姚洋陽,邱亞鳴,胡 靜,朱 冬,陸裔晨,張 軍
(1.上海明華電力科技有限公司,上海 200090;2.上海電力綠色能源有限公司,上海 200120)
現(xiàn)今城市環(huán)境問題日益突出,霧霾頻發(fā),發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)刻不容緩[1]。分布式能源多采用天然氣、光能等清潔能源或可再生能源作為原動力,具有清潔環(huán)保、安裝運(yùn)營靈活等特點(diǎn),是實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的重要措施,同時(shí)也彌補(bǔ)了傳統(tǒng)電網(wǎng)集中式供能的不足[2-4]。近年來,隨著微型、小型動力技術(shù)及余熱利用技術(shù)的逐漸突破,分布式能源得到廣泛的關(guān)注[5]。分布式能源可以實(shí)現(xiàn)能源的梯級利用,通過耦合各類能源和轉(zhuǎn)換設(shè)備,實(shí)現(xiàn)能源的互補(bǔ),冷熱電三聯(lián)供是目前分布式能源站最常采用的多能互補(bǔ)方式[6-7]。為提高能源站的自動化水平,減輕運(yùn)行人員負(fù)擔(dān),提出了“無人值班,少人值守”的管理理念,對分布式能源控制系統(tǒng)提出了更高的要求,實(shí)現(xiàn)分布式能源站“全自動運(yùn)行”成為亟待解決的問題[8-9]。
目前,對多能互補(bǔ)分布式能源站“全自動運(yùn)行”策略的研究主要集中在負(fù)荷預(yù)測與負(fù)荷分配運(yùn)行策略方面。羅必雄通過對分布式能源站系統(tǒng)集成和優(yōu)化運(yùn)行控制策略的研究,提出了分布式能源站在經(jīng)濟(jì)工況下的有效運(yùn)行方案,為能源站的全自動運(yùn)行提供了強(qiáng)有力的支持,但缺乏實(shí)踐的檢驗(yàn)[10]。崔瓊等歸納總結(jié)了分布式能源系統(tǒng)容量配置及優(yōu)化調(diào)度的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,為后續(xù)優(yōu)化運(yùn)行研究提供了重要參考[11]。王禹等建立了分布式能源協(xié)同運(yùn)行優(yōu)化模型,綜合考慮設(shè)備約束和系統(tǒng)約束、運(yùn)行成本和環(huán)境成本,采用改進(jìn)粒子群優(yōu)化算法求解最優(yōu)運(yùn)行策略,但并沒有對運(yùn)行策略在能源站的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行深入研究[12]。目前在分布式能源設(shè)備控制層對協(xié)調(diào)控制最優(yōu)運(yùn)行策略進(jìn)行實(shí)施的研究不足。邱亞鳴等研究并實(shí)施了基于西門子PCS7 控制系統(tǒng)的分布式能源站自動控制方案,但該方法需要人工干預(yù)的流程較多,順控過程中出現(xiàn)故障之后無法自行修復(fù),系統(tǒng)運(yùn)行靈活性不足[13]。張愛平等研究了子系統(tǒng)所需要的程控,提出了一鍵啟停的初步方案,但其設(shè)備數(shù)量較少,設(shè)備類型不多,采用枚舉法進(jìn)行全自動控制,不具備普適性[14]。與傳統(tǒng)火電、燃機(jī)電廠相比,分布式能源站主機(jī)設(shè)備多元性強(qiáng),供能方式更靈活,及時(shí)有效地全自動執(zhí)行優(yōu)化運(yùn)行策略是提升分布式能源經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵所在[15-19]。
本文以前灘分布式能源站為對象,提出了一種全自動運(yùn)行的解決方案,重點(diǎn)解決了分布式能源站母管制系統(tǒng)下設(shè)備全自動運(yùn)行控制問題。
前灘分布式能源站采用冷熱電三聯(lián)供的制能形式,利用天然氣驅(qū)動內(nèi)燃機(jī)供電,再通過各種余熱利用設(shè)備對余熱進(jìn)行回收利用。分布式能源站核心供能設(shè)備配置情況如表1 所示,能源站供能設(shè)備較多,給能源站全自動控制增加了難度。
如圖1 所示,以大冷機(jī)制冷工況為例介紹前灘母管制系統(tǒng),大冷機(jī)、一次泵、冷卻泵、冷卻塔風(fēng)機(jī)各自組成自己的母管分系統(tǒng),母管制系統(tǒng)可以提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性,同時(shí)其運(yùn)行靈活,有利于設(shè)備檢修。當(dāng)母管分系統(tǒng)中有部分設(shè)備不具備啟動條件時(shí),可以啟動分系統(tǒng)中的其余設(shè)備,以保證各輔機(jī)母管分系統(tǒng)運(yùn)行情況滿足主機(jī)設(shè)備母管分系統(tǒng)運(yùn)行要求,比如冷凍水、冷卻水流量滿足,冷卻水回水溫度滿足等。
母管制設(shè)計(jì)增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性,但也提高了控制難度,前灘能源站的大、小冷機(jī)和風(fēng)冷熱泵等制能設(shè)備,及其附屬的一次泵、二次泵、冷卻塔等輔機(jī)均采取母管制運(yùn)行策略,程控?zé)o法采用簡單的單元制控制方式,且在系統(tǒng)運(yùn)行過程中隨時(shí)可能會出現(xiàn)設(shè)備故障、流量不足或者溫度過高(過低)等異常情況,因此不能僅靠程控來實(shí)現(xiàn)能源站的全自動運(yùn)行,還需在程控指令的基礎(chǔ)上,實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù),及時(shí)對運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行調(diào)整,確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。
表1 前灘分布式能源站核心供能設(shè)備配置
圖1 大冷機(jī)制冷工況母管制工藝流程
本文研究了一種基于母管分系統(tǒng)控制的分布式能源站全自動運(yùn)行策略,控制目標(biāo)圍繞所需運(yùn)行的設(shè)備臺數(shù)展開,為了綜合考慮負(fù)荷分配系統(tǒng)需求及運(yùn)行過程中異常狀況出現(xiàn)的情況,分為程控自動控制和參數(shù)監(jiān)測臺數(shù)控制兩套系統(tǒng)對運(yùn)行臺數(shù)進(jìn)行控制。能源站全自動控制系統(tǒng)框架如圖2 所示,綜合考慮了程控及參數(shù)監(jiān)測聯(lián)(閉)鎖臺數(shù)計(jì)算系統(tǒng)對設(shè)備運(yùn)行臺數(shù)的需求,將需求發(fā)送給母管設(shè)備臺數(shù)控制系統(tǒng),由其對相應(yīng)的母管設(shè)備進(jìn)行啟停控制,使各母管分系統(tǒng)運(yùn)行設(shè)備臺數(shù)滿足需求。
程控主要接收來自負(fù)荷分配系統(tǒng)下發(fā)的優(yōu)化運(yùn)行指令,包括各供能程控運(yùn)行的套數(shù)及運(yùn)行時(shí)間段,在程控系統(tǒng)執(zhí)行過程中,根據(jù)當(dāng)前執(zhí)行步驟的需要,將所需運(yùn)行的設(shè)備臺數(shù)送到當(dāng)前需要執(zhí)行命令的母管設(shè)備臺數(shù)控制分系統(tǒng),由母管設(shè)備臺數(shù)控制系統(tǒng)對相應(yīng)設(shè)備發(fā)出啟停指令。
參數(shù)監(jiān)測聯(lián)(閉)鎖臺數(shù)計(jì)算系統(tǒng)主要用來接收壓力、溫度、流量等參數(shù),在運(yùn)行過程中,需要根據(jù)參數(shù)波動實(shí)時(shí)進(jìn)行運(yùn)行設(shè)備調(diào)整,參數(shù)監(jiān)測臺數(shù)控制系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)計(jì)算出需要各母管分系統(tǒng)增減運(yùn)行設(shè)備的臺數(shù),保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定。例如,當(dāng)冷凍水、冷卻水流量不足時(shí),可以實(shí)時(shí)計(jì)算出一次泵和冷卻泵需要增運(yùn)的臺數(shù),并發(fā)送相應(yīng)啟動指令投運(yùn)。
目前市面上的控制系統(tǒng)沒有針對分布式能源站多臺設(shè)備的控制模塊,無法很好地進(jìn)行母管制多臺設(shè)備間的協(xié)調(diào)控制。因此,基于SCL 編程語言自定義開發(fā)了母管設(shè)備臺數(shù)控制模塊與參數(shù)監(jiān)測聯(lián)(閉)鎖臺數(shù)計(jì)算模塊,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了分布式能源站母管制系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行臺數(shù)的全自動控制。
全自動控制的主體是程控控制,程控需要接收來自負(fù)荷分配系統(tǒng)的信息并進(jìn)行判斷分析,最終發(fā)出啟停指令。前灘分布式能源站負(fù)荷分配系統(tǒng)以單日運(yùn)行成本最低為目標(biāo),分別給出峰谷平時(shí)間段各系統(tǒng)需運(yùn)行的套數(shù)及其運(yùn)行時(shí)長,DCS(分散控制系統(tǒng))則根據(jù)接收到的運(yùn)行套數(shù)和運(yùn)行時(shí)長信息,實(shí)現(xiàn)能源站的全自動運(yùn)行。
能源站程控自動控制流程如圖3 所示,各供能程控系統(tǒng)均實(shí)時(shí)監(jiān)測負(fù)荷分配系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù),當(dāng)?shù)竭_(dá)自身供能時(shí)間段時(shí),實(shí)時(shí)判斷現(xiàn)運(yùn)行系統(tǒng)套數(shù)與所需要套數(shù)之間的關(guān)系。圖3 中,M表示所需要該供能系統(tǒng)運(yùn)行的套數(shù),m 表征該系統(tǒng)正在運(yùn)行的套數(shù)(若現(xiàn)在需要的是大冷機(jī)供冷系統(tǒng),則1 臺大冷機(jī)供冷環(huán)路成為1 套系統(tǒng),以此類推)。
當(dāng)M>m 時(shí),現(xiàn)供能能力不足以滿足供能需求,需要增加主機(jī)運(yùn)行臺數(shù)以提高供能出力,在啟動主機(jī)之前先確認(rèn)運(yùn)行工況,若工況未切換,則先運(yùn)行工況切換程控,待工況切換完成之后運(yùn)行相應(yīng)供能系統(tǒng)啟動程控。在供能程控運(yùn)行過程中,每一組母管分系統(tǒng)設(shè)備對應(yīng)一個(gè)“母管設(shè)備臺數(shù)控制”模塊,按照啟動工藝流程,當(dāng)需要啟動某母管分系統(tǒng)設(shè)備時(shí),“母管設(shè)備臺數(shù)控制”模塊會對相應(yīng)設(shè)備發(fā)出啟動指令,等待該母管分系統(tǒng)設(shè)備啟動完成之后再運(yùn)行程控下一步操作,直至程控結(jié)束,供能系統(tǒng)運(yùn)行套數(shù)滿足所需要求。
當(dāng)M<m 時(shí),現(xiàn)運(yùn)行供能能力超過供能需求,需要減少主機(jī)運(yùn)行臺數(shù)降低供能出力節(jié)約能源,此時(shí)自動運(yùn)行供能系統(tǒng)停止程控,按照停止工藝流程,當(dāng)需要停止某母管分系統(tǒng)設(shè)備時(shí),該母管分系統(tǒng)對應(yīng)的“母管設(shè)備臺數(shù)控制”會向相應(yīng)的設(shè)備發(fā)出停止指令,等待該母管分系統(tǒng)設(shè)備停止完成之后再運(yùn)行程控下一步操作,直至程控結(jié)束,供能系統(tǒng)運(yùn)行套數(shù)滿足所需要求。
圖2 能源站全自動控制框架
程控控制流程按照工藝流程設(shè)計(jì),只是在對主、輔機(jī)進(jìn)行啟停操作時(shí)將需要的運(yùn)行設(shè)備臺數(shù)傳送給對應(yīng)的“母管設(shè)備臺數(shù)控制”模塊,由母管設(shè)備臺數(shù)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)備啟停操作,從而實(shí)現(xiàn)單套程控程序同時(shí)啟停多套供能設(shè)備的功能。
能源站運(yùn)行過程中,難免會出現(xiàn)流量不足、壓力過低、溫度不滿足或設(shè)備故障等情況,“參數(shù)監(jiān)測臺數(shù)控制”功能塊可以在程控的基礎(chǔ)上,實(shí)時(shí)計(jì)算各母管分系統(tǒng)所需增減的運(yùn)行設(shè)備臺數(shù),將該增減臺數(shù)指令傳送給對應(yīng)的“母管設(shè)備臺數(shù)控制”模塊,保證系統(tǒng)參數(shù)的穩(wěn)定。
根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)實(shí)時(shí)計(jì)算得到設(shè)備所需增減臺數(shù),功能通過編寫邏輯代碼實(shí)現(xiàn),輸入的參數(shù)有:監(jiān)測參數(shù)、設(shè)備臺數(shù)、高參數(shù)定值、低參數(shù)定值、高定值監(jiān)測周期、低定值監(jiān)測周期、增減模式選擇和復(fù)位,輸出參數(shù)為所需運(yùn)行設(shè)備變化臺數(shù)。
該“參數(shù)監(jiān)測聯(lián)閉鎖臺數(shù)計(jì)算”功能塊有兩種增減模式選擇。在模式1 的情況下,監(jiān)測參數(shù)高于高定值時(shí)需要減少運(yùn)行臺數(shù),低于低定值時(shí)需要增加運(yùn)行臺數(shù),適用于冷凍水、冷卻水母管流量等控制;在模式2 的情況下,監(jiān)測參數(shù)高于高定值時(shí)需要增加運(yùn)行臺數(shù),低于低定值時(shí)需要減少臺數(shù),適用于冷卻塔回水溫度等的控制。
“參數(shù)監(jiān)測聯(lián)(閉)鎖臺數(shù)計(jì)算”功能塊運(yùn)行流程如圖4 所示,以模式1 為例,“所需運(yùn)行設(shè)備變化臺數(shù)”原始值為0,即不需要增減運(yùn)行設(shè)備臺數(shù)。當(dāng)監(jiān)測參數(shù)小于低定值時(shí)“所需運(yùn)行設(shè)備變化臺數(shù)”開始計(jì)數(shù),一個(gè)低定值周期后若監(jiān)測參數(shù)仍小于低定值,則“所需運(yùn)行設(shè)備變化臺數(shù)”加1,以此類推,若下一個(gè)低定值周期后監(jiān)測參數(shù)仍小于低定值,則“所需運(yùn)行設(shè)備變化臺數(shù)”再加1?!八柽\(yùn)行設(shè)備變化臺數(shù)”增加臺數(shù)的上限為總臺數(shù)減去已運(yùn)行臺數(shù)。
同理,當(dāng)監(jiān)測參數(shù)大于高定值,一個(gè)高定值周期后若監(jiān)測參數(shù)仍大于低定值,則“所需運(yùn)行設(shè)備變化臺數(shù)”減1,以此類推,若下一個(gè)高定值周期后監(jiān)測參數(shù)仍大于低定值,則“所需運(yùn)行設(shè)備變化臺數(shù)”再減1?!八柽\(yùn)行設(shè)備變化臺數(shù)”減少臺數(shù)的上限為已運(yùn)行臺數(shù)。
圖3 能源站程控自動控制流程
“參數(shù)監(jiān)測聯(lián)(閉)鎖臺數(shù)計(jì)算”功能塊的復(fù)位引腳用于輸出復(fù)位,當(dāng)給復(fù)位引腳置1 后,輸出的“所需運(yùn)行設(shè)備變化臺數(shù)”賦0;當(dāng)復(fù)位引腳重新置0 后,繼續(xù)進(jìn)行聯(lián)(閉)鎖臺數(shù)運(yùn)算。
分布式能源站母管制系統(tǒng)中可運(yùn)行設(shè)備數(shù)量較多,為準(zhǔn)確啟停設(shè)備,設(shè)計(jì)了優(yōu)先級系統(tǒng),具體分為手動優(yōu)先級和自動優(yōu)先級兩套系統(tǒng),運(yùn)行人員可以通過控制畫面進(jìn)行優(yōu)先級系統(tǒng)切換。手動優(yōu)先級由運(yùn)行人員通過運(yùn)行畫面設(shè)定,根據(jù)設(shè)備總臺數(shù)進(jìn)行定義,如風(fēng)冷熱泵有21 臺,則每臺風(fēng)冷熱泵的優(yōu)先級可設(shè)置為1~21 的任一非重復(fù)整數(shù),且內(nèi)部設(shè)計(jì)了優(yōu)先級閉鎖邏輯,保證設(shè)備優(yōu)先級不會重復(fù)。自動優(yōu)先級由控制系統(tǒng)自動判斷定義,根據(jù)設(shè)備運(yùn)行時(shí)長進(jìn)行排序。若設(shè)備總臺數(shù)為N,則運(yùn)行時(shí)長最短的設(shè)備為優(yōu)先級1,以此類推,運(yùn)行時(shí)長最長的設(shè)備為優(yōu)先級N,每臺設(shè)備的優(yōu)先級均為1~N 的不等整數(shù)。
本文基于SCL 語言編譯“母管設(shè)備臺數(shù)控制”模塊,為程控控制及參數(shù)監(jiān)測聯(lián)(閉)鎖增減運(yùn)行設(shè)備臺數(shù)控制提供設(shè)備管理服務(wù),接收兩者發(fā)出的臺數(shù)控制信息,進(jìn)行相應(yīng)設(shè)備的啟停操作,實(shí)現(xiàn)能源站的全自動控制。
“母管設(shè)備臺數(shù)控制”模塊輸入、輸出參數(shù)如表2 所示。
母管設(shè)備控制策略如圖5 所示,當(dāng)運(yùn)行設(shè)備臺數(shù)大于需要的臺數(shù)(N>NNeed)時(shí),“母管設(shè)備臺數(shù)控制”模塊可以綜合評估各設(shè)備的優(yōu)先級、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和停止允許條件,給具備停止允許條件且運(yùn)行中的優(yōu)先級最大的N-NNeed 臺設(shè)備發(fā)送停止指令信號,直至設(shè)備運(yùn)行臺數(shù)等于所需要的設(shè)備臺數(shù)(N=NNeed);當(dāng)設(shè)備運(yùn)行臺數(shù)等于需要的臺數(shù)(N=NNeed)時(shí),不發(fā)出啟動或停止指令,設(shè)備維持現(xiàn)狀運(yùn)行;當(dāng)系統(tǒng)檢測到設(shè)備臺數(shù)小于需要的臺數(shù)(N<NNeed)時(shí),“母管設(shè)備臺數(shù)控制”模塊通過對各設(shè)備的優(yōu)先級、運(yùn)行狀態(tài)和啟動允許條件進(jìn)行綜合判斷,給具備啟動允許條件且停運(yùn)中的優(yōu)先級最小的NNeed-N 臺設(shè)備發(fā)送啟動指令信號,直至設(shè)備運(yùn)行臺數(shù)等于所需要的設(shè)備臺數(shù)(N=NNeed),為防止同一電氣母線上的設(shè)備同時(shí)啟動造成瞬時(shí)電流過載,引起線路故障,每兩個(gè)相鄰啟動指令間隔3 s 發(fā)出。
表2 “母管設(shè)備臺數(shù)控制”模塊接口清單
圖4 參數(shù)監(jiān)測聯(lián)(閉)鎖增減運(yùn)行設(shè)備臺數(shù)控制策略
以空氣源熱泵制冷工況為例,將空氣源制冷程控相關(guān)設(shè)備均切換至自動模式,初始狀態(tài)下空氣源熱泵均在停止?fàn)顟B(tài),通過負(fù)荷分配系統(tǒng)給定空氣源熱泵制冷在13:00—13:30 需要運(yùn)行3 套,空氣源熱泵制冷程控監(jiān)測到運(yùn)行臺數(shù)不足之后自動啟動,按照工藝流程,先進(jìn)行空氣源熱泵制冷工況切換,之后開啟滿足要求的空氣源熱泵進(jìn)口閥門,進(jìn)口閥開到位之后啟動空氣源熱泵一次泵,當(dāng)冷凍水流量滿足空氣源熱泵啟動條件之后,啟動優(yōu)先級較低且滿足啟動條件的3 臺空氣源熱泵。在程控運(yùn)行過程中,若存在空氣源熱泵啟動失敗的情況,則關(guān)閉該空氣源熱泵進(jìn)口閥,并尋找下一個(gè)優(yōu)先級設(shè)備,向進(jìn)口閥和空氣源熱泵發(fā)送啟動指令,直到3 套空氣源熱泵啟動完畢。程控過程如圖6 所示。
圖5 母管設(shè)備臺數(shù)控制策略
圖6 空氣源熱泵制冷程控過程母管設(shè)備運(yùn)行臺數(shù)變化情況
圖7 空氣源熱泵冷凍水流量不足時(shí)一次泵運(yùn)行臺數(shù)變化情況
以空氣源熱泵制冷時(shí)冷凍水流量監(jiān)測為例,通過后臺程序模擬3 臺空氣源熱泵在運(yùn)行狀態(tài),進(jìn)行流量監(jiān)測閉鎖一次泵運(yùn)行臺數(shù)試驗(yàn),設(shè)置冷凍水流量為290 t/h,低于空氣源熱泵冷凍水流量監(jiān)測低值300 t/h,在監(jiān)測到冷凍水流量不足后一次泵運(yùn)行臺數(shù)變化情況如圖7 所示,一個(gè)低定值周期60 s 后,冷凍水流量不足,開啟一臺備用一次泵,繼續(xù)強(qiáng)制冷凍水流量不足,此后,每60 s就會啟動一臺備用一次泵,直到4 臺空氣源熱泵一次泵全部開啟。
分布式供能近年來發(fā)展迅速,其設(shè)備數(shù)量較多,考慮到運(yùn)行的安全性多采用母管制設(shè)計(jì),然而現(xiàn)在市面上并沒有非常契合分布式能源的DCS系統(tǒng),本文基于西門子PCS7 系統(tǒng),開發(fā)了“參數(shù)監(jiān)測聯(lián)(閉)鎖臺數(shù)計(jì)算”與“母管設(shè)備臺數(shù)控制”的自定義模塊,提出了一種基于母管分系統(tǒng)控制方法的全自動控制策略,控制系統(tǒng)可以按照負(fù)荷分配要求利用程控啟停相關(guān)供能系統(tǒng),并利用參數(shù)監(jiān)測聯(lián)(閉)鎖臺數(shù)控制系統(tǒng)對相關(guān)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,并及時(shí)作出調(diào)整,對設(shè)備故障等引起的緊急情況可以及時(shí)補(bǔ)救。經(jīng)試驗(yàn)表明,西門子PCS7 控制平臺開發(fā)的自定義功能塊,能夠?qū)崟r(shí)接收來自能源站負(fù)荷分配系統(tǒng)計(jì)算得到的分時(shí)段設(shè)備運(yùn)行臺數(shù)指令,自動進(jìn)行工況切換且實(shí)時(shí)調(diào)整設(shè)備運(yùn)行狀態(tài),在控制層真正實(shí)現(xiàn)了分布式能源站設(shè)備的全自動啟??刂乒δ?,離能源站“無人值班,少人值守”的運(yùn)行目標(biāo)更進(jìn)一步。