多能互补分布式能源优化运行仿真研究系统

1. 系统概述

1.1 仿真对象

　　仿真对象为某能源研究院的示范多能互补分布式能源系统，主要设备包括燃气内燃机、燃气锅炉、余热直燃机、地源热泵、电制冷机、太阳能光热、光伏发电、储能系统、板式换热器以及相关辅助设备，包括泵、阀门、管道等。

1.2 技术难点

　　多能互补系统能流过程极其复杂，主要体现在：①一次能源种类多；②能源、电/气/水/冷媒等流体网络、负荷、储能等过程深度耦合；③系统包含了冷、热、电、气等多个能流。这给系统的安全和有效运行带来了严峻挑战。传统能源系统与多能互补系统的对比如下图所示：

传统能源系统与多能互补系统

　　针对该类新型、复杂系统，目前尚缺乏适宜的运行指导方法，以往多采用简单的经验组合方式，造成系统运行效率低，未能充分体现新能源，尤其可再生能源的利用效果。随着能源系统科学的发展，采用多能流耦合的仿真技术实现多能互补系统的研究平台，已经成为未来能源系统节能降耗、可持续发展的重要方向。

1.3 技术方案与技术路线

　　本项目将采取如下技术方案与路线开展：

　　（1）在原有模型库基础上，开发仿真对象特有的设备模型库与算法库。原有SimuWorks平台，已经具备大多数能源、动力、电力和控制系统的主要组成单元模块，并经过实际过程的检验。本项目可能存在少量新的单元模块。

　　对于常规能源动力过程较少涉及的关键设备，包括燃气内燃机、溴化锂机组、电制冷机组、燃气真空热水锅炉、地源热泵机组等，还需要通过实际系统运行数据进行校正和完善，以尽可能准确地反应设备的动态特性和经济性能。

　　（2）充分利用原有经过检验的SimuWorks大型科学计算与仿真引擎构建快速求解方法，构建多能互补仿真研究系统。利用该系统，可以根据负荷预测情况，采用软件平台提前进行静、动态分析研究，给出更合理、更安全的控制运行方案。

　　控制系统为整个多能互补全流程系统的安全和高效运行，提供了基本的保障。在实际系统上，考虑到安全的因素，很难通过反复试验寻找最优控制策略。本项目所开发的仿真研究系统，可实现对不同的控制参数和控制方案进行研究对比，实现经济性、能效性等最佳控制运营策略。

　　（3）对所建立仿真研究系统，通过与实际运行数据进行对比，不断进行修正和完善，最终实现优化运行的目的。

2. 系统功能

　　仿真系统可以用于寻找最佳运营策略、教学培训、校核与改进运行规程、分析研究等目的，以下针对上述要求加以详细说明。

2.1 寻找最佳运营策略

　　控制系统为增加能源站全流程系统的安全和高效运行，提供了基本的保障。在实际系统上，考虑到安全的因素，很难通过反复试验寻找最优控制策略。通过仿真系统，对不同的控制参数和控制方案进行研究对比，实现经济性、能效性等最佳控制运营策略。

2.2 教学培训

　　通过模拟主控室和就地操作，实现正常运行、启停和反事故演习操作的教学、培训和考评。

2.3 校核与改进运行规程

　　可以利用仿真系统对运行规程进行校核，发现运行存在的问题，并加以改进，寻找最佳运行方案。

2.4 分析研究

　　针对多能互补系统整个工艺流程，通过多种方式开展仿真研究工作，对可能发生的情况进行预先研究和分析，具体情形包括但不限于以下：

　　1）不是所有的情况都能在实际情况下遇到，或者很难遇到，如极寒天气；

　　2）有些研究工作可能是破坏性的，在实际情况下代价太大，如设备损坏；

　　3）有些研究所需的过程太长，不便于在实际系统上开展，如管壁结垢；

　　4）有些工作本来就是准备未来要做的，如更换新型设备。

3. 基本要求

3.1 数学模型要求

　　仿真数学模型应以机理为基础，再结合部分经验公式，必须既保证模型的准确度，又能够保证模型的实用性。

　　多能互补系统数学模型除了用于模拟能源、动力、电力和控制系统的运行外，还包括进行经济性指标计算的模型，用于动态计算在各种运行状态下的经济型指标，供研究和分析使用。

3.2 教练员站功能要求

　　仿真系统的教练员站担负着仿真系统运行控制及监视仿真过程的任务，丰富、方便、实用的教练员站功能，是仿真系统系统能力得以发挥的重要手段，教练员站采用图形界面，用户可以使用鼠标方便地完成各种仿真系统的控制和监视。教练员站功能应包括如下功能：

3.2.1 工况选择和保存

　　用户可以选择预先存储的工况，开始进行仿真运行。也可以随时将自己希望的工况作为初始条件保存起来。

3.2.2 冻结/解冻

　　可以方便地在任意时刻冻结仿真模型，在需要时恢复仿真模型的运行。

3.2.3 故障设置功能

　　在任何用户需要时刻，可以加入或消除故障。

3.2.4 回退功能

　　仿真系统运行过程中，可连续记录仿真系统状态数据，以便回退到过去某一状态，回退点由用户自己选定。

3.2.5 重演功能

　　可以从任一回退点对仿真系统进行重演，重演过程时间由用户选定。   

3.2.6 加速与减速运行功能

　　对某些快速动态过程，可人为放慢其仿真模型的运行速度，对某些慢速动态过程（如锅炉上水等），可人为加速其仿真模型的运行速度。还应提供模型整体加速功能，可将整体仿真模型加减速0至10倍。

3.2.7 运行监视功能

　　在仿真系统运行中，可以随时查看或修改模型中的任意变量。

3.3 操作员站功能要求

　　操作员站系统的仿真将与实际现场内容及形式完全一致，包括外观、操作键盘、界面、操作方式等。该系统仿真了现场控制室中的DCS等操作员站功能，为培训人员反复监视调整运行过程中的各种参数提供了方便，为优化运行奠定了基础。

3.4 技术指标

3.4.1 仿真精度

　　1)   静态误差，关键参数＜±0.5％，重要参数＜±1％，一般参数＜±2％；

　　2)   动态误差，关键参数＜±5％，重要参数＜±10％，一般参数趋势正确

3.4.2 实时性

　　1)   数字仿真系统操作响应周期≤10毫秒

　　2)   慢过程模型运算周期≤500毫秒

　　3)   快过程模型运算周期≤50毫秒

4. 仿真范围

　　仿真的范围包括多能互补系统所有工艺设备，包括主要设备和辅助设备，其中辅助设备包括泵、阀门、容器、换热器等，部分主要设备如下：

4.1 燃气热水锅炉

　　包括锅炉本体、除氧器和给水系统。

4.2 电制冷系统

　　包括离心式电制冷机和螺杆式电制冷机。

4.3 地源热泵系统

　　包括压缩机、电动机、制冷工况的蒸发器和冷凝器、制热工况的蒸发器和冷凝器等。

4.4 燃气内燃机发电系统

　　包括机体、供给系统、润滑系统、冷却系统、点火系统、起动系统、电子调速系统等。

4.5 烟气热水型溴化锂机组

　　包括发电机排烟温度、湿烟气质量流量、干烟气质量流量、缸套水热量、缸套水流量、缸套水进出水温度等。余热机组参数包括：低温热源参数和低温热源热量。

4.6 储能系统

　　主要是储电系统，模拟的参数包括但不限于安全性、循环寿命、充放电效率、放电深度、电压平台、能量密度、工作温度等。

4.7 冷却塔系统

　　包括冷却能力、进水温度/出水温度、室外设计湿球温度、额定工况下的冷却能力、风机电机总功率、蒸发损失、阻力损失、热水进口数量等参数。

4.8 补水系统

　　包含三种补水系统：定压罐补水系统、膨胀水箱定压补水系统、变频泵定压补水系统。应根据补水系统的特性模拟实际的运行工况，参数包括补水泵的前后压力、流量、补水水箱的液位。

4.9 软化水系统

　　包括管道过滤器、软化水器、软化箱、水泵等。

4.10 电气系统

　　包括燃气锅炉系统、电制冷系统、地源热泵系统、燃气内燃机发电机组、烟气热水型溴化锂机组、储能系统、冷却塔系统、补水系统、软化水系统等仿真所涉及到的马达、连接及其控制和保护系统、环境音响和事故模拟。

4.11 控制系统

　　三联供燃气锅炉余热就地控制系统：控制对象为三联供系统以及燃气锅炉系统主机与辅机主要设备的工艺参数以及重要设备的控制。

　　地源热泵就地控制系统：控制对象为地缘热泵系统主机采集监视、工艺采集监视以及主要工艺设备的控制。

　　公辅就地控制系统：公辅系统如全厂公用设备、软化水系统与冷却塔系统部分的主要设备的数据采集与工艺参数监视。

　　电气就地控制系统：控制对象如用变压器、10kV 开关设备、6kV开关设备、电气保护设备的主要监控参数。

4.12 机组故障

　　机组故障仿真包括两个部分：一部分是基于系统、设备本身出现故障的原发性故障，即锅炉、燃气内燃机、电气及控制系统的具体设备可能发生的故障；另一部分是由于运行人员误操作或未能及时正确调整机组运行状态而自然引起的故障。