木薯乙醇-汽油混合燃料生命周期能源消耗多目標優(yōu)化研究

第22卷(2004)第4期內燃機學(xué)報Vol.22(2004)No.4Transactions of cSICe文章編號:1000-0909(2004)04-0351-0622-054木薯乙醇一汽油混合燃料生命周期能源消耗多目標優(yōu)化研究¨胡志遠,浦耿強,王成燾(上海交通大學(xué)機械與動(dòng)力工程學(xué)院,上海200030)摘要:建立了木薯乙醇—汽油混合燃料生命周期能源消耗單目標和多目標優(yōu)化模型。以生命周期總體能源消耗、化石燃料消耗和石油消耗為優(yōu)化目標,對木薯乙醇—汽油混合燃料生命周期能源消耗進(jìn)行了單目標及多目標優(yōu)化,并進(jìn)行了靈敏度分析。結果表明:多目標優(yōu)化能使木薯乙醇一汽油混合燃料的命周期總體能源、化石燃料和石油消耗同時(shí)降低,可以為木著(zhù)乙醇—汽油混合燃料旳應用提供決策依據,具有重要的應用價(jià)值關(guān)鍵詞:發(fā)動(dòng)期能源;多目標優(yōu)化;木薯乙醇;汽油;混合燃料中圖分類(lèi)號:TK411.71文獻標識碼:AMulti-Objectives Optimization on Life Cycle Energy Consumptionof Cassava Based ethanol blended gasoline fuelsHU Zhi-yuan, PU Geng-qiang WANG Cheng-ta(School of Mechanical and Power Engineering Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200030, ChinaAbstract: An optimization model on life cycle energy consumption of cassava-based ethanol blended gaso-ine fuels, including single and multi-objectives, was given in this paper. The single and multi-objectivesoptimization of cassava-based ethanol blended gasoline fuels were conducted and the life cycle total ener-gy, the fossil fuels, and the petroleum consumption were used as the objectives. The optimized resultshowed that the multi-objective optimization could reduce the life cycle total energy, the fossil fuels andthe petroleum consumption together. Therefore, the calculation could supply the important references fodecision-making on implementing cassava-based ethanol blended gasoline fuels. It would have great prac-Keywords: Engine; Life cycle energy; Multi-objectives optimization; Cassava-based ethanol; GasolineBlended fuels引言統計資料顯示,近10年來(lái)中國原油消費量以年均5.77%的速度增加,而同期國內原油供應增長(cháng)速度僅為1.67%,國內石油產(chǎn)量已難以滿(mǎn)足消費量需要。預計到2020年,我國的原油需求量將達到3.66億噸,供求缺口為1.8億噸,石油自給率僅為60中國煤化有量為1800萬(wàn)輛,隨著(zhù)我國經(jīng)濟的發(fā)展汽車(chē)保有量將繼續增加。國務(wù)院發(fā)CNMH所有關(guān)負責人預測,10年后中國汽車(chē)保有量將達到1億輛。因此,由汽車(chē)導致的晶里增加行個(gè)谷忽視。收稿日期:2003-1008;修訂日期:200401-10然科學(xué)基金資助項目(50175070)作者(1970-),男,博土研究生,主要研究方向為綠色設計及生命周期評價(jià)352內燃機學(xué)報第22卷第4期我國于2001年頒布了《變性燃料乙醇》和《車(chē)用乙醇汽油》兩個(gè)國家標準,實(shí)行在汽油中添加10%無(wú)水乙醇的政策,并在河南、吉林、黑龍江、安徽等省開(kāi)展使用車(chē)用乙醇汽油試點(diǎn)。預測在2005~2020年,廣西石油供需缺口約191~303萬(wàn)噸,急需替代資源。結合我國的燃料乙醇政策和西部大開(kāi)發(fā)戰略,廣西壯族自治區政府正進(jìn)行利用當地木薯資源生產(chǎn)燃料乙醇旳可行性研究。生命周期指產(chǎn)品從“搖籃”到“墳墓”的整個(gè)過(guò)程,包括原材料提取與加工;產(chǎn)品制造、運輸以及銷(xiāo)售;產(chǎn)品的使用、再利用和維護;廢物循環(huán)和最終廢物棄置等。從生命周期角度出發(fā),對木瞽乙醇一汽油混合燃料進(jìn)行能源消耗單目標及多目標優(yōu)化,優(yōu)化系統中各因素之間的相互關(guān)系,確定合理的木著(zhù)燃料乙醇推廣形式,在降低系統整體能源消耗旳同時(shí),降低化石燃料消耗,尤其是降低對石油資源的消耗。本文從生命周期角度出發(fā),利用多目標優(yōu)化方法,在各個(gè)單目標優(yōu)化計算結果的基礎上,對木薯乙醇汽油混合燃料進(jìn)行能源多目標優(yōu)化計算,并進(jìn)行靈敏度分析,為木薯乙醇的推廣應用提供決策依據數學(xué)模型木薯乙醇燃料的生命周期是從“木材料I木薯種植薯種植”到“乙醇燃燒/車(chē)輛使用”的系統干片加工過(guò)程。在“木薯種植”和“木薯乙醇生產(chǎn)材料l過(guò)程中,輸入材料和能源,把木薯生長(cháng)過(guò)運輸Ⅱ)(運輸Ⅲ材料I程中吸收的太陽(yáng)能轉化成木薯乙醇的化木薯乙醇生產(chǎn)能源學(xué)能。在“燃燒/車(chē)輛使用”過(guò)程,木薯乙(能源醇在發(fā)動(dòng)機氣缸中通過(guò)燃燒把化學(xué)能轉能源ll運輸運輸Ⅱ)(運輸Ⅲ換為工質(zhì)的熱能,再通過(guò)工質(zhì)的膨脹轉換為驅動(dòng)汽車(chē)行駛的機械能。三個(gè)過(guò)程(源匚燃燒車(chē)輛使用通過(guò)“運輸”聯(lián)系到一起。如圖1所示。1.1設計變量圖1生命周期框架以一輛百公里油耗為(混合Fig 1 Life cycle framework工況)的汽油車(chē)或玏能相當旳乙醇—汽油混合燃料汽車(chē)行駛20萬(wàn)公里為硏究對象,選擇“木薯種植”和木薯乙醇生產(chǎn)”過(guò)程中的材料和能源輸入、“燃燒/車(chē)輛使用”過(guò)程旳混合比例及各階段之間的運輸距離為設計變量,如表1所示,則設計變量為一列向量X,表1木乙醇一汽油混合燃料生命周期能源優(yōu)化設計變量Design variables for life cycle energy optimization of cassava-based ethanol blended gasoline fuels階段變量含義單位階段種類(lèi)變量含義單位氮肥材料磷肥kg/li運輸木獸干片(卡車(chē))消耗鉀肥kg/liter木薯干片(火車(chē))復合肥柴油重油liter/liter能源汽油消耗生中國煤化工CNMHG氣x8化肥(工廠(chǎng)到倉庫)kW·h/ literx化肥(倉庫到地頭)x2乙醇運輸(卡車(chē))輸輸農家肥乙醇運輸(火車(chē))木著(zhù)種莖燃燒/車(chē)輛使用x2比例2004年7月胡志遠等:木醫乙醇—汽油混合燃料生命周期能源消耗多目標優(yōu)化硏究·3532目標函數分別以木薯乙醇—汽油混合燃料旳生命周期整體能源消耗、化石燃料消耗和石油資源消耗為優(yōu)化目標,其單目標優(yōu)化目標函數分別為整體能源消耗(MJ/km)[(∑E1+∑xEn>x+∑xEn)x+(1-x)EmF+Emminf,(X100t ETo化石燃料消耗(MJ/km)(∑En+SEB∑x+∑Ey+(1-mEnF+Eminf2(X)+E(3)石油資源消耗(MJ/km)[(∑xEn+∑xEn∑+∑xE)x出+(1-x1)E]F++ EpoX∈R式中:Eτ;為第個(gè)設計變量的整體能源消耗系數;Eε為第ⅰ個(gè)設計變量的化石燃料消耗系數;E,為第i個(gè)設計變量的石油資源消耗系數;Eπ為汽油的整體能源消耗系數;Eκ為汽油的化石燃料消耗系數;E為汽油的石油資源消耗系數;Fε為木薯乙醇—汽油混合燃料汽車(chē)的百公里油耗;Eπ為加油過(guò)程整體能源消耗系數;Er為加油過(guò)程化石燃料消耗系數;￡κ為加油過(guò)程石油資源消耗系數;FcVFERLVG(F為汽油車(chē)燃油經(jīng)濟性;V為汽油熱值;Vε為乙醇熱值;R為汽車(chē)使用乙醇燃料熱效率提高百分比;Eω為木薯乙醇—汽油混合燃料車(chē)輛使用階段整體能源消耗,LVG (1-x22)+VEC22 FE100Eω為木薯乙醇—汽油混合燃料車(chē)輛使用階段化石燃料消耗,E1VGFG(1-22)Vo(7)E為木薯乙醇—汽油混合燃料車(chē)輛使用階段石油資源消耗EE綜合以上各單目標優(yōu)化目標函數,能源消耗多目標優(yōu)化目標函數為f(X)=[f1(X),f2(X),f3(X)](9)1.3約束條件木著(zhù)乙醇—汽油混合燃料生命周期能源多目標優(yōu)化旳約朿條件有材料消耗、能源消耗、運輸距離和乙醇在汽油中的混合比例。在種植階段,木薯推薦施肥比例為N:P2O3:KO=2:1:(2~3)。通過(guò)與廣西木薯種植專(zhuān)家交流,當每畝施2t農家肥、40k(氯化鉀)各20kg時(shí),鮮薯畝產(chǎn)可保持在2~3t。取2.TH中國煤化工粦肥(過(guò)磷酸鈣)、鉀肥CNMHG生產(chǎn)1L乙醇所需木薯由化肥提供的氮(N)、磷(P2O3)、鉀(K2O)分別為0.030kg、0.017kg和0.039kg,從而確定氮肥、磷肥、鉀肥和復合肥消耗約朿條件。根據木著(zhù)乙醇—汽油混合燃料玍命周期中木著(zhù)種植階段能源消耗情況,確定實(shí)際能源消耗(0.265MJ/ liter)和實(shí)際能源消耗的6%(0.212 MJ/liter)為能源消耗約束的上下限。在禾窖鞠程與乙醇生產(chǎn)之間的運輸階段,根據廣西具體情況,確定化肥從生產(chǎn)廠(chǎng)到倉庫的運輸距354內燃機學(xué)報第22卷第4期離為100km,化肥從倉庫到地頭、農家肥和鮮木薯的運輸距離均為2km、木薯種莖的運輸距離為4km由此分別確定化肥運輸距離之和,農家肥、木著(zhù)種莖和鮮木薯旳運輸距離之和為約束條件。根據廣西木薯種植情況和燃料乙醇生產(chǎn)廠(chǎng)的擬建廠(chǎng)位置,確定木薯干片運輸距離約束。在乙醇生產(chǎn)階段,根據木薯乙醇—汽油混合燃料生命周期中乙醇生產(chǎn)階段能源消耗情況,確定實(shí)際能源消耗(1.682MJ/ liter)和實(shí)際能源消耗的50%(5.841MJ/ liter)為能源消耗約束的上下限。在乙醇生產(chǎn)與燃燒/車(chē)輛使用階段之間的運輸階段,根據燃料乙醇生產(chǎn)廠(chǎng)的建廠(chǎng)位置確定燃料乙醇運輸距離約朿。在燃燒/車(chē)輛使用階段,限定乙醇在汽油中的混合比例在10%~85%之間。由此,確定約束條件如下0.42x1+0.09x4=0.0300.16x2+0.09x4=0.0170.6x3+0.09x=0.03935.817x5+32.194x6+3.6x7≥0.21235.817x+32.194x6+3.6x7≤0.265+x1+(10)x13+x149.512x15+39.022x16+35.817x17+34.574x18+3.6x19≥5.84119.512x15+39.022x16+35.817x1+34.574x18+3.6x19≤11.682x22≥0.1x;≥0(=1,2,A,21)1.4數據來(lái)源模型中的固定系數絕大部分通過(guò)在廣西實(shí)地收集獲得,并經(jīng)過(guò)誤差分析及檢驗;部分數據來(lái)自美國阿岡國家實(shí)驗室的 GREET模型數據庫。根據廣西具體情況,與國外水平相近的數據直接引用;與國外水平差別較大的數據根據與廣西相關(guān)專(zhuān)家交流確定的修正系數進(jìn)行修正后引用2優(yōu)化方法木薯乙醇—汽油混合燃料生命周期能源消耗多目標優(yōu)化為一多維設計變量,多約束條件旳非線(xiàn)性?xún)?yōu)化問(wèn)題,并且約束條件包括等式和不等式約束,選擇可變容差法進(jìn)行求解。處理多目標優(yōu)化問(wèn)題有很多方法,本文選擇最短距離理想點(diǎn)法將多目標優(yōu)化問(wèn)題轉化為單目標優(yōu)化問(wèn)題.并取單目標函數的最優(yōu)值作為多目標優(yōu)化中的理想點(diǎn)。設各單目標優(yōu)化計算的解為f,(X)=f;(X)則多目標優(yōu)化問(wèn)題為m(X)=√(X)-F(X)(12)可以證明,利用上述多目標優(yōu)化方法所得到的優(yōu)化結果為多目標優(yōu)化問(wèn)題的有效解。利用優(yōu)化計算方法對上述優(yōu)化目標進(jìn)行優(yōu)化計算.以合理配置系中國煤化及混合燃料推廣應用形式,同時(shí)降低系統的整體能源化石燃料和石油資源的消CNMHG3優(yōu)化結果及討論木薯乙醇—汽油混合燃料的生命周期能源消耗設計變量?jì)?yōu)化結果如表2所示。由表2可見(jiàn),對不同的優(yōu)化看標數漫計變量的優(yōu)化結果相差很大。因此,僅進(jìn)行單目標優(yōu)化計算將無(wú)法滿(mǎn)足優(yōu)化配置系統2004年7月胡志遠等:木醫乙醇—汽油混合燃料生命周期能源消耗多目標優(yōu)化硏究355的材料、能源輸λ和運輸等因素之間的相互關(guān)系,確定合理的木薯乙醇推廣應用形式,進(jìn)行合理決策的要求。進(jìn)行木薯乙醇—汽油混合燃料生命周期多目標優(yōu)化是必需的。表2單目標優(yōu)化和多目標設計變量?jì)?yōu)化結果Tab. 2 Optimization results of design variables for single and multi-objectives項目原始值整體化石能源燃料油多目標項目原始值整體化石優(yōu)化能源燃料石油多月標優(yōu)化0,0310.0370,0510.0660.0636,00.0750.0150.0520.0930.083x11.645.40.0610.059200.00,1000.1610,0960,0230,0410.5990,2990.2990.1670,2650.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0010.0000.0010.000.0000.0000,0000,0000.1490,011100.0101.6100.8101.0100.20.015350.0358,9375.5359,81.4與初始值比較,多目標優(yōu)化后,氮、磷、鉀肥使用量增加.復合肥使用量減少;木警種植過(guò)程的能源消耗基本保持不變;木薯種莖和鮮木薯的運輸距離減小,化肥的運輸距離基本不變,農家肥的運輸距離增加,木薯干片和木瞽乙醇趨向于用火車(chē)運輸,盡量減小卡車(chē)的運輸距離;乙醇生產(chǎn)中使用的煤減少,柴油和天然氣增加,不使用重油;乙醇—汽油的混合比例為85%。因此,建議在木薯種植過(guò)程中少使用復合肥;乙醇生產(chǎn)過(guò)程中使用煤、柴油和天然氣等燃料;乙醇生產(chǎn)廠(chǎng)靠近火車(chē)站等等木薯乙醇—汽油混合燃料生命周期能源消耗單目標和多目標優(yōu)化結果如表3所示。與各單目標優(yōu)化結果相比,多目標優(yōu)化結果中各項指標都有所增加。與原始值相比,生命周期整體能源消耗略有降低,化石燃料消耗和石油資源消耗分別降低65.6%和η9.2%。因此,多目標優(yōu)化能綜合降低木薯乙醇—汽油混合燃料生命周期能源消耗表3單目標優(yōu)化和多目標優(yōu)化結果Tab. 3 Single and multi-objective optimization results整體能源消耗化石燃料消耗石油資源消耗原始值/(MJ/km)547單目標優(yōu)化結果/(MJ/km3.0560.488多目標優(yōu)化結果/(MJ/km)3.0844靈敏度分析各設計變量對各目標函數的靈敏度如表4所示?？梢?jiàn),在木薯乙醇一汽油混合燃料的生命周期過(guò)程中,與其它設計變量相比,運輸對生命周期整體能源中國煤化工的影響較小;木薯種植和乙醇生產(chǎn)過(guò)程中的能量輸入對三個(gè)目標函數的影響較CNMHG燃料的混合比例對其生命周期能源消耗的影響最大,隨著(zhù)混合比例的增加,生命周期整體能源消耗増加.化石燃料和石油資源消耗降低。因此,應綜合考慮眢種情況,采用合理的肥料配比方案、運輸方式、運輸距離、能源消耗及木薯乙醇—汽油混合燃料應用推廣形式,推廣使用木薯乙醇—汽油混合燃料356內燃機學(xué)報第22卷第4期表4設計變量靈敏度Tab 4 Design variable's sensitivity整體能源化石燃料石油目整體能源化石燃料4.68×10-4,55×12.17×10-48.84×10-58,77×10-58.10×10-51.60×10-21.46×10-89×10-32.28×102.10×10-52.33×10-22.18×103.10×101.57×101.57×102.22×10-33.35×13.34×10-12.82×103.39×103.22×103.14×10-113×10-13.62×10-23.35×1034×103.07×10-13.64×10-23.64×10-21.61×10-62.90×102,90×102.23×10-31.76×11.74×10-63.10×10-63.64×10-23.64×10-23.62×10-23.38×10-66.23×10-51.08×10-51,07×10-59,88×10-66.80×10-53.12×101.81×10-61.80×10-61.66×103.40×10-537×10-58.10×10-54.83×10-12.05×10°2.72×1005結論(1)與原始值相比,多目標優(yōu)化后整體能源消耗略有降低,化石燃料消耗和石油資源消耗分別降低65.6%和79.2%。多目標優(yōu)化滿(mǎn)足協(xié)調降低木薯乙醇—汽油混合燃料生命周期各項能源消耗的要求(2)在木薯乙醇—汽油混合燃料生命周期能源消耗伉化計算中,運輸類(lèi)變量對生命周期整體能源、化石燃料和石油資源消耗的影響較小,能量輸入變量對這三個(gè)目標函數旳影響較大;木瞽乙醇油混合燃料的混合比對其生命周期能源消耗影響最大(3)對不同的優(yōu)化目標,設計變量的取值不同,有的變量差別很大。僅僅進(jìn)行單目標優(yōu)化將無(wú)法滿(mǎn)足系統協(xié)調決策的要求。進(jìn)行木薯乙醇—汽油混合燃料生命周期能源消耗多目標優(yōu)化是必需的。(4)與實(shí)際結果相比較,本模型得岀的優(yōu)化結果可靠,可以為政府提供木薯乙醇—汽油混合燃料能源消耗決策依據?？梢越Y合生命周期成本、環(huán)境排放等指標進(jìn)行綜合決策,具有重要的實(shí)用價(jià)值參考文獻1]周總瑛,張抗,王駿.21世紀初中國石油需求分析[].中國地質(zhì),2000,(8):38~40[2]黃朝關(guān),李志紅廣西石油資源可供性預分析[].廣西地質(zhì),2001,14(3):30~32[3 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