蓄熱式熱電系統(tǒng)運(yùn)行控制及經(jīng)濟(jì)效果評(píng)價(jià)

蓄熱式熱電系統(tǒng)運(yùn)行控制及經(jīng)濟(jì)效果評(píng)價(jià)

《空氣污染防治》等許多法律法規(guī)嚴(yán)格限制了鍋爐的氣體排放。人們開始使用能源、天然氣和其他清潔能源。在高寒地區(qū)電采暖實(shí)用技術(shù)研討會(huì)上與會(huì)專家達(dá)成共識(shí):推廣電采暖技術(shù)有利于該區(qū)加快電氣化普及程度,同時(shí)也是改善城市環(huán)境,實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑;蓄熱式電鍋爐技術(shù)上成熟可靠,應(yīng)作為電采暖的主力軍。調(diào)查顯示,在大型商場(chǎng)、辦公樓、商住樓、賓館飯店、娛樂場(chǎng)所、體育場(chǎng)館、醫(yī)院、學(xué)校等場(chǎng)所采用蓄熱式電加熱系統(tǒng)效果顯著。文獻(xiàn)指出靈活電價(jià)體系是電力公司激勵(lì)用戶參與負(fù)荷管理的一種經(jīng)濟(jì)手段,主要有分時(shí)電價(jià)、實(shí)時(shí)電價(jià)、分季電價(jià)、分級(jí)電價(jià)等。對(duì)蓄熱式電加熱系統(tǒng)利用這種電價(jià)政策,目前一般偏重于技術(shù)上研制,而經(jīng)濟(jì)上也分峰、平、谷三段進(jìn)行定性總結(jié)分析,如文獻(xiàn),這也是與當(dāng)前電價(jià)政策改革相適應(yīng)的。但隨著電價(jià)市場(chǎng)深入發(fā)展和改革,供求關(guān)系對(duì)電價(jià)影響必將得到全面而真實(shí)的反映。與一般技術(shù)及經(jīng)濟(jì)分析不同,作為嘗試,本文兼顧未來電價(jià)發(fā)展趨勢(shì),力圖通過程序設(shè)計(jì)就該系統(tǒng)作更具體的量化分析以進(jìn)行最優(yōu)化的運(yùn)行控制和經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)。1優(yōu)化模型1.1蓄熱器運(yùn)行參數(shù)對(duì)于電熱鍋爐利用蓄熱器的設(shè)備初投資及運(yùn)行進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析,以年費(fèi)用最小為指標(biāo)。蓄熱器的熱容量及電鍋爐功率必將最直接地影響上述費(fèi)用,故作如下簡(jiǎn)化假定:1)僅比較不同部分作差異分析,暫只考慮電鍋爐和蓄熱器,鑒于它們效率都接近于1,不妨?xí)喝?(實(shí)際運(yùn)行中可取平均效率為e1,e2),電鍋爐最大功率為Pg,蓄熱器最大熱容量為Cx,為便于應(yīng)付緊急情況,應(yīng)保證僅靠電鍋爐運(yùn)行也能滿足負(fù)荷需要;2)設(shè)備參數(shù)包括代號(hào),型號(hào)TY,熱容量或功率CO,效率EF,使用壽命LF,初始價(jià)值KP,殘余價(jià)值KL;運(yùn)行參數(shù)包括第i時(shí)段電價(jià)pi(假設(shè)分段給出),時(shí)間ti,負(fù)荷di,(i=1,2,…,s);3)設(shè)蓄熱器在第i時(shí)段初蓄熱量為xi-1、末為xi,則0≤xi≤Cx;設(shè)該段內(nèi)接受電鍋爐的功耗為ui,則0≤ui≤pgti;對(duì)用戶供應(yīng)di,其中負(fù)荷可為典型的設(shè)計(jì)曲線給定,或經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)資料科學(xué)預(yù)測(cè)。1.2cmrtid積分在所選定的某期間(如一天),設(shè)用戶各個(gè)時(shí)段(i=1,2,...s)負(fù)荷給定di(也可以通過di=ti+1∫tiCmGˉΤidπdi=∫titi+1CmGTˉˉˉidπ積分算得,或者通過各種方法預(yù)測(cè),如文獻(xiàn)。其中Cm為水的質(zhì)量比熱,G為用戶流量,ˉΤiTˉˉˉi為水溫差,ti→ti+1ti→ti+1為時(shí)間段),在該時(shí)間段內(nèi)蓄熱器狀態(tài)從xi-1至xi,電鍋爐功率與時(shí)間積為ui。忽略很少的能量損失可建立離散狀態(tài)方程xi=xi-1+ui-di(1)其中x0=0,xs=0,0≤xi≤Cx,0≤ui≤Pgti,(i=1,2,…s)求最佳ui,使s∑i=1piui∑i=1spiui取得最小值。3線性規(guī)劃的等級(jí)分類按照最優(yōu)化理論,如果用動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法,則隨著階段數(shù)的增多而使得運(yùn)算量巨幅增加,故將其化成線性規(guī)劃問題?？梢酝ㄟ^引入松弛變量等化成標(biāo)準(zhǔn)形式min(ct*y)S.T.Ay=b,y≥0;c,y為N維列向量,b為M維列向量,A為M×N矩陣。對(duì)于該線性規(guī)劃問題可用內(nèi)點(diǎn)法及單純形法等。采用內(nèi)點(diǎn)法中的仿射變換法時(shí),發(fā)現(xiàn)因矩陣A太特殊而使向量y很難收斂更新,而采用變量有上下界的改進(jìn)單純形法效果較理想,見文獻(xiàn)。3.1轉(zhuǎn)化pbe型化.n矩陣模型令y1=u1,y2=u2,...,ys=us;ys+1=x1,ys+2=x2,...,y2s-1=xs-1;l1=0,l2=0,...,l2s-1=0;h1=Pgt1,h2=Pgt2,...,hs=Pgts;hs+1=Cx,hs+2=Cx,...,h2s-1=Cx,于是原問題化為min(ct*y)S.T.Ay=b,l≤y≤h(2)A為M×N矩陣,M=s,N=2s-1;Cy,l,h為N維列向量,b為M維列向量。對(duì)于矩陣A,其各元素為:a11=a22=…=ass=1;a2(s+1)=a2(s+2)=…=as(2s-1)=1;a1(s+1)=a2(s+2)=…=a(s-1)(2s-1)=-1;其余各元素為0;對(duì)于b有b1=d1,b2=d2,…bs=ds;對(duì)于c有C1=p1,C2=p2,…Cs=ps,其余元素為0。在給定向量y中,(N-M)個(gè)分量的值為其下界值或上界值,其余的M個(gè)分量值由式(2)唯一確定,則得到的y為一基本解,其中給定分量的值為下界值或上界值的稱為非基變量,其余為基變量;而滿足式(2)的基本解為基本可行解。理論表明,對(duì)于線性規(guī)劃問題若有最優(yōu)解,則在有限集的基本可行解中也有最優(yōu)解,而單純形法便為沿凸多面體有限的相鄰頂點(diǎn)而搜索至最優(yōu)點(diǎn)的方法。3.2ccj0.cb-1h中心基問題描述記A中基矩陣為B,余下的(N-M)列中取下界值和上界值的非基變量對(duì)應(yīng)系數(shù)列向量構(gòu)成矩陣分別記為L(zhǎng),H,則A可形式記為A=[B,L,H](3)對(duì)應(yīng)y,c,l,h可形式分割y=[yByLyΗ]?c=[cBcLcΗ],l=[lBlLlΗ],h=[hBhLhΗ];式(2)化為ByB+LyL+HyH=b,則有yB=B-1(b-LyL-HyH)(4)目標(biāo)值為z=cTBB-1b+ccTLyL+ccTHyH(5)其中ccΤL=cΤL-cTBB-1L,ccΤΗ=cΤΗ-cTBB-1H(6)令zz=cBB-1b+ccTLlL+ccTHhH,bb=B-1(b-LlL-HhH),p=cTBB-1(7)y=[yByLyΗ]=[bblLhΗ],z=zz分別為現(xiàn)行基本解及目標(biāo)值,假設(shè)可行并讓非基變量變化vj(vj≥0);JB,JL,JH分別為基變量、取下界非基變量和取上界的非基變量下標(biāo)集合,變化方向?yàn)閥j=lj→(lj+vj),j∈JL;yj=hj→(hj-vj),j∈JΗ(8)將變化后的值代入式(5)中得z=zz+∑JLccj×vj-∑JΗccj×vj(9)其中ccj為式(6)計(jì)算的非基變量yj的相對(duì)費(fèi)用系數(shù)。當(dāng)其都滿足ccj≥0(j∈JL),ccj≤0(j∈JH)(10)則有zz為目標(biāo)函數(shù)的最小值(最優(yōu)解),即上式為最優(yōu)性判別條件。若式(10)不成立,則當(dāng)前解非最優(yōu)解,由cck=max{|ccj|,ccj≤0(j∈JL),ccj≥0(j∈JΗ)}(11)定k,固定其它非基變量值,令yk值增(j∈JL)減(j∈JH)v(v>0),由式(4)、(7)定yB,其由bb變?yōu)閥B=bb+B-1akv,(k∈JL);yB=bb-B-1akv,(k∈JH);aak=B-1ak,(12)其中ak為A的第k列。為在保持可行性情況下盡可能減小目標(biāo)函數(shù)值,關(guān)鍵在于確定v,具體方法見文獻(xiàn)。對(duì)于原問題顯然有自明的初始基,即JB={1,2,?Μ};JL={Μ+1,Μ+2,?Ν};JH=《;B-1=E.《為空集,E為M階單位陣?？傊?關(guān)鍵問題在于給定初始基變量以及確定v以更新基變量及一系列隨之而來的B-1,bb,p,zz。3.3經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)輸出在BorlandDelphi6環(huán)境下建立一數(shù)據(jù)庫,以及應(yīng)用程序計(jì)算而選擇得出最優(yōu)化的運(yùn)行控制方案。即對(duì)一套電鍋爐蓄熱器系統(tǒng),確定在滿足用戶要求下電鍋爐各時(shí)段最佳供熱而使該期費(fèi)用最小。同時(shí),將該期相對(duì)運(yùn)行費(fèi)用系數(shù)(最優(yōu)化運(yùn)行費(fèi)用與單純依靠電鍋爐運(yùn)行的費(fèi)用相比的值)作為經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)輸出。實(shí)施步驟①選擇一組設(shè)備和運(yùn)行數(shù)據(jù)以定Pg,Cx,KP,KL,LF,s,di,pi,ti等,其中i=1,2,…,s,確定變量個(gè)數(shù)N=2s-1,約束M=s,A、b、c、l、u給定,并判定電鍋爐功率能否滿足要求,滿足則去步②,否則去步⑥;②由式(6)計(jì)算ccj,j∈(JL∪JH);③由式(10)成立則得最優(yōu)解并停止計(jì)算,輸出需要的值,否則由式(11)確定k,去下一步;④由式(12)計(jì)算aak,并求v及其對(duì)應(yīng)最小下標(biāo)并賦給r;⑤求新B-1,bb,p,zz和下標(biāo)集JB,JL,JH回到步②;⑥據(jù)各種情況輸出最優(yōu)解,相對(duì)運(yùn)行費(fèi)用系數(shù)等結(jié)果,停止。4應(yīng)用4.1電鍋爐最經(jīng)濟(jì)運(yùn)行對(duì)一套系統(tǒng),在已知價(jià)格曲線(見圖1)及用戶需求曲線(見圖2)的情況下,都可以找到至少一條電鍋爐最經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的曲線(見圖3)。圖中以價(jià)格的變動(dòng)作為分段的基礎(chǔ),比如以一天按價(jià)格的波動(dòng)分成幾段并將時(shí)間作為橫坐標(biāo),而將該段的價(jià)格或負(fù)荷作為縱坐標(biāo)。4.2其他指標(biāo)的計(jì)算蓄熱式電加熱系統(tǒng),相對(duì)于單純的電鍋爐系統(tǒng)增大了初投資。因此,其關(guān)鍵在于通過盡量?jī)?yōu)化運(yùn)行以節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用。對(duì)于優(yōu)化運(yùn)行情況下的不同蓄熱式電加熱系統(tǒng)(單純的電鍋爐系統(tǒng)可視為蓄熱器的初投資及熱容量為零的系統(tǒng)),我們都可以平均年費(fèi)用為評(píng)價(jià)指標(biāo)作出方案比較,并以平均年費(fèi)用最小的為最優(yōu)。如將1年分成不同區(qū)間,負(fù)荷在每個(gè)區(qū)間具有一定周期性。對(duì)于每個(gè)周期求得最小運(yùn)行費(fèi)用,然后通過求和得最小年運(yùn)行費(fèi)用OC,再由AC=OC+FC可求得給定設(shè)備的年總最小費(fèi)用,其中FC為設(shè)備年均費(fèi)用,FC=2∑i=1(ΚΡi-ΚLi)*)(A/Ρ,Ιc,LF)+Ιc*ΚL,Ic為投資利潤(rùn)率,為簡(jiǎn)化分析可暫設(shè)為0.15,LF為設(shè)備使用壽命,可設(shè)為6年,查等額回收因子(A/p,Ic,LF)=0.2642,i=1,2分別對(duì)應(yīng)電鍋爐,蓄熱器參數(shù)。在實(shí)