基于低負(fù)荷狀況區(qū)域能源站的運(yùn)行優(yōu)化研究

高雄偉

上海申能能源服務(wù)有限公司

1 前言

虹橋商務(wù)區(qū)是上海乃至全國的首個(gè)低碳商務(wù)區(qū)，以冷熱電分布式供能為主的區(qū)域能源中心于2013年底建成投運(yùn)，是虹橋商務(wù)區(qū)核心區(qū)工程的重要配套工程，該工程承擔(dān)商務(wù)核心區(qū)內(nèi)所有用戶的空調(diào)（冷/熱）和生活熱水供應(yīng)保障。

能源中心投入運(yùn)行后，截至2015年底，虹橋核心區(qū)的18個(gè)地塊僅有5個(gè)地塊實(shí)現(xiàn)了招商入駐，能源站的負(fù)荷遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值，如此低的負(fù)荷給能源站的生產(chǎn)運(yùn)行帶來極大的挑戰(zhàn)，大部分時(shí)間分布式供能的分布式系統(tǒng)無法正常開機(jī)運(yùn)行，管道輸送能耗占比高，能源站運(yùn)行成本高企。

對(duì)于接入的用戶必須保證不間斷的能源供應(yīng)，在節(jié)能的前提下又要確保用戶的舒適度體驗(yàn)，由此針對(duì)能源站運(yùn)行初期的低負(fù)荷需求和低效率的現(xiàn)象，有必要進(jìn)行低負(fù)荷運(yùn)行的優(yōu)化技術(shù)研究。解決低負(fù)荷情況下區(qū)域供能運(yùn)營成本、供能損耗等關(guān)鍵問題，提升區(qū)域供能系統(tǒng)的綜合能效運(yùn)用水平，確保大型能源項(xiàng)目尤其在運(yùn)行初期實(shí)現(xiàn)安全高效。

2 低負(fù)荷運(yùn)行現(xiàn)狀

2.1 能源站設(shè)計(jì)概況

按虹橋商務(wù)核心區(qū)（一期）范圍內(nèi)，綜合考慮建筑規(guī)模地上1 760 000m2、地下140 000 m2進(jìn)行設(shè)計(jì)，1#站和2#站設(shè)計(jì)的日最大供冷負(fù)荷均為70MW；1#站空調(diào)最大供熱負(fù)荷為37MW，2#站空調(diào)最大供熱負(fù)荷為39MW，計(jì)入生活用熱水負(fù)荷后，2#站設(shè)計(jì)供熱最大負(fù)荷為43.6MW，最小供熱負(fù)荷為3.3MW；1#站設(shè)計(jì)供熱負(fù)荷為41MW，最小供熱負(fù)荷為3.2MW。

2#站主要設(shè)備為：4套1.4MW分布式供能系統(tǒng)、9臺(tái)7MW電動(dòng)離心式冷水機(jī)組、1臺(tái)3.5MW電動(dòng)離心式冷水機(jī)組、3臺(tái)11.2MW燃?xì)鉄崴仩t、1臺(tái)10MW燃?xì)鉄崴仩t；1#站主要設(shè)備為：4套1.4MW分布式供能系統(tǒng)、8臺(tái)7MW電動(dòng)離心式冷水機(jī)組、12 000m3的蓄冷水槽、4臺(tái)9.3MW燃?xì)?油雙燃料熱水鍋爐。

2.2 日運(yùn)行分析

自2013年底投運(yùn)以來至2015年底的運(yùn)行數(shù)據(jù)，能源站處于低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)。表1顯示以各站的冷熱設(shè)計(jì)日24小時(shí)運(yùn)行負(fù)荷總量為參比，各季節(jié)的運(yùn)行負(fù)荷比，1號(hào)站接入了3個(gè)地塊，運(yùn)行負(fù)荷占比好于1號(hào)站，但在過渡季節(jié)1號(hào)站和2號(hào)站冷負(fù)荷占比低于5%，在節(jié)假日能源站幾乎處于停運(yùn)狀態(tài)。

2.3 典型日逐時(shí)運(yùn)行分析

圖1-圖4為2個(gè)站典型日逐時(shí)運(yùn)行情況，同樣表明能源站低負(fù)荷運(yùn)行的狀態(tài)。

2號(hào)站供應(yīng)地塊D16和D17，,負(fù)荷數(shù)據(jù)中，D16萬科（商業(yè)+辦公）只有8、9、10、11、12、1、2月份數(shù)據(jù)，缺供冷數(shù)據(jù)，D17（辦公）全年數(shù)據(jù)；供冷數(shù)據(jù)（不含萬科商業(yè)部分）顯示了其辦公負(fù)荷的特征，即只有上班時(shí)間負(fù)荷。1號(hào)站供地塊D19（商業(yè)+辦公）冬天只供熱，夏天只供冷，春秋供冷熱，D20（辦公+商業(yè)）目前只有11～2月份數(shù)據(jù)供熱，D23（辦公）或供冷或供熱。同樣缺少商業(yè)部分的供冷數(shù)據(jù)，供冷量也顯示其辦公負(fù)荷的特征。

綜合以上分析，2個(gè)能源站所處的運(yùn)行狀態(tài)較為嚴(yán)重，一是整體負(fù)荷率偏低，由于冷負(fù)荷數(shù)據(jù)不全，供熱數(shù)據(jù)比較客觀反映真實(shí)的負(fù)荷率，即冬季工作日負(fù)荷占比為7%-17%，過渡季工作日占比5%-9%，節(jié)假日低于1%。因此，運(yùn)行優(yōu)化的重點(diǎn)之一需要關(guān)注節(jié)假日及低負(fù)荷的運(yùn)行狀態(tài)。

表1 日運(yùn)行負(fù)荷占比（截止到2015年底）

圖1 1號(hào)站典型日逐時(shí)冷負(fù)荷MW

圖2 1號(hào)站典型日逐時(shí)熱負(fù)荷MW

圖3 2號(hào)站典型日逐時(shí)冷負(fù)荷MW

3 優(yōu)化的基礎(chǔ)工作

3.1 單地塊低負(fù)荷運(yùn)行數(shù)據(jù)表編制

目前能源站已經(jīng)建立SCADA系統(tǒng)，具備數(shù)據(jù)自動(dòng)采集和分析的功能，已有運(yùn)行數(shù)據(jù)的積累。根據(jù)每個(gè)地塊運(yùn)行負(fù)荷的特性，按供冷季、供熱季、過渡季（冷）、過渡季（熱）四個(gè)運(yùn)行季節(jié)，按工作日和節(jié)假日兩種運(yùn)行日形態(tài)，編制8個(gè)典型日的逐時(shí)負(fù)荷表。

3.2 擬定待優(yōu)化運(yùn)行的負(fù)荷狀態(tài)

以1號(hào)能源站接入的地塊為例，共計(jì)接入3個(gè)地塊，按地塊接入的數(shù)量作為組合供應(yīng)方案，是比較直接且有針對(duì)性的預(yù)案，組合數(shù)量為7種。

每種組合均有8個(gè)典型日的負(fù)荷表，因此形成56種運(yùn)行狀態(tài)。

3.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可運(yùn)行模式

圖4 2號(hào)站典型日逐時(shí)熱負(fù)荷MW

按所安裝的系統(tǒng)，分別列出潛在的運(yùn)行模式，以1號(hào)站供冷為例，共設(shè)計(jì)七種運(yùn)行模式：

（1）電動(dòng)冷水機(jī)組+煙氣熱水型溴化鋰?yán)渌畽C(jī)組供冷；

（2）電動(dòng)冷水機(jī)組+煙氣熱水型溴化鋰?yán)渌畽C(jī)組+蓄冷水槽供冷；

（3）蓄冷水槽單獨(dú)供冷；

（4）電動(dòng)冷水機(jī)組供冷+蓄冷水槽蓄冷；

（5）電動(dòng)冷水機(jī)組單獨(dú)供冷；

（6）煙氣熱水型溴化鋰?yán)渌畽C(jī)組供冷；

（7）煙氣熱水型溴化鋰?yán)渌畽C(jī)組+蓄冷水槽供冷。

考慮到目前能源站所處的低負(fù)荷工況，暫不能完全實(shí)現(xiàn)上述的運(yùn)行方式，需要根據(jù)負(fù)荷特性來計(jì)算分析運(yùn)行方式可能。

3.4 生產(chǎn)運(yùn)行核心數(shù)據(jù)

能源站生產(chǎn)運(yùn)行核心數(shù)據(jù)為：

（1）主要設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)：分布式燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組、鍋爐、溴化鋰、電制冷機(jī)、水泵、冷卻塔等主要設(shè)備的運(yùn)行功率范圍及相應(yīng)的能耗參數(shù)、效率值；

（2）費(fèi)用參數(shù)：購入的水、電、氣價(jià)格；賣出的電、冷、熱價(jià)格；各主要設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用；站房維修費(fèi)用，管理成本等。

（3）管網(wǎng)參數(shù)：管道數(shù)量、長度、熱損率

3.5 運(yùn)行優(yōu)化的指標(biāo)

（1）經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

運(yùn)行成本（水、電、氣），分布式供能系統(tǒng)的收益、運(yùn)行總收益。

分布式供能系統(tǒng)=溴化鋰制冷量×（1-供冷管網(wǎng)損耗率）×冷量價(jià)格+余熱制熱量×（1-供熱管網(wǎng)損耗率）×熱量價(jià)格+自發(fā)自用電量×公網(wǎng)購電電價(jià)+上網(wǎng)電量×發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)

燃?xì)獬杀?內(nèi)燃機(jī)燃?xì)饬俊羶?nèi)燃機(jī)氣價(jià)+鍋爐燃?xì)饬俊铃仩t氣價(jià)

用電成本=網(wǎng)購電量×公網(wǎng)購電電價(jià) —上網(wǎng)電量×發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)

總成本=燃?xì)獬杀?用電成本

總收益=能源站制冷量×（1-供冷管網(wǎng)損耗率）×冷量價(jià)格+能源站制熱量×（1-供熱管網(wǎng)損耗率）×熱量價(jià)格+上網(wǎng)電量×發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)—總成本

（2）能效指標(biāo)

能效指標(biāo)為綜合能源利用率。

綜合能源利用率=（制冷量+制熱量+上網(wǎng)電量）/（燃?xì)鉄嶂?市電耗電量）

4 運(yùn)行優(yōu)化研究

4.1 運(yùn)行優(yōu)化方法

根據(jù)能源站現(xiàn)在的低負(fù)荷運(yùn)行狀況，冷負(fù)荷低于設(shè)計(jì)的單臺(tái)冷凍機(jī)運(yùn)行容量，導(dǎo)致原先設(shè)定的按100%、75%、50%、25%需求負(fù)荷下的各類組合運(yùn)行模式失效。本研究提出按以下方式進(jìn)行優(yōu)化：

（1）以典型日運(yùn)行控制策略為核心，具體以典型日單時(shí)段為計(jì)算單元，以運(yùn)行成本、能效、收益等為約束條件，在可運(yùn)行的所有方式中進(jìn)行計(jì)算，確定單時(shí)段的最優(yōu)運(yùn)行方式，繼而形成一個(gè)典型日的連續(xù)時(shí)段基本運(yùn)行方式。

（2）以基本運(yùn)行方式為基礎(chǔ)，再進(jìn)行修正，主要考慮運(yùn)行設(shè)備的連貫性，避免頻繁切換。由此形成典型日運(yùn)行方案。

（3）按照（1）和（2）的過程，計(jì)算分析不同季節(jié)的典型日運(yùn)行方案，構(gòu)成了全年運(yùn)行的典型日方案。

（4）各季節(jié)內(nèi)初步設(shè)定典型日運(yùn)行方案，然后根據(jù)回水溫度和實(shí)際需求狀況進(jìn)行機(jī)組調(diào)節(jié)。

由以上1-4步形成某一特定負(fù)荷狀態(tài)的全年運(yùn)行優(yōu)化方案。

4.2 運(yùn)行優(yōu)化要點(diǎn)

（1）成本最優(yōu)為主要原則

以單個(gè)時(shí)段的運(yùn)行優(yōu)化工況為基礎(chǔ)，再對(duì)開機(jī)方式頻繁變動(dòng)的相鄰時(shí)段進(jìn)行修正，得到日內(nèi)動(dòng)態(tài)工況的運(yùn)行方式。分布式供能不能啟停頻繁。

（2）其他計(jì)算條件

在計(jì)算時(shí)需考慮管網(wǎng)循環(huán)水的流速熱傳導(dǎo)，同時(shí)主要邊界條件為：能源站對(duì)管網(wǎng)循環(huán)水冷量或熱量的增加僅用于用戶負(fù)荷消耗，不用于循環(huán)水本身載能的增加或減少；管網(wǎng)循環(huán)水二次泵按匹配運(yùn)行機(jī)組的一次泵流速考慮；

（3）低負(fù)荷運(yùn)行方式

由于負(fù)荷低于1臺(tái)水冷機(jī)組，缺少有效的設(shè)備組合方式進(jìn)行優(yōu)化研究。例如在冷負(fù)荷值為3200kW時(shí)，若運(yùn)行2套分布式供能機(jī)組（發(fā)電功率上網(wǎng)）成本遠(yuǎn)大于運(yùn)行1臺(tái)水冷空調(diào)（額定制冷功率7034kW），此時(shí)最優(yōu)成本運(yùn)行僅能選擇1臺(tái)水冷空調(diào)運(yùn)行調(diào)節(jié)，缺少其他可以組合運(yùn)行的設(shè)備。

在有蓄冷設(shè)備的條件下，可以考慮運(yùn)行2套分布式供能機(jī)組或1套分布式供能+空調(diào)的方式，但是余電不上網(wǎng)，全部用于電空調(diào)制冷后存儲(chǔ)，在下一個(gè)時(shí)間段單獨(dú)由蓄冷設(shè)備（或再考慮水冷空調(diào)輔助）的供冷運(yùn)行方式。

4.3 運(yùn)行優(yōu)化流程

4.4 行成本最低的單時(shí)段優(yōu)化

以運(yùn)行成本最低為約束目標(biāo)的計(jì)算公式為：

式中：

--實(shí)時(shí)電價(jià)，￥/kWh；

--實(shí)時(shí)氣價(jià)，￥/m3；

--實(shí)時(shí)上網(wǎng)電價(jià)，￥/kWh；

--能源中心二次供冷/熱泵長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)的固定費(fèi)用，￥。

-能源中心凈買電量，為從電網(wǎng)買電，為向電網(wǎng)售電

4.5 單時(shí)段運(yùn)行優(yōu)化結(jié)果

以負(fù)荷狀態(tài)1為例，計(jì)算1號(hào)站的運(yùn)行成本最優(yōu)的單時(shí)段運(yùn)行方式，輸出結(jié)果如下：

其他負(fù)荷狀態(tài)、其他時(shí)段的運(yùn)行優(yōu)化同上。

4.6 典型日連續(xù)運(yùn)行方案

經(jīng)計(jì)算分析，某工況典型日運(yùn)行推薦方式如下：

4.7 運(yùn)行優(yōu)化總結(jié)

在虹橋能源項(xiàng)目的運(yùn)行數(shù)據(jù)支持下，建立了以運(yùn)行成本最低、收益最大為目標(biāo)的數(shù)學(xué)模型，運(yùn)行優(yōu)化包括負(fù)荷統(tǒng)計(jì)、確定工況、開機(jī)方式、模型計(jì)算等步驟。在相應(yīng)約束條件下，使用CPLEX、單純型法、牛頓拉夫遜法，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，改變了原有操作員人為確定運(yùn)行方式的傳統(tǒng)方法，并通過仿真驗(yàn)證了該運(yùn)行策略可提高能源中心收益6%，確認(rèn)可以為區(qū)域能源站低負(fù)荷運(yùn)行提供運(yùn)行指導(dǎo)。

方式一3.033.1051309.52101.501386.3725.2113.94%方式二3.030.0573.0482334.61076.41400.62243.2-1166.9110.92%方式三1.5761.4543.1051435.21975.86492485.3-509.586.88%方式四1.5761.4540.0573.0482300.51110.51889.83352.2-2241.790.28%……推薦方式3.030.0573.0482334.61076.41400.62243.2-1166.9110.92%

主要優(yōu)化運(yùn)行結(jié)論如下：

（1）分布式供能系統(tǒng)運(yùn)行的條件是用戶有冷熱負(fù)荷，分布式供能機(jī)組單獨(dú)發(fā)電不經(jīng)濟(jì)；

（2）在固定的冷負(fù)荷需求下，分布式供冷+余電上網(wǎng)的模式運(yùn)行費(fèi)用高于冷水機(jī)組。

（3）分布式供能熱/電聯(lián)產(chǎn)熱成本低于燃?xì)鉄崴仩t；

最佳的方式是分布式供能的電力全部用于冷水機(jī)組制冷和站內(nèi)循環(huán)設(shè)備供電。

（4）總體運(yùn)行建議

當(dāng)冷負(fù)荷低于4MW時(shí)，優(yōu)先開啟冷水機(jī)組對(duì)用戶供冷和對(duì)蓄冷水槽儲(chǔ)能；當(dāng)冷負(fù)荷大于4MW時(shí)，分布式供能機(jī)組+電制冷空調(diào)供能；當(dāng)冷負(fù)荷達(dá)到5MW以上時(shí)，分布式供能冷+冷水機(jī)組+余電上網(wǎng)或購電。

在熱負(fù)荷大于1.4MW且余熱設(shè)備運(yùn)行良好的情況下推薦盡量采用分布式供能供熱，熱負(fù)荷小于1.4MW采用燃?xì)忮仩t供熱。

起始時(shí)間段離心機(jī)溴化鋰總成本蓄/放冷量熱負(fù)荷熱水鍋爐 余熱鍋爐 總收益 分布式供能收益燃?xì)獬杀居秒姵杀灸茉淳C合利用率0：00 1：00 2：00 3：00 4：00 5：00 6：00 7：00 8：00 9：00 10：00 11：00 12：00 13：00 14：00 15：00 16：00 17：00 18：00 19：00 20：00 21：00 22：00 23：00總計(jì)1：00 2：00 3：00 4：00 5：00 6：00 7：00 8：00 9：00 10：00 11：00 12：00 13：00 14：00 15：00 16：00 17：00 18：00 19：00 20：00 21：00 22：00 23：00 0：00負(fù)荷(MW)冷負(fù)荷6.4 0.8 169.2%52.2%0.8 1.9 8.77 11.08 9.15 10.28 12.19 7.45 11.43 8.59 4.05 3.15 4 5.6 4.2 4.4 4.8 3.4 6.531 0.816 5.307 5.307 5.307 5.307 5.307 5.307 5.307 5.307 5.307 5.307 5.307 5.307 5.307 5.307 5.307 5.307 5.307 5.307 1.454 1.454 1.454 1.454 1.454 1.454 1.454 1.454 1.454 1.454 1.454 1.454 1.454 1.454 1.454 1.454 1.454 1.454 1106.0 927.6 1905.7 1905.7 1905.7 1905.7 1905.7 1905.7 1905.7 1905.7 1905.7 1905.7 1905.7 1905.7 1905.7 1905.7 1905.7 1905.7 1905.7 1905.7 1109.0 1109.0 1109.0 1109.0 1109.0 1109.0 1109.0 1109.0 1109.0 1109.0 1109.0 1109.0 1109.0 1109.0 1109.0 1109.0 1109.0 1109.0 1109.0 1109.0 22.9%54.3%250.5%316.4%261.3%293.6%348.1%212.8%326.4%245.3%115.7%90.0%114.2%159.9%102.873 26.172 6.761 6.761 6.761 6.761 5.945 4.822-2.188-4.545-2.576-3.729-5.678-0.841-4.902-2.004 2.628 3.547 2.679 1.047-4.286-4.49-4.898-3.469 4.106 2268.4-8.0-1109.0-1109.0-1109.0-1109.0-658.6-39.3 3828.6 5129.1 4042.5 4678.7 5754.0 3085.4 5326.1 3727.2 1171.2 664.5 1143.0 2043.8 2238.2 2350.8 2576.0 1787.8 46673.8 1334.8 458.4 1109.0 1109.0 1109.0 1109.0 1109.0 1109.0 1109.0 1109.0 1109.0 1109.0 1109.0 1109.0 1109.0 1109.0 1109.0 1109.0 1109.0 1109.0 126.4 126.4 126.4 126.4 22259.9 36336.1 22179.6 225.8-650.5 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 126.4 126.4 126.4 126.4 80.3 174.1%

5 對(duì)于區(qū)域能源項(xiàng)目建設(shè)的建議

本項(xiàng)目的運(yùn)行優(yōu)化研究，其本質(zhì)可以看作是一項(xiàng)消缺完善的工作，重點(diǎn)解決初始設(shè)計(jì)運(yùn)行模式已不能適應(yīng)或運(yùn)行能耗成本過高的問題。在研究中，我們深切認(rèn)識(shí)到區(qū)域能源項(xiàng)目是負(fù)荷達(dá)產(chǎn)緩慢的長周期、重資產(chǎn)項(xiàng)目，與建設(shè)一個(gè)電廠完全不同。為減少類似項(xiàng)目投運(yùn)初期的困境，更好發(fā)揮區(qū)域能源項(xiàng)目的規(guī)模優(yōu)勢(shì)，有以下建議：

5.1 引入動(dòng)態(tài)分期建設(shè)的思想

充分認(rèn)識(shí)科學(xué)規(guī)劃建設(shè)分期的重要性，按項(xiàng)目實(shí)際情況，建立臨時(shí)供能系統(tǒng)，初期供能系統(tǒng)、設(shè)備分期投入等計(jì)劃的籌劃，科學(xué)規(guī)劃項(xiàng)目建設(shè)的分期，是解決區(qū)域能源項(xiàng)目初期運(yùn)行的關(guān)鍵。

5.2 重視設(shè)計(jì)方案與建設(shè)的匹配

鑒于分期建設(shè)的概念，供能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案必須與之相匹配，核心是兼顧初期運(yùn)行的低負(fù)荷、長期的余量規(guī)劃。

設(shè)計(jì)的運(yùn)行方案不再簡單以負(fù)荷率為基礎(chǔ)進(jìn)行，應(yīng)按項(xiàng)目建成后預(yù)期可能的負(fù)荷增長情況展開。

5.3 建立智慧能源運(yùn)行管理系統(tǒng)

運(yùn)行管理系統(tǒng)應(yīng)建立以成本、能效、安全等多目標(biāo)控制的運(yùn)行控制策略，不再簡單地以可運(yùn)行為主，應(yīng)涵蓋負(fù)荷預(yù)測(cè)、優(yōu)化策略、評(píng)估體系等功能，并進(jìn)一步對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行深度的開發(fā)應(yīng)用，建立完善能適應(yīng)運(yùn)行、預(yù)測(cè)、分析、管理為一體的能源智慧管理系統(tǒng)。