بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
تعيين نقطه کاري بهينه در سيستم توليد همزمان انرژي الکتريکي و گرمايي به همراه مخزن ذخيره گرمايي با استفاده از الگوريتم ژنتيک
چکيده : در سالهاي اخير، سيستم هاي توليد همزمان جهت افزايش کارآيي و استفاده بهينه از منابع انرژي براي توليد انرژي الکتريکي و انرژي گرمايي مورد توجه قرار گرفته اند. با استفاده از سيستم هاي توليد همزمان انرژي الکتريکي و گرمايي دستيابي به بازده بالاي %٧٠ ميسر ميگردد و بر اساس نرخهاي واقعي و بدون سوبسيد حاملهاي انرژي ، بهره برداري از اين سيستم ها منافع بخش هاي عرضه و تقاضا را تامين ميکند. در ايران که به علت مزيت نسبي ، سوبسيدهاي متفاوتي به حاملهاي انرژي تعلق ميگيرد، دستيابي به پتانسيل هاي بالقوه اين سيستم ها مستلزم مدل سازي ، انتخاب و ترکيب مناسب اجزاي سيستم توليد همزمان و نيز بهره برداري خردمندانه از آنها ميباشد. تغييرات در بارهاي الکتريکي و گرمايي و تعرفه هاي انرژي الکتريکي در ساعات مختلف شبانه روز، تعيين نقطه کار بهينه سيستم هاي توليد همزمان را دشوار ميسازد. تحقيقات انجام شده در اين زمينه بيشتر معطوف به سيستم هاي فاقد مخزن ذخيره سازي انرژي گرمايي است و هزينه هاي راه اندازي و خروج سيستم نيز در نظر گرفته نشده است . لذا در اين مطالعه ،نقطه کار بهينه يک سيستم متشکل از چندين واحد مستقل ، با قابليت خريد و فروش انرژي الکتريکي ،مبتني بر مصرف سوختهاي متنوع و بهره برداري از مخزن ذخيره انرژي گرمايي با استفاده از الگوريتم ژنتيک تعيين گرديده و صحت مدلسازي در مقايسه با ديگر مراجع نيز انجام گرفته است . نتايج شبيه سازي نشان ميدهد که در فصول معتدل و فصل تابستان ، سيستم توليد همزمان در طي ساعات ١٣- ٢٢ به علت نرخ بالاي انرژي الکتريکي شبکه تمامي نيازهاي الکتريکي و حرارتي را برآورده مي سازد و در پايان ٢٤ ساعت ، هزينه کل سيستم توليد همزمان براي تقريبا تمامي فصول ٥٠ درصد کمتر از سيستم توليد متعارف است .
همچنين نشان داده شده است که استفاده از چيلر جذبي نسبت بار الکتريکي و گرمايي متعادل تر شده و کارآيي سيستم توليد همزمان در مقايسه با حالت قبل افزايش يافته و اتلاف انرژي گرمايي نيز کاهش پيدا کرده است .
کلمات کليدي : سيستم هاي توليد همزمان، بهينه سازي عملکرد سيستم ، الگوريتم ژنتيک ، ذخيره سازي انرژي
١- مقدمه
کارآيي سيستمهاي توليد همزمان و برتري نسبي آنها نسبت به سيستمهاي توليد مجزا، وابسته به نقطه کار سيستم و ميزان استفاده از انرژي الکتريکي و گرمايي در يک ترکيب بهينه مي باشد. مشخصات فني سيستم توليد همزمان ، منحني هاي بار الکتريکي و گرمايي ، دسترسي به شبکه توزيع انرژي الکتريکي، دسترسي به منابع ديگر انرژي گرمايي (بويلرهاي کمکي ، سيستم هاي گرمايش شهري ) و هزينه هاي مربوط به تامين انرژي از هر کدام از اين منابع درتعيين نقطه کار تاثير دارند. همانطور که در شکل (١) مشاهده مي شود در حالت کلي، سيستم توليد همزمان قابليت اتصال به شبکه توزيع انرژي الکتريکي و مبادله با آن را دارا ميباشد. در اين حالت کمبود انرژي الکتريکي از شبکه خريداري ميشود و يا مازاد آن به شبکه فروخته خواهد شد. در اين حالت نقطه کار سيستم ميتواند بين نقطه مينيمم تا ماکزيمم توان نوسان داشته باشد. انرژي گرمايي مورد نياز هم از طريق بويلر کمکي و سيستم توليد همزمان تامين مي شود. در اين حالت توان الکتريکي توليدي سيستم بر اساس به حداقل رساندن هزينه هاي تامين انرژي الکتريکي و گرمايي و نيز ميزان آلايندگي زيست محيطي سيستم تعيين ميگردد. يکي از نکات حائز اهميت در بهره برداري از سيستم هاي توليد همزمان تعيين نقطه کار بهينه سيستم با توجه به شرايط کاري سيستم است که در مقالات متعدد مورد بررسي قرار گرفته است . در مرجع [١] نقطه کار بهينه يک سيستم توليد همزمان با محرکه اوليه توربين بخار با استفاده از برنامه ريزي تکميلي تعيين شده است . از آنجا که زمان راه اندازي و خروج توربين بخار از سيستم طولاني است ، در اين مرجع هزينه هاي راه اندازي سيستم در بهينه سازي درنظر گرفته نشده است و فرض شده است که سيستم همواره به شبکه متصل مي باشد. در مرجع [٢] نيز با استفاده از برنامه ريزي تکميلي نقطه کار بهينه سيستم توليد همزمان تعيين شده است . در آن مطالعه علاوه بر هزينه توليد به ميزان آلايندگي زيست محيطي سيستم توليد همزمان نيز توجه شده است و الگوريتمي جهت تعيين نقطه کار بهينه سيستم ارائه نموده است . در مرجع [٣] نحوه مدلسازي رياضي سيستم توليد همزمان به منظور تعيين نقطه کار بهينه سيستم مورد بررسي قرار گرفته است ، ولي روشي براي تعيين نقطه کار بهينه ارائه نشده است . مرجع [٤] با استفاده از برنامه ريزي خطي مختلط روشي براي بهينه سازي عملکرد سيستم توليد همزمان با فرض ثابت بودن بازده مکانيکي محرکه اوليه در طولاني مدت ارائه نموده است . در مرجع [٥] يک سيستم توليد همزمان با قابليت ذخيره سازي انرژي گرمايي مورد بررسي قرار گرفته و ميزان انرژي الکتريکي توليدي اين سيستم توسط بهره بردار شبکه تعيين ميشود. در آن تحقيق نحوه توزيع تقاضاي انرژي الکتريکي بين ژنراتورهاي مختلف به منظور کاهش هزينه نهايي توليد مورد بررسي قرار گرفته است .
در مراجع [٦] و [٧] تاثير قابليت ذخيره سازي انرژي گرمايي بر عملکرد و ميزان آلايندگي زيست محيطي سيستم توليد همزمان بررسي گرديده است .
فعاليتهاي انجام شده در بحث مربوط به تعيين نقطه کار بهينه ، بيشتر معطوف به سيستم هاي فاقد مخزن ذخيره سازي انرژي گرمايي است و هزينه هاي راه اندازي و خروج سيستم نيز در نظر گرفته نشده است . در اين مطالعه ، براي يک سيستم با قابليت خريد و فروش انرژي الکتريکي، مصرف سوختهاي متنوع ، مخزن ذخيره انرژي گرمايي و با در نظر گرفتن بازده سيستم به صورت يک تابع وابسته به نقطه کار و هزينه هاي مربوط به راه اندازي و خروج سيستم از شبکه نقطه کار بهينه سيستم تعيين شده است .
در مورد سيستم هاي توليد همزمان با مخزن ذخيره انرژي گرمايي ، نکته حائز اهميت نحوه عملکرد بويلر کمکي مي باشد[٨]. در اين مطالعه فرض شده است که بويلر کمکي با توان ثابت کار مي کند.
کاهش دماي سيال مخزن باعث روشن شدن بويلر کمکي خواهد شد.
خاموش و روشن شدن بويلر کمکي ، سيستم ذخيره سازي انرژي گرمايي ، و نيز خاموش و روشن شدن هر واحد از سيستم هاي توليد همزمان ، تابع هزينه تامين انرژي را به تابعي گسسته ، غيرخطي و مشتق ناپذير تبديل ميکند. با در نظر گرفتن اين شرايط براي تعيين نقطه کار بهينه سيستم توليد همزمان از الگوريتم ژنتيک استفاده شده است .
٢- مدلسازي عملکرد و تعيين نقطه کار بهينه
در اين مطالعه ، تابع هدف بر اساس به حداکثر رساندن درآمد و يا به حداقل رساندن هزينه هاي سيستم توليد همزمان با توجه به قابليت مبادله انرژي الکتريکي با شبکه و امکان ذخيره و بازيابي انرژي گرمايي در مخزن تعريف شده است .
تابع هدف شامل دو قسمت درآمد و هزينه ميباشد.
درآمد حاصل از فروش انرژي الکتريکي به شبکه :
در اين مطالعه فرض شده است سيستم توليد همزمان داراي چندين ( U )واحد مستقل است و هر واحد قابليت مصرف سوخت هاي متنوع مانند گاز طبيعي ، نفت کوره ، گازوئيل و... را دارد.
هزينه ها شامل هزينه سوخت واحدهاي سيستم توليد همزمان وهزينه انرژي الکتريکي خريداري شده از شبکه ميباشد.
هزينه سوخت واحدهاي توليد همزمان :
هزينه انرژي الکتريکي خريداري شده :
هزينه سوخت بويلرکمکي:
هزينه خاموش وروشن شدن هر واحد سيستم توليد همزمان :
نهايتا تابع هدف که متشکل از تمامي درآمدها و هزينه ها است به صورت زير مطرح ميگردد.
٢-١- قيود حاکم بر سيستم
٢-١-١ شرط تامين کامل بارهاي الکتريکي و گرمايي
از آنجا که تمام انرژي الکتريکي و گرمايي مورد نياز بايد تامين شود.
قيد مربوطه به صورت زير مطرح ميشود.
٢-١-٢ محدوديت توان توليدي
توان الکتريکي و گرمايي توليدي بوسيله سيستم توليد همزمان داراي محدوديت ميباشد که به صورت قيود نامساوي در بهينه سازي لحاظ ميشوند.
بازده کاري سيستم توليد همزمان علاوه بر نامساوي فوق شامل صفر نيز ميباشد که نمايانگر خروج سيستم از شبکه مصرف مي باشد. با ورود و خروج سيستم هزينه راه اندازي و خروج سيستم نيز در تابع هدف لحاظ خواهد شد.
٢-١-٣ محدوديت هاي مخزن سيال
مخزن سيال گرم داراي محدوديت دما و فشار ميباشد. اگر سيال به صورت مايع باشد، دماي سيال همواره بايد در بازه مشخصي قرار داشته باشد. در صورتي که سيال به صورت بخار باشد علاوه بر دما، فشار بخار نيز به صورت يک عامل محدود کننده مطرح خواهد بود.
در صورت کاهش دماي مخزن از مقدار مينيمم TT,min، بويلر کمکي روشن شده و دماي مخزن را تا مقدار مشخصي TT,b افزايش ميدهد و سپس خاموش ميشود. در صورتيکه دماي مخزن از مقدار ماکزيمم بيشتر شود، بازيافت حرارت از مبدل متوقف شده و گازهاي خروجي مستقيما وارد محيط ميشوند.
٢-٢- پياده سازي الگوريتم
در ادامه به پياده سازي مراحل مختلف الگوريتم ژنتيک ، جهت تعيين نقطه کار بهينه سيستم توليد همزمان پرداخته ميشود. همانطوريکه در مقدمه اشاره گرديد، تابع هزينه تامين انرژي گسسته ، غير خطي و مشتق ناپذير مي باشد و با توجه به ويژگيهاي خاص الگوريتم ژنتيک که در ذيل به آنها اشاره شده است از الگوريتم ژنتيک استفاده ميشود.
به صورت کلي برنامه نويسي و پياده سازي بهينه سازي نسبتا ساده تر است وبا به کارگيري روشهاي مختلف کدگذاري کروموزوم ها در آن ميتوان مسئله را محدودتر نمود. اين الگوريتم از سرعت همگرايي نسبتا مناسب ، محاسبات جانبي کمتر، توانايي مناسب در پيدا کردن بهينه مطلق برخوردار است و با محدود کردن نسل اوليه ميتوان نقاط بهينه محلي را نيز پيدا کرد.
٢-٢-١ کد گذاري
اولين مرحله در الگوريتم ژنتيک کدگذاري فضاي جستجوي ميباشد.
بازه کاري هر يک از واحدهاي سيستم هاي توليد همزمان فضاي جستجو را تشکيل ميدهند. بدين ترتيب که هر کروموزم حاوي اطلاعات مربوط به توان توليدي هر واحد سيستم توليد همزمان است .
کد کردن فضاي جستجو بر اساس رابطه زير انجام شده است .
که N تعداد ژنهاي هر کروموزوم ميباشد. بازه بين مقدار مينيمم و ماکزيمم توان توليدي هر واحد، به قسمت تقسيم ميشود. بر اساس رابطه فوق توان توليدي به صورت روابط زير کد و ديکد ميشود.
که ni، به نزديکترين عدد صحيح گرد مي شود در اين صورت تغييرات توان توليدي هر واحد به صورت پله اي با طول يک Step
ميباشد. مقدار باينري ni به عنوان مقادير کروموزم ها در نظر گرفته شده است . مزيت روش مذکور اين است که نسل هاي جديد همواره در بازه تواني مجاز هر ژنراتور باقي ميماند و نيازي به اصلاح نسل جديد نيست . تنها استثنا در کد کردن ، توان صفر (خاموش بودن يک سيستم ) است که به صورت يک کروموزوم با مقادير صفر مدل ميشود.
٢-٢-٢ محاسبه تابع برازندگي
از آنجا که در الگوريتم ژنتيک کروموزومهاي برگزيده بايستي داراي برازندگي بالايي باشند، از اين رو ميزان برازندگي به صورت عکس تابع هدف در نظر گرفته مي شود. چون مقادير تابع هدف ميتوانند مثبت يا منفي باشند، از عدد M کسر مي شوند تا حاصل همواره مثبت باشد.
در بعضي از موارد به خصوص در سيستم هايي که داراي واحدهاي مشابه هستند، ممکن است کار در بهينه مطلق مستلزم تغييرات زيادي در توان توليدي هر کدام از واحدها باشد. براي مثال تغييرات توان هر واحد در سيستم که داراي دو واحد توليد است مي تواند به صورت زير تغيير کند.
براي چنين سيستمي براي کار در بهينه مطلق لازم است توان واحد اول ازMW ٣ به MW1.5کاهش يافته و توان واحد دوم از MW٢ تا MW٣٧ افزايش پيدا کند. ميتوان با محدود کردن فضاي جستجو در همسايگي نقطه کار اول، بهينه محلي را براي بار جديد پيدا کرد.
در صورتيکه اختلاف هزينه بين دو نقطه ، ناچيز باشد مي توان نقطه بهينه محلي را به عنوان نقطه کار جديد انتخاب نمود.
تغييرات توان توليدي هر واحد را نيز ميتوان به صورت يک ضريب جريمه در محاسبات برازندگي لحاظ کرد.
k ضريب ثابت و به ترتيب ، توان توليدي واحد i ام و توان الکتريکي موردنياز است . در اين صورت تابع برازندگي به صورت زير تغيير پيدا ميکند.
در اين حالت ، نقاط کار نزديک به نقطه کار فعلي براي انتخاب شدن در اولويت خواهند بود.
٢-٢-٣ محاسبه تابع هدف
در هر نسل پس از رمزگشايي کروموزوم ها، مقدار تابع هدف مشخص شده و به تبع آن مقدار برازندگي براي هر کرموزوم محاسبه مي شود.
بعد از اعمال عملگرهاي ژنتيکي بر نسل فعلي نسل جديد توليد خواهد شد. در اينجا براي توقف الگوريتم از دو روش فعال و غيرفعال کمک گرفته شده است .
٣- بررسي صحت مدل
به منظور بررسي صحت مدل، نتايج حاصل از مدلسازي انجام شده اين مطالعه با نتايج مرجع [٣] جهت مقايسه در شکل (٢)آورده شده است . تفاوت بين نتايج ، ناشي از استخراج اطلاعات مرجع [٣] از روي نمودار است . همچنين در اين مرجع توان گرمايي توليدي سيستم توليد همزمان به صورت يک بازه در نظر گرفته شده است . در حاليکه در اين مطالعه توان گرمايي سيستم به صورت يک تابع با مقدار مشخص در نظر گرفته شده است .
٤- مورد مطالعاتي
در پيوست (١) اطلاعات مربوط به يک سيستم توليد همزمان داده شده است . با روش فوق ، نقطه کار بهينه اين سيستم ، در ساعات مختلف تعيين گرديده است . ميزان انرژي الکتريکي و گرمايي موردنياز و ميزان توليد انرژي الکتريکي و گرمايي سيستم توليد همزمان براي بار مصرفي در فصول معتدل و گرم سال در شکلهاي (١٢)-(٤) نشان داده شده است .
در فصول معتدل به دليل متعادل بودن ميزان انرژي الکتريکي و گرمايي ، انرژي گرمايي حاصل از سيستم توليد همزمان به جزء در زمانهاي اوج بار مازاد بر نياز توليد نمي گردد. همانطوريکه در شکلهاي (٤) و (٥) مشاهده مي گردد، در فصول معتدل، در طي ساعات اوليه (١-٦) سيستم همزمان خاموش مي باشد و توليد انرژي الکتريکي و گرمايي برابر صفراست . از ساعت ٧ تا ساعت ١٣ سيستم توليد همزمان بيش از نيمي از بارهاي الکتريکي و گرمايي را تامين نموده و از آن به بعد تا ساعت ٢٢ به علت نرخ بالاي انرژي الکتريکي شبکه تمامي بار الکتريکي و به صورت همزمان تمامي بار حرارتي را تامين مي کند. در شکل (٦) مشاهده مي شود که در پايان ٢٤ ساعت ، هزينه کل سيستم توليد همزمان تقريبا ٥٠ درصد کمتر از سيستم توليد متعارف است .
