水蓄冷系統(tǒng)在供冷系統(tǒng)的運(yùn)行策略研究

程超峰，馮云崗，李 蕓

（1.上海電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200025；2.國網(wǎng)上海市電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，上海 200120）

0 引言

水蓄冷系統(tǒng)利用峰谷電價(jià)差，進(jìn)行蓄冷釋冷，是實(shí)現(xiàn)平衡電網(wǎng)用電負(fù)荷，減少常規(guī)機(jī)組的裝機(jī)容量和節(jié)約系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用的一種有效手段[1]。在我國，水蓄冷系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于執(zhí)行峰谷電價(jià)政策地區(qū)的醫(yī)院、賓館、商場、辦公樓、住宅小區(qū)、工礦企業(yè)等空調(diào)系統(tǒng)和工藝用冷領(lǐng)域，并取得良好經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益[2]。

目前，供冷系統(tǒng)工程中水蓄冷系統(tǒng)一般與多種供冷設(shè)備，如溴化鋰機(jī)組、電制冷機(jī)組，聯(lián)合運(yùn)行[3]。由于各類設(shè)備的穩(wěn)定性及成本不同，機(jī)組的運(yùn)行時(shí)段和運(yùn)行次序的不同會(huì)影響到系統(tǒng)供能的安全性和經(jīng)濟(jì)性[4]。因此，制定合理的運(yùn)行策略至關(guān)重要。基于此，對水蓄冷系統(tǒng)在供冷系統(tǒng)的運(yùn)行策略進(jìn)行研究。

1 水蓄冷系統(tǒng)組成和運(yùn)行策略

水蓄冷系統(tǒng)的主要包括制冷機(jī)組、蓄冷水池（蓄冷罐）、板式換熱器、供冷水泵、蓄冷水泵、放冷水泵、冷卻塔和冷卻水泵。與常規(guī)制冷系統(tǒng)相比，水蓄冷系統(tǒng)增加了蓄冷水池（蓄冷罐）、板式換熱器、蓄冷水泵和放冷水泵等設(shè)備。

按照制冷機(jī)組和蓄冷裝置運(yùn)行先后順序的不同，水蓄冷系統(tǒng)運(yùn)行可分為制冷機(jī)組優(yōu)先和蓄冷裝置優(yōu)先2種策略。按水蓄冷系統(tǒng)控制方式的不同，可分為比例控制策略和預(yù)測控制策略。不同的運(yùn)行策略能耗和運(yùn)行費(fèi)用不同。

2 多種類型蓄冷系統(tǒng)運(yùn)行策略

2.1 運(yùn)行目標(biāo)

對于任何形式的部分負(fù)荷蓄冷系統(tǒng)，其運(yùn)行策略擬定的最終目標(biāo)為：在保證系統(tǒng)安全運(yùn)行的前提下，盡可能節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用。即：充分利用當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)可提供的分時(shí)電能政策，盡可減少制冷機(jī)組在電網(wǎng)高峰期投入，甚至不投入的削峰或避峰運(yùn)行；充分利用低谷電價(jià)蓄冷；合理調(diào)配系統(tǒng)逐時(shí)從蓄冷槽取冷量和制冷機(jī)投入臺(tái)數(shù)，力爭冷機(jī)在較高效率下運(yùn)行。

2.2 調(diào)控策略

為方便敘述，現(xiàn)將各指標(biāo)編號(hào)如下：

Qi—— —全天各時(shí)段的冷負(fù)荷，kW，i=0，1…24

QXL——水蓄冷系統(tǒng)的蓄冷總量，kW·h

PLJ——電制冷機(jī)組最大供冷功率，kW

PXJ——溴化鋰機(jī)組最大供冷功率，kW

PXL——水蓄冷系統(tǒng)最大供冷功率，kW

PLJS——電制冷機(jī)組實(shí)際供冷功率，kW

PXJS——溴化鋰機(jī)組實(shí)際供冷功率，kW

PXLS——水蓄冷系統(tǒng)實(shí)際供冷功率，kW

CLJF—— —峰值電價(jià)時(shí)段電制冷機(jī)組供冷成本，元（/kW·h）

CLJP—— —平值電價(jià)時(shí)段電制冷機(jī)組供冷成本，元（/kW·h）

CLJG——谷值電價(jià)時(shí)段電制冷機(jī)組供冷成本，元/kW

CXJ—— —溴化鋰機(jī)組供冷成本，元（/kW·h）

CXL1——采用電制冷機(jī)蓄冷時(shí)水蓄冷系統(tǒng)供冷成本，元/（kW·h）

CXL2—— —采用溴機(jī)蓄冷時(shí)水蓄冷系統(tǒng)供冷成本，元（/kW·h）

具體綜合供冷系統(tǒng)的運(yùn)行策略流程如下：

（1）比較各設(shè)備的供冷成本，確定設(shè)備供冷選擇的優(yōu)先級以及蓄冷方式的選擇。

由供冷成本計(jì)算結(jié)果可知，溴化鋰機(jī)組的供冷成本最小，水蓄冷次之，電制冷最大，采用溴化鋰機(jī)組蓄冷比電制冷機(jī)組蓄冷經(jīng)濟(jì)。因此，系統(tǒng)設(shè)備的供冷優(yōu)先級順序?yàn)椋轰寤嚈C(jī)組＞水蓄冷＞電制冷機(jī)組。

（2）選擇蓄冷設(shè)備及時(shí)段。由于采用溴化鋰機(jī)組蓄冷時(shí)比電制冷機(jī)組蓄冷經(jīng)濟(jì)，因此宜采用溴化鋰機(jī)組蓄冷。但是，如果項(xiàng)目要求蓄水溫度為5℃，而溴化鋰機(jī)組制冷溫度最低為6℃、電制冷機(jī)制冷溫度可達(dá)4℃，因此，單獨(dú)采用溴化鋰機(jī)組蓄冷達(dá)不到指標(biāo)要求，最經(jīng)濟(jì)的蓄冷方式是采用溴化鋰機(jī)組和電制冷機(jī)聯(lián)合蓄冷。蓄冷時(shí)段選在電價(jià)低谷時(shí)段，電制冷最為經(jīng)濟(jì)，而溴化鋰機(jī)組成本和其他時(shí)段相比沒有變化。

（3）確定調(diào)峰設(shè)備。對配置多種供冷設(shè)備的能源中心，調(diào)峰設(shè)備的選取應(yīng)根據(jù)各設(shè)備的運(yùn)行成本、容量及供能功率來確定。溴化鋰機(jī)組的供冷成本最小，應(yīng)作為提供基本負(fù)荷的設(shè)備，雖然水蓄冷系統(tǒng)的供冷成本比電制冷機(jī)組小，但電制冷機(jī)組的容量（可連續(xù)性）及供冷功率較水蓄冷系統(tǒng)都大出許多，此外，如采用電制冷機(jī)組作為調(diào)峰，則機(jī)組50%以下工況基本無法進(jìn)行，因此，就系統(tǒng)安全考慮，應(yīng)將水蓄冷系統(tǒng)作為調(diào)峰設(shè)備。

（4）確認(rèn)全天需要開啟調(diào)峰設(shè)備的計(jì)算理論時(shí)段，并確定調(diào)峰設(shè)備的初步功率分配量。具體做法為：將Qi與PLJ+PXJ相比較，如Qi＞PLJ+PXJ，則此時(shí)段應(yīng)開啟調(diào)峰設(shè)備，該時(shí)段即定義為調(diào)峰設(shè)備開啟的計(jì)算理論時(shí)段，簡稱“調(diào)峰理論時(shí)段”。該時(shí)段調(diào)峰設(shè)備（蓄冷系統(tǒng)）的供冷功率初次定量為：PXLS=Qi-（PLJ+PXJ）。此步驟是為了保證系統(tǒng)供冷的安全與可靠性。

（5）計(jì)算峰值電價(jià)時(shí)段（不包括調(diào)峰理論時(shí)段）內(nèi)供冷設(shè)備的容量分配。

分2種情況：①調(diào)峰理論時(shí)段內(nèi)水蓄冷系統(tǒng)冷量已用完。當(dāng)水蓄冷系統(tǒng)的蓄冷總量QXL在調(diào)峰理論時(shí)段內(nèi)已全部被分配完時(shí)，則峰值電價(jià)時(shí)段內(nèi)（不包括調(diào)峰理論時(shí)段）應(yīng)將全部負(fù)荷由溴化鋰機(jī)組承擔(dān)，當(dāng)PXJ小于該時(shí)段的Qi時(shí)，則其它冷量由電制冷機(jī)組提供。②扣除調(diào)峰理論時(shí)段內(nèi)的供應(yīng)量，水蓄冷系統(tǒng)冷量仍有余存。當(dāng)水蓄冷系統(tǒng)的蓄冷總量QXL在調(diào)峰理論時(shí)段內(nèi)用不完時(shí)，則峰值電價(jià)時(shí)段內(nèi)（不包括調(diào)峰理論時(shí)段），則：

根據(jù)該時(shí)段內(nèi)的冷負(fù)荷情況，按優(yōu)先級依次開啟溴化鋰機(jī)組，水蓄冷機(jī)組和電制冷機(jī)組。

（6）計(jì)算平值電價(jià)時(shí)段（不包括調(diào)峰理論時(shí)段及峰值電價(jià)時(shí)段）內(nèi)供冷設(shè)備的容量分配。同（5）類似，應(yīng)判斷調(diào)峰理論時(shí)段及峰值電價(jià)時(shí)段內(nèi)蓄冷系統(tǒng)的冷量用量，并判斷是否有剩余。設(shè)備的供冷量分配見（5）中的各項(xiàng)公式。

（7）檢查蓄冷系統(tǒng)冷量是否有剩余。如果有剩余，則增大（4）中的（蓄冷系統(tǒng)）的供冷功率初次定量PXLS，由第（4）步開始重復(fù)計(jì)算，直至蓄冷系統(tǒng)冷量分配無剩余為止。

值得強(qiáng)調(diào)的是，以上只是供冷設(shè)備供冷量的理論計(jì)算分配，在確定各設(shè)備開啟優(yōu)先級以及冷量分配時(shí)，還應(yīng)考慮機(jī)組變工況下的運(yùn)行穩(wěn)定性及效率問題。

3 實(shí)例分析

3.1 項(xiàng)目實(shí)例介紹

（1）工程概況。選取世博B片區(qū)央企總部能源中心項(xiàng)目作為分析對象，對象工程主要為B片區(qū)內(nèi)各央企總部辦公樓及附屬商業(yè)建筑供能，供能總面積為64.7萬m2。

（2）冷負(fù)荷。能源中心全年供冷時(shí)段為3～10月，其中夏季設(shè)計(jì)日冷負(fù)荷的逐時(shí)變化范圍較大，最大冷負(fù)荷約56.8 MW，最小冷負(fù)荷約10.3 MW。

（3）供冷系統(tǒng)組成。溴化鋰機(jī)組共2臺(tái)，單臺(tái)制冷量4256 kW。電制冷冷水機(jī)組共6臺(tái)，單臺(tái)制冷量6988 kW。4個(gè)蓄冷水槽：2170 m3+4100 m3+2×500 m3，最大蓄放冷總量 30757 kW·h；最大蓄放冷功率8700 kW。

（4）地區(qū)電價(jià)。本工程位于上海地區(qū)，用電等級為10 kV接入，實(shí)行兩部制分時(shí)電價(jià)政策，各季節(jié)用電電價(jià)參照最新電價(jià)規(guī)定。

（5）各設(shè)備供冷成本的計(jì)算。本項(xiàng)目能源供應(yīng)設(shè)備已經(jīng)落實(shí)，供冷成本僅為運(yùn)營成本，投資成本在此不必考慮。通過計(jì)算可知，蓄冷系統(tǒng)供冷成本介于溴化鋰機(jī)組與電制冷機(jī)組之間。

（6）運(yùn)行策略制定。根據(jù)2.2的運(yùn)行策略，對世博B片區(qū)央企總部能源中心的夏季設(shè)計(jì)日運(yùn)行策略進(jìn)行了擬定，通過運(yùn)行策略制定結(jié)果可以看出，所提運(yùn)行策略能使單臺(tái)原動(dòng)機(jī)（與溴化鋰機(jī)組一配一方式組合）和制冷機(jī)組在額定負(fù)荷狀態(tài)或接近額定負(fù)荷狀態(tài)下高效運(yùn)行。同時(shí)，充分實(shí)現(xiàn)了電價(jià)低谷時(shí)段的需冷量在電價(jià)高峰時(shí)段靈活調(diào)節(jié)使用，保證了整個(gè)供能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性以及負(fù)荷調(diào)節(jié)的靈便性。

4 結(jié)論及建議

（1）提出了含水蓄冷系統(tǒng)的多種類型供冷設(shè)施的綜合運(yùn)行策略，一方面可減少原動(dòng)機(jī)的負(fù)荷波動(dòng)性，保持其高效運(yùn)行；另一方面可充分利用峰谷電價(jià)差，保證系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)。

（2）通過對世博B片區(qū)央企總部能源中心項(xiàng)目運(yùn)行策略的分析可以看出，在已定方案的水蓄冷系統(tǒng)項(xiàng)目中，系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的好壞絕大程度上取決于運(yùn)行策略的合理與否。運(yùn)行策略的制定應(yīng)在保證系統(tǒng)供能安全的基礎(chǔ)上，根據(jù)各類設(shè)備的運(yùn)行成本的高低設(shè)置各設(shè)備供能的優(yōu)先級及冷量分配，并充分考慮變工況下機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性及效率問題。

（3）由于系統(tǒng)的運(yùn)行策略先于設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行情況，具有預(yù)判性，因此，建議業(yè)主在系統(tǒng)的運(yùn)行過程中能夠詳細(xì)的記錄一整年的各小時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，為第二年運(yùn)行策略的修正提供數(shù)據(jù)支撐，使其逐步完善。

［1］劉鑒民.蓄冷空調(diào)與其它常用電網(wǎng)調(diào)峰方式調(diào)峰效益的比較研究［J］.電網(wǎng)技術(shù)，1997，21（12）：15-18.

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