关键词：数学优化；综合能源系统；生物质；多联产
引言
基于生物质多联产的综合能源系统（BPIES）将生物质气化多联产与区域BPIES相结合，不但可提高物质与能量综合梯级转换利用效率，同时还兼具节约能源、提高供能质量、增加经济效益等综合效益，体现了生物质能源技术与区域能源规划的深度融合，有望成为最有效、最洁净的生物质能综合利用技术。
1综合能源系统优化方法
当前，研究一种适用于各种结构形式的，且灵活自动的综合能源系统计算机标准化建模方法和适用于面向结构、设计和运行的综合优化方法具有重要意义。采用传统综合能源系统规划方法所建立的综合能源系统规划模型是非线性的，对于大型的综合能源系统而言太过复杂，计算耗时长。为了解决上述技术问题，提出一种基于标准化矩阵模型的综合能源系统优化方法，包括以下步骤：步骤1：以综合能源系统优化研究为目标，提出一种综合能源系统标准化矩阵建模方法。从系统工程的视角出发，以能源转换设备之间的能量流作为状态变量来处理引入调度因子所导致的非线性问题，构建了综合能源系统线性规划模型。基于所提出的综合能源系统标准化矩阵模型，可用于开展包括结构、设计和运行的综合能源系统的综合优化。步骤2：综合能源系统结构优化的目的是决定系统组成单元及其相互联系(能流结构和设备类型)。以系统年综合能效为优化目标，基于粒子群优化算法，构建了可用于开展区域综合能源系统最优结构规划的数学模型。步骤3：综合能源系统设计优化，决定系统组成单元的技术特性(机型、容量和台数)。为提高综合能源系统供能可靠性，设计成区域型分布式能源互联网络形式，在满足区域用户的总冷、热、电量需求基础上，对于同类型能源转换设备，选择2台或2台以上设备并联运行，以此进一步提高系统综合能效与供能可靠性，实现区域综合能源系统的最优设计规划。步骤4：综合能源系统的运行优化决定系统组成单元的逐时运行策略。以区域综合能源系统运行优化研究为目标，并以最小化运维成本为优化目标函数，构建可用于开展区域综合能源系统的最优运行规划的数学模型，为指导综合能源系统各设备单元最优的逐时运行策略提供理论依据。
2BPIES的数学模型构建
本文中基于超结构的建模方法，对BPIES中的生物质发电系统气化单元、热电联产（CHP）单元、化学合成单元以及辅助供热模块、制冷模块等进行了详细的数学建模，该模型同时集成了PV与GSHP两种可再生能源技术。
2.1ＢＰＩＥＳ的超结构
ＢＰＩＥＳ系统超结构流程图如图1所示。系统的产电设备可选技术主要包括生物质气化多联产模块（包括化学合成单元）、光伏发电系统等，且系统可根据需要选择是否与电网并网．供热模块的主要作用是为了满足热负荷与吸收式制冷机（ABS）的供汽热耗需求，可选技术包括余热锅炉、辅助备用锅炉及GSHP等．EC、溴化锂ABS及双效的GSHP则为供冷模块的备选技术。
2.2分布式能源系统
分布式能源就是指将可独立满足用户的电、热、冷、蒸汽、热水等负荷的小规模(凡千瓦至数万千瓦)能源生产系统以分散的方式配置在用户端附近，依照各用户不同的用能特点，定制式的满足用户需求的能源生产系统。分布式能源系统实现了资源的多元化和能源转化利用技术的多元化，这样可以充分开发利用当地的各种可再生能源(如地热能、太阳能、风能、生物质能、水能等可再生能源及工业余压余热的利用等)。分布式能源因其可以避免传统的大机组、大电厂、大电网带来的能源生产和长距离传输损失，可以在更大范围内以能源联供代替各种分供方式，被认为是节能减排最有效的途径。
2.3基于生物质气化的多联产模块
生物质气化多联产过程主要分为3个模块：生物质气化单元、化学合成单元和生物质CHP单元。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆其中，每个模块均有几种类型的备选技术设备以满足不同地区对不同工艺流程的要求。（1）生物质气化单元。生物质气化单元的功能是在高温、高压和还原气氛中将热值较低的生物质粗原料气化，转化为可供下游利用的热值较高的合成气。合成气主要由氢气、一氧化碳、二氧化碳、硫化氢、未转化的碳和灰分组成。合成气ｒａｗｓｇ的焓Ｈ和比焓ｈ可以表示为摩尔流率.
对于生物质气化过程，生物质原料中的主要元素为碳、氢、氧、氮和硫５种，转化后的合成气组分主要为N2、H2、CO、CO2、F2O、CH４和H2S．基于元素和组分平衡，合成气及其中各元素组分的摩尔流率和质量流率的平衡方程如下（以碳为例）：
式中，ｊ＝Ｎ2、Ｈ2、CO、CO2、Ｈ2O、CＨ４、Ｈ2Ｓ，ｔ等于合成气的温度Ｔ除以1000。方程（2）表示合成气摩尔流率和质量流率的平衡，MWC表示碳的分子量，UC表示燃料中碳的质量分数（干燥状态），而ｘ表示合成气的摩尔组成（与特定类型的气化技术有关），mo和ma分别表示摩尔流率和质量流率，下标rawsg和f分别代表原料与合成气。通过计算合成气的摩尔流率和质量流率的平衡方程，即可获得进入化学合成单元和CHP单元的合成气焓值。合成气中的其他元素，如氢、氧、氮和硫的平衡方程，其计算方法类似。方程（4）中的参数在NISTCHEMISTRWebbooK中有具体说明。（2）化学合成单元。在离开气化单元后，合成气被分流为两部分气体。一部分进入化学合成单元，另一部分直接进入生物质CHP单元，其调整程度可通过设计参数分流比ｒ来确定，如下式：
化学合成（以甲醇为例）主要包括以下３个反应
进入化学合成单元的合成气和产品的质量平衡方程可表示如下：
根据化学反应式（７）～（９），质量平衡方程可以表示如下：
式中，γ表示转化效率，meoh代表甲醇合成过程．结合上述各式，可以计算出最终产物甲醇的质量流率和摩尔流率．（3）生物质CHP单元。进入生物质CHP单元的另一部分合成气与大量压缩空气混合，并在燃烧室中燃烧以产生高温、高压的气体做功．其建模过程基于能量平衡，进入发电单元中压缩机的空气质量流率是温度T1的函数，燃料气体的ma和x可由下式表示：
对于由CO、CO2、Ｈ2、Ｈ2O、O2、Ｎ2和微量CＨ４、Ｈ2Ｓ组成的典型燃料气体，式（12）可具体表示为：
式中，下标ｆｇ表示进入发电单元的气体，ｇａｓｉｎ和ｇａｓOｕｔ分别代表进、出口处的气体．氢、氧、氮和硫的平衡方程由类似方程表示．与气化单元中合成气的焓值计算相类似，生物质CHP单元中进出口气体的焓也是与温度相关的经验函数．燃料气体的焓值可以根据经验公式计算，即方程，流经压缩机的空气焓值和入口处气体的焓值可以用相同的方式计算得出．由上述计算得到压缩机的进、出口参数，发电单元产生的机械功ｗｇｔ是流经CＨＰ单元的气体质量流率及其进、出口物理参数的函数，表示为：
由CHP单元产生的余热后续可用于ABS进行制冷或供热。
结语
综合能源系统结构优化的目的是确定系统组件及其相互连接（即，能量流结构和设备类型）。以综合能源效率为目标函数，建立了系统结构优化的数学模型，并对区域综合能源系统进行了优化结构规划。
参考文献
[1]彭克,张聪,徐丙垠等.多能协同综合能源系统示范工程现状与展望[J].电力自动化设备,2017,37(6):3-10.
[2]黄子硕.生物质气化热电联产发展概述[J].暖通空调，2017，47(4)：23-28.
论文作者:王小龙
论文发表刊物:《中国电业》2019年第19期
论文发表时间:2020/1/14
标签：能源论文; 合成气论文; 系统论文; 单元论文; 生物论文; 化学合成论文; 方程论文; 《中国电业》2019年第19期论文;