一种考虑设备运行故障的CCHP系统冗余设计方法

一种考虑设备运行故障的cchp系统冗余设计方法
技术领域
1.本发明属于电气工程领域，具体涉及一种考虑设备运行故障的cchp系统冗余设计方法。


背景技术：

2.cchp系统由多种设备组合配置，主要包括发电设备(内燃机、燃气轮机、燃料电池等)、余热利用装置(余热回收设备)、辅助锅炉、供热设备(换热器)和制冷设备(电制冷机，吸收式制冷机)。联供系统利用燃料高品位的能量进行发电，并回收来自发电设备的低品位热能，在实现能源梯级利用的同时满足用户负荷。相比传统的供能方式，cchp系统因其在经济、能源和环境方面的卓越性能而受到广泛关注。
3.在运行策略方面，cchp系统有ftl(热跟随)与fel(电跟随)两种基本模式。ftl与fel分别优先满足热负荷与电力负荷。当系统供电不足时，从电网购买电力进行补充；当系统供热不足时，通过辅助锅炉的补燃以满足热负荷。
4.涉及cchp系统的大多数研究均假定系统设备是完全可靠的。事实上，非理想系统的运行过程中设备故障不可避免。对于复杂且可修复的系统，设备运行和维护成本占总生命周期成本的35％。为了提高系统的可靠性并降低系统的维护成本，有必要对cchp系统进行冗余设计。
5.尽管已有对cchp冗余设计的一些研究，但仍有一些地方未被考虑。现有技术中，要么根据不同能源供应模式进行冗余设计，即每种负荷采用两种可相对独立满足负载需求的能源供应方式，这导致设备装机容量大，系统经济性表现不理想；要么只对发电单元进行冗余设计，忽略了其他子系统的故障率。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种考虑设备运行故障的cchp系统冗余设计方法，其方法步骤简单，设计合理，实现方便，能够有效应用在cchp系统中，冗余设计充分考虑了设备的故障并对性能影响的情况进行了模拟，将本发明运用在冷热电联供的系统配置中，能够有效提升系统的可靠性及经济、能源和环境指标，使用效果好，便于推广使用。
7.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种考虑设备运行故障的cchp系统冗余设计方法，包括以下步骤：
8.步骤一、建立cchp系统模型；
9.步骤二、建立所述cchp系统模型对应的多机组模型，并进行可靠性分析；
10.步骤三、设计所述多机组模型的运行策略；
11.步骤四、设置目标函数、系统变量和约束条件，采用pso算法进行求解。
12.上述的一种考虑设备运行故障的cchp系统冗余设计方法，步骤一中所述cchp系统模型包括原动机供电子系统、吸收式制冷机子系统、电制冷机子系统、辅助锅炉子系统和热
交换器子系统，所述原动机供电子系统包括余热回收装置。
13.上述的一种考虑设备运行故障的cchp系统冗余设计方法，步骤二中所述多机组模型包括常规cchp模型、主动冗余cchp模型和被动冗余cchp模型，所述被动冗余cchp模型包括热备冗余模型和冷备冗余模型。
14.上述的一种考虑设备运行故障的cchp系统冗余设计方法，所述常规cchp模型中的每个子系统只选取一台设备，对于常规cchp模型的设备i，其故障概率密度函数fi(t)服从指数分布：
[0015][0016]
式中，λi表示设备i的故障率；
[0017]
设备i的可靠度函数为：
[0018]
设备i的故障率为：
[0019]
设备i的故障概率为：
[0020]
式中，μi表示设备i的修复率；
[0021]
当原动机供电子系统难以满足电负荷需求时，不足的电量由外部公共电网购电补充；
[0022]
原动机供电可靠性为：
[0023]
式中，λ
pgu
表示原动机的故障率；
[0024]
外部公共电网供电的可靠性为：
[0025]
式中，λ
grid
表示电网的故障率；
[0026]
供电可靠性为：re(t)＝r
grid
(t)r
gas
(t)r
pgu
(t)；
[0027]
式中，r
gas
(t)表示城市天然气供气可靠性；
[0028]
所述常规cchp模型中，冷负荷由吸收式制冷机和电制冷机共同提供，所述电制冷机的电量由原动机和外部公共电网提供，因此电制冷机制冷可靠性为：
[0029]rc1
(t)＝r
grid
(t)r
gas
(t)r
pgu
(t)r
ec
(t)；
[0030]
式中，r
ec
(t)表示电制冷机的设备可靠性；
[0031]
输入吸收式制冷机的热量一方面来自于内燃机的余热回收，另一方面来自于辅助锅炉补燃的热量，因此吸收式制冷机可靠性为：
[0032]rc2
(t)＝r
gas
(t)r
pgu
(t)rb(t)r
ac
(t)；
[0033]
式中，rb(t)表示辅助锅炉的设备可靠性，r
ac
(t)表示吸收式制冷机的设备可靠性；
[0034]
常规cchp模型的制冷可靠性为：rc(t)＝r
c1
(t)r
c2
(t)；
[0035]
所述常规cchp模型中，供热主要来自原动机的余热回收，当热负荷需求较大时，供热需要辅助锅炉通过燃烧天然气进行补燃，因此常规cchp模型的制冷可靠性为：
[0036]
rh(t)＝r
gas
(t)r
pgu
(t)rb(t)r
he
(t)；
[0037]
式中，r
he
(t)表示换热器的设备可靠性；
[0038]
所述常规cchp模型的整体供能可靠性为：
[0039]rsys
(t)＝r
grid
(t)r
gas
(t)r
pgu
(t)r
ec
(t)r
ac
(t)r
he
(t)rb(t)。
[0040]
上述的一种考虑设备运行故障的cchp系统冗余设计方法，所述主动冗余cchp模型中，子系统ia的可靠性为：
[0041][0042]
式中，表示正常运行设备的数量，表示冗余设备的数量，表示设备i的可靠性，j为中间变量；
[0043]
所述主动冗余cchp模型的整体可靠性为：
[0044][0045]
上述的一种考虑设备运行故障的cchp系统冗余设计方法，所述冷备冗余模型中，子系统is的可靠性为：
[0046][0047]
式中，pi(t)表示冗余切换可靠性，表示不发生故障的可靠性，n
is
表示设备i正常运行数量，λ
is
表示设备i的故障率，表示运行发生j阶故障的可靠性，x
is
表示设备i的冗余数量，表示设备i的可靠性，表示设备i的j个故障次数之和的概率密度函数，t和u均为中间变量；
[0048]
对于失效过程，采用泊松分布进行模拟：
[0049][0050]
所述冷备冗余模型的整体可靠性为：
[0051][0052]
上述的一种考虑设备运行故障的cchp系统冗余设计方法，步骤三中所述多机组模型的运行策略包括每小时系统综合性能优化阶段和年系统综合性能优化阶段，首先，选择系统的冗余策略以及进行相关变量初始化步骤；其次，在每小时系统综合性能优化阶段对系统每小时综合性能进行优化，确定原动机在单位时间的出力情况；然后，在年系统综合性能优化阶段确定变量的取值，所述变量包括设备配置的容量、投入运行数量和电制冷比例；当系统不满足结束条件时重复上述过程，直到满足结束条件再输出结果。
[0053]
上述的一种考虑设备运行故障的cchp系统冗余设计方法，步骤四中所述目标函数包括年度总成本节约率、一次节能率和二氧化碳减排率，所述系统变量包括各子系统的设备配置数量。
[0054]
上述的一种考虑设备运行故障的cchp系统冗余设计方法，所述年度总成本节约率atcr为：
[0055][0056]
式中，atc
sp
表示sp系统的年度总成本，atc
cchp
表示cchp系统的年度总成本；
[0057]
atc
sp
＝c
inv
+c
om
+c
eg
[0058]
式中，c
inv
表示年度投资成本，且c
om
表示设备运维成本，c
eg
表示能源成本；
[0059]
式中，i表示年利率，m表示系统寿命，ci表示设备i的单位容量投资成本，ni表示设备i的正常运行设备台数，xi表示设备i的冗余设备台数，ni表示设备i的容量；
[0060]
所述一次节能率pesr为：
[0061][0062]
式中，pec
sp
表示sp系统的二氧化碳排放量，pec
cchp
表示cchp系统的二氧化碳排放量，且
[0063][0064]
式中，μe表示发电对应的碳转化因数，f
pgu
表示原动机的天然气消耗量，fb表示辅助锅炉补燃的天然气消耗量，f
inc，i
表示系统故障时额外的气能源需求，μg表示天然气对应的碳转化因数，e
gridin
表示来自外部公共电网的购电量，e
inc，i
表示系统故障时额外的电能源需求。
[0065]
上述的一种考虑设备运行故障的cchp系统冗余设计方法，所述cchp系统模型的综合性能函数表示为：
[0066]
ip＝ω1atcr+ω2pesr+ω3cder
[0067]
式中，ip表示cchp系统模型的综合性能函数，ω1表示年度总成本节约率的权重系数，ω2表示一次节能率的权重系数，ω3表示二氧化碳减排率的权重系数。
[0068]
本发明与现有技术相比具有以下优点：
[0069]
1、本发明方法步骤简单，设计合理，实现方便。
[0070]
2、本发明cchp系统的配置多样性和结构复杂性将一定程度对系统的可靠性和可用性产生影响，现实情况中系统运行故障难以避免，传统cchp系统较高的故障维护成本与停机成本不可忽视，相比传统cchp系统在建筑中的应用，采用本发明使得系统的故障维护成本与停机成本可以得到明显的降低，冗余系统的整体可靠性也有明显提升。
[0071]
3、本发明的主动冗余cchp模型、热备冗余模型和冷备冗余模型系统之间的不同性能表现各有优劣，能够根据应用具体场景需求选择适当的冗余策略。
[0072]
4、本发明提出了一种两阶段优化运行策略可以实时优化并机设备的投入数量与运行方式，给予了同时刻不同机组以不同运行方式协同出力供能的可能，有较大的应用空间。
[0073]
5、本发明能够有效应用在cchp系统中，有效提升系统的可靠性及经济、能源和环境指标，使用效果好，便于推广使用。
[0074]
综上所述，本发明方法步骤简单，设计合理，实现方便，能够有效应用在cchp系统中，冗余设计充分考虑了设备的故障并对性能影响的情况进行了模拟，将本发明运用在冷热电联供的系统配置中，能够有效提升系统的可靠性及经济、能源和环境指标，使用效果好，便于推广使用。
[0075]
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
[0076]
图1为本发明的方法流程图；
[0077]
图2为本发明cchp系统中三种能源及其流动示意图；
[0078]
图3为本发明多机组模型的运行策略流程图；
[0079]
图4为本发明实施例中办公楼与酒店的冷热电负荷图；
[0080]
图5为本发明实施例中各系统在不同建筑物的优化结果图；
[0081]
图6为本发明实施例中各系统在不同时间运行一天的可靠性表现结果图；
[0082]
图7为本发明各系统的一次能源消耗结果图；
[0083]
图8为本发明各系统在两栋不同类型建筑的经济成本对比结果图。
具体实施方式
[0084]
如图1所示，本发明的考虑设备运行故障的cchp系统冗余设计方法，包括以下步骤：
[0085]
步骤一、建立cchp系统模型；
[0086]
步骤二、建立所述cchp系统模型对应的多机组模型，并进行可靠性分析；
[0087]
步骤三、设计所述多机组模型的运行策略；
[0088]
步骤四、设置目标函数、系统变量和约束条件，采用pso算法进行求解。
[0089]
本实施例中，步骤一中所述cchp系统模型包括原动机供电子系统、吸收式制冷机子系统、电制冷机子系统、辅助锅炉子系统和热交换器子系统，所述原动机供电子系统包括余热回收装置。
[0090]
具体实施时，cchp系统视作由多个子系统组成的整体系统，cchp系统中三种能源及其流动形式如图2所示。发电单元通过天然气的燃烧，产生电能，满足系统的电负荷需求；建筑负荷端所需的冷负荷由吸收式制冷机和电制冷机共同供给；建筑负荷端所需的热负荷来自热交换器传递的热量；对于系统运行过程中能量供应不足的情况，辅助锅炉通过燃烧天然气补充系统缺少的热能，不足的电力则来自外部公共电网，功能各不相同的子系统协同工作，保障cchp系统的正常运行。
[0091]
本实施例中，步骤二中所述多机组模型包括常规cchp模型、主动冗余cchp模型和被动冗余cchp模型，所述被动冗余cchp模型包括热备冗余模型和冷备冗余模型。
[0092]
本实施例中，所述常规cchp模型中的每个子系统只选取一台设备，对于常规cchp模型的设备i，其故障概率密度函数fi(t)服从指数分布：
[0093][0094]
式中，λi表示设备i的故障率；
[0095]
设备i的可靠度函数为：
[0096]
设备i的故障率为：
[0097]
设备i的故障概率为：
[0098]
式中，μi表示设备i的修复率；
[0099]
当原动机供电子系统难以满足电负荷需求时，不足的电量由外部公共电网购电补
充；
[0100]
原动机供电可靠性为：
[0101]
式中，λ
pgu
表示原动机的故障率；
[0102]
外部公共电网供电的可靠性为：
[0103]
式中，λ
grid
表示电网的故障率；
[0104]
供电可靠性为：re(t)＝r
grid
(t)r
gas
(t)r
pgu
(t)；
[0105]
式中，r
gas
(t)表示城市天然气供气可靠性；
[0106]
所述常规cchp模型中，冷负荷由吸收式制冷机和电制冷机共同提供，所述电制冷机的电量由原动机和外部公共电网提供，因此电制冷机制冷可靠性为：
[0107]rc1
(t)＝r
grid
(t)r
gas
(t)r
pgu
(t)r
ec
(t)；
[0108]
式中，r
ec
(t)表示电制冷机的设备可靠性；
[0109]
输入吸收式制冷机的热量一方面来自于内燃机的余热回收，另一方面来自于辅助锅炉补燃的热量，因此吸收式制冷机可靠性为：
[0110]rc2
(t)＝r
gas
(t)r
pgu
(t)rb(t)r
ac
(t)；
[0111]
式中，rb(t)表示辅助锅炉的设备可靠性，r
ac
(t)表示吸收式制冷机的设备可靠性；
[0112]
常规cchp模型的制冷可靠性为：rc(t)＝r
c1
(t)r
c2
(t)；
[0113]
所述常规cchp模型中，供热主要来自原动机的余热回收，当热负荷需求较大时，供热需要辅助锅炉通过燃烧天然气进行补燃，因此常规cchp模型的制冷可靠性为：
[0114]
rh(t)＝r
gas
(t)r
pgu
(t)rb(t)r
he
(t)；
[0115]
式中，r
he
(t)表示换热器的设备可靠性；
[0116]
所述常规cchp模型的整体供能可靠性为：
[0117]rsys
(t)＝r
grid
(t)r
gas
(t)r
pgu
(t)r
ee
(t)r
ac
(t)r
he
(t)rb(t)。
[0118]
本实施例中，所述主动冗余cchp模型中，子系统ia的可靠性为：
[0119][0120]
式中，表示正常运行设备的数量，表示冗余设备的数量，表示设备i的可靠性，j为中间变量；
[0121]
所述主动冗余cchp模型的整体可靠性为：
[0122][0123]
本实施例中，所述冷备冗余模型中，子系统is的可靠性为：
[0124][0125]
式中，pi(t)表示冗余切换可靠性，表示不发生故障的可靠性，n
is
表示设备i正常运行数量，λ
is
表示设备i的故障率，表示运行发生j阶故障的可靠性，x
is
表示设备i的冗余数量，表示设备i的可靠性，表示设备i的j个故障次数之和的概率密度函数，t和u均为中间变量；
[0126]
对于失效过程，采用泊松分布进行模拟：
[0127][0128]
所述冷备冗余模型的整体可靠性为：
[0129][0130]
具体实施时，在热备冗余模型中，设备出现故障时，冗余设备立刻投入，参与系统的供能过程，而未发生故障时，冗余设备保持预启动状态，虽然不参与系统供能，但是其工况与此时投入的正常运行设备类似，热备冗余模型的整体可靠性公式与主动冗余cchp模型的整体可靠性公式相同。
[0131]
在冷备冗余模型中，在操作设备发生故障时，通过切换到其中一个冗余设备以继续系统运行，冗余设备将在系统中顺序使用，未发生故障时，冗余设备不运行且故障率为零。
[0132]
本实施例中，步骤三中所述多机组模型的运行策略包括每小时系统综合性能优化阶段和年系统综合性能优化阶段，首先，选择系统的冗余策略以及进行相关变量初始化步骤；其次，在每小时系统综合性能优化阶段对系统每小时综合性能进行优化，确定原动机在单位时间的出力情况；然后，在年系统综合性能优化阶段确定变量的取值，所述变量包括设备配置的容量、投入运行数量和电制冷比例；当系统不满足结束条件时重复上述过程，直到满足结束条件再输出结果。
[0133]
具体实施时，冗余系统包含多个并行运行的同类型设备，因此其运行模式需要在传统运行策略的基础上进一步改进。冗余系统中投入的设备数量将随负载的变化而变化，冗余cchp系统的内燃机共有三种工作状态，分别为额定工作状态、部分负荷状态和停机状态。多机组模型中，需考虑每台内燃机的负荷率与效率的关系，根据不同运行方式下每小时提高cchp系统的具体性能，对三种运行状态进行选择。常规cchp模型中仅有一台内燃机可在三种状态下切换，但主动冗余cchp模型和被动冗余cchp模型中多台内燃机均可在三个状态下切换，协同供能，不同的是，主动冗余cchp模型中需要作为冗余的内燃机一同参与供能，而热备冗余模型和冷备冗余模型中的冗余设备仅在系统发生故障时工作。多机组模型的运行策略的具体流程如图3所示。
[0134]
本实施例中，步骤四中所述目标函数包括年度总成本节约率、一次节能率和二氧化碳减排率，所述系统变量包括各子系统的设备配置数量。
[0135]
本实施例中，所述年度总成本节约率atcr为：
[0136][0137]
式中，atc
sp
表示sp系统的年度总成本，atc
cchp
表示cchp系统的年度总成本；
[0138]
具体实施时，sp(separate production)系统指的是由电制冷机、锅炉、换热设备组成的传统分供系统，区别于cchp系统的冷热电三联供模式。
[0139]
atc
sp
＝c
inv
+c
om
+c
eg
[0140]
式中，c
inv
表示年度投资成本，且c
om
表示设备运维成本，c
eg
表示能源成本；
[0141]
式中，i表示年利率，m表示系统寿命，ci表示设备i的单位容量投资成本，ni表示设备i的正常运行设备台数，xi表示设备i的冗余设备台数，ni表示设备i的容量；
[0142]
具体实施时，系统寿命设定为20年。
[0143]
所述一次节能率pesr为：
[0144][0145]
式中，pec
sp
表示sp系统的二氧化碳排放量，pec
cchp
表示cchp系统的二氧化碳排放量，且
[0146][0147]
式中，μe表示发电对应的碳转化因数，f
pgu
表示原动机的天然气消耗量，fb表示辅助锅炉补燃的天然气消耗量，f
inc，i
表示系统故障时额外的气能源需求，μg表示天然气对应的碳转化因数，e
gridin
表示来自外部公共电网的购电量，e
inc，i
表示系统故障时额外的电能源需求。
[0148]
本实施例中，所述cchp系统模型的综合性能函数表示为：
[0149]
ip＝ω1atcr+ω2pesr+ω3cder
[0150]
式中，ip表示cchp系统模型的综合性能函数，ω1表示年度总成本节约率的权重系数，ω2表示一次节能率的权重系数，ω3表示二氧化碳减排率的权重系数。
[0151]
具体实施时，ω1、ω2和ω3的取值均为1/3。
[0152]
为了本发明的效果，采用matlab数值仿真对本发明所提出的数学模型进行验证，设置的仿真参数如下：
[0153]
表1 sp系统与cchp系统设备运行参数
[0154][0155]
表2设备的单位和平均维修成本
[0156][0157]
表3可靠性参数
[0158][0159]
对北京两栋商业建筑作为案例进行优化，办公楼与酒店的冷热电负荷如图4所示，cchp系统设备配置数量优化结果与配置容量和电制冷比优化结果如下：
[0160]
表4 cchp系统设备配置数量优化结果
[0161][0162]
表5 cchp系统配置容量和电制冷比优化结果
[0163]
[0164]
各系统在不同建筑物的优化结果如图5所示，为了方便后续比较分析，分别用系统i、系统ii、系统iii和系统iv指代常规cchp系统、主动冗余cchp系统、热备用cchp系统和冷备用cchp系统，对于四种cchp系统，酒店的综合性能均优于办公楼；对于办公楼建筑，系统ii的经济性最好，其atcs可达16.12％；系统iv则环境与能源指标表现优于其他系统，且该系统综合性能表现最优，其cder、pesr和ip分别为37.56％、23.47％和25.38％；店建筑的数据展现出与办公楼相似的结果，系统ii依然经济表现最好，其atcs数值高达19.53％。此时系统iv的cder、pesr和ip分别为37.30％、22.85％和26.36％，明显高于系统i、ii；同为被动冗余方式，系统iii在cder、pesr指标上也有较好的表现，与系统iv仅相差0.94％、0.66％。
[0165]
另外，从图5可以看出，冗余cchp系统均能够有效降低二氧化碳排放量。这一点在办公楼中表现尤为明显，采用冷备用冗余方式的系统iv在cder指标方面比非冗余设计下的系统多优化了10.7％，虽运行方式和机组具体配置有较大差别，但系统iii与系统iv最终二氧化碳减排指标具体数值近似。无论是在办公楼还是酒店，系统ii的二氧化碳排放量都低于系统i但高于系统iii和系统iv，这是因为主动冗余情况下内燃机组更多的处于多机组低负载并行情况，而低负载率下整体机组呈现较低的效率，导致了较高的能源消耗与二氧化碳排放。
[0166]
各系统在不同时间运行一天的可靠性表现结果如图6所示，从图6可以看出，不同系统的可靠性呈单调下降趋势，系统ii、系统iii、系统iv的运行可靠性始终高于未采取冗余设计的系统i，且随着时间推移，系统i的可靠性与其他系统的可靠性差距愈加明显；无论酒店还是办公楼建筑，系统iii的可靠性均最高，办公楼建筑中系统iv高于系统ii，酒店建筑中系统ii的可靠性表现稍高于系统iv；不同冗余cchp系统之间的可靠性并未存在较大差异，但均明显高于系统i。因此，将冗余策略应用于cchp系统可以有效地提高系统日常运行的可靠性。
[0167]
各系统的一次能源消耗结果如图7所示，相对于无冗余设计的cchp系统，冗余策略下的三个系统一年都消耗了更多的天然气，但均表现出更低的年购电量，原因是当电需求较高的时候，采取冗余设计的系统中发电子系统往往比常规系统下有更大的工作容量，消耗更多的天然气提高能源供应量，能够进一步满足电需求从而降低购电量。电负荷较低时期，冗余系统可以灵活选择运行的设备数量，以确保内燃机组的可靠运行，减少机组停机时间。值得注意的是，仅系统ii出现了将多余的电量反馈回电网的情况，同时该系统下非故障购电量也是最多的，这是因为系统ii采取主动冗余策略，冗余组件在未发生故障的情况也投入运行并以相同负载率运行。考虑发电单元的负荷率与发电效率之间的非线性关系，优化配置的过程中会避免长时间处于多机组低负载的情况。系统ii中每台内燃机额定容量配置普遍较小，如在办公楼中相比其他系统最低，仅为174.84kw。在酒店中，系统ii内燃机设备总台数比系统iv少两台，但额定容量只相差2.7kw，且均明显低于其他两个系统。系统ii中内燃机消耗的天然气最多，因负荷率及效率较低时，系统倾向于使机组处于额定工作状态并向电网售出过剩电量的配置策略，这增加了天然气的消耗和反馈电网的电量，导致了系统ii不同于其他系统的表现。此外，当系统ii、系统iii和系统iv发生故障时，额外的天然气消耗和购电电量远远低于系统i，体现了冗余设计在降低故障附加能源消耗方面的优越性。
[0168]
各系统在两栋不同类型建筑的经济成本对比结果如图8所示，从图8可以看出，相
较于系统i，采取冗余设计的三个系统均有更高的初始投资和计划维护成本以及更低的故障维护成本和故障停机成本，冗余设计cchp系统总体上增加了各子系统中的设备输入数量和总额定容量，这导致了更高的系统初始投资成本，因冷备用方式下冗余设备在非故障情况下处于停机状态，完全不参与系统正常工作的特性，系统iv中各子系统往往倾向于配置更多的设备数量，导致该系统下的初始投资成本最高，在酒店高达123793.7$，在办公楼中也高达110890$。就系统故障维护成本和停机成本而言，冗余cchp系统也具有显著优势，且系统iv的维护成本最低。总的来说，较高的故障维护成本和停机成本导致了传统cchp系统在经济性能方面的劣势。
[0169]
综上，本发明所提出的cchp冗余设计方法有较强的实用性，为现实cchp系统运行故障难以避免的问题提供了一种解决思路，两阶段优化运行策略可以实时优化并机设备的投入数量与运行方式，给予了同时刻不同机组以不同运行方式协同出力供能的可能，给予系统性能进一步优化的。冗余策略的运用能有效降低故障维护成本与停机成本，又让系统的可靠性得到明显提高，保障了系统运行的稳定性。
[0170]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

技术特征：
1.一种考虑设备运行故障的cchp系统冗余设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、建立cchp系统模型；步骤二、建立所述cchp系统模型对应的多机组模型，并进行可靠性分析；步骤三、设计所述多机组模型的运行策略；步骤四、设置目标函数、系统变量和约束条件，采用pso算法进行求解。2.按照权利要求1所述的一种考虑设备运行故障的cchp系统冗余设计方法，其特征在于，步骤一中所述cchp系统模型包括原动机供电子系统、吸收式制冷机子系统、电制冷机子系统、辅助锅炉子系统和热交换器子系统，所述原动机供电子系统包括余热回收装置。3.按照权利要求2所述的一种考虑设备运行故障的cchp系统冗余设计方法，其特征在于，步骤二中所述多机组模型包括常规cchp模型、主动冗余cchp模型和被动冗余cchp模型，所述被动冗余cchp模型包括热备冗余模型和冷备冗余模型。4.按照权利要求3所述的一种考虑设备运行故障的cchp系统冗余设计方法，其特征在于，所述常规cchp模型中的每个子系统只选取一台设备，对于常规cchp模型的设备i，其故障概率密度函数f
i
(t)服从指数分布：式中，λ
i
表示设备i的故障率；设备i的可靠度函数为：设备i的故障率为：设备i的故障概率为：式中，μ
i
表示设备i的修复率；当原动机供电子系统难以满足电负荷需求时，不足的电量由外部公共电网购电补充；原动机供电可靠性为：式中，λ
pgu
表示原动机的故障率；外部公共电网供电的可靠性为：式中，λ
grid
表示电网的故障率；供电可靠性为：r
e
(t)＝r
grid
(t)r
gas
(t)r
pgu
(t)；式中，r
gas
(t)表示城市天然气供气可靠性；所述常规cchp模型中，冷负荷由吸收式制冷机和电制冷机共同提供，所述电制冷机的电量由原动机和外部公共电网提供，因此电制冷机制冷可靠性为：r
c1
(t)＝r
grid
(t)r
gas
(t)r
pgu
(t)r
ec
(t)；式中，r
ec
(t)表示电制冷机的设备可靠性；输入吸收式制冷机的热量一方面来自于内燃机的余热回收，另一方面来自于辅助锅炉补燃的热量，因此吸收式制冷机可靠性为：r
c2
(t)＝r
gas
(t)r
pgu
(t)r
b
(t)r
ac
(t)；式中，r
b
(t)表示辅助锅炉的设备可靠性，r
ac
(t)表示吸收式制冷机的设备可靠性；常规cchp模型的制冷可靠性为：r
c
(t)＝r
c1
(t)r
c2
(t)；
所述常规cchp模型中，供热主要来自原动机的余热回收，当热负荷需求较大时，供热需要辅助锅炉通过燃烧天然气进行补燃，因此常规cchp模型的制冷可靠性为：r
h
(t)＝r
gas
(t)r
pgu
(t)r
b
(t)r
he
(t)；式中，r
he
(t)表示换热器的设备可靠性；所述常规cchp模型的整体供能可靠性为：r
sys
(t)＝r
grid
(t)r
gas
(t)r
pgu
(t)r
ec
(t)r
ac
(t)r
he
(t)r
b
(t)。5.按照权利要求4所述的一种考虑设备运行故障的cchp系统冗余设计方法，其特征在于，所述主动冗余cchp模型中，子系统i
a
的可靠性为：式中，表示正常运行设备的数量，表示冗余设备的数量，表示设备i的可靠性，j为中间变量；所述主动冗余cchp模型的整体可靠性为：6.按照权利要求5所述的一种考虑设备运行故障的cchp系统冗余设计方法，其特征在于，所述冷备冗余模型中，子系统i
s
的可靠性为：式中，p
i
(t)表示冗余切换可靠性，表示不发生故障的可靠性，n
is
表示设备i正常运行数量，λ
is
表示设备i的故障率，表示运行发生j阶故障的可靠性，x
is
表示设备i的冗余数量，表示设备i的可靠性，表示设备i的j个故障次数之和的概率密度函数，t和u均为中间变量；对于失效过程，采用泊松分布进行模拟：所述冷备冗余模型的整体可靠性为：7.按照权利要求6所述的一种考虑设备运行故障的cchp系统冗余设计方法，其特征在于，步骤三中所述多机组模型的运行策略包括每小时系统综合性能优化阶段和年系统综合性能优化阶段，首先，选择系统的冗余策略以及进行相关变量初始化步骤；其次，在每小时系统综合性能优化阶段对系统每小时综合性能进行优化，确定原动机在单位时间的出力情况；然后，在年系统综合性能优化阶段确定变量的取值，所述变量包括设备配置的容量、投入运行数量和电制冷比例；当系统不满足结束条件时重复上述过程，直到满足结束条件再输出结果。8.按照权利要求7所述的一种考虑设备运行故障的cchp系统冗余设计方法，其特征在于，步骤四中所述目标函数包括年度总成本节约率、一次节能率和二氧化碳减排率，所述系统变量包括各子系统的设备配置数量。9.按照权利要求8所述的一种考虑设备运行故障的cchp系统冗余设计方法，其特征在
于，所述年度总成本节约率atcr为：式中，atc
sp
表示sp系统的年度总成本，atc
cchp
表示cchp系统的年度总成本；atc
sp
＝c
inv
+c
om
+c
eg
式中，c
inv
表示年度投资成本，且c
om
表示设备运维成本，c
eg
表示能源成本；式中，i表示年利率，m表示系统寿命，c
i
表示设备i的单位容量投资成本，n
i
表示设备i的正常运行设备台数，x
i
表示设备i的冗余设备台数，n
i
表示设备i的容量；所述一次节能率pesr为：式中，pec
sp
表示sp系统的二氧化碳排放量，pec
cchp
表示cchp系统的二氧化碳排放量，且式中，μ
e
表示发电对应的碳转化因数，f
pgu
表示原动机的天然气消耗量，f
b
表示辅助锅炉补燃的天然气消耗量，f
inc，i
表示系统故障时额外的气能源需求，μ
g
表示天然气对应的碳转化因数，e
gridin
表示来自外部公共电网的购电量，e
inc,i
表示系统故障时额外的电能源需求。10.按照权利要求9所述的一种考虑设备运行故障的cchp系统冗余设计方法，其特征在于，所述cchp系统模型的综合性能函数表示为：ip＝ω1atcr+ω2pesr+ω3cder式中，ip表示cchp系统模型的综合性能函数，ω1表示年度总成本节约率的权重系数，ω2表示一次节能率的权重系数，ω3表示二氧化碳减排率的权重系数。

技术总结
本发明公开了一种考虑设备运行故障的CCHP系统冗余设计方法，包括步骤一、建立CCHP系统模型；二、建立CCHP系统模型对应的多机组模型，并进行可靠性分析；三、设计多机组模型的运行策略；四、设置目标函数、系统变量和约束条件，采用PSO算法进行求解。本发明方法步骤简单，设计合理，实现方便，能够有效应用在CCHP系统中，冗余设计充分考虑了设备的故障并对性能影响的情况进行了模拟，将本发明运用在冷热电联供的系统配置中，能够有效提升系统的可靠性及经济、能源和环境指标，使用效果好，便于推广使用。使用。使用。


技术研发人员：梅凌昊 杨晓辉 杨芃 胡泽成 王小龙 吴迟绿
受保护的技术使用者：南昌大学
技术研发日：2023.07.26
技术公布日：2023/10/15