微型燃气轮机冷热电联供系统的优化运行研究

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
（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）
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。
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
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
（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）
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
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
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
（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
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
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
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。
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
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
＾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。
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：
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
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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。