史春燕 葉重陽 常亞翠

1.中國中冶美麗鄉(xiāng)村與智慧城市研究院 重慶 400013;

2.中冶賽迪股份工程技術(shù)有限公司 重慶 400013;

3.中冶賽迪電氣技術(shù)有限公司 重慶 400013

引言

隨著能源短缺、電力污染等環(huán)境壓力的加劇,以及國內(nèi)出臺的“峰谷電價”的利益引導(dǎo),“削峰填谷、平衡電網(wǎng)負(fù)荷”成為集中供冷供熱空調(diào)系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)。應(yīng)運(yùn)而生的蓄冰空調(diào)系統(tǒng)[1],充分利用夜間廉價的低谷電力儲存冷量,在電力高峰期補(bǔ)充空調(diào)冷負(fù)荷需要,將部分高峰時段電力需求轉(zhuǎn)移到低谷時段,節(jié)約系統(tǒng)運(yùn)行成本。由于制冷機(jī)組在制冰工況下的效率要明顯低于正常水冷工況,且蓄冰過程存在一定冷量損失,因此冰蓄冷的總體效率大約只有制冷機(jī)組直接供冷效率的60%左右[2]。在1∶2∶3的谷、平、峰三段電價下,如控制不當(dāng),可能造成冰蓄冷系統(tǒng)能源費(fèi)用超出正常供冷費(fèi)用的情況。這正是目前冰蓄冷技術(shù)推廣的主要障礙。在已有的冰蓄冷控制策略研究中,論文[3]中綜述了冰蓄冷工程中的6種控制方法,除“優(yōu)化控制策略”外的5種控制方式都過于簡單,控制效果距離最優(yōu)相差較遠(yuǎn)。而文中僅給出了“優(yōu)化控制策略”的思想,沒有具體實(shí)現(xiàn)方法。論文中采用動態(tài)規(guī)劃方法給出了優(yōu)化控制算法,但求解過程涉及因素復(fù)雜,其精確控制結(jié)果在工程實(shí)施中難度很大(工程控制誤差一般較大,很難精確控制)。論文中提出了冰蓄冷優(yōu)化控制的單位冷量價格控制思想,將確定制冷機(jī)組及蓄冰槽冷量輸出的控制思想轉(zhuǎn)化為確定制冷機(jī)組逐時啟動臺數(shù),采用機(jī)組優(yōu)先控制策略,并給出了基于規(guī)則推理的優(yōu)化步驟。這種結(jié)合機(jī)組優(yōu)先與優(yōu)化思想的控制策略在簡化算法的同時方便了工程實(shí)施,但文中單位冷量價格確定太過簡化,其規(guī)則的完整性和適用范圍仍需探討。論文中提出了冰蓄冷優(yōu)化控制的機(jī)組優(yōu)先網(wǎng)格控制思想,將逐時刻負(fù)荷離散成網(wǎng)格的值,根據(jù)規(guī)則進(jìn)行網(wǎng)格的優(yōu)先級排序,將問題轉(zhuǎn)化為每個網(wǎng)格的負(fù)荷由機(jī)組或者融冰承擔(dān)的問題。其算法求解過程簡單,并避開了復(fù)雜的機(jī)組、輔助設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用的計(jì)算,該方法能得到確切解,但是該論文構(gòu)建的模型簡單,不適合在復(fù)雜的實(shí)際工程中應(yīng)用。本文在以往研究的基礎(chǔ)上,基于復(fù)雜的實(shí)際工程應(yīng)用,提出了基于機(jī)組優(yōu)先的離散規(guī)劃控制方法,提高機(jī)組的運(yùn)行COP并實(shí)現(xiàn)蓄冰槽的最大利用,從而實(shí)現(xiàn)能源站全工況的優(yōu)化控制。

1 理論模型

某CBD區(qū)域江水源熱泵冰蓄冷集中供冷系統(tǒng),共有基載機(jī)組10臺,雙工況機(jī)組8臺,蓄冷槽總儲冷量330785k W(94080RTh),其設(shè)備布置圖及簡化示意如下所示:

1.1 系統(tǒng)運(yùn)行工況分析

根據(jù)電價政策,系統(tǒng)設(shè)計(jì)的夜間時段為電價低谷階段(23:00－次7:00),其余的時段為白天時段。由系統(tǒng)供回水溫度決定系統(tǒng)的運(yùn)行工況如下圖所示:

(1)白天時段(7:00～22:00)

由于系統(tǒng)在白天時段供水出口溫度的要求為不高于3℃,而基載主機(jī)出口溫度為4.5℃,雙工況換板的出口溫度也為4.5℃,因此系統(tǒng)在白天時段基載主機(jī)、雙工況主機(jī)開啟的同時必須聯(lián)合融冰供冷才能達(dá)到所要求的供水出口溫度。

當(dāng)制冷主機(jī)聯(lián)合融冰供冷時,制冷主機(jī)出口流量是Q,水比熱為C,則主機(jī)供冷總量R_主機(jī)＝CQ(13℃－4.5℃),融冰最低的供冷總量R_融冰＝CQ(4.5℃－3℃),則制冷主機(jī)與融冰聯(lián)合供冷時,其最大的配比為:

R_主機(jī):R_融冰 ＝(13－4.5):(4.5－3)＝8.5:1.5,即融冰出力至少占總供冷負(fù)荷的15%才能滿足供水出口溫度3℃的要求。

(2)夜間時段(23:00－次7:00)

由于系統(tǒng)在夜間時段供水出口溫度的要求為4.5℃,基載主機(jī)出口溫度為4.5度,滿足夜間溫度要求。因此,夜間為雙工況主機(jī)制冰時段,夜晚的負(fù)荷由基載主機(jī)承擔(dān)。

1.2 優(yōu)化控制影響因素分析

實(shí)施冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化控制相關(guān)的影響因素包括:空調(diào)(用冷)時段的逐時負(fù)荷、各時段電價,制冷主機(jī)的動態(tài)特性和蓄冰槽的蓄融冰動態(tài)特性。

(1)制冷主機(jī)的動態(tài)特性可以由廠家提供的負(fù)荷率與能效比COP的曲線數(shù)據(jù)獲得。在該江水源項(xiàng)目中,制冷機(jī)運(yùn)行在85%負(fù)荷率時達(dá)到機(jī)組的COP峰值。另外,根據(jù)論文[8]知,當(dāng)多臺同規(guī)格制冷機(jī)并行運(yùn)行時,其各機(jī)組負(fù)荷率相同時,系統(tǒng)運(yùn)行最經(jīng)濟(jì)。

(2)蓄冰槽的蓄融冰動態(tài)特性可以根據(jù)廠家提供的冰量與出口溫度關(guān)系數(shù)據(jù)來得到。大量的工程實(shí)測表明:在蓄冷階段的絕大部分時間內(nèi)可以近似認(rèn)為蓄冷率是恒定的,某一時刻蓄冰槽的釋冷率可以統(tǒng)一表示為蓄冰槽中剩余冰量的函數(shù)。

1.3 離散規(guī)劃數(shù)學(xué)模型介紹

使用機(jī)組額定出力將逐時負(fù)荷進(jìn)行離散,機(jī)組最大出力以上的網(wǎng)格為A類網(wǎng)格,是必須要融冰供冷的負(fù)荷;最大出力線下的網(wǎng)格是B類網(wǎng)格,對B類網(wǎng)格按照一定規(guī)則進(jìn)行量化排序,確定融冰的具體時刻和供冷量。下圖以單臺主機(jī)額定功率2000KW,10臺組成的機(jī)組為例,機(jī)組最大出力為14000kw,在紅線之上的網(wǎng)格稱為A類網(wǎng)格,無空閑機(jī)組,必須融冰供冷;紅線之下的網(wǎng)格稱為B類網(wǎng)格。

其重要的假設(shè):每個網(wǎng)格的供冷只能采用主機(jī)供冷或者融冰供冷其中一種進(jìn)行。優(yōu)化分配問題轉(zhuǎn)換為將B類網(wǎng)格分配到主機(jī)或者融冰的優(yōu)先級問題。

1.4 離散規(guī)劃數(shù)學(xué)模型結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目問題

根據(jù)逐時刻的預(yù)測負(fù)荷情況進(jìn)行特定的離散,根據(jù)2.1節(jié)的分析,聯(lián)合工況下,融冰供冷量至少為預(yù)測總負(fù)荷的15%,屬于A類網(wǎng)格。剩余的85%預(yù)測負(fù)荷將進(jìn)行網(wǎng)格離散處理。

當(dāng)某時刻的85%預(yù)測負(fù)荷小于10臺基載＋8臺雙工況機(jī)組總COP峰值負(fù)荷時,使用機(jī)組COP峰值負(fù)荷將該時刻負(fù)荷進(jìn)行離散,記為B1類情況,否則記為B2類情況,使用機(jī)組的額定負(fù)荷對該時刻負(fù)荷進(jìn)行離散。

(1)確定量化的約束條件

約束條件1:機(jī)組最大出力約束

約束條件2:有效防止制冷機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行

約束條件3:盡可能將蓄冰使用在電力高峰時段

約束條件4:盡可能保持制冷機(jī)組工作的連續(xù)性,避免頻繁啟停機(jī)

(2)確定檢驗(yàn)條件

檢驗(yàn)條件1:最大蓄冰容量檢驗(yàn)

檢驗(yàn)條件2:逐時最大融冰速度檢驗(yàn)

(3)約束條件量化:

1)約束1的量化模型:

N取值為18,≤時為基載主機(jī),s 1為基載主機(jī)的額定負(fù)荷量化值,時為雙工況主機(jī),是雙工況主機(jī)的額定負(fù)荷量化值。

理論上,蒸發(fā)溫度每降低1℃,制冷機(jī)組的平均耗電率增加3%?；d主機(jī)出口溫度為4.5℃,效率100%,雙工況制冷出口溫度3.5℃,效率為97%,因此,在聯(lián)合工況下,優(yōu)先啟動基載主機(jī)。在進(jìn)行機(jī)組最大出力約束量化時,從下往上,先離散10臺基載主機(jī),再離散8臺雙工況。

2)約束2的量化模型:

B 1類情況下,Qe為制冷主機(jī)的85%額定負(fù)荷,B 2類情況下,Qe為制冷主機(jī)額定負(fù)荷。

3)約束3的量化模型:

遵循尖峰電價優(yōu)先用冰原則,Ap值越小,優(yōu)先級越高。

約束4的量化模型:

Ar[i,j]＝α?(N－j),

表示為層數(shù)越高,值越小,優(yōu)先級越高,有效防止頻繁起停機(jī)。

(4)確定離散網(wǎng)格的優(yōu)先級模型:

綜合各種影響因素,得出總優(yōu)先級系數(shù)表達(dá)式:

Prio[i,j]＝An[i,j]＋Ap[i,j]×Aq[i,j]＋Ar[i,j]

(5)輸出檢驗(yàn)

計(jì)算每個網(wǎng)格Prio[i,j]值,根據(jù)該值按小到大排序,越小的網(wǎng)格優(yōu)先使用融冰。使用約束5總蓄冰罐容量以及逐時最大融冰速度進(jìn)行檢驗(yàn)。

2 模型求解算法描述

(1)初始化逐時預(yù)測負(fù)荷、7點(diǎn)時刻的現(xiàn)存冰量以及設(shè)備的故障狀態(tài),并進(jìn)行邊界檢驗(yàn)。

(2)計(jì)算A類網(wǎng)格的總?cè)诒?逐時負(fù)荷的15%以及剩余超出機(jī)組總能力的部分。

(3)進(jìn)行B類網(wǎng)格離散處理,根據(jù)逐時負(fù)荷的情況進(jìn)行判斷,如果主機(jī)承擔(dān)的總負(fù)荷小于全部機(jī)組的COP峰值負(fù)荷,則使用COP峰值負(fù)荷進(jìn)行離散,反之,使用主機(jī)額定負(fù)荷進(jìn)行離散。

(4)計(jì)算每個網(wǎng)格的Prio[i,j]值,根據(jù)該值按小到大排序,越小的網(wǎng)格優(yōu)先使用融冰。

(5)依次累加融冰供冷量,當(dāng)累加第n個網(wǎng)格融冰總量小于總蓄冰罐容量,當(dāng)累加到n＋1個網(wǎng)格融冰總量大于總蓄冰罐容量時,取總?cè)诒繛榍皞€網(wǎng)格融冰量W,則總需蓄冰量為W,蓄冰設(shè)備使用率為W/Q,其中,Q為蓄冰罐容量。

(6)同時加入最大融冰速率檢驗(yàn),如果該時刻的融冰供冷達(dá)到最大融冰速率V,則該時刻的剩余網(wǎng)格不再具有優(yōu)先條件,排除后,再次用Prio值排序,排序后繼續(xù)進(jìn)行檢驗(yàn)判斷。此時,最大融冰速率可以使用蓄冰剩余冰量進(jìn)行量化約束(隨著剩余冰量變化),也可以設(shè)置合適的固定值。

(7)算法流程見下圖:

(8)根據(jù)離散規(guī)劃算法計(jì)算調(diào)度結(jié)果

當(dāng)預(yù)測日負(fù)荷為能源站100%負(fù)荷時,調(diào)度結(jié)果如下所示,在7:00－13:00以及17:00－22:00,機(jī)組均以COP峰值即85%額定負(fù)荷運(yùn)行,效率最優(yōu);在14:00－16:00負(fù)荷高峰時段,機(jī)組近額定負(fù)荷運(yùn)行,滿足供冷需求;當(dāng)日的冰槽為96.62%的高利用率,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最大化的“削峰填谷”,使得系統(tǒng)運(yùn)行接近理論上的最優(yōu)化狀態(tài),實(shí)現(xiàn)最大化的經(jīng)濟(jì)效益。

當(dāng)預(yù)測日負(fù)荷為80%負(fù)荷時,調(diào)度結(jié)果如下圖所示,在7:00－22:00的各白天時段,系統(tǒng)機(jī)組均運(yùn)行機(jī)組COP峰值狀態(tài)下,冰槽也達(dá)到96.15%的高利用率。

從調(diào)度結(jié)果可以看出,在日負(fù)荷較高的情況下,大多數(shù)時間機(jī)組是運(yùn)行在COP峰值負(fù)荷率情況下,少數(shù)高峰時段運(yùn)行負(fù)荷率高于COP峰值設(shè)定,接近其設(shè)備額定能力;在日負(fù)荷一般的情況下,機(jī)組均運(yùn)行在COP峰值,冰槽利用率非常高,整個系統(tǒng)運(yùn)行接近理論上的最優(yōu)化狀態(tài),對系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有較高的指導(dǎo)價值。

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3 結(jié)論

本文針對復(fù)雜的江水源聯(lián)合冰蓄冷系統(tǒng)實(shí)際工程應(yīng)用,提出了改進(jìn)的離散規(guī)劃優(yōu)化控制方法,能根據(jù)逐時段負(fù)荷特點(diǎn)進(jìn)行恰當(dāng)?shù)牧炕?并能統(tǒng)一進(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)度,保證了機(jī)組的運(yùn)行效率、蓄冰罐的利用率以及機(jī)組的運(yùn)行連續(xù)性等,并且該方法能得到確切解,經(jīng)驗(yàn)證,該方法可行并且效果良好,非常適合解決江水源聯(lián)合冰蓄冷集中供冷系統(tǒng)的全自動優(yōu)化調(diào)度問題。