謝錦芳

摘 要：智能優(yōu)化控制服務(wù)平臺(tái)以國家會(huì)展中心天然氣分布式能源項(xiàng)目為研發(fā)和應(yīng)用對象，旨在解決能源中心運(yùn)行時(shí)存在負(fù)荷隨機(jī)變化大、機(jī)組耦合性強(qiáng)、運(yùn)行方式多變、調(diào)度形式復(fù)雜、經(jīng)濟(jì)敏感度高等實(shí)際問題，確保能源站按照經(jīng)濟(jì)高效方式運(yùn)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(huì)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(huì)展中心（上海）分布式能源站建設(shè)6 臺(tái)顏巴赫J(rèn)MS 624GS-N.L 燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)（4.4MW）+6臺(tái)雙良4.0MW煙氣熱水型溴化鋰機(jī)組+ 10 臺(tái)7032kW離心式冷水機(jī)組+2臺(tái)7.0MW燃?xì)鉄崴仩t+2座12000m?蓄水罐。內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)中，內(nèi)燃機(jī)消耗天然氣驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)對外提供電力，內(nèi)燃機(jī)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(jī)回收利用，向外提供冷、熱負(fù)荷。負(fù)荷谷期，將冷、熱水輸送到蓄水罐儲(chǔ)存；負(fù)荷峰期，適當(dāng)開啟燃?xì)鉄崴仩t、離心式冷水機(jī)組，同時(shí)蓄水罐釋能調(diào)峰，滿足冷、熱負(fù)荷需求。燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)通過35kV線路并網(wǎng)發(fā)電，可以實(shí)現(xiàn)與地區(qū)電網(wǎng)“互通有無”，加強(qiáng)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(xiàng)目平臺(tái)系統(tǒng)主要由一套實(shí)時(shí)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(jī)柜3個(gè)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(jì)算機(jī)）和優(yōu)化站供電（T3600計(jì)算機(jī)）；控制機(jī)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(jī)柜并列布置。智能運(yùn)行優(yōu)化系統(tǒng)（iDOS）的能效站、優(yōu)化站、控制機(jī)柜三者同時(shí)掛在DCS系統(tǒng)A/B網(wǎng)上，實(shí)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(tái)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(fù)荷數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的硬件架構(gòu)圖如圖1所示。

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

優(yōu)化站負(fù)責(zé)對全廠冷、熱、電供能機(jī)組運(yùn)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(fù)荷及機(jī)組的實(shí)時(shí)性能計(jì)算結(jié)果，以全廠經(jīng)濟(jì)效益最大為目標(biāo)，以機(jī)組能效為約束條件，通過在線計(jì)算，得到機(jī)組的最佳運(yùn)行方式，給出相應(yīng)的運(yùn)行決策優(yōu)化指令。決策優(yōu)化指令通過iDOS控制機(jī)柜下達(dá)至DCS控制系統(tǒng)，給出機(jī)組的運(yùn)行優(yōu)化控制策略。

2.2 基本方法與原則

基于國家會(huì)展中心項(xiàng)目實(shí)際情況，能源站必須做到按量、及時(shí)供應(yīng)每天所需電負(fù)荷、空調(diào)冷/熱負(fù)荷，亦即負(fù)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(shí)每刻負(fù)荷需求為一確定值。本服務(wù)平臺(tái)中，這一確定的負(fù)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(fù)荷預(yù)測軟件模塊獲得。針對國家會(huì)展中心項(xiàng)目提出優(yōu)化控制策略，首先進(jìn)行廠級(jí)負(fù)荷優(yōu)化分配，而后給出負(fù)荷實(shí)現(xiàn)方式的優(yōu)化及其調(diào)控策略。

廠級(jí)負(fù)荷優(yōu)化分配是指完成電負(fù)荷、空調(diào)冷/熱負(fù)荷在多臺(tái)機(jī)組間的動(dòng)態(tài)優(yōu)化分配，尖峰負(fù)荷工況時(shí)蓄冷蓄熱罐的調(diào)峰負(fù)荷分配及各供能機(jī)組之間的負(fù)荷協(xié)同優(yōu)化分配。該負(fù)荷分配算法基本遵循能源的梯級(jí)利用原則，按照內(nèi)燃機(jī)-溴化鋰機(jī)組優(yōu)先控制，電制冷和熱水鍋爐次優(yōu)控制邏輯實(shí)現(xiàn)機(jī)組的負(fù)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(fù)荷需求。

負(fù)荷實(shí)現(xiàn)方式的優(yōu)化及調(diào)控是指基于廠級(jí)負(fù)荷優(yōu)化分配結(jié)果，以實(shí)現(xiàn)全廠經(jīng)濟(jì)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(shí)現(xiàn)的主要功能

本優(yōu)化控制系統(tǒng)實(shí)施后，可對用戶側(cè)（國家會(huì)展中心熱力站）的用能情況進(jìn)行監(jiān)控，并將用戶側(cè)負(fù)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(yùn)行方式進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對二次泵系統(tǒng)進(jìn)行控制。不僅可以保證供能質(zhì)量，同時(shí)可以節(jié)省水泵耗電。當(dāng)會(huì)展中心用能負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，能提前發(fā)出指令對水泵的運(yùn)行工況進(jìn)行調(diào)整。

系統(tǒng)主要功能包括：

（1）超短期冷、熱電負(fù)荷預(yù)測

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

軟件基于冷、熱負(fù)荷隨季節(jié)和時(shí)刻的變化規(guī)律以及中國博覽會(huì)會(huì)展綜合體的用戶類型等信息，分別建立冷、熱負(fù)荷預(yù)測模型，逐時(shí)預(yù)測用戶負(fù)荷；通過模型校驗(yàn)（引入周期因子、突變因子等）及實(shí)際運(yùn)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(shí)的負(fù)荷需求曲線，并根據(jù)實(shí)時(shí)負(fù)荷曲線在線修正預(yù)測曲線，使之更加準(zhǔn)確地反映負(fù)荷需求的變化情況；軟件能夠根據(jù)負(fù)荷預(yù)測曲線提前確定運(yùn)行工況，使系統(tǒng)按照最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式，主動(dòng)響應(yīng)負(fù)荷需求。

（2）多機(jī)組負(fù)荷優(yōu)化分配

系統(tǒng)通過已建立的負(fù)荷預(yù)測模塊，確定站內(nèi)各機(jī)組的在線性能計(jì)算方法；根據(jù)冷熱負(fù)荷的需求，在滿足所考核的能源利用效率前提下，建立負(fù)荷動(dòng)態(tài)優(yōu)化分配模型，自動(dòng)尋優(yōu)計(jì)算方法，以實(shí)現(xiàn)全廠經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)為目標(biāo)，對各供能設(shè)備進(jìn)行動(dòng)態(tài)負(fù)荷優(yōu)化分配。根據(jù)保證會(huì)展綜合體用戶冷熱負(fù)荷需求的供能要求，機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)余熱可以滿足項(xiàng)目穩(wěn)定的冷熱負(fù)荷需求，不足部分通過冷熱調(diào)峰設(shè)備滿足會(huì)展綜合體的用能需求；燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)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(jì)劃內(nèi)的電力調(diào)度、供熱/供冷調(diào)度的指令、機(jī)組自身狀態(tài)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，給出最佳運(yùn)行負(fù)荷運(yùn)行曲線，形成相應(yīng)的負(fù)荷優(yōu)化分配控制策略。

（3）運(yùn)行優(yōu)化

供冷/熱方式優(yōu)化與調(diào)控軟件模塊基于負(fù)荷動(dòng)態(tài)優(yōu)化分配軟件功能，在滿足用戶能源負(fù)荷要求的前提下，以實(shí)現(xiàn)能源中心整體經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)為目標(biāo)，對變工況下供能方式進(jìn)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(yùn)行策略，形成相應(yīng)設(shè)備的運(yùn)行優(yōu)化指令，包括燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)、煙氣熱水型溴化鋰吸收式制冷機(jī)、離心冷水機(jī)組、熱水鍋爐與蓄水罐的運(yùn)行工況及其相互之間的協(xié)調(diào)匹配等，該運(yùn)行優(yōu)化指令通過DCS系統(tǒng)調(diào)控相應(yīng)機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)。

（4）實(shí)時(shí)性能計(jì)算

實(shí)時(shí)性能計(jì)算是能源站運(yùn)行優(yōu)化的重要環(huán)節(jié)，通過對廠級(jí)、機(jī)組級(jí)、設(shè)備級(jí)的性能指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，為負(fù)荷分配、決策優(yōu)化提供指導(dǎo)。本項(xiàng)目所提供的實(shí)時(shí)性能計(jì)算軟件，包括對燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)、溴化鋰機(jī)組、冷水機(jī)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(jì)算方法，綜合考慮了天然氣價(jià)、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(jī)組設(shè)備的輸入信息得到輸出信息，從而得到不同負(fù)荷條件下，機(jī)組的效率、功率、排放等性能。

（5）能效評(píng)估管理

對冷熱源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的各性能指標(biāo)進(jìn)行計(jì)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(jī)組運(yùn)行效率、冷卻水輸送系數(shù)（WTFcw）、蓄冷效率等，評(píng)估分析不同冷熱源系統(tǒng)設(shè)備基于時(shí)間性偏差的運(yùn)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(shí)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(jì)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(jī)COP等。

3 結(jié)束語

分布式能源是一個(gè)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(tái)可實(shí)現(xiàn)對分布式能源站運(yùn)行實(shí)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(dá)到高效低耗、經(jīng)濟(jì)匹配、可靠安全的運(yùn)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(jìn)當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展有積極作用。通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)測算，本項(xiàng)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(jì)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(tái)通過在上海國家會(huì)展中心分布式能源站進(jìn)行示范應(yīng)用，積累數(shù)據(jù)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，對智能優(yōu)化控制系統(tǒng)進(jìn)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(jì)社會(huì)效益，具有良好的社會(huì)效益。

參考文獻(xiàn)

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[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）