基于低負荷狀況區域能源站的運行優化研究

高雄偉

上海申能能源服務有限公司

1 前言

虹橋商務區是上海乃至全國的首個低碳商務區，以冷熱電分布式供能為主的區域能源中心于2013年底建成投運，是虹橋商務區核心區工程的重要配套工程，該工程承擔商務核心區內所有用戶的空調（冷/熱）和生活熱水供應保障。

能源中心投入運行后，截至2015年底，虹橋核心區的18個地塊僅有5個地塊實現了招商入駐，能源站的負荷遠低于設計值，如此低的負荷給能源站的生產運行帶來極大的挑戰，大部分時間分布式供能的分布式系統無法正常開機運行，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，在節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象，有必要進行低負荷運行的優化技術研究。解決低負荷情況下區域供能運營成本、供能損耗等關鍵問題，提升區域供能系統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安全高效。

2 低負荷運行現狀

2.1 能源站設計概況

按虹橋商務核心區（一期）范圍內，綜合考慮建筑規模地上1 760 000m2、地下140 000 m2進行設計，1#站和2#站設計的日最大供冷負荷均為70MW；1#站空調最大供熱負荷為37MW，2#站空調最大供熱負荷為39MW，計入生活用熱水負荷后，2#站設計供熱最大負荷為43.6MW，最小供熱負荷為3.3MW；1#站設計供熱負荷為41MW，最小供熱負荷為3.2MW。

2#站主要設備為：4套1.4MW分布式供能系統、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#站主要設備為：4套1.4MW分布式供能系統、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年底的運行數據，能源站處于低負荷運行狀態。表1顯示以各站的冷熱設計日24小時運行負荷總量為參比，各季節的運行負荷比，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1號站和2號站冷負荷占比低于5%，在節假日能源站幾乎處于停運狀態。

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。

2號站供應地塊D16和D17，,負荷數據中，D16萬科（商業+辦公）只有8、9、10、11、12、1、2月份數據，缺供冷數據，D17（辦公）全年數據；供冷數據（不含萬科商業部分）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+辦公）冬天只供熱，夏天只供冷，春秋供冷熱，D20（辦公+商業）目前只有11～2月份數據供熱，D23（辦公）或供冷或供熱。同樣缺少商業部分的供冷數據，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較為嚴重，一是整體負荷率偏低，由于冷負荷數據不全，供熱數據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%，節假日低于1%。因此，運行優化的重點之一需要關注節假日及低負荷的運行狀態。

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 優化的基礎工作

3.1 單地塊低負荷運行數據表編制

目前能源站已經建立SCADA系統，具備數據自動采集和分析的功能，已有運行數據的積累。根據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，按工作日和節假日兩種運行日形態，編制8個典型日的逐時負荷表。

3.2 擬定待優化運行的負荷狀態

以1號能源站接入的地塊為例，共計接入3個地塊，按地塊接入的數量作為組合供應方案，是比較直接且有針對性的預案，組合數量為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。

3.3 系統設計的可運行模式

圖4 2號站典型日逐時熱負荷MW

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

（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，暫不能完全實現上述的運行方式，需要根據負荷特性來計算分析運行方式可能。

3.4 生產運行核心數據

能源站生產運行核心數據為：

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

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

（3）管網參數：管道數量、長度、熱損率

3.5 運行優化的指標

（1）經濟指標

運行成本（水、電、氣），分布式供能系統的收益、運行總收益。

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

燃氣成本=內燃機燃氣量×內燃機氣價+鍋爐燃氣量×鍋爐氣價

用電成本=網購電量×公網購電電價 —上網電量×發電上網電價

總成本=燃氣成本+用電成本

總收益=能源站制冷量×（1-供冷管網損耗率）×冷量價格+能源站制熱量×（1-供熱管網損耗率）×熱量價格+上網電量×發電上網電價—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+上網電量）/（燃氣熱值+市電耗電量）

4 運行優化研究

4.1 運行優化方法

根據能源站現在的低負荷運行狀況，冷負荷低于設計的單臺冷凍機運行容量，導致原先設定的按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，確定單時段的最優運行方式，繼而形成一個典型日的連續時段基本運行方式。

（2）以基本運行方式為基礎，再進行修正，主要考慮運行設備的連貫性，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，計算分析不同季節的典型日運行方案，構成了全年運行的典型日方案。

（4）各季節內初步設定典型日運行方案，然后根據回水溫度和實際需求狀況進行機組調節。

由以上1-4步形成某一特定負荷狀態的全年運行優化方案。

4.2 運行優化要點

（1）成本最優為主要原則

以單個時段的運行優化工況為基礎，再對開機方式頻繁變動的相鄰時段進行修正，得到日內動態工況的運行方式。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循環水的流速熱傳導，同時主要邊界條件為：能源站對管網循環水冷量或熱量的增加僅用于用戶負荷消耗，不用于循環水本身載能的增加或減少；管網循環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，缺少有效的設備組合方式進行優化研究。例如在冷負荷值為3200kW時，若運行2套分布式供能機組（發電功率上網）成本遠大于運行1臺水冷空調（額定制冷功率7034kW），此時最優成本運行僅能選擇1臺水冷空調運行調節，缺少其他可以組合運行的設備。

在有蓄冷設備的條件下，可以考慮運行2套分布式供能機組或1套分布式供能+空調的方式，但是余電不上網，全部用于電空調制冷后存儲，在下一個時間段單獨由蓄冷設備（或再考慮水冷空調輔助）的供冷運行方式。

4.3 運行優化流程

4.4 行成本最低的單時段優化

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；

--實時上網電價，￥/kWh；

--能源中心二次供冷/熱泵長時間運轉的固定費用，￥。

-能源中心凈買電量，為從電網買電，為向電網售電

4.5 單時段運行優化結果

以負荷狀態1為例，計算1號站的運行成本最優的單時段運行方式，輸出結果如下：

其他負荷狀態、其他時段的運行優化同上。

4.6 典型日連續運行方案

經計算分析，某工況典型日運行推薦方式如下：

4.7 運行優化總結

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

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%

主要優化運行結論如下：

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

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

（3）分布式供能熱/電聯產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循環設備供電。

（4）總體運行建議

當冷負荷低于4MW時，優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+余電上網或購電。

在熱負荷大于1.4MW且余熱設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 對于區域能源項目建設的建議

本項目的運行優化研究，其本質可以看作是一項消缺完善的工作，重點解決初始設計運行模式已不能適應或運行能耗成本過高的問題。在研究中，我們深切認識到區域能源項目是負荷達產緩慢的長周期、重資產項目，與建設一個電廠完全不同。為減少類似項目投運初期的困境，更好發揮區域能源項目的規模優勢，有以下建議：

5.1 引入動態分期建設的思想

充分認識科學規劃建設分期的重要性，按項目實際情況，建立臨時供能系統，初期供能系統、設備分期投入等計劃的籌劃，科學規劃項目建設的分期，是解決區域能源項目初期運行的關鍵。

5.2 重視設計方案與建設的匹配

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

設計的運行方案不再簡單以負荷率為基礎進行，應按項目建成后預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

運行管理系統應建立以成本、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，應涵蓋負荷預測、優化策略、評估體系等功能，并進一步對運行數據進行深度的開發應用，建立完善能適應運行、預測、分析、管理為一體的能源智慧管理系統。