智能优化控制服务平台在国家会展中心上海天然气分布式能源系统中的应用

谢锦芳

摘 要：智能优化控制服务平台以国家会展中心天然气分布式能源项目为研发和应用对象，旨在解决能源中心运行时存在负荷随机变化大、机组耦合性强、运行方式多变、调度形式复杂、经济敏感度高等实际问题，确保能源站按照经济高效方式运营。

关键词：智能优化；天然气；能源系统

1 背景介绍

国家会展中心（上海）由展览场馆、配套商业中心、配套办公楼和配套酒店四大部分构成，总建筑面积147万m2，地上建筑面积127万m2，是目前世界上面积最大的建筑单体。

国家会展中心（上海）分布式能源站建设6 台颜巴赫JMS 624GS-N.L 燃气内燃机（4.4MW）+6台双良4.0MW烟气热水型溴化锂机组+ 10 台7032kW离心式冷水机组+2台7.0MW燃气热水锅炉+2座12000m?蓄水罐。内燃机系统中，内燃机消耗天然气驱动发电机对外提供电力，内燃机的缸套水以及排烟热量被对应的“一拖一”烟气热水型溴化锂吸收式制冷机回收利用，向外提供冷、热负荷。负荷谷期，将冷、热水输送到蓄水罐储存；负荷峰期，适当开启燃气热水锅炉、离心式冷水机组，同时蓄水罐释能调峰，满足冷、热负荷需求。燃气内燃机通过35kV线路并网发电，可以实现与地区电网“互通有无”，加强地区供电的可靠性。

2 系统组成与主要功能

2.1 系统组成

本项目平台系统主要由一套实时可组态决策优化控制软件及相应硬件设备组成，分为能效站、优化站、控制机柜3个部分。

优化站安装在工程师站，能效站安装在操作员站，两套电源切换装置分别给能效站（T3600计算机）和优化站供电（T3600计算机）；控制机柜（含两套DPU4F过程控制器）安装在热控电子设备间，并与能源站分散控制系统（DCS）控制机柜并列布置。智能运行优化系统（iDOS）的能效站、优化站、控制机柜三者同时挂在DCS系统A/B网上，实现与DCS系统的无缝连接。另外，BA系统通过网络接入智能优化控制系统，为保证安全，iDOS配置一台隔离服务器，用于保证网络连接iDOS系统的安全，隔离服务器通过串行数据通信接入到iDOS的优化站和能效站上，用于接收BA系统的负荷数据。系统的硬件架构图如图1所示。

能效站负责对机组运行数据的采集、分析、计算和管理，主要包括采集机组的负荷信息、能耗信息以及过程数据等，对厂区的逐时负荷及逐日负荷（一般为7天）做出预测，对各机组设备的能耗及性能进行计算和管理发布，并将相关设备性能计算的结果共享给优化站。

优化站负责对全厂冷、热、电供能机组运行方式的优化，给出相应的决策优化指令。优化站基于能效站给出的预测负荷及机组的实时性能计算结果，以全厂经济效益最大为目标，以机组能效为约束条件，通过在线计算，得到机组的最佳运行方式，给出相应的运行决策优化指令。决策优化指令通过iDOS控制机柜下达至DCS控制系统，给出机组的运行优化控制策略。

2.2 基本方法与原则

基于国家会展中心项目实际情况，能源站必须做到按量、及时供应每天所需电负荷、空调冷/热负荷，亦即负荷约束为一定。需要指出，此处所述“一定”意为“确定”而非“固定”，即为每时每刻负荷需求为一确定值。本服务平台中，这一确定的负荷需求信息通过用户（包括电网）提供的用能曲线及本系统之负荷预测软件模块获得。针对国家会展中心项目提出优化控制策略，首先进行厂级负荷优化分配，而后给出负荷实现方式的优化及其调控策略。

厂级负荷优化分配是指完成电负荷、空调冷/热负荷在多台机组间的动态优化分配，尖峰负荷工况时蓄冷蓄热罐的调峰负荷分配及各供能机组之间的负荷协同优化分配。该负荷分配算法基本遵循能源的梯级利用原则，按照内燃机-溴化锂机组优先控制，电制冷和热水锅炉次优控制逻辑实现机组的负荷优化控制，通过调控蓄冷蓄热罐的输入输出应对高低峰负荷需求。

负荷实现方式的优化及调控是指基于厂级负荷优化分配结果，以实现全厂经济效益最优为目标，给出全厂所有供能方式的组合优化及相关参数的调节控制策略。

2.3 系统实现的主要功能

本优化控制系统实施后，可对用户侧（国家会展中心热力站）的用能情况进行监控，并将用户侧负荷情况反馈到能源站侧，通过能源站内的DCS系统和iDOS系统对能源站设备运行方式进行优化，实现对二次泵系统进行控制。不仅可以保证供能质量，同时可以节省水泵耗电。当会展中心用能负荷发生变化时，能提前发出指令对水泵的运行工况进行调整。

系统主要功能包括：

（1）超短期冷、热电负荷预测

负荷预测软件模块以国家会展中心（上海）建筑为对象，通过建立全年逐时的负荷需求模型，预测全天二十四小时的负荷需求曲线；预测峰谷负荷的时刻与持续时间，以便合理安排机组加减及起停时间，优化调控负荷超调量，防止超调过大和滞后过多，保证机组的运行状况。

软件基于冷、热负荷随季节和时刻的变化规律以及中国博览会会展综合体的用户类型等信息，分别建立冷、热负荷预测模型，逐时预测用户负荷；通过模型校验（引入周期因子、突变因子等）及实际运行数据优化预测模型，提高预测精度；绘制全天24小时的负荷需求曲线，并根据实时负荷曲线在线修正预测曲线，使之更加准确地反映负荷需求的变化情况；软件能够根据负荷预测曲线提前确定运行工况，使系统按照最优的经济运行方式，主动响应负荷需求。

（2）多机组负荷优化分配

系统通过已建立的负荷预测模块，确定站内各机组的在线性能计算方法；根据冷热负荷的需求，在满足所考核的能源利用效率前提下，建立负荷动态优化分配模型，自动寻优计算方法，以实现全厂经济效益最优为目标，对各供能设备进行动态负荷优化分配。根据保证会展综合体用户冷热负荷需求的供能要求，机组正常运行时余热可以满足项目稳定的冷热负荷需求，不足部分通过冷热调峰设备满足会展综合体的用能需求；燃气内燃机发电除满足能源站自用电外，多余电力全部采取上网模式外售。根据计划内的电力调度、供热/供冷调度的指令、机组自身状态、经济指标，给出最佳运行负荷运行曲线，形成相应的负荷优化分配控制策略。

（3）运行优化

供冷/热方式优化与调控软件模块基于负荷动态优化分配软件功能，在满足用户能源负荷要求的前提下，以实现能源中心整体经济效益最优为目标，对变工况下供能方式进行优化与调控。根据季节的不同及展馆开放用能区域的情况，提供供冷系统、供热系统的最佳组合策略及其全年运行策略，形成相应设备的运行优化指令，包括燃气内燃机、烟气热水型溴化锂吸收式制冷机、离心冷水机组、热水锅炉与蓄水罐的运行工况及其相互之间的协调匹配等，该运行优化指令通过DCS系统调控相应机组的运行状态。

（4）实时性能计算

实时性能计算是能源站运行优化的重要环节，通过对厂级、机组级、设备级的性能指标进行实时计算，为负荷分配、决策优化提供指导。本项目所提供的实时性能计算软件，包括对燃气内燃机、溴化锂机组、冷水机组、热水锅炉、蓄水罐等主要设备及其辅助设备的性能计算方法，综合考虑了天然气价、调峰方式、厂用电成本、电网低谷电成本等因素，根据各机组设备的输入信息得到输出信息，从而得到不同负荷条件下，机组的效率、功率、排放等性能。

（5）能效评估管理

对冷热源系统经济运行的各性能指标进行计算，如單位面积能耗（ECA）、单位面积耗冷/热量（CCA）、制冷/热系统能效比（EERs）、制冷系数能效比（EERr）、冷热媒水输送系数（WTFchw）、溴化锂和电制冷机组运行效率、冷却水输送系数（WTFcw）、蓄冷效率等，评估分析不同冷热源系统设备基于时间性偏差的运行状态是否正常，提供不同方案控制效果分析比较数据，提供基于时间和环境的完整数学能耗分析模型，描述能耗的产生、变化的过程，定量解释能耗和各种影响因素之间的关系，提供能源消耗的规律等。此外，能效管理包括对各能源指标的计算、管理和发布。能源指标主要包括基本能耗指标、绿色指标和自定义指标，其中基本能耗指标又包括建筑面积指标、使用面积指标、总指标、区域指标、重大耗能设备折算指标、耗能设备指标等，绿色指标包括制冷热系统综合COP、电制冷机COP等。

3 结束语

分布式能源是一个新兴的能源利用和服务方式，天然气分布式能源智能优化控制服务平台可实现对分布式能源站运行实现优化控制，并以提高一次能源的转化率为主要目标，达到高效低耗、经济匹配、可靠安全的运营目标。提高一次能源的综合转化利用效率，与燃煤电厂相比，分布式能源系统可减少49.4%以上的CO2排放量，节约70%水消耗以及60%左右土地，对改善区域环境质量，加快开发区建设步伐，提高人们的生活质量水平，促进当地社会经济的可持续发展有积极作用。通过技术经济测算，本项目成果的应用将使该能源站的能源综合利用效率提高1%左右，每年的经济效益提高0.5%，使能源站的内部收益率有效提高，缩短投资回收期。

本智能优化控制服务平台通过在上海国家会展中心分布式能源站进行示范应用，积累数据和运行经验，对智能优化控制系统进行完善和优化，满足大规模推广应用的条件，发挥创新成果更大的经济社会效益，具有良好的社会效益。

参考文献

[1]杨明亮.天然气分布式能源系统仿真模拟与软件开发[D].山东建筑大学，2016.

[2]李壮.两种典型天然气分布式能源系统的应用研究[D].山东建筑大学，2013.

（作者单位：上海华电福新能源有限公司）