第22卷(2004)第4期內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)Vol.22(2004)No.4Transactions of cSICe文章編號(hào):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(biāo)優(yōu)化研究¨胡志遠(yuǎn),浦耿強(qiáng),王成燾(上海交通大學(xué)機(jī)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(biāo)和多目標(biāo)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(biāo),對(duì)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(biāo)及多目標(biāo)優(yōu)化,并進(jìn)行了靈敏度分析。結(jié)果表明:多目標(biāo)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,可以為木著乙醇—汽油混合燃料旳應(yīng)用提供決策依據(jù),具有重要的應(yīng)用價(jià)值關(guān)鍵詞:發(fā)動(dòng)期能源;多目標(biāo)優(yōu)化;木薯乙醇;汽油;混合燃料中圖分類號(hào):TK411.71文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(tǒng)計(jì)資料顯示,近10年來中國原油消費(fèi)量以年均5.77%的速度增加,而同期國內(nèi)原油供應(yīng)增長(zhǎng)速度僅為1.67%,國內(nèi)石油產(chǎn)量已難以滿足消費(fèi)量需要。預(yù)計(jì)到2020年,我國的原油需求量將達(dá)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1800萬輛,隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展汽車保有量將繼續(xù)增加。國務(wù)院發(fā)CNMH所有關(guān)負(fù)責(zé)人預(yù)測(cè),10年后中國汽車保有量將達(dá)到1億輛。因此,由汽車導(dǎo)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(xiàng)目(50175070)作者(1970-),男,博土研究生,主要研究方向?yàn)榫G色設(shè)計(jì)及生命周期評(píng)價(jià)352內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)第22卷第4期我國于2001年頒布了《變性燃料乙醇》和《車用乙醇汽油》兩個(gè)國家標(biāo)準(zhǔn),實(shí)行在汽油中添加10%無水乙醇的政策,并在河南、吉林、黑龍江、安徽等省開展使用車用乙醇汽油試點(diǎn)。預(yù)測(cè)在2005~2020年,廣西石油供需缺口約191~303萬噸,急需替代資源。結(jié)合我國的燃料乙醇政策和西部大開發(fā)戰(zhàn)略,廣西壯族自治區(qū)政府正進(jìn)行利用當(dāng)?shù)啬臼碣Y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?zāi)埂钡恼麄€(gè)過程,包括原材料提取與加工;產(chǎn)品制造、運(yùn)輸以及銷售;產(chǎn)品的使用、再利用和維護(hù);廢物循環(huán)和最終廢物棄置等。從生命周期角度出發(fā),對(duì)木瞽乙醇一汽油混合燃料進(jìn)行能源消耗單目標(biāo)及多目標(biāo)優(yōu)化,優(yōu)化系統(tǒng)中各因素之間的相互關(guān)系,確定合理的木著燃料乙醇推廣形式,在降低系統(tǒng)整體能源消耗旳同時(shí),降低化石燃料消耗,尤其是降低對(duì)石油資源的消耗。本文從生命周期角度出發(fā),利用多目標(biāo)優(yōu)化方法,在各個(gè)單目標(biāo)優(yōu)化計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上,對(duì)木薯乙醇汽油混合燃料進(jìn)行能源多目標(biāo)優(yōu)化計(jì)算,并進(jìn)行靈敏度分析,為木薯乙醇的推廣應(yīng)用提供決策依據(jù)數(shù)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/車輛使用”的系統(tǒng)干片加工過程。在“木薯種植”和“木薯乙醇生產(chǎn)材料l過程中,輸入材料和能源,把木薯生長(zhǎng)過運(yùn)輸Ⅱ)(運(yùn)輸Ⅲ材料I程中吸收的太陽能轉(zhuǎn)化成木薯乙醇的化木薯乙醇生產(chǎn)能源學(xué)能。在“燃燒/車輛使用”過程,木薯乙(能源醇在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸中通過燃燒把化學(xué)能轉(zhuǎn)能源ll運(yùn)輸運(yùn)輸Ⅱ)(運(yùn)輸Ⅲ換為工質(zhì)的熱能,再通過工質(zhì)的膨脹轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)汽車行駛的機(jī)械能。三個(gè)過程(源匚燃燒車輛使用通過“運(yùn)輸”聯(lián)系到一起。如圖1所示。1.1設(shè)計(jì)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)的汽油車或玏能相當(dāng)旳乙醇—汽油混合燃料汽車行駛20萬公里為硏究對(duì)象,選擇“木薯種植”和木薯乙醇生產(chǎn)”過程中的材料和能源輸入、“燃燒/車輛使用”過程旳混合比例及各階段之間的運(yùn)輸距離為設(shè)計(jì)變量,如表1所示,則設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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變量含義單位氮肥材料磷肥kg/li運(yùn)輸木獸干片(卡車)消耗鉀肥kg/liter木薯干片(火車)復(fù)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(工廠到倉庫)kW·h/ literx化肥(倉庫到地頭)x2乙醇運(yùn)輸(卡車)輸輸農(nóng)家肥乙醇運(yùn)輸(火車)木著種莖燃燒/車輛使用x2比例2004年7月胡志遠(yuǎn)等:木醫(yī)乙醇—汽油混合燃料生命周期能源消耗多目標(biāo)優(yōu)化硏究·3532目標(biāo)函數(shù)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(biāo),其單目標(biāo)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)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(shè)計(jì)變量的整體能源消耗系數(shù);Eε為第ⅰ個(gè)設(shè)計(jì)變量的化石燃料消耗系數(shù);E,為第i個(gè)設(shè)計(jì)變量的石油資源消耗系數(shù);Eπ為汽油的整體能源消耗系數(shù);Eκ為汽油的化石燃料消耗系數(shù);E為汽油的石油資源消耗系數(shù);Fε為木薯乙醇—汽油混合燃料汽車的百公里油耗;Eπ為加油過程整體能源消耗系數(shù);Er為加油過程化石燃料消耗系數(shù);￡κ為加油過程石油資源消耗系數(shù);FcVFERLVG(F為汽油車燃油經(jīng)濟(jì)性;V為汽油熱值;Vε為乙醇熱值;R為汽車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—汽油混合燃料車輛使用階段石油資源消耗EE綜合以上各單目標(biāo)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù),能源消耗多目標(biāo)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為f(X)=[f1(X),f2(X),f3(X)](9)1.3約束條件木著乙醇—汽油混合燃料生命周期能源多目標(biāo)優(yōu)化旳約朿條件有材料消耗、能源消耗、運(yùn)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)。通過與廣西木薯種植專家交流,當(dāng)每畝施2t農(nóng)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(fù)合肥消耗約朿條件。根據(jù)木著乙醇—汽油混合燃料玍命周期中木著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(yùn)輸階段,根據(jù)廣西具體情況,確定化肥從生產(chǎn)廠到倉庫的運(yùn)輸距354內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)第22卷第4期離為100km,化肥從倉庫到地頭、農(nóng)家肥和鮮木薯的運(yùn)輸距離均為2km、木薯種莖的運(yùn)輸距離為4km由此分別確定化肥運(yùn)輸距離之和,農(nóng)家肥、木著種莖和鮮木薯旳運(yùn)輸距離之和為約束條件。根據(jù)廣西木薯種植情況和燃料乙醇生產(chǎn)廠的擬建廠位置,確定木薯干片運(yùn)輸距離約束。在乙醇生產(chǎn)階段,根據(jù)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/車輛使用階段之間的運(yùn)輸階段,根據(jù)燃料乙醇生產(chǎn)廠的建廠位置確定燃料乙醇運(yùn)輸距離約朿。在燃燒/車輛使用階段,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(shù)據(jù)來源模型中的固定系數(shù)絕大部分通過在廣西實(shí)地收集獲得,并經(jīng)過誤差分析及檢驗(yàn);部分?jǐn)?shù)據(jù)來自美國阿岡國家實(shí)驗(yàn)室的 GREET模型數(shù)據(jù)庫。根據(jù)廣西具體情況,與國外水平相近的數(shù)據(jù)直接引用;與國外水平差別較大的數(shù)據(jù)根據(jù)與廣西相關(guān)專家交流確定的修正系數(shù)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(biāo)優(yōu)化為一多維設(shè)計(jì)變量,多約束條件旳非線性優(yōu)化問題,并且約束條件包括等式和不等式約束,選擇可變?nèi)莶罘ㄟM(jìn)行求解。處理多目標(biāo)優(yōu)化問題有很多方法,本文選擇最短距離理想點(diǎn)法將多目標(biāo)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化問題.并取單目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)值作為多目標(biāo)優(yōu)化中的理想點(diǎn)。設(shè)各單目標(biāo)優(yōu)化計(jì)算的解為f,(X)=f;(X)則多目標(biāo)優(yōu)化問題為m(X)=√(X)-F(X)(12)可以證明,利用上述多目標(biāo)優(yōu)化方法所得到的優(yōu)化結(jié)果為多目標(biāo)優(yōu)化問題的有效解。利用優(yōu)化計(jì)算方法對(duì)上述優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算.以合理配置系中國煤化及混合燃料推廣應(yīng)用形式,同時(shí)降低系統(tǒng)的整體能源化石燃料和石油資源的消CNMHG3優(yōu)化結(jié)果及討論木薯乙醇—汽油混合燃料的生命周期能源消耗設(shè)計(jì)變量?jī)?yōu)化結(jié)果如表2所示。由表2可見,對(duì)不同的優(yōu)化看標(biāo)數(shù)漫計(jì)變量的優(yōu)化結(jié)果相差很大。因此,僅進(jìn)行單目標(biāo)優(yōu)化計(jì)算將無法滿足優(yōu)化配置系統(tǒng)2004年7月胡志遠(yuǎn)等:木醫(yī)乙醇—汽油混合燃料生命周期能源消耗多目標(biāo)優(yōu)化硏究355的材料、能源輸λ和運(yùn)輸?shù)纫蛩刂g的相互關(guān)系,確定合理的木薯乙醇推廣應(yīng)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(biāo)優(yōu)化是必需的。表2單目標(biāo)優(yōu)化和多目標(biāo)設(shè)計(jì)變量?jī)?yōu)化結(jié)果Tab. 2 Optimization results of design variables for single and multi-objectives項(xiàng)目原始值整體化石能源燃料油多目標(biāo)項(xiàng)目原始值整體化石優(yōu)化能源燃料石油多月標(biāo)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(biāo)優(yōu)化后,氮、磷、鉀肥使用量增加.復(fù)合肥使用量減少;木警種植過程的能源消耗基本保持不變;木薯種莖和鮮木薯的運(yùn)輸距離減小,化肥的運(yùn)輸距離基本不變,農(nóng)家肥的運(yùn)輸距離增加,木薯干片和木瞽乙醇趨向于用火車運(yùn)輸,盡量減小卡車的運(yùn)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,建議在木薯種植過程中少使用復(fù)合肥;乙醇生產(chǎn)過程中使用煤、柴油和天然氣等燃料;乙醇生產(chǎn)廠靠近火車站等等木薯乙醇—汽油混合燃料生命周期能源消耗單目標(biāo)和多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果如表3所示。與各單目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果相比,多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果中各項(xiàng)指標(biāo)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(biāo)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(biāo)優(yōu)化和多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)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(biāo)優(yōu)化結(jié)果/(MJ/km3.0560.488多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果/(MJ/km)3.0844靈敏度分析各設(shè)計(jì)變量對(duì)各目標(biāo)函數(shù)的靈敏度如表4所示?？梢?在木薯乙醇一汽油混合燃料的生命周期過程中,與其它設(shè)計(jì)變量相比,運(yùn)輸對(duì)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)過程中的能量輸入對(duì)三個(gè)目標(biāo)函數(shù)的影響較CNMHG燃料的混合比例對(duì)其生命周期能源消耗的影響最大,隨著混合比例的增加,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(yīng)綜合考慮眢種情況,采用合理的肥料配比方案、運(yùn)輸方式、運(yùn)輸距離、能源消耗及木薯乙醇—汽油混合燃料應(yīng)用推廣形式,推廣使用木薯乙醇—汽油混合燃料356內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)第22卷第4期表4設(shè)計(jì)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(jié)論(1)與原始值相比,多目標(biāo)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(biāo)優(yōu)化滿足協(xié)調(diào)降低木薯乙醇—汽油混合燃料生命周期各項(xiàng)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(jì)算中,運(yùn)輸類變量對(duì)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(duì)這三個(gè)目標(biāo)函數(shù)旳影響較大;木瞽乙醇油混合燃料的混合比對(duì)其生命周期能源消耗影響最大(3)對(duì)不同的優(yōu)化目標(biāo),設(shè)計(jì)變量的取值不同,有的變量差別很大。僅僅進(jìn)行單目標(biāo)優(yōu)化將無法滿足系統(tǒng)協(xié)調(diào)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(biāo)優(yōu)化是必需的。(4)與實(shí)際結(jié)果相比較,本模型得岀的優(yōu)化結(jié)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(jù)?？梢越Y(jié)合生命周期成本、環(huán)境排放等指標(biāo)進(jìn)行綜合決策,具有重要的實(shí)用價(jià)值參考文獻(xiàn)1]周總瑛,張抗,王駿.21世紀(jì)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(yù)分析[].廣西地質(zhì),2001,14(3):30~32[3 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