冰蓄冷系统的优化控制分析文档格式.docx
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部分冰蓄冷系统在供冷时则依靠蓄冰罐融冰和冷冻机共同运行负担冷负荷,冷冻机和蓄冰罐容量都比较小,初投资和运行费可以达到综合最优,因而被一般商业建筑广泛采用。
本文只讨论部分负荷冰蓄冷系统的控制。
2冰蓄冷系统的控制策略
部分负荷冰蓄冷系统的控制就是要解决冷负荷在冷机和冰罐之间的分配问题。
常见的控制策略有冷机优先、蓄冰罐优先和优化控制。
2.1冷机优先
冷机优先的策略是尽量让冷冻机满负荷负荷运行。
如果冷负荷小于冷冻机制冷能力则蓄冰罐不融冰供冷,完全依靠冷冻机负担冷负荷。
如果冷负荷超过了冷冻机制冷能力,则在冷冻机满负荷的情况下,依靠冰罐融冰来负担不足的部分。
冷机优先的控制策略工程实现简单,运行可靠,但这种控制策略在冷负荷较小时,冰罐使用率极低,不能有效地削减电负荷高峰和降低用户电费。
2.2蓄冰罐优先
蓄冰罐优先的策略是尽可能地利用蓄冰罐融冰来负担冷负荷。
当冰罐不能完全负担时,依靠冷冻机负担不足的部分。
这种策略能最大限度地利用蓄冰罐。
但因为要保证冷源能负担每天的峰值冷负荷,蓄冰罐不能融冰太快,所以需要对负荷进行预测以决定各时刻的最大融冰量。
因此,冰罐优先的控制策略实现起来较为复杂。
而且在我国电价结构下并非最经济的运行方式,对削减电负荷的晚高峰贡献不大。
2.3优化控制
优化控制是提出某目标函数,在一定的约束条件下,使该目标函数达到极值。
为了使冰蓄冷系统最大限度地发挥作用,尽可能地减少电负荷高峰期的用电,使用户的电费最少,就需要对冰蓄冷系统进行控制策略。
Stethmann在文献[1]中提出了冰蓄冷系统的控制策略,并对美国圣地亚哥一幢9200m2的建筑进行了模拟分析,发现控制策略与冷机优先相比,节省运行费42%。
Braun在文献[2]中比较了冷机优先、蓄冰罐优先、优化控制的经济性,发现在美国威斯康星电价结构下,天气凉爽时,控制策略比冷机优先节约运行费25%;
而典型设计日基本不节省运行费。
该文提出优化目标的约束条件,但没有对对蓄冰罐融冰的约束进行分析。
3优化控制方法
优化控制的目标是在满足用户需求的条件下,使运行费最少,这样不仅对用户有利,而且可以拉平电负荷,对整个电网有利,促进合理用电。
该用户k时刻的负荷为qk,其中冷机负担qik,冷冻机出力qrk的费用为R(qrk),蓄冰罐出力qik的费用为I(qik)。
全天的运行费M为
(1)
优化的目标是使M最小。
优化的结果是:
(2)
其中:
qrkmax为冷冻机k时刻的最大制冷能力;
qikmax为蓄冰罐k时刻的最大融冰供冷能力
这里需要注意的是:
蓄冰罐最大融冰供冷能力与蓄冰罐中剩余的冰量有关,也就是与蓄冰罐以前的融冰量有关。
按蓄冰罐、冷冻机性能给出具体的约束条件,按电价结构、用户负荷、系统性能给出具体目标函数后,可以使用最优化方法求解该问题,得以的结果是各时刻冷冻机和蓄冰罐分别负担的冷负荷qrk、qik。
4实例分析
为了探讨在华北地区电网电价结构下优化控制的经济性,笔者对北京某建筑的冰蓄冷系统在优化控制和冷机优先的两种控制策略下的全年运行费进行比较分析。
华北电网电价结构为:
高峰
平峰
低谷
时间
8:
00~11:
00
7:
00~8:
23:
00~7:
00
18:
00~23:
11;
00~18:
电费
0.534元/kWh
0.318元/kWh
0.118元/kWh
该建筑采用部分负荷蓄冰系统,有4台RTHB4502螺杆式冷水机,空调工况制冷能力5564.6kW,蓄冷工况制冷能力3784kW,耗电量为1032kW,71个Calmac1190A冰罐,系统见图1,典型设计日的逐时负荷见表1。
图1
表1典型设计日负荷
时刻
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
负荷
1878.2
2077.4
2191.2
2561.2
2105.9
1992.0
2760.4
3215.7
3101.9
2162.8
369.9
313
256.1
因为RTHB4502部分负荷性能优越,为简化计算,假定空调工况与蓄冰工况的耗电量分别与负荷成正比(这样得到的结果偏于保守)。
即:
R(qrk)=qrk×
(1032/5564.6)×
Ek=qrk×
qk (3)
其中Ek为k时刻电价;
ak为冷冻机单位供冷负荷的费用,等于(1032/5564.6)×
Ek。
因为本建筑只在电负荷低谷期蓄冰,故蓄冰罐供冷的费用简化为:
I(qik)=qik×
bk (4)
其中bk为冰罐负担单位冷负荷的费用,等于(1032/3784)×
E低谷,E低谷为低谷电价。
下面给出具体约束条件:
(5)
关键是qikmax的确定,文献[1][2]对此均未作进一步分析。
笔者利用Calmac在文献[3]中给出的产品性能曲线,综合出蓄冰罐最大融冰供冷曲线。
Calmac1190A在回水10℃,供水6.7℃下的融冰供冷曲线可以用最小二乘法拟合为:
x=563×
(1-exp(-0.316t)) (6)
融冰供冷量
y=dx/dt=177.8×
exp(-0.316t) (7)
即:
y=177.8×
(1-x/563) (8)
x为已融冰供冷量,kWh;
t为时刻h;
y为各时刻的最大融冰供冷量,kW。
从式中可能清楚看出,各时刻的最大融冰供冷量与蓄冰量有关,(1-x/563)为剩余蓄冰量占部蓄冰量的比例。
这样,便可以给出qikmax的表达式:
(9)
得出优化问题是:
(10)
这是一个线性优化问题,可用单纯型法求解,具体解法参见文献[4]。
结果见表2至表5。
表24月份平均气象条件下的比较/kW
冷机优先
优化控制
融冰量
冷机出力
2405
2528
2652
2776
2899
3023
3147
3270
3394
3171
2949
39
2190
2726
2504
表36月份平均气象条件下的比较/kW
2775
3446
416.6
4787.3
5458
6129
564.4
5564.6
6800.1
1235
7470.8
1906.2
8181.6
2577
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