智能優(yōu)化控制服務(wù)平臺在國家會展中心上海天然氣分布式能源系統(tǒng)中的應(yīng)用

謝錦芳

摘 要：智能優(yōu)化控制服務(wù)平臺以國家會展中心天然氣分布式能源項目為研發(fā)和應(yīng)用對象，旨在解決能源中心運行時存在負荷隨機變化大、機組耦合性強、運行方式多變、調(diào)度形式復(fù)雜、經(jīng)濟敏感度高等實際問題，確保能源站按照經(jīng)濟高效方式運營。

關(guān)鍵詞：智能優(yōu)化；天然氣；能源系統(tǒng)

1 背景介紹

國家會展中心（上海）由展覽場館、配套商業(yè)中心、配套辦公樓和配套酒店四大部分構(gòu)成，總建筑面積147萬m2，地上建筑面積127萬m2，是目前世界上面積最大的建筑單體。

國家會展中心（上海）分布式能源站建設(shè)6 臺顏巴赫JMS 624GS-N.L 燃氣內(nèi)燃機（4.4MW）+6臺雙良4.0MW煙氣熱水型溴化鋰機組+ 10 臺7032kW離心式冷水機組+2臺7.0MW燃氣熱水鍋爐+2座12000m?蓄水罐。內(nèi)燃機系統(tǒng)中，內(nèi)燃機消耗天然氣驅(qū)動發(fā)電機對外提供電力，內(nèi)燃機的缸套水以及排煙熱量被對應(yīng)的“一拖一”煙氣熱水型溴化鋰吸收式制冷機回收利用，向外提供冷、熱負荷。負荷谷期，將冷、熱水輸送到蓄水罐儲存；負荷峰期，適當(dāng)開啟燃氣熱水鍋爐、離心式冷水機組，同時蓄水罐釋能調(diào)峰，滿足冷、熱負荷需求。燃氣內(nèi)燃機通過35kV線路并網(wǎng)發(fā)電，可以實現(xiàn)與地區(qū)電網(wǎng)“互通有無”，加強地區(qū)供電的可靠性。

2 系統(tǒng)組成與主要功能

2.1 系統(tǒng)組成

本項目平臺系統(tǒng)主要由一套實時可組態(tài)決策優(yōu)化控制軟件及相應(yīng)硬件設(shè)備組成，分為能效站、優(yōu)化站、控制機柜3個部分。

優(yōu)化站安裝在工程師站，能效站安裝在操作員站，兩套電源切換裝置分別給能效站（T3600計算機）和優(yōu)化站供電（T3600計算機）；控制機柜（含兩套DPU4F過程控制器）安裝在熱控電子設(shè)備間，并與能源站分散控制系統(tǒng)（DCS）控制機柜并列布置。智能運行優(yōu)化系統(tǒng)（iDOS）的能效站、優(yōu)化站、控制機柜三者同時掛在DCS系統(tǒng)A/B網(wǎng)上，實現(xiàn)與DCS系統(tǒng)的無縫連接。另外，BA系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)接入智能優(yōu)化控制系統(tǒng)，為保證安全，iDOS配置一臺隔離服務(wù)器，用于保證網(wǎng)絡(luò)連接iDOS系統(tǒng)的安全，隔離服務(wù)器通過串行數(shù)據(jù)通信接入到iDOS的優(yōu)化站和能效站上，用于接收BA系統(tǒng)的負荷數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的硬件架構(gòu)圖如圖1所示。

能效站負責(zé)對機組運行數(shù)據(jù)的采集、分析、計算和管理，主要包括采集機組的負荷信息、能耗信息以及過程數(shù)據(jù)等，對廠區(qū)的逐時負荷及逐日負荷（一般為7天）做出預(yù)測，對各機組設(shè)備的能耗及性能進行計算和管理發(fā)布，并將相關(guān)設(shè)備性能計算的結(jié)果共享給優(yōu)化站。

優(yōu)化站負責(zé)對全廠冷、熱、電供能機組運行方式的優(yōu)化，給出相應(yīng)的決策優(yōu)化指令。優(yōu)化站基于能效站給出的預(yù)測負荷及機組的實時性能計算結(jié)果，以全廠經(jīng)濟效益最大為目標(biāo)，以機組能效為約束條件，通過在線計算，得到機組的最佳運行方式，給出相應(yīng)的運行決策優(yōu)化指令。決策優(yōu)化指令通過iDOS控制機柜下達至DCS控制系統(tǒng)，給出機組的運行優(yōu)化控制策略。

2.2 基本方法與原則

基于國家會展中心項目實際情況，能源站必須做到按量、及時供應(yīng)每天所需電負荷、空調(diào)冷/熱負荷，亦即負荷約束為一定。需要指出，此處所述“一定”意為“確定”而非“固定”，即為每時每刻負荷需求為一確定值。本服務(wù)平臺中，這一確定的負荷需求信息通過用戶（包括電網(wǎng)）提供的用能曲線及本系統(tǒng)之負荷預(yù)測軟件模塊獲得。針對國家會展中心項目提出優(yōu)化控制策略，首先進行廠級負荷優(yōu)化分配，而后給出負荷實現(xiàn)方式的優(yōu)化及其調(diào)控策略。

廠級負荷優(yōu)化分配是指完成電負荷、空調(diào)冷/熱負荷在多臺機組間的動態(tài)優(yōu)化分配，尖峰負荷工況時蓄冷蓄熱罐的調(diào)峰負荷分配及各供能機組之間的負荷協(xié)同優(yōu)化分配。該負荷分配算法基本遵循能源的梯級利用原則，按照內(nèi)燃機-溴化鋰機組優(yōu)先控制，電制冷和熱水鍋爐次優(yōu)控制邏輯實現(xiàn)機組的負荷優(yōu)化控制，通過調(diào)控蓄冷蓄熱罐的輸入輸出應(yīng)對高低峰負荷需求。

負荷實現(xiàn)方式的優(yōu)化及調(diào)控是指基于廠級負荷優(yōu)化分配結(jié)果，以實現(xiàn)全廠經(jīng)濟效益最優(yōu)為目標(biāo)，給出全廠所有供能方式的組合優(yōu)化及相關(guān)參數(shù)的調(diào)節(jié)控制策略。

2.3 系統(tǒng)實現(xiàn)的主要功能

本優(yōu)化控制系統(tǒng)實施后，可對用戶側(cè)（國家會展中心熱力站）的用能情況進行監(jiān)控，并將用戶側(cè)負荷情況反饋到能源站側(cè)，通過能源站內(nèi)的DCS系統(tǒng)和iDOS系統(tǒng)對能源站設(shè)備運行方式進行優(yōu)化，實現(xiàn)對二次泵系統(tǒng)進行控制。不僅可以保證供能質(zhì)量，同時可以節(jié)省水泵耗電。當(dāng)會展中心用能負荷發(fā)生變化時，能提前發(fā)出指令對水泵的運行工況進行調(diào)整。

系統(tǒng)主要功能包括：

（1）超短期冷、熱電負荷預(yù)測

負荷預(yù)測軟件模塊以國家會展中心（上海）建筑為對象，通過建立全年逐時的負荷需求模型，預(yù)測全天二十四小時的負荷需求曲線；預(yù)測峰谷負荷的時刻與持續(xù)時間，以便合理安排機組加減及起停時間，優(yōu)化調(diào)控負荷超調(diào)量，防止超調(diào)過大和滯后過多，保證機組的運行狀況。

軟件基于冷、熱負荷隨季節(jié)和時刻的變化規(guī)律以及中國博覽會會展綜合體的用戶類型等信息，分別建立冷、熱負荷預(yù)測模型，逐時預(yù)測用戶負荷；通過模型校驗（引入周期因子、突變因子等）及實際運行數(shù)據(jù)優(yōu)化預(yù)測模型，提高預(yù)測精度；繪制全天24小時的負荷需求曲線，并根據(jù)實時負荷曲線在線修正預(yù)測曲線，使之更加準(zhǔn)確地反映負荷需求的變化情況；軟件能夠根據(jù)負荷預(yù)測曲線提前確定運行工況，使系統(tǒng)按照最優(yōu)的經(jīng)濟運行方式，主動響應(yīng)負荷需求。

（2）多機組負荷優(yōu)化分配

系統(tǒng)通過已建立的負荷預(yù)測模塊，確定站內(nèi)各機組的在線性能計算方法；根據(jù)冷熱負荷的需求，在滿足所考核的能源利用效率前提下，建立負荷動態(tài)優(yōu)化分配模型，自動尋優(yōu)計算方法，以實現(xiàn)全廠經(jīng)濟效益最優(yōu)為目標(biāo)，對各供能設(shè)備進行動態(tài)負荷優(yōu)化分配。根據(jù)保證會展綜合體用戶冷熱負荷需求的供能要求，機組正常運行時余熱可以滿足項目穩(wěn)定的冷熱負荷需求，不足部分通過冷熱調(diào)峰設(shè)備滿足會展綜合體的用能需求；燃氣內(nèi)燃機發(fā)電除滿足能源站自用電外，多余電力全部采取上網(wǎng)模式外售。根據(jù)計劃內(nèi)的電力調(diào)度、供熱/供冷調(diào)度的指令、機組自身狀態(tài)、經(jīng)濟指標(biāo)，給出最佳運行負荷運行曲線，形成相應(yīng)的負荷優(yōu)化分配控制策略。

（3）運行優(yōu)化

供冷/熱方式優(yōu)化與調(diào)控軟件模塊基于負荷動態(tài)優(yōu)化分配軟件功能，在滿足用戶能源負荷要求的前提下，以實現(xiàn)能源中心整體經(jīng)濟效益最優(yōu)為目標(biāo)，對變工況下供能方式進行優(yōu)化與調(diào)控。根據(jù)季節(jié)的不同及展館開放用能區(qū)域的情況，提供供冷系統(tǒng)、供熱系統(tǒng)的最佳組合策略及其全年運行策略，形成相應(yīng)設(shè)備的運行優(yōu)化指令，包括燃氣內(nèi)燃機、煙氣熱水型溴化鋰吸收式制冷機、離心冷水機組、熱水鍋爐與蓄水罐的運行工況及其相互之間的協(xié)調(diào)匹配等，該運行優(yōu)化指令通過DCS系統(tǒng)調(diào)控相應(yīng)機組的運行狀態(tài)。

（4）實時性能計算

實時性能計算是能源站運行優(yōu)化的重要環(huán)節(jié)，通過對廠級、機組級、設(shè)備級的性能指標(biāo)進行實時計算，為負荷分配、決策優(yōu)化提供指導(dǎo)。本項目所提供的實時性能計算軟件，包括對燃氣內(nèi)燃機、溴化鋰機組、冷水機組、熱水鍋爐、蓄水罐等主要設(shè)備及其輔助設(shè)備的性能計算方法，綜合考慮了天然氣價、調(diào)峰方式、廠用電成本、電網(wǎng)低谷電成本等因素，根據(jù)各機組設(shè)備的輸入信息得到輸出信息，從而得到不同負荷條件下，機組的效率、功率、排放等性能。

（5）能效評估管理

對冷熱源系統(tǒng)經(jīng)濟運行的各性能指標(biāo)進行計算，如單位面積能耗（ECA）、單位面積耗冷/熱量（CCA）、制冷/熱系統(tǒng)能效比（EERs）、制冷系數(shù)能效比（EERr）、冷熱媒水輸送系數(shù)（WTFchw）、溴化鋰和電制冷機組運行效率、冷卻水輸送系數(shù)（WTFcw）、蓄冷效率等，評估分析不同冷熱源系統(tǒng)設(shè)備基于時間性偏差的運行狀態(tài)是否正常，提供不同方案控制效果分析比較數(shù)據(jù)，提供基于時間和環(huán)境的完整數(shù)學(xué)能耗分析模型，描述能耗的產(chǎn)生、變化的過程，定量解釋能耗和各種影響因素之間的關(guān)系，提供能源消耗的規(guī)律等。此外，能效管理包括對各能源指標(biāo)的計算、管理和發(fā)布。能源指標(biāo)主要包括基本能耗指標(biāo)、綠色指標(biāo)和自定義指標(biāo)，其中基本能耗指標(biāo)又包括建筑面積指標(biāo)、使用面積指標(biāo)、總指標(biāo)、區(qū)域指標(biāo)、重大耗能設(shè)備折算指標(biāo)、耗能設(shè)備指標(biāo)等，綠色指標(biāo)包括制冷熱系統(tǒng)綜合COP、電制冷機COP等。

3 結(jié)束語

分布式能源是一個新興的能源利用和服務(wù)方式，天然氣分布式能源智能優(yōu)化控制服務(wù)平臺可實現(xiàn)對分布式能源站運行實現(xiàn)優(yōu)化控制，并以提高一次能源的轉(zhuǎn)化率為主要目標(biāo)，達到高效低耗、經(jīng)濟匹配、可靠安全的運營目標(biāo)。提高一次能源的綜合轉(zhuǎn)化利用效率，與燃煤電廠相比，分布式能源系統(tǒng)可減少49.4%以上的CO2排放量，節(jié)約70%水消耗以及60%左右土地，對改善區(qū)域環(huán)境質(zhì)量，加快開發(fā)區(qū)建設(shè)步伐，提高人們的生活質(zhì)量水平，促進當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展有積極作用。通過技術(shù)經(jīng)濟測算，本項目成果的應(yīng)用將使該能源站的能源綜合利用效率提高1%左右，每年的經(jīng)濟效益提高0.5%，使能源站的內(nèi)部收益率有效提高，縮短投資回收期。

本智能優(yōu)化控制服務(wù)平臺通過在上海國家會展中心分布式能源站進行示范應(yīng)用，積累數(shù)據(jù)和運行經(jīng)驗，對智能優(yōu)化控制系統(tǒng)進行完善和優(yōu)化，滿足大規(guī)模推廣應(yīng)用的條件，發(fā)揮創(chuàng)新成果更大的經(jīng)濟社會效益，具有良好的社會效益。

參考文獻

[1]楊明亮.天然氣分布式能源系統(tǒng)仿真模擬與軟件開發(fā)[D].山東建筑大學(xué)，2016.

[2]李壯.兩種典型天然氣分布式能源系統(tǒng)的應(yīng)用研究[D].山東建筑大學(xué)，2013.

（作者單位：上海華電福新能源有限公司）