謝錦芳

摘 要：智能優(yōu)化控制服務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、調度形式復雜、經濟敏感度高等實際問題，確保能源站按照經濟高效方式運營。

關鍵詞：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6 臺顏巴赫JMS 624GS-N.L 燃氣內燃機（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。內燃機系統(tǒng)中，內燃機消耗天然氣驅動發(fā)電機對外提供電力，內燃機的缸套水以及排煙熱量被對應的“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，適當開啟燃氣熱水鍋爐、離心式冷水機組，同時蓄水罐釋能調峰，滿足冷、熱負荷需求。燃氣內燃機通過35kV線路并網發(fā)電，可以實現與地區(qū)電網“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)化控制軟件及相應硬件設備組成，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網上，實現與DCS系統(tǒng)的無縫連接。另外，BA系統(tǒng)通過網絡接入智能優(yōu)化控制系統(tǒng)，為保證安全，iDOS配置一臺隔離服務器，用于保證網絡連接iDOS系統(tǒng)的安全，隔離服務器通過串行數據通信接入到iDOS的優(yōu)化站和能效站上，用于接收BA系統(tǒng)的負荷數據。系統(tǒng)的硬件架構圖如圖1所示。

能效站負責對機組運行數據的采集、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據等，對廠區(qū)的逐時負荷及逐日負荷（一般為7天）做出預測，對各機組設備的能耗及性能進行計算和管理發(fā)布，并將相關設備性能計算的結果共享給優(yōu)化站。

優(yōu)化站負責對全廠冷、熱、電供能機組運行方式的優(yōu)化，給出相應的決策優(yōu)化指令。優(yōu)化站基于能效站給出的預測負荷及機組的實時性能計算結果，以全廠經濟效益最大為目標，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、及時供應每天所需電負荷、空調冷/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。本服務平臺中，這一確定的負荷需求信息通過用戶（包括電網）提供的用能曲線及本系統(tǒng)之負荷預測軟件模塊獲得。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，而后給出負荷實現方式的優(yōu)化及其調控策略。

廠級負荷優(yōu)化分配是指完成電負荷、空調冷/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峰負荷分配及各供能機組之間的負荷協同優(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)控制邏輯實現機組的負荷優(yōu)化控制，通過調控蓄冷蓄熱罐的輸入輸出應對高低峰負荷需求。

負荷實現方式的優(yōu)化及調控是指基于廠級負荷優(yōu)化分配結果，以實現全廠經濟效益最優(yōu)為目標，給出全廠所有供能方式的組合優(yōu)化及相關參數的調節(jié)控制策略。

2.3 系統(tǒng)實現的主要功能

本優(yōu)化控制系統(tǒng)實施后，可對用戶側（國家會展中心熱力站）的用能情況進行監(jiān)控，并將用戶側負荷情況反饋到能源站側，通過能源站內的DCS系統(tǒng)和iDOS系統(tǒng)對能源站設備運行方式進行優(yōu)化，實現對二次泵系統(tǒng)進行控制。不僅可以保證供能質量，同時可以節(jié)省水泵耗電。當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整。

系統(tǒng)主要功能包括：

（1）超短期冷、熱電負荷預測

負荷預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，預測全天二十四小時的負荷需求曲線；預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)化調控負荷超調量，防止超調過大和滯后過多，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、熱負荷預測模型，逐時預測用戶負荷；通過模型校驗（引入周期因子、突變因子等）及實際運行數據優(yōu)化預測模型，提高預測精度；繪制全天24小時的負荷需求曲線，并根據實時負荷曲線在線修正預測曲線，使之更加準確地反映負荷需求的變化情況；軟件能夠根據負荷預測曲線提前確定運行工況，使系統(tǒng)按照最優(yōu)的經濟運行方式，主動響應負荷需求。

（2）多機組負荷優(yōu)化分配

系統(tǒng)通過已建立的負荷預測模塊，確定站內各機組的在線性能計算方法；根據冷熱負荷的需求，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，以實現全廠經濟效益最優(yōu)為目標，對各供能設備進行動態(tài)負荷優(yōu)化分配。根據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峰設備滿足會展綜合體的用能需求；燃氣內燃機發(fā)電除滿足能源站自用電外，多余電力全部采取上網模式外售。根據計劃內的電力調度、供熱/供冷調度的指令、機組自身狀態(tài)、經濟指標，給出最佳運行負荷運行曲線，形成相應的負荷優(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，以實現能源中心整體經濟效益最優(yōu)為目標，對變工況下供能方式進行優(yōu)化與調控。根據季節(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，形成相應設備的運行優(yōu)化指令，包括燃氣內燃機、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調匹配等，該運行優(yōu)化指令通過DCS系統(tǒng)調控相應機組的運行狀態(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、設備級的性能指標進行實時計算，為負荷分配、決策優(yōu)化提供指導。本項目所提供的實時性能計算軟件，包括對燃氣內燃機、溴化鋰機組、冷水機組、熱水鍋爐、蓄水罐等主要設備及其輔助設備的性能計算方法，綜合考慮了天然氣價、調峰方式、廠用電成本、電網低谷電成本等因素，根據各機組設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)經濟運行的各性能指標進行計算，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）、制冷系數能效比（EERr）、冷熱媒水輸送系數（WTFchw）、溴化鋰和電制冷機組運行效率、冷卻水輸送系數（WTFcw）、蓄冷效率等，評估分析不同冷熱源系統(tǒng)設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據，提供基于時間和環(huán)境的完整數學能耗分析模型，描述能耗的產生、變化的過程，定量解釋能耗和各種影響因素之間的關系，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的計算、管理和發(fā)布。能源指標主要包括基本能耗指標、綠色指標和自定義指標，其中基本能耗指標又包括建筑面積指標、使用面積指標、總指標、區(qū)域指標、重大耗能設備折算指標、耗能設備指標等，綠色指標包括制冷熱系統(tǒng)綜合COP、電制冷機COP等。

3 結束語

分布式能源是一個新興的能源利用和服務方式，天然氣分布式能源智能優(yōu)化控制服務平臺可實現對分布式能源站運行實現優(yōu)化控制，并以提高一次能源的轉化率為主要目標，達到高效低耗、經濟匹配、可靠安全的運營目標。提高一次能源的綜合轉化利用效率，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)境質量，加快開發(fā)區(qū)建設步伐，提高人們的生活質量水平，促進當地社會經濟的可持續(xù)發(fā)展有積極作用。通過技術經濟測算，本項目成果的應用將使該能源站的能源綜合利用效率提高1%左右，每年的經濟效益提高0.5%，使能源站的內部收益率有效提高，縮短投資回收期。

本智能優(yōu)化控制服務平臺通過在上海國家會展中心分布式能源站進行示范應用，積累數據和運行經驗，對智能優(yōu)化控制系統(tǒng)進行完善和優(yōu)化，滿足大規(guī)模推廣應用的條件，發(fā)揮創(chuàng)新成果更大的經濟社會效益，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，2016.

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

（作者單位：上海華電福新能源有限公司）