木薯乙醇-汽油混合燃料生命周期能源消耗多目标优化研究

第22卷(2004)第4期内燃机学报Vol.22(2004)No.4Transactions of cSICe文章编号: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标优化研究¨胡志远,浦耿强,王成焘(上海交通大学机械与动力工程学院,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单目标和多目标优化模型。以生命周期总体能源消耗、化石燃料消耗和石油消耗为优化目标,对木薯乙醇—汽油混合燃料生命周期能源消耗进行了单目标及多目标优化,并进行了灵敏度分析。结果表明:多目标优化能使木薯乙醇一汽油混合燃料的命周期总体能源、化石燃料和石油消耗同时降低,可以为木著乙醇—汽油混合燃料旳应用提供决策依据,具有重要的应用价值关键词:发动期能源;多目标优化;木薯乙醇;汽油;混合燃料中图分类号:TK411.71文献标识码: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引言统计资料显示,近10年来中国原油消费量以年均5.77%的速度增加,而同期国内原油供应增长速度仅为1.67%,国內石油产量已难以满足消费量需要。预计到2020年,我国的原油需求量将达到3.66亿吨,供求缺口为1.8亿吨,石油自给率仅为60中国煤化有量为1800万辆,随着我国经济的发展汽车保有量将继续增加。国务院发CNMH所有关负责人预测,10年后中国汽车保有量将达到1亿辆。因此,由汽车导致的晶里增加行个谷忽视。收稿日期:2003-1008;修订日期:200401-10然科学基金资助项目(50175070)作者(1970-),男,博土研究生,主要研究方向为绿色设计及生命周期评价352内燃机学报第22卷第4期我国于2001年颁布了《变性燃料乙醇》和《车用乙醇汽油》两个国家标准,实行在汽油中添加10%无水乙醇的政策,并在河南、吉林、黑龙江、安徽等省开展使用车用乙醇汽油试点。预测在2005~2020年,广西石油供需缺口约191~303万吨,急需替代资源。结合我国的燃料乙醇政策和西部大开发战略,广西壮族自治区政府正进行利用当地木薯资源生产燃料乙醇旳可行性研究。生命周期指产品从“摇篮”到“坟墓”的整个过程,包括原材料提取与加工;产品制造、运输以及销售;产品的使用、再利用和维护;废物循环和最终废物弃置等。从生命周期角度出发,对木瞽乙醇一汽油混合燃料进行能源消耗单目标及多目标优化,优化系统中各因素之间的相互关系,确定合理的木著燃料乙醇推广形式,在降低系统整体能源消耗旳同时,降低化石燃料消耗,尤其是降低对石油资源的消耗。本文从生命周期角度出发,利用多目标优化方法,在各个单目标优化计算结果的基础上,对木薯乙醇汽油混合燃料进行能源多目标优化计算,并进行灵敏度分析,为木薯乙醇的推广应用提供决策依据数学模型木薯乙醇燃料的生命周期是从“木材料I木薯种植薯种植”到“乙醇燃烧/车辆使用”的系统干片加工过程。在“木薯种植”和“木薯乙醇生产材料l过程中,输入材料和能源,把木薯生长过运输Ⅱ)(运输Ⅲ材料I程中吸收的太阳能转化成木薯乙醇的化木薯乙醇生产能源学能。在“燃烧/车辆使用”过程,木薯乙(能源醇在发动机气缸中通过燃烧把化学能转能源ll运输运输Ⅱ)(运输Ⅲ换为工质的热能,再通过工质的膨胀转换为驱动汽车行驶的机械能。三个过程(源匚燃烧车辆使用通过“运输”联系到一起。如图1所示。1.1设计变量图1生命周期框架以一辆百公里油耗为(混合Fig 1 Life cycle framework工况)的汽油车或玏能相当旳乙醇—汽油混合燃料汽车行驶20万公里为硏究对象,选择“木薯种植”和木薯乙醇生产”过程中的材料和能源输入、“燃烧/车辆使用”过程旳混合比例及各阶段之间的运输距离为设计变量,如表1所示,则设计变量为一列向量X,表1木乙醇一汽油混合燃料生命周期能源优化设计变量Design variables for life cycle energy optimization of cassava-based ethanol blended gasoline fuels阶段变量含义单位阶段种类变量含义单位氮肥材料磷肥kg/li运输木兽干片(卡车)消耗钾肥kg/liter木薯干片(火车)复合肥柴油重油liter/liter能源汽油消耗生中国煤化工CNMHG气x8化肥(工厂到仓库)kW·h/ literx化肥(仓库到地头)x2乙醇运输(卡车)输输农家肥乙醇运输(火车)木著种茎燃烧/车辆使用x2比例2004年7月胡志远等:木醫乙醇—汽油混合燃料生命周期能源消耗多目标优化硏究·3532目标函数分别以木薯乙醇—汽油混合燃料旳生命周期整体能源消耗、化石燃料消耗和石油资源消耗为优化目标,其单目标优化目标函数分别为整体能源消耗(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)石油资源消耗(MJ/km)[(∑xEn+∑xEn∑+∑xE)x出+(1-x1)E]F++ EpoX∈R式中:Eτ;为第个设计变量的整体能源消耗系数;Eε为第ⅰ个设计变量的化石燃料消耗系数;E,为第i个设计变量的石油资源消耗系数;Eπ为汽油的整体能源消耗系数;Eκ为汽油的化石燃料消耗系数;E为汽油的石油资源消耗系数;Fε为木薯乙醇—汽油混合燃料汽车的百公里油耗;Eπ为加油过程整体能源消耗系数;Er为加油过程化石燃料消耗系数;￡κ为加油过程石油资源消耗系数;FcVFERLVG(F为汽油车燃油经济性;V为汽油热值;Vε为乙醇热值;R为汽车使用乙醇燃料热效率提高百分比;Eω为木薯乙醇—汽油混合燃料车辆使用阶段整体能源消耗,LVG (1-x22)+VEC22 FE100Eω为木薯乙醇—汽油混合燃料车辆使用阶段化石燃料消耗,E1VGFG(1-22)Vo(7)E为木薯乙醇—汽油混合燃料车辆使用阶段石油资源消耗EE综合以上各单目标优化目标函数,能源消耗多目标优化目标函数为f(X)=[f1(X),f2(X),f3(X)](9)1.3约束条件木著乙醇—汽油混合燃料生命周期能源多目标优化旳约朿条件有材料消耗、能源消耗、运输距离和乙醇在汽油中的混合比例。在种植阶段,木薯推荐施肥比例为N:P2O3:KO=2:1:(2~3)。通过与广西木薯种植专家交流,当每亩施2t农家肥、40k(氯化钾)各20kg时,鲜薯亩产可保持在2~3t。取2.TH中国煤化工粦肥(过磷酸钙)、钾肥CNMHG生产1L乙醇所需木薯由化肥提供的氮(N)、磷(P2O3)、钾(K2O)分别为0.030kg、0.017kg和0.039kg,从而确定氮肥、磷肥、钾肥和复合肥消耗约朿条件。根据木著乙醇—汽油混合燃料玍命周期中木著种植阶段能源消耗情况,确定实际能源消耗(0.265MJ/ liter)和实际能源消耗的6%(0.212 MJ/liter)为能源消耗约束的上下限。在禾窖鞠程与乙醇生产之间的运输阶段,根据广西具体情况,确定化肥从生产厂到仓库的运输距354内燃机学报第22卷第4期离为100km,化肥从仓库到地头、农家肥和鲜木薯的运输距离均为2km、木薯种茎的运输距离为4km由此分别确定化肥运输距离之和,农家肥、木著种茎和鲜木薯旳运输距离之和为约束条件。根据广西木薯种植情况和燃料乙醇生产厂的拟建厂位置,确定木薯干片运输距离约束。在乙醇生产阶段,根据木薯乙醇—汽油混合燃料生命周期中乙醇生产阶段能源消耗情况,确定实际能源消耗(1.682MJ/ liter)和实际能源消耗的50%(5.841MJ/ liter)为能源消耗约束的上下限。在乙醇生产与燃烧/车辆使用阶段之间的运输阶段,根据燃料乙醇生产厂的建厂位置确定燃料乙醇运输距离约朿。在燃烧/车辆使用阶段,限定乙醇在汽油中的混合比例在10%~85%之间。由此,确定约束条件如下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数据来源模型中的固定系数绝大部分通过在广西实地收集获得,并经过误差分析及检验;部分数据来自美国阿冈国家实验室的 GREET模型数据库。根据广西具体情况,与国外水平相近的数据直接引用;与国外水平差别较大的数据根据与广西相关专家交流确定的修正系数进行修正后引用2优化方法木薯乙醇—汽油混合燃料生命周期能源消耗多目标优化为一多维设计变量,多约束条件旳非线性优化问题,并且约束条件包括等式和不等式约束,选择可变容差法进行求解。处理多目标优化问题有很多方法,本文选择最短距离理想点法将多目标优化问题转化为单目标优化问题.并取单目标函数的最优值作为多目标优化中的理想点。设各单目标优化计算的解为f,(X)=f;(X)则多目标优化问题为m(X)=√(X)-F(X)(12)可以证明,利用上述多目标优化方法所得到的优化结果为多目标优化问题的有效解。利用优化计算方法对上述优化目标进行优化计算.以合理配置系中国煤化及混合燃料推广应用形式,同时降低系统的整体能源化石燃料和石油资源的消CNMHG3优化结果及讨论木薯乙醇—汽油混合燃料的生命周期能源消耗设计变量优化结果如表2所示。由表2可见,对不同的优化看标数漫计变量的优化结果相差很大。因此,仅进行单目标优化计算将无法满足优化配置系统2004年7月胡志远等:木醫乙醇—汽油混合燃料生命周期能源消耗多目标优化硏究355的材料、能源输λ和运输等因素之间的相互关系,确定合理的木薯乙醇推广应用形式,进行合理决策的要求。进行木薯乙醇—汽油混合燃料生命周期多目标优化是必需的。表2单目标优化和多目标设计变量优化结果Tab. 2 Optimization results of design variables for single and multi-objectives项目原始值整体化石能源燃料油多目标项目原始值整体化石优化能源燃料石油多月标优化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与初始值比较,多目标优化后,氮、磷、钾肥使用量增加.复合肥使用量减少;木警种植过程的能源消耗基本保持不变;木薯种茎和鲜木薯的运输距离减小,化肥的运输距离基本不变,农家肥的运输距离增加,木薯干片和木瞽乙醇趋向于用火车运输,尽量减小卡车的运输距离;乙醇生产中使用的煤减少,柴油和天然气增加,不使用重油;乙醇—汽油的混合比例为85%。因此,建议在木薯种植过程中少使用复合肥;乙醇生产过程中使用煤、柴油和天然气等燃料;乙醇生产厂靠近火车站等等木薯乙醇—汽油混合燃料生命周期能源消耗单目标和多目标优化结果如表3所示。与各单目标优化结果相比,多目标优化结果中各项指标都有所增加。与原始值相比,生命周期整体能源消耗略有降低,化石燃料消耗和石油资源消耗分别降低65.6%和η9.2%。因此,多目标优化能综合降低木薯乙醇—汽油混合燃料生命周期能源消耗表3单目标优化和多目标优化结果Tab. 3 Single and multi-objective optimization results整体能源消耗化石燃料消耗石油资源消耗原始值/(MJ/km)547单目标优化结果/(MJ/km3.0560.488多目标优化结果/(MJ/km)3.0844灵敏度分析各设计变量对各目标函数的灵敏度如表4所示。可见,在木薯乙醇一汽油混合燃料的生命周期过程中,与其它设计变量相比,运输对生命周期整体能源中国煤化工的影响较小;木薯种植和乙醇生产过程中的能量输入对三个目标函数的影响较CNMHG燃料的混合比例对其生命周期能源消耗的影响最大,随着混合比例的增加,生命周期整体能源消耗増加.化石燃料和石油资源消耗降低。因此,应综合考虑眢种情况,采用合理的肥料配比方案、运输方式、运输距离、能源消耗及木薯乙醇—汽油混合燃料应用推广形式,推广使用木薯乙醇—汽油混合燃料356内燃机学报第22卷第4期表4设计变量灵敏度Tab 4 Design variable's sensitivity整体能源化石燃料石油目整体能源化石燃料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结论(1)与原始值相比,多目标优化后整体能源消耗略有降低,化石燃料消耗和石油资源消耗分别降低65.6%和79.2%。多目标优化满足协调降低木薯乙醇—汽油混合燃料生命周期各项能源消耗的要求(2)在木薯乙醇—汽油混合燃料生命周期能源消耗伉化计算中,运输类变量对生命周期整体能源、化石燃料和石油资源消耗的影响较小,能量输入变量对这三个目标函数旳影响较大;木瞽乙醇油混合燃料的混合比对其生命周期能源消耗影响最大(3)对不同的优化目标,设计变量的取值不同,有的变量差别很大。仅仅进行单目标优化将无法满足系统协调决策的要求。进行木薯乙醇—汽油混合燃料生命周期能源消耗多目标优化是必需的。(4)与实际结果相比较,本模型得岀的优化结果可靠,可以为政府提供木薯乙醇—汽油混合燃料能源消耗决策依据。可以结合生命周期成本、环境排放等指标进行综合决策,具有重要的实用价值参考文献1]周总瑛,张抗,王骏.21世纪初中国石油需求分析[].中国地质,2000,(8):38~40[2]黄朝关,李志红广西石油资源可供性预分析[].广西地质,2001,14(3):30~32[3 Society of Environmental Toxicology and Chemistry (SETAC). 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