水蓄冷系统在供冷系统的运行策略研究

程超峰，冯云岗，李 芸

（1.上海电力设计院有限公司，上海 200025；2.国网上海市电力公司经济技术研究院，上海 200120）

0 引言

水蓄冷系统利用峰谷电价差，进行蓄冷释冷，是实现平衡电网用电负荷，减少常规机组的装机容量和节约系统运行费用的一种有效手段[1]。在我国，水蓄冷系统已广泛应用于执行峰谷电价政策地区的医院、宾馆、商场、办公楼、住宅小区、工矿企业等空调系统和工艺用冷领域，并取得良好经济和社会效益[2]。

目前，供冷系统工程中水蓄冷系统一般与多种供冷设备，如溴化锂机组、电制冷机组，联合运行[3]。由于各类设备的稳定性及成本不同，机组的运行时段和运行次序的不同会影响到系统供能的安全性和经济性[4]。因此，制定合理的运行策略至关重要。基于此，对水蓄冷系统在供冷系统的运行策略进行研究。

1 水蓄冷系统组成和运行策略

水蓄冷系统的主要包括制冷机组、蓄冷水池（蓄冷罐）、板式换热器、供冷水泵、蓄冷水泵、放冷水泵、冷却塔和冷却水泵。与常规制冷系统相比，水蓄冷系统增加了蓄冷水池（蓄冷罐）、板式换热器、蓄冷水泵和放冷水泵等设备。

按照制冷机组和蓄冷装置运行先后顺序的不同，水蓄冷系统运行可分为制冷机组优先和蓄冷装置优先2种策略。按水蓄冷系统控制方式的不同，可分为比例控制策略和预测控制策略。不同的运行策略能耗和运行费用不同。

2 多种类型蓄冷系统运行策略

2.1 运行目标

对于任何形式的部分负荷蓄冷系统，其运行策略拟定的最终目标为：在保证系统安全运行的前提下，尽可能节省运行费用。即：充分利用当地电网可提供的分时电能政策，尽可减少制冷机组在电网高峰期投入，甚至不投入的削峰或避峰运行；充分利用低谷电价蓄冷；合理调配系统逐时从蓄冷槽取冷量和制冷机投入台数，力争冷机在较高效率下运行。

2.2 调控策略

为方便叙述，现将各指标编号如下：

Qi—— —全天各时段的冷负荷，kW，i=0，1…24

QXL——水蓄冷系统的蓄冷总量，kW·h

PLJ——电制冷机组最大供冷功率，kW

PXJ——溴化锂机组最大供冷功率，kW

PXL——水蓄冷系统最大供冷功率，kW

PLJS——电制冷机组实际供冷功率，kW

PXJS——溴化锂机组实际供冷功率，kW

PXLS——水蓄冷系统实际供冷功率，kW

CLJF—— —峰值电价时段电制冷机组供冷成本，元（/kW·h）

CLJP—— —平值电价时段电制冷机组供冷成本，元（/kW·h）

CLJG——谷值电价时段电制冷机组供冷成本，元/kW

CXJ—— —溴化锂机组供冷成本，元（/kW·h）

CXL1——采用电制冷机蓄冷时水蓄冷系统供冷成本，元/（kW·h）

CXL2—— —采用溴机蓄冷时水蓄冷系统供冷成本，元（/kW·h）

具体综合供冷系统的运行策略流程如下：

（1）比较各设备的供冷成本，确定设备供冷选择的优先级以及蓄冷方式的选择。

由供冷成本计算结果可知，溴化锂机组的供冷成本最小，水蓄冷次之，电制冷最大，采用溴化锂机组蓄冷比电制冷机组蓄冷经济。因此，系统设备的供冷优先级顺序为：溴化锂机组＞水蓄冷＞电制冷机组。

（2）选择蓄冷设备及时段。由于采用溴化锂机组蓄冷时比电制冷机组蓄冷经济，因此宜采用溴化锂机组蓄冷。但是，如果项目要求蓄水温度为5℃，而溴化锂机组制冷温度最低为6℃、电制冷机制冷温度可达4℃，因此，单独采用溴化锂机组蓄冷达不到指标要求，最经济的蓄冷方式是采用溴化锂机组和电制冷机联合蓄冷。蓄冷时段选在电价低谷时段，电制冷最为经济，而溴化锂机组成本和其他时段相比没有变化。

（3）确定调峰设备。对配置多种供冷设备的能源中心，调峰设备的选取应根据各设备的运行成本、容量及供能功率来确定。溴化锂机组的供冷成本最小，应作为提供基本负荷的设备，虽然水蓄冷系统的供冷成本比电制冷机组小，但电制冷机组的容量（可连续性）及供冷功率较水蓄冷系统都大出许多，此外，如采用电制冷机组作为调峰，则机组50%以下工况基本无法进行，因此，就系统安全考虑，应将水蓄冷系统作为调峰设备。

（4）确认全天需要开启调峰设备的计算理论时段，并确定调峰设备的初步功率分配量。具体做法为：将Qi与PLJ+PXJ相比较，如Qi＞PLJ+PXJ，则此时段应开启调峰设备，该时段即定义为调峰设备开启的计算理论时段，简称“调峰理论时段”。该时段调峰设备（蓄冷系统）的供冷功率初次定量为：PXLS=Qi-（PLJ+PXJ）。此步骤是为了保证系统供冷的安全与可靠性。

（5）计算峰值电价时段（不包括调峰理论时段）内供冷设备的容量分配。

分2种情况：①调峰理论时段内水蓄冷系统冷量已用完。当水蓄冷系统的蓄冷总量QXL在调峰理论时段内已全部被分配完时，则峰值电价时段内（不包括调峰理论时段）应将全部负荷由溴化锂机组承担，当PXJ小于该时段的Qi时，则其它冷量由电制冷机组提供。②扣除调峰理论时段内的供应量，水蓄冷系统冷量仍有余存。当水蓄冷系统的蓄冷总量QXL在调峰理论时段内用不完时，则峰值电价时段内（不包括调峰理论时段），则：

根据该时段内的冷负荷情况，按优先级依次开启溴化锂机组，水蓄冷机组和电制冷机组。

（6）计算平值电价时段（不包括调峰理论时段及峰值电价时段）内供冷设备的容量分配。同（5）类似，应判断调峰理论时段及峰值电价时段内蓄冷系统的冷量用量，并判断是否有剩余。设备的供冷量分配见（5）中的各项公式。

（7）检查蓄冷系统冷量是否有剩余。如果有剩余，则增大（4）中的（蓄冷系统）的供冷功率初次定量PXLS，由第（4）步开始重复计算，直至蓄冷系统冷量分配无剩余为止。

值得强调的是，以上只是供冷设备供冷量的理论计算分配，在确定各设备开启优先级以及冷量分配时，还应考虑机组变工况下的运行稳定性及效率问题。

3 实例分析

3.1 项目实例介绍

（1）工程概况。选取世博B片区央企总部能源中心项目作为分析对象，对象工程主要为B片区内各央企总部办公楼及附属商业建筑供能，供能总面积为64.7万m2。

（2）冷负荷。能源中心全年供冷时段为3～10月，其中夏季设计日冷负荷的逐时变化范围较大，最大冷负荷约56.8 MW，最小冷负荷约10.3 MW。

（3）供冷系统组成。溴化锂机组共2台，单台制冷量4256 kW。电制冷冷水机组共6台，单台制冷量6988 kW。4个蓄冷水槽：2170 m3+4100 m3+2×500 m3，最大蓄放冷总量 30757 kW·h；最大蓄放冷功率8700 kW。

（4）地区电价。本工程位于上海地区，用电等级为10 kV接入，实行两部制分时电价政策，各季节用电电价参照最新电价规定。

（5）各设备供冷成本的计算。本项目能源供应设备已经落实，供冷成本仅为运营成本，投资成本在此不必考虑。通过计算可知，蓄冷系统供冷成本介于溴化锂机组与电制冷机组之间。

（6）运行策略制定。根据2.2的运行策略，对世博B片区央企总部能源中心的夏季设计日运行策略进行了拟定，通过运行策略制定结果可以看出，所提运行策略能使单台原动机（与溴化锂机组一配一方式组合）和制冷机组在额定负荷状态或接近额定负荷状态下高效运行。同时，充分实现了电价低谷时段的需冷量在电价高峰时段灵活调节使用，保证了整个供能系统的经济性以及负荷调节的灵便性。

4 结论及建议

（1）提出了含水蓄冷系统的多种类型供冷设施的综合运行策略，一方面可减少原动机的负荷波动性，保持其高效运行；另一方面可充分利用峰谷电价差，保证系统运行经济性最优。

（2）通过对世博B片区央企总部能源中心项目运行策略的分析可以看出，在已定方案的水蓄冷系统项目中，系统经济性的好坏绝大程度上取决于运行策略的合理与否。运行策略的制定应在保证系统供能安全的基础上，根据各类设备的运行成本的高低设置各设备供能的优先级及冷量分配，并充分考虑变工况下机组的运行稳定性及效率问题。

（3）由于系统的运行策略先于设备的实际运行情况，具有预判性，因此，建议业主在系统的运行过程中能够详细的记录一整年的各小时运行数据，为第二年运行策略的修正提供数据支撑，使其逐步完善。

［1］刘鉴民.蓄冷空调与其它常用电网调峰方式调峰效益的比较研究［J］.电网技术，1997，21（12）：15-18.

［2］王峥，王建.水蓄冷空调系统设计及经济性分析［J］.华北电力大学学报，2007，34（2）：130-133.

［3］张琼，董琳琳.空调蓄冷方案在需求侧管理中的成本效益分析［J］.南方电网技术，2008，2（1）：64-66.

［4］丁庆，段绍辉，王执中，等.冰蓄冷空调在高峰谷负荷差地区应用的经济性［J］.电力系统及其自动化学报，2014，26（1）：72-80.