一種冷熱電三聯供協調控制管理裝置及方法與流程

文檔序號：12825817閱讀：459來源：國知局

本發明屬于工業控制技術領域，具體地涉及一種基于統一軟硬件平臺的冷熱電三聯供協調控制管理裝置及方法。

背景技術：

隨著我國國民經濟的快速發展，化石能源的使用量逐年增加，自然環境壓力也日益增大，國家也在逐步調整各種能源的使用比例，天然氣作為一種高熱值清潔能源，在能源系統中已顯示出日益重要的作用，充分合理利用天然氣的一個重要途徑是發展分布式冷熱電三聯供技術。該技術是指用天然氣驅動發電機發電，回收余熱用于冬季供熱、夏季供冷的綜合能量供應系統，可用于建筑或一個區域的能源供應。該技術建立在能量梯級利用的基礎上，將制冷供熱及發電過程一體化的多聯產總能系統，其根本目的在于提高一次能源利用率，實現能量的梯級利用，由于三聯供在能源轉換效率方面所具有的突出優勢，因此在世界范圍內獲得了廣泛的應用。

隨著三聯供技術在工業生產和社會生活中的廣泛應用，如何優化三聯供系統的設計及運行，獲得最大的經濟效益和社會效益，成為了當前研究的重點問題，目前的優化設計和運行基本上圍繞系統自身特點和各方需求的波動特效來進行研究分析，具體的途徑如下：

(1)在系統結構配置形式上進行分析和選擇。即如何根據服務對象的實際需求選擇出最佳的配置形式是優化設計必須考慮的問題。

(2)在系統合理容量的確定方面進行分析和研究，主要是指原動機合理容量的確定。根據可能的系統配置形式，利用一定的數學規劃方法確定在不同結構形式下對應的優化設計容量，包括原動機數目和單臺容量的選擇，通過比較分析得到最佳的配置形式和相應的設計容量。

(3)采用變工況下的調節和運行策略。通過分析不同系統的變工況特性就可以選擇得到合理的調節運行策略。

在以上常見三種策略中，系統結構配置形式和系統合理容量的確定屬于前期系統設計方面要充分考慮的問題，而采用變工況下的調節和運行策略則屬于系統調度控制的智能化問題，根本目的是要解決如何才能根據外界情況的變化而快速規范化和合理化分配冷熱電三方面的需求。從目前的研究成果及應用情況看，市場上缺乏一種智能化的優化協調控制管理裝置來統一管理和分配冷熱電三方面的需求。

技術實現要素：

為了解決現有技術中存在的以上問題，本發明公開了一種基于統一硬件平臺的冷熱電三聯供協調控制管理裝置及方法。本發明具體采用以下技術方案：

一種冷熱電三聯供協調控制管理裝置，所述協調控制管理裝置包括系統經濟性優化控制模塊、系統效率優化控制模塊、以冷定電控制模塊、以熱定電控制模塊、跟蹤電負荷控制模塊、數據采集單元、通訊管理模塊、對時模塊；其特征在于：

所述數據采集單元采集冷熱電三聯供系統相關數據，包括環境數據、電網系統數據、燃氣輪機監控系統數據；采集的數據通過dp總線上送至通訊管理模塊；

所述系統經濟性優化控制模塊、系統效率優化控制模塊、以冷定電控制模塊、以熱定電控制模塊、跟蹤電負荷控制模塊分別通過裝置dp總線與采集單元相連，獲取數據采集單元采集的冷熱電三聯供系統相關數據，實現燃氣輪機各優化運行模式下的優化計算，同時將優化計算結果作為指令通過通訊管理模塊輸出給燃氣輪機監控系統的自動啟停系統即aps系統；

其中，所述各優化運行模式包括系統經濟性最優運行模式、系統效率最優運行模式、以冷定電運行模式、以熱定電運行模式、跟蹤電負荷運行模式。

本發明進一步包括以下優選方案：

所述系統經濟性優化控制模塊獲取冷、熱、電負荷的預測值，或者通過數據采集單元獲取的冷、熱、電負荷真實值計算出優化運行的燃氣輪機的功率和對應的優化運行成本，進而通過燃氣輪機控制系統調整燃機輸出功率，使冷熱電三聯供系統在整個運行階段內都趨于成本最低狀態。

所述系統效率優化控制模塊根據冷、熱、電負荷的預測值，或者通過數據采集單元獲取的冷、熱、電負荷真實值計算出優化運行的燃機功率和對應的優化運行能源綜合利用效率，進而通過燃氣輪機控制系統調整燃氣輪機輸出功率，使冷熱電三聯供系統在整個運行階段內都趨于能源綜合利用效率最高狀態。所述以冷定電控制模塊，其控制目標是以冷熱電三聯供系統平衡現場冷負荷需求，控制策略包括兩種：

一種是根據冷、熱、電負荷的預測值或數據采集單元獲取的冷、熱、電負荷的真實值，計算出對應所需的燃機運行功率，通過調整燃機功率使分布式聯供系統滿足冷負荷需求；

另一種是跟蹤電空調的制冷量，通過燃氣輪機控制系統的反饋控制，不斷調整燃機功率，使電空調的制冷量降至最低。

所述以熱定電控制模塊，其控制目標是以冷熱電三聯供系統平衡現場采暖負荷需求，控制策略包括以下兩種：

一種是根據采冷、熱、電負荷的預測值或數據采集單元獲取的冷、熱、電負荷的真實值，計算出對應所需的燃機運行功率，通過調整燃機功率使分布式聯供系統滿足采暖負荷需求；

另一種是跟蹤電空調的制熱量，通過燃氣輪機控制系統的反饋控制，不斷調整燃機輸出功率，使電空調的制熱量降至最低。

所述電負荷跟蹤控制模塊，其控制目標是以冷熱電三聯供系統平衡該三聯供系統母線的電負荷需求，跟蹤母線和外電網的聯絡線功率通過燃氣輪機控制系統的反饋控制，不斷調整燃機輸出功率，使聯絡線功率降至最低水平。

所述通訊管理模塊用于提供以太網、lonworks、profibus-dp、rs485接口，協助完成現場相關輔助設備的數據通過通訊管理模塊接入本裝置。

所述對時模塊可提供b碼和秒脈沖兩種對時接口，保證冷熱電三聯供協調控制管理裝置的運行時鐘與冷熱電三聯供系統運行時鐘的統一。

一種基于前述冷熱電三聯供協調控制管理裝置的冷熱電三聯供協調控制方法，其特征在于，所述協調控制方法的實現包括以下步驟：

步驟1：設定冷熱電三聯供系統運行的系統變量z；當z＝0時，原有的中央空調系統參與樓宇冷或熱負荷需求調節；當z＝1時，原有的中央空調系統不參與樓宇冷或熱負荷需求調節，裝置初始默認z＝1；

步驟2：手動選擇冷熱電三聯供協調控制管理裝置需投入的優化運行模式；

優化運行模式可以通過冷熱電三聯供協調控制管理裝置的液晶面板按鈕完成，運行模式選定后，裝置前置面板對應的模式投入指示燈將點亮；

步驟3：手動選擇冷熱電三聯供協調控制管理裝置運行控制方式；

冷熱電三聯供協調控制管理裝置具有自動優化控制和手動運行控制兩種運行方式，可通過裝置液晶面板按鈕完成投入或退出自動優化控制方式；當自動優化控制投入時，優化運行模式才可以正確執行。

步驟4：冷熱電三聯供協調控制管理裝置輸出優化控制后的負荷指令；

用戶投入手動運行控制方式，無論選定何種運行模式，則優化后的電負荷指令均為零；用戶投入自動優化控制方式并選定運行模式后，則優化后的電負荷指令送至三聯供燃氣輪機監控系統的自動啟停系統,即aps系統。

基于上述所述的技術方案，本發明具有如下的技術效果：

一、可在自動優化運行控制方式和手動運行控制方式之間靈活切換，實現了裝置功能的靈活投退。

二、可在多種優化運行模式之間靈活切換，選擇合適的運行模式實現冷熱電三方需求的快速轉換。

三、可優化冷熱電三聯供系統的整體運行，提高冷熱電三聯供系統的整體運行效率。

附圖說明

圖1是現有技術中冷熱電三聯供系統框圖

圖2是本發明的冷熱電三聯供系統協調控制管理裝置結構框圖

圖3是基于冷熱電三聯供系統協調控制管理裝置的控制管理方法流程圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的實現過程和應用情況作進一步說明。

如圖1中所示為冷熱電三聯供系統結構框圖。

如圖1中所述的一種冷熱電三聯供系統，包括燃氣輪機、發電機、排氣裝置、余熱回收裝置、電力負荷、熱水負荷、制冷負荷、采暖負荷以及三聯供協調運行控制單元(即圖1中的裝置)，其中燃氣輪機，包括壓氣機、燃燒室和渦輪機等重要設備。其工作原理如下：利用天然氣燃燒產生的高溫煙氣在內燃機中做功，將一部分熱能轉換成高品位的電能，同時利用余熱回收裝置將燃氣內燃機中的煙氣缸套冷卻水油冷器及中冷器冷卻水的熱量進行回收，從而實現能量的梯級利用，可使整個機組的一次能源利用率得到很大提高。

如圖1中所述冷熱電三聯供協調控制管理單元，可實時采集外部環境，燃氣輪機監控系統和電網系統的相關數據，依據冷熱電三種負荷的需求變化，可根據需要選擇某種運行模式進行優化計算，然后輸出負荷指令至燃氣輪機的自動啟停系統(即aps系統)，用以及時調整燃氣輪機的生產運行過程。

如圖2中所示為冷熱電三聯供協調控制管理單元功能結構框圖。所述基于統一硬件平臺的冷熱電三聯供協調控制管理裝置集成系統經濟性優化控制模塊、系統效率優化控制模塊、以冷定電控制模塊，以熱定電控制模塊，跟蹤電負荷控制模塊，數據采集模塊，通訊管理模塊，多模式對時模塊等功能模塊于一體；

其中數據采集模塊由裝置io采集板卡負責完成系統相關設備數據的直接采集，包括環境數據，電網系統數據，設備數據等類型，所采數據通過dp總線上送至各個控制功能模塊使用；

其中通訊管理模塊用于提供以太網、lonworks、profibus-dp、rs485接口，協助完成現場相關輔助設備的數據通過的通訊方式接入本裝置，所采數據包括燃氣輪機監控系統數據及其他智能設備數據，所采數據用于各個控制功能模塊使用；

其中對時模塊可提供b碼和秒脈沖兩種對時接口，保證冷熱電三聯供協調控制管理裝置的運行時鐘與三聯供系統運行時鐘的統一。

如圖2中所述冷熱電三聯工協調控制管理裝置所集成的優化控制功能模塊的實現過程如下所述：優化控制功能模塊運行約束條件

每天運行前設定好冷熱電三聯供系統變量z，該系統變量為約束性變量，用來約束中央空調系統和制冷(熱)機之間切換。當z＝0時，原有的中央空調系統參與樓宇冷(熱)負荷需求調節；當z＝1時，原有的中央空調系統不參與樓宇冷(熱)負荷需求調節。當z＝1時應保證制冷機制冷(熱)量滿足現場樓宇冷(熱)負荷需求，當發現制冷(熱)機供給樓宇的回水溫度超過設定值，說明制冷(熱)量不能滿足冷(熱)負荷需求，此時需增加燃機的出力，直至制冷(熱)機供樓宇的回水溫度達到設定值；如果樓宇無中央空調系統，默認設置系統變量為z＝1。

實際生產過程中，為避免系統運行狀態頻繁調整，在系統控制程序中設定調整閾值，當目標變量變動值在閾值范圍內，可認為落入調整死區，系統運行不做調整；當目標變量變動值超出閾值范圍時，可認為跳出調整死區，系統運行需做調整。

(1)優化控制功能模塊與外部的數據交換說明

優化控制功能模塊需要外部提供以下數據輸入：

優化計算模塊向外部提供以下數據輸出：

(2)優化控制模塊所述負荷預測過程的實現方法

負荷預測過程是根據歷史數據庫和氣象預報輸入等進行超短期負荷預測，并將電負荷預測數據、冷負荷需求數據、熱負荷需求數據同時存入數據庫，作為計算數據輸入。

(3)優化控制模塊所述實時計算過程的實現方法

實時計算過程是根據數據采集系統的輸入，主要包含燃機運行參數，環境參數，燃料參數，設備參數等內容，計算出系統實時電負荷、冷負荷需求、熱負荷需求、實時運行成本、實時能源綜合利用效率，以及計算燃機額定電功率、制冷機最大制冷量，供熱最大量等數據。

(4)系統經濟性優化控制模塊實現方法

系統經濟性優化控制模塊的控制目標是運行成本最低，控制變量是燃機功率，控制策略是：根據預測或實測的冷、熱、電負荷，計算出優化運行的燃機功率和對應的優化運行成本，進而通過控制燃機功率，使系統在整個運行階段內都趨于成本最低狀態。

(5)系統效率優化控制模塊實現過程

系統效率優化控制模塊的控制目標是系統一次能源綜合利用效率最高，控制變量是燃機功率，控制策略是：根據預測或實測的冷、熱、電負荷，計算出優化運行的燃機功率和對應的優化運行能源綜合利用效率，進而通過控制燃機功率，使系統在整個運行階段內都趨于能源綜合利用效率最高狀態。