区域能源站耦合冰蓄冷系统设计与运行分析_马鹏亮.pdf

第8卷 第1期2 0 2 3年2月分布式能源D i s t r i b u t e dE n e r g yV o l.8N o.1F e b.2 0 2 3D O I:1 0.1 6 5 1 3/j.2 0 9 6-2 1 8 5.D E.2 3 0 8 1 0 9区域能源站耦合冰蓄冷系统设计与运行分析马鹏亮(北京燃气能源发展有限公司,北京市 朝阳区1 0 0 1 0 1)摘要:区域能源站基于多能互补,将多种不同形式的冷源经过智能耦合,以满足末端对冷负荷的需求。为使多能互补区域能源站供冷系统能经济、节能、绿色、环保、高效地运行,在设计中冷源装机容量要与运行模式相匹配。基于北京某区域能源站的实际案例,对其项目后期运行模式进行分析,设计其供冷系统各冷源的装机容量。研究表明,在供冷系统中耦合蓄冰槽后,可根据末端负荷变化情况,调整不同的运行模式以降低系统的运行成本,实现经济、高效运行。与传统的单一冷源供冷系统相比,多能互补的供冷系统通过多种能源的智能耦合提高供冷与末端负荷的匹配性,同时降低运行成本。关键词:区域能源站;多能互补;冰蓄冷;系统设计;系统运行模式;运行经济性中图分类号:T K2 6 文献标志码:AD e s i g na n dO p e r a t i o nA n a l y s i so fC o u p l e dI c eS t o r a g eS y s t e mf o raR e g i o n a lE n e r g yS t a t i o nMAP e n g l i a n g(B e i j i n gG a sE n e r g yD e v e l o p m e n tC o.,L t d.,C h a o y a n gD i s t r i c t,B e i j i n g1 0 0 1 0 1,C h i n a)A B S T R A C T:B a s e do nm u l t i-e n e r g yc o m p l e m e n t a t i o n,av a r i e t yo fd i f f e r e n t f o r m so fc o l ds o u r c e sa r e i n t e l l i g e n t l yc o u p l e d i n t h e r e g i o n a l e n e r g y s t a t i o n t om e e t t h ed e m a n do f t e r m i n a l c o o l i n g l o a d.I no r d e r t om a k e t h em u l t i-e n e r g yc o m p l e m e n t a r yr e g i o n a le n e r g ys t a t i o nc o o l i n gs y s t e m r u ne c o n o m i c a l l y,e n e r g y-s a v i n g,g r e e n,e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n de f f i c i e n t l y,t h e i n s t a l l e dc a p a c i t yo f t h ec o l ds o u r c es h o u l dm a t c ht h eo p e r a t i o nm o d ei nt h ed e s i g n.B a s e do n t h ep r a c t i c a l c a s eo f a r e g i o n a l e n e r g ys t a t i o n i nB e i j i n g,t h e l a t eo p e r a t i o nm o d eo f t h ep r o j e c t i sa n a l y z e d,a n dt h ei n s t a l l e dc a p a c i t yo fe a c hc o l ds o u r c eo ft h ec o o l i n gs y s t e mi sd e s i g n e d.T h er e s e a r c hs h o w st h a ta f t e rc o u p l i n gt h ei c es t o r a g et a n ki nt h ec o o l i n gs y s t e m,d i f f e r e n to p e r a t i o n m o d e sc a nb ea d j u s t e da c c o r d i n gt ot h ec h a n g eo ft e r m i n a ll o a di no r d e rt or e d u c et h eo p e r a t i n gc o s to ft h es y s t e m a n da c h i e v ee c o n o m i ca n de f f i c i e n to p e r a t i o n.C o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a ls i n g l es o u r c ec o o l i n gs y s t e m,t h e m u l t i-e n e r g yc o m p l e m e n t a r yc o o l i n gs y s t e mc a ni m p r o v et h e m a t c h i n go fc o o l i n ga n dt e r m i n a ll o a dt h r o u g hi n t e l l i g e n tc o u p l i n go fv a r i o u se n e r g ys o u r c e s,a n dr e d u c e t h eo p e r a t i n gc o s t.K E Y WO R D S:r e g i o n a l e n e r g ys t a t i o n;m u l t i e n e r g yc o m p l e m e n t a r i t y;i c es t o r a g e;s y s t e md e s i g n;s y s t e mo p e r a t i o nm o d e;o p e r a t i n ge c o n o m y0 引言 能源作为经济和社会发展的重要物质基础,在能源危机及生态环境恶化的形势下,能源结构在由单一能源形式向多能互补形式加速转型。区域能源站正是在此背景下以其能源效率高、环境污染小、燃料选择多、运行成本低、安全性能高等特点,在能源行业中迅速发展,成为目前主要的供能形式之一1-4。在国内随着广州大学城、广州珠江新城、北京中关村、上海外滩中央商务区、深圳前海新区等区域供冷站项目落地5-6,其技术体系已逐渐成熟并迅速发展。大量学者已从不同角度对区域能源站的供能进行研究分析。文献7-1 0 从能源站工艺系统源网储荷全方位的智能管控角度分析了能源管理平台在区域能源站的重要作用,可使运行更加智能和节能;文献1 1-1 3 通过计算机建模进行系统设计和运行模拟,提前规避设计和运行中的难点,可使系统设计更加贴合实际情况;文献1 4-2 3 在区域能源站内耦合其他可再生能源,通过运行中的多能互补优化运行方式,提高项目运行中可再生能源的利用率。7 0 分布式能源第8卷 第1期本文在区域能源站源网储荷智能管控、负荷模拟及多能互补的基础上,耦合蓄冰槽后利用夜间低谷电价时段蓄冰、白天高峰电价时段融冰。外融冰冰蓄冷系统的融冰速度快、出水温度低,可满足末端对于供冷温度恒定的要求,同时降低供冷系统的运行成本,可见与常规单一冷源供冷系统相比,多能互补的区域能源站供冷的应用场合更广泛,负荷匹配性更灵活,成本优势更明显。1 项目简介北京环球影城项目位于北京市通州文化旅游区内,环球主题公园规划用地面积约4k m2,旅游度假区约1.4 k m2,区域能源站的供能涵盖度假区内主体公园、配套酒店和餐饮、办公场所、数据中心等,共计约4 0万m2;项目电力负荷需求2 5.1MW,冷负荷需求6 2.2 7MW,热负荷需求8 4.8 2MW。本文主要研究以冰蓄冷为基础的制冷系统,负荷情况如表1所示。表1 夏季各场所冷负荷指标和需求表T a b l e1 C o o l i n g l o a d i n d e xa n dd e m a n dt a b l eo fe a c hp l a c e i ns u mm e r场所冷负荷/MW冷负荷指标/(Wm2)办公场所6.8 4 81 0 8商业场所4.2 0 21 6 6餐饮场所1 0.4 9 22 4 6游乐场所2 9.2 3 32 6 2酒店1 1.1 6 37 1数据中心1.3 2 79 9 5总计6 3.2 6 51 5 8 根据环球影城用户侧用冷需求,在冬季和过渡季酒店、食堂等还有少量的冷负荷需求,所以需要全年供冷。同时环球影城对于供冷质量要求高于一般商业项目,需要换热站全年供冷时一次侧供水温度4、二次侧供水温度6,为保证供冷效果,一次供水温度偏差不能超过0.5。对于项目夏季和冬季典型日分别进行逐时负荷模拟,便于确定系统的装机容量和运行策略。逐时冷负荷变化趋势基本相似,但夏季昼夜之间变化幅度更明显,具体如图1所示。2 区域能源站供冷系统设计环球影城区域能源站按多能互补技术,结合项图1 夏季和冬季典型日逐时冷负荷F i g.1 H o u r l yc o o l i n g l o a d i nt y p i c a l s u mm e ra n dw i n t e rd a y s 目全年供冷、夏季昼夜负荷变化幅度明显等特点,配备总容量1 5 5MW的蓄冰槽和1 1.4MW的自然冷却板式换热器。供冷总装机能力为6 5.9MW,完全满足园区冷负荷需求,具体装机容量如表2所示。表2 制冷设备装机容量T a b l e2 I n s t a l l e dc a p a c i t yo f r e f r i g e r a t i o ne q u i p m e n t设备型号供冷能力/k W溴化锂机组1 8 6万k c a l 364 8 0基载主机18 0 03.5 1 6k W31 89 9 0双工况主机25 0 03.5 1 6k W32 63 7 0蓄冰槽1 5 5MWh1 40 6 0合计6 59 0 0 由于园区要求一次侧供水温度需稳定在4 0.5,制冷系统设计需要既可满足供水温度要求,又尽可能提高系统效率。根据外融冰系统蓄冰槽的特性,出水极限温度为1.5,而且融冰速率快,所以将蓄冰槽串联在制冷主机之后,既可迅速将供水温度稳定在40.5,又可提高前端主机设备供冷效率。根据逐时冷负荷情况,夜间仍存在1 7MW左右的基础负荷,所以设计阶段需考虑在主机制冰时,其仍可满足基础负荷的供冷要求。在系统中配置基载主机以承担夜间基础负荷,为避免主机频繁启停,将基载主机和蓄冰槽并联且将基载主机的出水温度设定为4,可满足园区对于供冷温度的要求。根据以上特性要求和解决方案,环球影城区域V o l.8N o.1马鹏亮:区域能源站耦合冰蓄冷系统设计与运行分析7 1 能源站供冷系统原理如图2所示。图2 环球影城区域能源站供冷系统原理图F i g.2 S c h e m a t i cd i a g r a mo f c o o l i n gs y s t e mo fU n i v e r s a l S t u d i o s r e g i o n a l e n e r g y s t a t i o n 双工况主机及蓄冰槽盘管内为2 5%浓度的乙二醇溶液,夜间低谷电价时用于制冰,白天高峰负荷时通过双工况主机板式换热器进行制冷。夜间制冰时,双工况主机的进、出口温度为-5.6-2.1;白天供冷时,双工况主机的进、出口温度为49,经过双工况板式换热器换热,二次侧的供、回水温度为51 3。区域能源站的回水首先分别经过溴化锂主机、自然冷却板式换热器、双工况板式换热器冷却后,再进入蓄冰槽进行冷却降温,最终和基载主机并联后通过二级泵向园区提供4冷水。因为蓄冰槽极限出水温度为1.5,所以供水温度T 1需要根据V 1、V 2阀门调节流量得以保证。3 区域能源站供冷系统运行模式根据系统设计原理及度假园区全年冷负荷变化情况,本着经济运行的目的,区域能源站供冷系统基本可分为以下4种运行模式:(1)冬季自然冷却制冷。冬季度假园区仍存在较小冷负荷需求,此时可开启自然冷却板式换热器进行供冷,节省运行成本。由于自然冷却板式换热器无法保证供水温度T1稳定在40.5的要求,所以需要在夜间进行蓄冰,白天供冷时能源站回水首先经过自然冷却,再进入蓄冰槽内进行降温,并通过调节V 1和V 2阀门开度,使供水温度T1稳定在40.5,运行原理如图3所示。(2)过渡季融冰制冷。过渡季度假园区冷负荷需求仍然较小,无需开图3 冬季自然冷却运行原理F i g.3 S c h e m a t i cd i a g r a mo fn a t u r a l c o o l i n go p e r a t i o n i nw i n t e r 启制冷主机,仅单融冰既可满足全天供冷需求。夜间开启双工况主机进行制冰,白天供冷时能源站回水一部分通过蓄冰槽温度降低至1.5时直接与另一部分回水混合后向园区供冷。为保证供水温度T1稳定在40.5,需要通过调节V 1和V 2阀门开度控制进入冰槽的水流量,运行原理如图4所示。图4 过渡季融冰制冷运行原理F i g.4 S c h e m a t i cd i a g r a mo f r e f r i g e r a t i n go p e r a t i o no ft r a n s i t i o n a l s e a s o n a lm e l t i n g i c e(3)夏季低负荷阶段运行。夏季冷负荷较低时,夜间仅依靠基载机既可满足基础负荷时,双工况主机可用于单纯制冰。此时能源站回水不经过蓄冰槽,仅通过基载主机和旁通管,基载主机设定出水温度为4。基载机的出水与旁通管回水混合后,供水温度T1小于4.5时满足要求。当温度超过4.5时,则增加基载机运行数量,使供水温度降T1低至4.5之内。白天运行时根据负荷预测和负荷变化情况,确定双工况主机投入制冷的数量,在蓄冰槽蓄冰量满足当日冷负荷要求的前提下,尽可能在电价高峰时7 2 分布式能源第8卷 第1期段和尖峰时段多融冰,以降低运行成本。白天为提高双工况主机制冷效率,设定出水温度为4(或者更高),能源站供水温度依靠调节V 1和V 2阀门开度,使供水温度T1稳定在40.5,运行原理如图5所示。图5 夏季低负荷阶段运行原理F i g.5 O p e r a t i o np r i n c i p l ed i a g r a mo f l o wl o a d s t a g e i ns u m m e r(4)夏季高负荷阶段运行。夏季冷负荷较高时,夜间仅依靠基载机不能满足基础负荷时,即全部基载机开启后供水温度T1仍高于4.5,无法满足度假园区对于供水温度的要求。此时需要开启冰槽前后的进出水阀门,一部分回水需经过蓄冰槽进行降温,双工况主机进入边制冰边供冷模式,最后与基载机汇总向度假园区供冷。白天负荷高时,按照常规的温度设定(双工况主机出水温度设定为4)蓄冰槽蓄冰量可能无法满足全天冷负荷,此时可降低双工况主机的供水温度,即增加双工况主机白天供冷能力。出水温度可根据负荷预测及当天运行融冰情况进行设定(设定3或其他值),此时双工况主机效率会有所下降,但可满足园区对于供冷温度的要求,运行原理如图6所示。4 区域能源站供冷系统控制系统4.1 控制的基本逻辑首先进行负荷预测,在满足负荷预测前提下尽可能多进行蓄冰,以满足第2天的供冷运行;在第2天供冷系统运行中,结合当地电价变动情况,尽可能在电价高峰时段和尖峰时段多融冰,减少制冷主机的开启台数;最后在即将进入低谷电价阶段且负图6 夏季高负荷阶段运行原理F i g.6 O p e r a t i o np r i n c i p l ed i a g r a mo fh i g h l o a dp h a s e i n s u m m e r 荷开始下降时,在满足冷负荷需求的前提下,尽量少开或不开主机进行供冷,将所有蓄冰槽内剩余冰量全部融完,避免剩冰2 4-2 5。因为双工况主机、溴化锂机组及自然冷却板式换热器的供水温度无法满足度假园区要求的40.5供水温度,必须经过蓄冰槽来降温,所以必须根据负荷预测及当天融冰情况,控制蓄冰槽的融冰速率,避免后期发生无冰可溶、无法满足供冷温度的问题。制冰系统的融冰顺序为:夜间充分制冰,白天首先开启溴化锂余热机制冷,再次尽量保持基载主机连续运行,基载机无法满足时开启双工况主机制冷。融冰按以上原则进行控制,运行策略如图7所示,其中下部供冷冷源的优先级最高。4.2 控制系统结构区域能源站计算机监控系统采用开放式、分层分布式结构的计算机监控系统。根据被控对象特点及电气主接线形式,中控室设置2台主机兼操作员工作站、1台通讯工作站、1台工程师工作站,现场就地单元控制层按被控对象配置1套机组现地控制单元(l o c a l c o n t r o lu n i t,L C U)、1套电气L C U、1套工艺设备L C U。各现场L C U和中控室操作员工作站、通 讯 工 作 站、工 程 师 工 作 站 之 间 由 以 太 网连接。4.3 控制系统功能(1)上位机系统功能。区域能源站控制级配置2台操作员工作站负责能源站的运行操作。2个工作站结构完全相同,互为热备用,并能自动或手动进行切换。操作员工作站承担实时采集能源站主要设备的运行状态、参V o l.8N o.1马鹏亮:区域能源站耦合冰蓄冷系统设计与运行分析7 3 图7 制冷系统运行策略控制图F i g.7 O p e r a t i o ns t r a t e g yc o n t r o l d i a g r a mo f r e f r i g e r a t i o ns y s t e m 数,对各控制点和监视点进行自动安全检测、越限报警、事件顺序记录、事故原因提示、事故语音报警,同时操作员工作站还将承担运行管理、数据采集和处理、与各L C U的通讯、能源站有功功率控制、无功功率控制等任务。一台通讯工作站负责与调度中心通讯,另一台工程师工作站负责计算机监控系统的日常维护。(2)机组L C U功能。每台机组设有1套计算机L C U,正常时由机组L C U完成对机组及机组辅助设备的监测、控制、调节及数据采集、处理,并完成与其他控制单元的数据通讯。每套L C U可作为所属设备的独立监控装置运行,当L C U与能源站级系统失去联系时,由它独立完成对所属设备的监控,包括在现地由操作员进行手动控制,由L C U对所属设备进行自动控制。机组调速、励磁设备、发变组保护独立于计算机监控系统,由主机配套供给或单独设计。机组辅助设备附近设机组L C U,设有完整的手动/自动回路、可实现自动控制和现地手动控制。(3)工艺设备L C U功能。能源站设置1套工艺设备L C U,完成能源站公用设备(能源站锅炉、电制冷机组、循环泵等)的监测、控制及数据采集、处理,并完成与上位机系统的数据通讯,工艺设备附近设现地控制盘,设有完整的手动/自 动 回 路,可 实 现 自 动 控 制 和 现 地 手 动控制。(4)电气L C U功能。完成能源站电气设备(能源站1 0k V高压开关设备、电制冷机组、低压站用配电系统等)的监测、控制及数据采集、处理,实时监测能源站内用电负荷,对有同期并网要求的断路器进行同期并购操作,并完成与上位机系统的数据通讯,电气设备附近设现地控制盘,设有完整的手动/自动回路,可实现自动控制和现地手动控制。5 区域能源站供冷系统的经济性制冷系统耦合蓄冰槽后,低谷电价的夜间进行蓄冰而白天进行融冰制冷,与直接使用制冷主机进行制冷的系统相比,耦合冰蓄冷后运行费用明显下降。按照北京市目前执行的峰谷平电价标准,具体对比情况如表3所示。表3 蓄冰槽蓄冰制冷和机组直接制冷费用的对比T a b l e3 C o s t c o m p a r i s o nb e t w e e ni c e s t o r a g er e f r i g e r a t i o na n du n i td i r e c t r e f r i g e r a t i o n参量数值末端用户得冷量/G J1.0 0白天尖峰电价/元(kWh)-11.3 9白天高峰电价/元(kWh)-11.1 5白天平段电价/元(kWh)-10.8 5夜间低谷电价/元(kWh)-10.5 5蓄冰槽蓄冰 释冷效率0.8 5电制冷制冰系统效率/%2.8 67 4 分布式能源第8卷 第1期续表参量数值蓄冰制冷费用/元6 2.8 5电制冷系统效率/%3.7 8电制冷直接制冷的尖峰电价/元1 0 2.1 5电制冷直接制冷的高峰电价/元8 4.5 1电制冷直接制冷的平段电价/元6 2.4 6尖峰时段蓄冰槽制冷的节费率/%6 2.5 3%高峰时段蓄冰槽制冷的节费率/%3 4.4 7%平价时段蓄冰槽制冷的节费率/%-0.6 1%白天系统运行平均电价/元(kWh)-11.0 0电制冷直接制冷的平均电价/元7 3.4 9平均电价蓄冰槽制冷的节费率/%1 6.9 3 经过北京环球影城区域能源站实际装机和系统效率对比,蓄冰槽蓄冰制冷的运行费用明显低于使用主机直接供冷的费用。在制冷系统白天工作时段,平均电价为1.0 0元/(kWh),蓄冰槽蓄冰制冷模式与主机直接供冷模式相比,运行费用节约1 6.9 3%。6 结论(1)多能互补区域能源站供冷系统多种运行模式可根据末端负荷进行灵活变化组合,对于末端的匹配性更好;(2)蓄冰槽串联在制冷主机后,不仅可稳定供水温度,也可增大供回水温差,减小水泵能耗;(3)自动控制系统可提高区域能源站的智能性,减少运行人员工作,最终实现无人值守功能;(4)多能互补区域能源站供冷系统相比传统单一冷源供冷系统,运行更经济、更智能,降低运行费用超过1 7%。参考文献1 魏一鸣,余碧莹,唐葆君.中国碳达峰碳中和时间表与路线图研究J.北京理工大学学报(社会科学版),2 0 2 2,2 4(4):1 3-2 6.WE I Y i m i n g,YU B i y i n g,T AN G B a o j u n.R o a d m a p f o ra c h i e v i n gC h i n a sc a r b o np e a ka n dc a r b o nn e u t r a l i t yp a t h w a yJ.J o u r n a l o fB e i j i n g I n s t i t u t eo fT e c h n o l o 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p e r a t i o no fr e g i o n a le n e r g y i n t e r n e tJ.R e n e w a b l eE n e r g yR e s o u r c e s,2 0 2 2(2):2 3 8-2 4 6.9 谢林鸿,李慧.区域能源智能物联网平台开发J.自动化仪表,2 0 2 2(6):2 4-2 8.X I E L i n h o n g,L I H u i.D e v e l o p m e n t o f r e g i o n a l e n e r g yi n t e l l i g e n t I o Tp l a t f o r mJ.P r o c e s sA u t o m a t i o nI n s t r u m e n t a t i o n,2 0 2 2(6):2 4-2 8.1 0程杰.基于源网储荷的区域能源互联管理系统设计J.信息与电脑,2 0 2 2(3):9 1-9 3.C HE N G J i e.D e s i g n o f r e g i o n a l e n e r g y i n t e r c o n n e c t i o nm a n a g e m e n t s y s t e mb a s e do ns o u r c en e t w o r k l o a ds t o r a g eJ.C h i n aC o m p u t e r&C o mm u n i c a t i o n,2 0 2 2(3):9 1-9 3.1 1孙汉闻,龙妍.浅谈应用G L P K解决区域能源模型分析问题J.资源节约与环保,2 0 1 9(2):1 4 7-1 4 8.1 2马丽叶,张涛,杨林林.基于变权可拓云模型的区域综合能源系统综合评价J.电工技术学报,2 0 2 2,3 7(1 1):2 7 8 9-2 7 9 9.MAL i y e,Z HA N GT a o,Y A N GL i n l i n.C o m p r e h e n s i v e e v a l u a t i o no f r e g i o n a l i n t e g r a t e de n e r g ys y s t e mb a s e do nv a r i 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