基于低负荷状况区域能源站的运行优化研究

高雄伟

上海申能能源服务有限公司

1 前言

虹桥商务区是上海乃至全国的首个低碳商务区，以冷热电分布式供能为主的区域能源中心于2013年底建成投运，是虹桥商务区核心区工程的重要配套工程，该工程承担商务核心区内所有用户的空调（冷/热）和生活热水供应保障。

能源中心投入运行后，截至2015年底，虹桥核心区的18个地块仅有5个地块实现了招商入驻，能源站的负荷远低于设计值，如此低的负荷给能源站的生产运行带来极大的挑战，大部分时间分布式供能的分布式系统无法正常开机运行，管道输送能耗占比高，能源站运行成本高企。

对于接入的用户必须保证不间断的能源供应，在节能的前提下又要确保用户的舒适度体验，由此针对能源站运行初期的低负荷需求和低效率的现象，有必要进行低负荷运行的优化技术研究。解决低负荷情况下区域供能运营成本、供能损耗等关键问题，提升区域供能系统的综合能效运用水平，确保大型能源项目尤其在运行初期实现安全高效。

2 低负荷运行现状

2.1 能源站设计概况

按虹桥商务核心区（一期）范围内，综合考虑建筑规模地上1 760 000m2、地下140 000 m2进行设计，1#站和2#站设计的日最大供冷负荷均为70MW；1#站空调最大供热负荷为37MW，2#站空调最大供热负荷为39MW，计入生活用热水负荷后，2#站设计供热最大负荷为43.6MW，最小供热负荷为3.3MW；1#站设计供热负荷为41MW，最小供热负荷为3.2MW。

2#站主要设备为：4套1.4MW分布式供能系统、9台7MW电动离心式冷水机组、1台3.5MW电动离心式冷水机组、3台11.2MW燃气热水锅炉、1台10MW燃气热水锅炉；1#站主要设备为：4套1.4MW分布式供能系统、8台7MW电动离心式冷水机组、12 000m3的蓄冷水槽、4台9.3MW燃气/油双燃料热水锅炉。

2.2 日运行分析

自2013年底投运以来至2015年底的运行数据，能源站处于低负荷运行状态。表1显示以各站的冷热设计日24小时运行负荷总量为参比，各季节的运行负荷比，1号站接入了3个地块，运行负荷占比好于1号站，但在过渡季节1号站和2号站冷负荷占比低于5%，在节假日能源站几乎处于停运状态。

2.3 典型日逐时运行分析

图1-图4为2个站典型日逐时运行情况，同样表明能源站低负荷运行的状态。

2号站供应地块D16和D17，,负荷数据中，D16万科（商业+办公）只有8、9、10、11、12、1、2月份数据，缺供冷数据，D17（办公）全年数据；供冷数据（不含万科商业部分）显示了其办公负荷的特征，即只有上班时间负荷。1号站供地块D19（商业+办公）冬天只供热，夏天只供冷，春秋供冷热，D20（办公+商业）目前只有11～2月份数据供热，D23（办公）或供冷或供热。同样缺少商业部分的供冷数据，供冷量也显示其办公负荷的特征。

综合以上分析，2个能源站所处的运行状态较为严重，一是整体负荷率偏低，由于冷负荷数据不全，供热数据比较客观反映真实的负荷率，即冬季工作日负荷占比为7%-17%，过渡季工作日占比5%-9%，节假日低于1%。因此，运行优化的重点之一需要关注节假日及低负荷的运行状态。

表1 日运行负荷占比（截止到2015年底）

图1 1号站典型日逐时冷负荷MW

图2 1号站典型日逐时热负荷MW

图3 2号站典型日逐时冷负荷MW

3 优化的基础工作

3.1 单地块低负荷运行数据表编制

目前能源站已经建立SCADA系统，具备数据自动采集和分析的功能，已有运行数据的积累。根据每个地块运行负荷的特性，按供冷季、供热季、过渡季（冷）、过渡季（热）四个运行季节，按工作日和节假日两种运行日形态，编制8个典型日的逐时负荷表。

3.2 拟定待优化运行的负荷状态

以1号能源站接入的地块为例，共计接入3个地块，按地块接入的数量作为组合供应方案，是比较直接且有针对性的预案，组合数量为7种。

每种组合均有8个典型日的负荷表，因此形成56种运行状态。

3.3 系统设计的可运行模式

图4 2号站典型日逐时热负荷MW

按所安装的系统，分别列出潜在的运行模式，以1号站供冷为例，共设计七种运行模式：

（1）电动冷水机组+烟气热水型溴化锂冷水机组供冷；

（2）电动冷水机组+烟气热水型溴化锂冷水机组+蓄冷水槽供冷；

（3）蓄冷水槽单独供冷；

（4）电动冷水机组供冷+蓄冷水槽蓄冷；

（5）电动冷水机组单独供冷；

（6）烟气热水型溴化锂冷水机组供冷；

（7）烟气热水型溴化锂冷水机组+蓄冷水槽供冷。

考虑到目前能源站所处的低负荷工况，暂不能完全实现上述的运行方式，需要根据负荷特性来计算分析运行方式可能。

3.4 生产运行核心数据

能源站生产运行核心数据为：

（1）主要设备的运行参数：分布式燃气发电机组、锅炉、溴化锂、电制冷机、水泵、冷却塔等主要设备的运行功率范围及相应的能耗参数、效率值；

（2）费用参数：购入的水、电、气价格；卖出的电、冷、热价格；各主要设备的维护费用；站房维修费用，管理成本等。

（3）管网参数：管道数量、长度、热损率

3.5 运行优化的指标

（1）经济指标

运行成本（水、电、气），分布式供能系统的收益、运行总收益。

分布式供能系统=溴化锂制冷量×（1-供冷管网损耗率）×冷量价格+余热制热量×（1-供热管网损耗率）×热量价格+自发自用电量×公网购电电价+上网电量×发电上网电价

燃气成本=内燃机燃气量×内燃机气价+锅炉燃气量×锅炉气价

用电成本=网购电量×公网购电电价 —上网电量×发电上网电价

总成本=燃气成本+用电成本

总收益=能源站制冷量×（1-供冷管网损耗率）×冷量价格+能源站制热量×（1-供热管网损耗率）×热量价格+上网电量×发电上网电价—总成本

（2）能效指标

能效指标为综合能源利用率。

综合能源利用率=（制冷量+制热量+上网电量）/（燃气热值+市电耗电量）

4 运行优化研究

4.1 运行优化方法

根据能源站现在的低负荷运行状况，冷负荷低于设计的单台冷冻机运行容量，导致原先设定的按100%、75%、50%、25%需求负荷下的各类组合运行模式失效。本研究提出按以下方式进行优化：

（1）以典型日运行控制策略为核心，具体以典型日单时段为计算单元，以运行成本、能效、收益等为约束条件，在可运行的所有方式中进行计算，确定单时段的最优运行方式，继而形成一个典型日的连续时段基本运行方式。

（2）以基本运行方式为基础，再进行修正，主要考虑运行设备的连贯性，避免频繁切换。由此形成典型日运行方案。

（3）按照（1）和（2）的过程，计算分析不同季节的典型日运行方案，构成了全年运行的典型日方案。

（4）各季节内初步设定典型日运行方案，然后根据回水温度和实际需求状况进行机组调节。

由以上1-4步形成某一特定负荷状态的全年运行优化方案。

4.2 运行优化要点

（1）成本最优为主要原则

以单个时段的运行优化工况为基础，再对开机方式频繁变动的相邻时段进行修正，得到日内动态工况的运行方式。分布式供能不能启停频繁。

（2）其他计算条件

在计算时需考虑管网循环水的流速热传导，同时主要边界条件为：能源站对管网循环水冷量或热量的增加仅用于用户负荷消耗，不用于循环水本身载能的增加或减少；管网循环水二次泵按匹配运行机组的一次泵流速考虑；

（3）低负荷运行方式

由于负荷低于1台水冷机组，缺少有效的设备组合方式进行优化研究。例如在冷负荷值为3200kW时，若运行2套分布式供能机组（发电功率上网）成本远大于运行1台水冷空调（额定制冷功率7034kW），此时最优成本运行仅能选择1台水冷空调运行调节，缺少其他可以组合运行的设备。

在有蓄冷设备的条件下，可以考虑运行2套分布式供能机组或1套分布式供能+空调的方式，但是余电不上网，全部用于电空调制冷后存储，在下一个时间段单独由蓄冷设备（或再考虑水冷空调辅助）的供冷运行方式。

4.3 运行优化流程

4.4 行成本最低的单时段优化

以运行成本最低为约束目标的计算公式为：

式中：

--实时电价，¥/kWh；

--实时气价，¥/m3；

--实时上网电价，¥/kWh；

--能源中心二次供冷/热泵长时间运转的固定费用，¥。

-能源中心净买电量，为从电网买电，为向电网售电

4.5 单时段运行优化结果

以负荷状态1为例，计算1号站的运行成本最优的单时段运行方式，输出结果如下：

其他负荷状态、其他时段的运行优化同上。

4.6 典型日连续运行方案

经计算分析，某工况典型日运行推荐方式如下：

4.7 运行优化总结

在虹桥能源项目的运行数据支持下，建立了以运行成本最低、收益最大为目标的数学模型，运行优化包括负荷统计、确定工况、开机方式、模型计算等步骤。在相应约束条件下，使用CPLEX、单纯型法、牛顿拉夫逊法，对其进行优化计算，改变了原有操作员人为确定运行方式的传统方法，并通过仿真验证了该运行策略可提高能源中心收益6%，确认可以为区域能源站低负荷运行提供运行指导。

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%……推荐方式3.030.0573.0482334.61076.41400.62243.2-1166.9110.92%

主要优化运行结论如下：

（1）分布式供能系统运行的条件是用户有冷热负荷，分布式供能机组单独发电不经济；

（2）在固定的冷负荷需求下，分布式供冷+余电上网的模式运行费用高于冷水机组。

（3）分布式供能热/电联产热成本低于燃气热水锅炉；

最佳的方式是分布式供能的电力全部用于冷水机组制冷和站内循环设备供电。

（4）总体运行建议

当冷负荷低于4MW时，优先开启冷水机组对用户供冷和对蓄冷水槽储能；当冷负荷大于4MW时，分布式供能机组+电制冷空调供能；当冷负荷达到5MW以上时，分布式供能冷+冷水机组+余电上网或购电。

在热负荷大于1.4MW且余热设备运行良好的情况下推荐尽量采用分布式供能供热，热负荷小于1.4MW采用燃气锅炉供热。

起始时间段离心机溴化锂总成本蓄/放冷量热负荷热水锅炉 余热锅炉 总收益 分布式供能收益燃气成本用电成本能源综合利用率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总计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负荷(MW)冷负荷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 对于区域能源项目建设的建议

本项目的运行优化研究，其本质可以看作是一项消缺完善的工作，重点解决初始设计运行模式已不能适应或运行能耗成本过高的问题。在研究中，我们深切认识到区域能源项目是负荷达产缓慢的长周期、重资产项目，与建设一个电厂完全不同。为减少类似项目投运初期的困境，更好发挥区域能源项目的规模优势，有以下建议：

5.1 引入动态分期建设的思想

充分认识科学规划建设分期的重要性，按项目实际情况，建立临时供能系统，初期供能系统、设备分期投入等计划的筹划，科学规划项目建设的分期，是解决区域能源项目初期运行的关键。

5.2 重视设计方案与建设的匹配

鉴于分期建设的概念，供能系统的设计方案必须与之相匹配，核心是兼顾初期运行的低负荷、长期的余量规划。

设计的运行方案不再简单以负荷率为基础进行，应按项目建成后预期可能的负荷增长情况展开。

5.3 建立智慧能源运行管理系统

运行管理系统应建立以成本、能效、安全等多目标控制的运行控制策略，不再简单地以可运行为主，应涵盖负荷预测、优化策略、评估体系等功能，并进一步对运行数据进行深度的开发应用，建立完善能适应运行、预测、分析、管理为一体的能源智慧管理系统。