基于低負荷狀況區(qū)域能源站的運行優(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，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。

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

對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，由此針對能源站運行初期的低負荷需求和低效率的現(xiàn)象，有必要進行低負荷運行的優(yōu)化技術(shù)研究。解決低負荷情況下區(qū)域供能運營成本、供能損耗等關(guān)鍵問題，提升區(qū)域供能系統(tǒng)的綜合能效運用水平，確保大型能源項目尤其在運行初期實現(xiàn)安全高效。

2 低負荷運行現(xiàn)狀

2.1 能源站設(shè)計概況

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進行設(shè)計，1#站和2#站設(shè)計的日最大供冷負荷均為70MW；1#站空調(diào)最大供熱負荷為37MW，2#站空調(diào)最大供熱負荷為39MW，計入生活用熱水負荷后，2#站設(shè)計供熱最大負荷為43.6MW，最小供熱負荷為3.3MW；1#站設(shè)計供熱負荷為41MW，最小供熱負荷為3.2MW。

2#站主要設(shè)備為：4套1.4MW分布式供能系統(tǒng)、9臺7MW電動離心式冷水機組、1臺3.5MW電動離心式冷水機組、3臺11.2MW燃氣熱水鍋爐、1臺10MW燃氣熱水鍋爐；1#站主要設(shè)備為：4套1.4MW分布式供能系統(tǒng)、8臺7MW電動離心式冷水機組、12 000m3的蓄冷水槽、4臺9.3MW燃氣/油雙燃料熱水鍋爐。

2.2 日運行分析

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

2.3 典型日逐時運行分析

圖1-圖4為2個站典型日逐時運行情況，同樣表明能源站低負荷運行的狀態(tài)。

2號站供應(yīng)地塊D16和D17，,負荷數(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）顯示了其辦公負荷的特征，即只有上班時間負荷。1號站供地塊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荷的特征。

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

表1 日運行負荷占比（截止到2015年底）

圖1 1號站典型日逐時冷負荷MW

圖2 1號站典型日逐時熱負荷MW

圖3 2號站典型日逐時冷負荷MW

3 優(yōu)化的基礎(chǔ)工作

3.1 單地塊低負荷運行數(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)自動采集和分析的功能，已有運行數(shù)據(jù)的積累。根據(jù)每個地塊運行負荷的特性，按供冷季、供熱季、過渡季（冷）、過渡季（熱）四個運行季節(jié)，按工作日和節(jié)假日兩種運行日形態(tài)，編制8個典型日的逐時負荷表。

3.2 擬定待優(yōu)化運行的負荷狀態(tài)

以1號能源站接入的地塊為例，共計接入3個地塊，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性的預(yù)案，組合數(shù)量為7種。

每種組合均有8個典型日的負荷表，因此形成56種運行狀態(tài)。

3.3 系統(tǒng)設(shè)計的可運行模式

圖4 2號站典型日逐時熱負荷MW

按所安裝的系統(tǒng)，分別列出潛在的運行模式，以1號站供冷為例，共設(shè)計七種運行模式：

（1）電動冷水機組+煙氣熱水型溴化鋰冷水機組供冷；

（2）電動冷水機組+煙氣熱水型溴化鋰冷水機組+蓄冷水槽供冷；

（3）蓄冷水槽單獨供冷；

（4）電動冷水機組供冷+蓄冷水槽蓄冷；

（5）電動冷水機組單獨供冷；

（6）煙氣熱水型溴化鋰冷水機組供冷；

（7）煙氣熱水型溴化鋰冷水機組+蓄冷水槽供冷。

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

3.4 生產(chǎn)運行核心數(shù)據(jù)

能源站生產(chǎn)運行核心數(shù)據(jù)為：

（1）主要設(shè)備的運行參數(shù)：分布式燃氣發(fā)電機組、鍋爐、溴化鋰、電制冷機、水泵、冷卻塔等主要設(shè)備的運行功率范圍及相應(yīng)的能耗參數(shù)、效率值；

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

（3）管網(wǎng)參數(shù)：管道數(shù)量、長度、熱損率

3.5 運行優(yōu)化的指標

（1）經(jīng)濟指標

運行成本（水、電、氣），分布式供能系統(tǒng)的收益、運行總收益。

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

燃氣成本=內(nèi)燃機燃氣量×內(nèi)燃機氣價+鍋爐燃氣量×鍋爐氣價

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

總成本=燃氣成本+用電成本

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

（2）能效指標

能效指標為綜合能源利用率。

綜合能源利用率=（制冷量+制熱量+上網(wǎng)電量）/（燃氣熱值+市電耗電量）

4 運行優(yōu)化研究

4.1 運行優(yōu)化方法

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

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

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

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

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

由以上1-4步形成某一特定負荷狀態(tài)的全年運行優(yōu)化方案。

4.2 運行優(yōu)化要點

（1）成本最優(yōu)為主要原則

以單個時段的運行優(yōu)化工況為基礎(chǔ)，再對開機方式頻繁變動的相鄰時段進行修正，得到日內(nèi)動態(tài)工況的運行方式。分布式供能不能啟停頻繁。

（2）其他計算條件

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

（3）低負荷運行方式

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

在有蓄冷設(shè)備的條件下，可以考慮運行2套分布式供能機組或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，在下一個時間段單獨由蓄冷設(shè)備（或再考慮水冷空調(diào)輔助）的供冷運行方式。

4.3 運行優(yōu)化流程

4.4 行成本最低的單時段優(yōu)化

以運行成本最低為約束目標的計算公式為：

式中：

--實時電價，￥/kWh；

--實時氣價，￥/m3；

--實時上網(wǎng)電價，￥/kWh；

--能源中心二次供冷/熱泵長時間運轉(zhuǎn)的固定費用，￥。

-能源中心凈買電量，為從電網(wǎng)買電，為向電網(wǎng)售電

4.5 單時段運行優(yōu)化結(jié)果

以負荷狀態(tài)1為例，計算1號站的運行成本最優(yōu)的單時段運行方式，輸出結(jié)果如下：

其他負荷狀態(tài)、其他時段的運行優(yōu)化同上。

4.6 典型日連續(xù)運行方案

經(jīng)計算分析，某工況典型日運行推薦方式如下：

4.7 運行優(yōu)化總結(jié)

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

（1）分布式供能系統(tǒng)運行的條件是用戶有冷熱負荷，分布式供能機組單獨發(fā)電不經(jīng)濟；

（2）在固定的冷負荷需求下，分布式供冷+余電上網(wǎng)的模式運行費用高于冷水機組。

（3）分布式供能熱/電聯(lián)產(chǎn)熱成本低于燃氣熱水鍋爐；

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

（4）總體運行建議

當冷負荷低于4MW時，優(yōu)先開啟冷水機組對用戶供冷和對蓄冷水槽儲能；當冷負荷大于4MW時，分布式供能機組+電制冷空調(diào)供能；當冷負荷達到5MW以上時，分布式供能冷+冷水機組+余電上網(wǎng)或購電。

在熱負荷大于1.4MW且余熱設(shè)備運行良好的情況下推薦盡量采用分布式供能供熱，熱負荷小于1.4MW采用燃氣鍋爐供熱。

起始時間段離心機溴化鋰總成本蓄/放冷量熱負荷熱水鍋爐 余熱鍋爐 總收益 分布式供能收益燃氣成本用電成本能源綜合利用率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負荷(MW)冷負荷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 對于區(qū)域能源項目建設(shè)的建議

本項目的運行優(yōu)化研究，其本質(zhì)可以看作是一項消缺完善的工作，重點解決初始設(shè)計運行模式已不能適應(yīng)或運行能耗成本過高的問題。在研究中，我們深切認識到區(qū)域能源項目是負荷達產(chǎn)緩慢的長周期、重資產(chǎn)項目，與建設(shè)一個電廠完全不同。為減少類似項目投運初期的困境，更好發(fā)揮區(qū)域能源項目的規(guī)模優(yōu)勢，有以下建議：

5.1 引入動態(tài)分期建設(shè)的思想

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

5.2 重視設(shè)計方案與建設(shè)的匹配

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

設(shè)計的運行方案不再簡單以負荷率為基礎(chǔ)進行，應(yīng)按項目建成后預(yù)期可能的負荷增長情況展開。

5.3 建立智慧能源運行管理系統(tǒng)

運行管理系統(tǒng)應(yīng)建立以成本、能效、安全等多目標控制的運行控制策略，不再簡單地以可運行為主，應(yīng)涵蓋負荷預(yù)測、優(yōu)化策略、評估體系等功能，并進一步對運行數(shù)據(jù)進行深度的開發(fā)應(yīng)用，建立完善能適應(yīng)運行、預(yù)測、分析、管理為一體的能源智慧管理系統(tǒng)。