水蓄冷系統在供冷系統的運行策略研究

程超峰，馮云崗，李 蕓

（1.上海電力設計院有限公司，上海 200025；2.國網上海市電力公司經濟技術研究院，上海 200120）

0 引言

水蓄冷系統利用峰谷電價差，進行蓄冷釋冷，是實現平衡電網用電負荷，減少常規機組的裝機容量和節約系統運行費用的一種有效手段[1]。在我國，水蓄冷系統已廣泛應用于執行峰谷電價政策地區的醫院、賓館、商場、辦公樓、住宅小區、工礦企業等空調系統和工藝用冷領域，并取得良好經濟和社會效益[2]。

目前，供冷系統工程中水蓄冷系統一般與多種供冷設備，如溴化鋰機組、電制冷機組，聯合運行[3]。由于各類設備的穩定性及成本不同，機組的運行時段和運行次序的不同會影響到系統供能的安全性和經濟性[4]。因此，制定合理的運行策略至關重要。基于此，對水蓄冷系統在供冷系統的運行策略進行研究。

1 水蓄冷系統組成和運行策略

水蓄冷系統的主要包括制冷機組、蓄冷水池（蓄冷罐）、板式換熱器、供冷水泵、蓄冷水泵、放冷水泵、冷卻塔和冷卻水泵。與常規制冷系統相比，水蓄冷系統增加了蓄冷水池（蓄冷罐）、板式換熱器、蓄冷水泵和放冷水泵等設備。

按照制冷機組和蓄冷裝置運行先后順序的不同，水蓄冷系統運行可分為制冷機組優先和蓄冷裝置優先2種策略。按水蓄冷系統控制方式的不同，可分為比例控制策略和預測控制策略。不同的運行策略能耗和運行費用不同。

2 多種類型蓄冷系統運行策略

2.1 運行目標

對于任何形式的部分負荷蓄冷系統，其運行策略擬定的最終目標為：在保證系統安全運行的前提下，盡可能節省運行費用。即：充分利用當地電網可提供的分時電能政策，盡可減少制冷機組在電網高峰期投入，甚至不投入的削峰或避峰運行；充分利用低谷電價蓄冷；合理調配系統逐時從蓄冷槽取冷量和制冷機投入臺數，力爭冷機在較高效率下運行。

2.2 調控策略

為方便敘述，現將各指標編號如下：

Qi—— —全天各時段的冷負荷，kW，i=0，1…24

QXL——水蓄冷系統的蓄冷總量，kW·h

PLJ——電制冷機組最大供冷功率，kW

PXJ——溴化鋰機組最大供冷功率，kW

PXL——水蓄冷系統最大供冷功率，kW

PLJS——電制冷機組實際供冷功率，kW

PXJS——溴化鋰機組實際供冷功率，kW

PXLS——水蓄冷系統實際供冷功率，kW

CLJF—— —峰值電價時段電制冷機組供冷成本，元（/kW·h）

CLJP—— —平值電價時段電制冷機組供冷成本，元（/kW·h）

CLJG——谷值電價時段電制冷機組供冷成本，元/kW

CXJ—— —溴化鋰機組供冷成本，元（/kW·h）

CXL1——采用電制冷機蓄冷時水蓄冷系統供冷成本，元/（kW·h）

CXL2—— —采用溴機蓄冷時水蓄冷系統供冷成本，元（/kW·h）

具體綜合供冷系統的運行策略流程如下：

（1）比較各設備的供冷成本，確定設備供冷選擇的優先級以及蓄冷方式的選擇。

由供冷成本計算結果可知，溴化鋰機組的供冷成本最小，水蓄冷次之，電制冷最大，采用溴化鋰機組蓄冷比電制冷機組蓄冷經濟。因此，系統設備的供冷優先級順序為：溴化鋰機組＞水蓄冷＞電制冷機組。

（2）選擇蓄冷設備及時段。由于采用溴化鋰機組蓄冷時比電制冷機組蓄冷經濟，因此宜采用溴化鋰機組蓄冷。但是，如果項目要求蓄水溫度為5℃，而溴化鋰機組制冷溫度最低為6℃、電制冷機制冷溫度可達4℃，因此，單獨采用溴化鋰機組蓄冷達不到指標要求，最經濟的蓄冷方式是采用溴化鋰機組和電制冷機聯合蓄冷。蓄冷時段選在電價低谷時段，電制冷最為經濟，而溴化鋰機組成本和其他時段相比沒有變化。

（3）確定調峰設備。對配置多種供冷設備的能源中心，調峰設備的選取應根據各設備的運行成本、容量及供能功率來確定。溴化鋰機組的供冷成本最小，應作為提供基本負荷的設備，雖然水蓄冷系統的供冷成本比電制冷機組小，但電制冷機組的容量（可連續性）及供冷功率較水蓄冷系統都大出許多，此外，如采用電制冷機組作為調峰，則機組50%以下工況基本無法進行，因此，就系統安全考慮，應將水蓄冷系統作為調峰設備。

（4）確認全天需要開啟調峰設備的計算理論時段，并確定調峰設備的初步功率分配量。具體做法為：將Qi與PLJ+PXJ相比較，如Qi＞PLJ+PXJ，則此時段應開啟調峰設備，該時段即定義為調峰設備開啟的計算理論時段，簡稱“調峰理論時段”。該時段調峰設備（蓄冷系統）的供冷功率初次定量為：PXLS=Qi-（PLJ+PXJ）。此步驟是為了保證系統供冷的安全與可靠性。

（5）計算峰值電價時段（不包括調峰理論時段）內供冷設備的容量分配。

分2種情況：①調峰理論時段內水蓄冷系統冷量已用完。當水蓄冷系統的蓄冷總量QXL在調峰理論時段內已全部被分配完時，則峰值電價時段內（不包括調峰理論時段）應將全部負荷由溴化鋰機組承擔，當PXJ小于該時段的Qi時，則其它冷量由電制冷機組提供。②扣除調峰理論時段內的供應量，水蓄冷系統冷量仍有余存。當水蓄冷系統的蓄冷總量QXL在調峰理論時段內用不完時，則峰值電價時段內（不包括調峰理論時段），則：

根據該時段內的冷負荷情況，按優先級依次開啟溴化鋰機組，水蓄冷機組和電制冷機組。

（6）計算平值電價時段（不包括調峰理論時段及峰值電價時段）內供冷設備的容量分配。同（5）類似，應判斷調峰理論時段及峰值電價時段內蓄冷系統的冷量用量，并判斷是否有剩余。設備的供冷量分配見（5）中的各項公式。

（7）檢查蓄冷系統冷量是否有剩余。如果有剩余，則增大（4）中的（蓄冷系統）的供冷功率初次定量PXLS，由第（4）步開始重復計算，直至蓄冷系統冷量分配無剩余為止。

值得強調的是，以上只是供冷設備供冷量的理論計算分配，在確定各設備開啟優先級以及冷量分配時，還應考慮機組變工況下的運行穩定性及效率問題。

3 實例分析

3.1 項目實例介紹

（1）工程概況。選取世博B片區央企總部能源中心項目作為分析對象，對象工程主要為B片區內各央企總部辦公樓及附屬商業建筑供能，供能總面積為64.7萬m2。

（2）冷負荷。能源中心全年供冷時段為3～10月，其中夏季設計日冷負荷的逐時變化范圍較大，最大冷負荷約56.8 MW，最小冷負荷約10.3 MW。

（3）供冷系統組成。溴化鋰機組共2臺，單臺制冷量4256 kW。電制冷冷水機組共6臺，單臺制冷量6988 kW。4個蓄冷水槽：2170 m3+4100 m3+2×500 m3，最大蓄放冷總量 30757 kW·h；最大蓄放冷功率8700 kW。

（4）地區電價。本工程位于上海地區，用電等級為10 kV接入，實行兩部制分時電價政策，各季節用電電價參照最新電價規定。

（5）各設備供冷成本的計算。本項目能源供應設備已經落實，供冷成本僅為運營成本，投資成本在此不必考慮。通過計算可知，蓄冷系統供冷成本介于溴化鋰機組與電制冷機組之間。

（6）運行策略制定。根據2.2的運行策略，對世博B片區央企總部能源中心的夏季設計日運行策略進行了擬定，通過運行策略制定結果可以看出，所提運行策略能使單臺原動機（與溴化鋰機組一配一方式組合）和制冷機組在額定負荷狀態或接近額定負荷狀態下高效運行。同時，充分實現了電價低谷時段的需冷量在電價高峰時段靈活調節使用，保證了整個供能系統的經濟性以及負荷調節的靈便性。

4 結論及建議

（1）提出了含水蓄冷系統的多種類型供冷設施的綜合運行策略，一方面可減少原動機的負荷波動性，保持其高效運行；另一方面可充分利用峰谷電價差，保證系統運行經濟性最優。

（2）通過對世博B片區央企總部能源中心項目運行策略的分析可以看出，在已定方案的水蓄冷系統項目中，系統經濟性的好壞絕大程度上取決于運行策略的合理與否。運行策略的制定應在保證系統供能安全的基礎上，根據各類設備的運行成本的高低設置各設備供能的優先級及冷量分配，并充分考慮變工況下機組的運行穩定性及效率問題。

（3）由于系統的運行策略先于設備的實際運行情況，具有預判性，因此，建議業主在系統的運行過程中能夠詳細的記錄一整年的各小時運行數據，為第二年運行策略的修正提供數據支撐，使其逐步完善。

［1］劉鑒民.蓄冷空調與其它常用電網調峰方式調峰效益的比較研究［J］.電網技術，1997，21（12）：15-18.

［2］王崢，王建.水蓄冷空調系統設計及經濟性分析［J］.華北電力大學學報，2007，34（2）：130-133.

［3］張瓊，董琳琳.空調蓄冷方案在需求側管理中的成本效益分析［J］.南方電網技術，2008，2（1）：64-66.

［4］丁慶，段紹輝，王執中，等.冰蓄冷空調在高峰谷負荷差地區應用的經濟性［J］.電力系統及其自動化學報，2014，26（1）：72-80.