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        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

        2016-05-30 19:18:19謝錦芳
        科技尚品 2016年8期
        關(guān)鍵詞:天然氣

        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(fù)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J(rèn)MS 624GS-N.L 燃?xì)鈨?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?xì)鉄崴仩t+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(fù)荷。負(fù)荷谷期,將冷、熱水輸送到蓄水罐儲存;負(fù)荷峰期,適當(dāng)開啟燃?xì)鉄崴仩t、離心式冷水機組,同時蓄水罐釋能調(diào)峰,滿足冷、熱負(fù)荷需求。燃?xì)鈨?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(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(fù)荷信息、能耗信息以及過程數(shù)據(jù)等,對廠區(qū)的逐時負(fù)荷及逐日負(fù)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(fù)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(fù)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(dá)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(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”,即為每時每刻負(fù)荷需求為一確定值。本服務(wù)平臺中,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。針對國家會展中心項目提出優(yōu)化控制策略,首先進行廠級負(fù)荷優(yōu)化分配,而后給出負(fù)荷實現(xiàn)方式的優(yōu)化及其調(diào)控策略。

        廠級負(fù)荷優(yōu)化分配是指完成電負(fù)荷、空調(diào)冷/熱負(fù)荷在多臺機組間的動態(tài)優(yōu)化分配,尖峰負(fù)荷工況時蓄冷蓄熱罐的調(diào)峰負(fù)荷分配及各供能機組之間的負(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(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)荷實現(xiàn)方式的優(yōu)化及調(diào)控是指基于廠級負(fù)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(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(fù)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(fù)荷預(yù)測

        負(fù)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(fù)荷需求模型,預(yù)測全天二十四小時的負(fù)荷需求曲線;預(yù)測峰谷負(fù)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(fù)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(fù)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(fù)荷預(yù)測模型,逐時預(yù)測用戶負(fù)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(fù)荷需求曲線,并根據(jù)實時負(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(fù)荷需求。

        (2)多機組負(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)各機組的在線性能計算方法;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(fù)荷優(yōu)化分配。根據(jù)保證會展綜合體用戶冷熱負(fù)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(fù)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?xì)鈨?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(fù)荷運行曲線,形成相應(yīng)的負(fù)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(fù)荷動態(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?xì)鈨?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(fù)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?xì)鈨?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(fù)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(dá)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)

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