
这里主要分析微燃机的数量和最大能源需求量之 间的关系，认为满足最大能源需求量存在的最佳 微燃机数量，如图５所示。当微燃机数量为咒时， 年最小运行费用与最大能源需求的关系为锄 （Ｅ），微燃机数量为咒＋１时，年最小运行费用与 最大能源需求的关系为锄＋１（Ｅ），图中有一个 交点，交点处以台微燃机和咒＋１台微燃机满足的 最大能源需求和年最小运行费用都一样，在交点 的左边，满足同样的最大能源需求，竹台微燃机的 系统的最小费用小于咒＋１微燃机组成的系统，在 交点的右边，咒＋１台微燃机组成的系统的最小费 用小于咒台微燃机组成的系统ｂＪ。
一样；溴化锂吸收式制冷（热）机组按总制冷功
率计算。
联供系统年维护费用为
Ｃｏ＆Ｍ＝ＣＭＴ，ｏ＆Ｍ＋ＣＡＢｓ，ｏ＆Ｍ＋ＣＲＢ，ｏ＆Ｍ＋
ＣＲＥ，ｏ＆Ｍ＋ＣＥｌ、Ｒ。ｏ＆Ｍ＋ＣＲｓ，ｏ＆Ｍ
（６）
联供系统年运行成本为
华北电力大学学报
２００７年
Ｃｔｏ协ｌ＝ＣＥ＋ＣＩ＋Ｃｏ＆Ｍ
（７）
联供系统的目标函数为
ＭｉｎＣ々。ｔ０Ｉ＝ＣＥ＋ＣＩ＋Ｃｏ＆Ｍ
第２期
魏兵等：微型燃气轮机冷热电联供系统的优化运行研究
冷、冬季供热，春秋季不空调。该建筑正常运行 时间为每天８：００～２２：３０。夏季制冷时间为５月 １６日～９月１５日，冬季供热时间为１１月１日～ ３月３１日，其暑假和寒假各有２０天不运行，春 秋季节为４月１日～５月１５日，９月１６日～１０ 月３１日。图４（ａ）～（ｃ）为各季节典型日的用 能负荷情况。
炉或溴化锂吸收式直热制冷机，送人锅炉或吸收
式制冷机的热量可以调节，根据季节不同制冷、
供热，冷、热量不足可以用电空调机来补充冷量
或热量。图２（ｄ）为常规冷热电分供系统，电力
供应来自电网，冷负荷由电制冷机承担，热负荷
由燃气锅炉承担。
１．３优化运行分析的目标函数及约束条件
为了便于分析，首先作以下假设：
（１）微燃机、排气再燃型溴化锂吸收式冷温
ｃ．微燃机排放余热制冷
ｃＡＢＳ，ｌ ２叩‰，１ｑＭＴ—ＡＢＳ艿
，、
（２０）
ｄ．补燃制冷
ｑＡＢｓ，２‘孽蕊，２９ＡＢＳＵⅣｇ艿
（２１）
万方数据
（４）电制冷机的制冷量
ｆＲＥ＝叩ＲＥＰＲＥ艿
（２２）
（５）溴化锂吸收式直热制冷机组的制冷量
ｃＲＳ＝叩ＲＳ口Ｍｒ—ＲＳ艿
（６）电空调机的制冷和供热量 ｎ．制冷时
水机、溴化锂吸收式直热制冷机、余热锅炉等的
排烟温度始终保持不变；
（２）微燃机容量相等，部分负荷运行的微燃
机台数最多有１台；
（３）微燃机在标准大气压下运行。
为方便计算，把联供与分供系统数学模型表
达到统一式中。
系统年运行能耗费用：
ＣＥ＝Ｃ。＋Ｃｇ
（１）
年购电费用：
．
ｃ。＝２ｊ口△Ｅ。△￡
（２）
ｆ
年燃气费用：
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃ∞ｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｓｔ印ｓ ｏｆ ｏｐｔｉｍａｌ ｓｃｈｅｍｅ ａ１１ｄ ｃｃ瞳戚ｄｅｒａｔｉｏｎ ｆａｃｔｏｒ ａｂｏｕｔ ｍｉｃｒｐｔｕｒｂｉｎｅ ａ：ＨＰ（ｃｏｍｂｉｎｅｄ
ｐｃ恍ｒ），ｓｅｖｅｒａｌ ∞ｏｌｉｎｇ ｈｅａｔｉｎｇ ａｎｄ
ｐ蜊ｅｃｔｓ ｏｆ ０ＣＨＰ ａｒｅ ｒｅＳｅａｒｃｈｅｄ．Ｔｈｅ ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ ｆｕｎｃｔｉａｎ ａｎｄ ｉｔｓ ｏｏｎＳｔｒａｉｎｔＳ ａｒｅ
ＣＣ旧 ｓｔｒａｔｅｇｙ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ．ⅣＩｏｒｅｏｖｅｒ，ｉｍｐａｃｔ ｏｆ ｍｔｕｒａｌ ｇａｓ ａｎｄ ｍｉｃｒ争ｔ山．ｂｉｎｅ ｐｄｃｅ ｔｏ ｉｎｖｅｓｔＨｌｅｎｔ ｒｅ∞ｖｅｌ了ｐ“ｏｄ ｏｆ
ａｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍｉｃｒＯ—ｔｕｒｂｉｎｅ（Ｍ，ｒ）；ＯＣ船；ｏｐｔｉｍａｌ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ；ｅｃＯｎｏｍｉｃ ａｎａｌ姆ｓ
ｃｇ＝２ｊｐ△Ｆｇ△￡
（３）
初投资年等值费用：
ＣＩ＝ｒ（Ａｍ Ｃｍ＋ＡＡＢＳ ＣＡＢＳ＋ＡＲＢ ＣＲＢ＋ＡＲＥ
ＣＲＥ＋ＡＥＥＲＣＥＥＲ＋ＡＲＳＣＲＳ＋ＡｍＣ船
（４）
等额资金回收系数：
，：ｉ ｆ！＝±！窆
。
ｆ…ｓ、７
（１＋ｉ）ｎ一１
式中：ｉ为年利率；咒为计算年限，为设计运行／
（年运行天数×日运行矗）。这里ｉ和咒对各设备
文献标识码：Ａ
文章编号：１００７．２６９１（２００７）０２—０１３８—０７
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｏｐｔｉｍａｌ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｎ ｍｉｃｒｏ·ｔｕｒｂｉｎｅ ＣＣＨＰ ｓｙｓｔｅｍｓ
Ⅵ１三Ｉ Ｂｉｎｇ，ＷＡＮＧ Ｚｈｉ—ｗｅｉ，ＪＩＡＮＧ Ｌｕ，ＬＩ Ｌｉ
（Ｓｃｈｄ ｏｆ Ｂｌ皤ｙ ａｒ】ｄ Ｐ弧啊＆ｇｉｎ酬１１９，卜ｂｒｔｈ ＣＫｍ Ｅ１ｅｃｔｒｉｃ Ｐ酾啊Ｕｍｖ商ｔｙ，Ｂａ。ｄｉｌｌｇ ０７１００３，Ｃｈｍ）
ｄｅｔｅｍｌｉｎｅｄ Ｓｏ ａＳ ｔｏ ｍｉｎｉｍｉｚｅ ｔｈｅ ａｎｎｕａｌ ｔｏｔａｌ ００ｓｔ．Ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｐｒＯｊｅｃｔＳ ａｒｅ ａｐｔｉｍｉｚｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｅｄ ｏｆ ｃｈｏｓｅｎ ｂｕｉｌｄ—
ｉｎｇ ｗｉｔｈ ｉｔＳ １０ａ∈ＩＳ ｏｆ ｃｃ）Ｏｌｉｎｇ ｈｅａｔｉｎｇ ａｎｄ ｐ。、ｖｅｒ．Ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｐ蚵ｅｃｔ ｔｏ ｔｈｅ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｉｓ ｆｏｕｎｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉａｎ
（８）
微燃机是冷热电联供系统的核心装置，位于
联供系统的顶端。微燃机的性能确定了电力的供
给，同时微燃机的排气作为制冷、供热系统输入
能源，因此需要优先考虑。在给定电气价格比，
天然气价格，负荷需求及微燃机功率情况下，联
供系统肯定有最优的微燃机数量咒，使得系统能
源运行成本最低，即
Ｍｉｎ‰＝ＣＥ（行） ＋ＣＩ（咒） ＋Ｃｏ＆Ｍ（规）
第２期
魏兵等：微型燃气轮机冷热电联供系统的优化运行研究
图１微燃机冷热电联供系统的优化配置流程图
Ｆｉｇ．１ Ｆｌｏｗ ｃｈｎ ｏｆ ｏｐｔｉ础ＳｃｈｅｍｅｏｎＭＴＯＣＨＰ
１．２微燃机冷热电联供系统方案的描述 联供系统依据“发电不售电，电力不足从电
网购买”的原则。如图２（ａ）～（ｃ）。联供系统
（ａ）方案１微燃机冷热电联供示意图
（ｂ）冬季典型逐时负荷
旨
襄
妪
—－ ｌ，ｌｌ （ｃ）春秋季典型逐时负荷 图４典型日负荷曲线 Ｆｉｇ．４ Ｑｌｎｒｅ ０ｆ ｔｙｐｉｃａｌ ｄａｙＳ ｌｏａｄ
电气
供热 制冷
（ｂ）方案２微燃机冷热电联供示意图
电力 制冷 供热
盟１：吨黔力煞 （ｃ）方案３微燃机冷热电联供示意图
鲎
（ｄ）常规冷热电分供示意图
图２冷热电联供与分供系统示意图
Ｆｉｇ．２ Ｓｋｅｔｃｈ脚ｐｆｏｒ０Ｃ御ａｎｄ ｓｅｐａｒａｔｅ ｓｙｓｔ邸
利用天然气燃烧驱动微燃机发电、供电。方案１ 为微燃机组＋排烟再燃型冷温水机组，微燃机发 万方数据
（２３）
ｃＥＥＲ＝叩鞋ＲｅｌＥＲ艿
（２４）
６．供热时
ｑＥＥＲ＝霹‰Ｐ‰艿
（２５）
（７）系统设备之间的能流平衡如式（２６）～
（３０）。 口．冷平衡
ｃ Ａ１３ｓ＋ｃＲＥ＋ｃＲｓ＋ｃ Ｅｌ强＝ｃｄ
６．热平衡
（２６）
ｇＡＢＳ＋ｇＲＢ＋ｇＥＥＲ＝ｇｄ
ｃ．电平衡
（２７）
＾
已已ｐｐ＋＋ｚ∑芝ＰＪＭＰＴＭ，Ｔ，ｉ＿ｉ＝ｅｅｄｄ＋＋已已ＲＲＥＥ十十ｅｅＥＥＥＥＲＲ （２８）
＾ⅡＵ．ｒｎｉ”＾仃Ｕ，。。为微燃机组的最大和最小能耗。
如果是单台微燃机，则发电功率已和热耗．厂
之间的关系：
ＰＭＴ＝６（ｚ）厂＋ｃ（ｚ）艿
（１３）
矗。（ｚ）≤压＾。（ｚ） （１４）
艿∈｛０，１｝
（１５）
式中：６（ｚ）、ｃ（ｚ）为单台微燃机的性能参
数，是设备的容量的函数；厶ｈ（ｚ）、＾。（ｚ）
为单台微燃机的最大和最小输入能耗。