鐵路客運(yùn)站綜合能源系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用研究

王永澤，楊 斌，謝漢生，田 冉，李要紅

（1. 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京 100081；2. 中國國家鐵路集團(tuán)有限公司 工程管理中心，北京 100844；3. 北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京100084）

0 引言

隨著我國鐵路建設(shè)規(guī)模和運(yùn)營里程的不斷擴(kuò)大，鐵路客運(yùn)站數(shù)量持續(xù)增加。2018 年9 月和2020 年9月，中國國家鐵路集團(tuán)有限公司(以下簡稱“國鐵集團(tuán)”)印發(fā)了《關(guān)于全面推進(jìn)綠色鐵路發(fā)展的通知》[1]和《智能高速鐵路體系架構(gòu)1.0》[2]，推動(dòng)我國鐵路向綠色低碳、智能高效的方向快速發(fā)展。鐵路客運(yùn)站作為智能鐵路體系架構(gòu)和鐵路綠色發(fā)展的重要組成部分，其能源管理的技術(shù)水平直接影響著鐵路客運(yùn)站運(yùn)營的智能化、綠色化水平。

為提高我國鐵路車站的能源利用效率，近年來在我國多個(gè)鐵路客運(yùn)站推廣應(yīng)用能源管控系統(tǒng)，通過信息化平臺(tái)掌握整個(gè)車站的能源消耗情況和主要耗能設(shè)備的節(jié)能管理情況[3]。該系統(tǒng)除了能夠?qū)瓦\(yùn)站內(nèi)各類能源消耗情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和能耗統(tǒng)計(jì)分析之外，還能夠?qū)χ饕哪茉O(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和自動(dòng)控制，提高了車站能源管理的數(shù)字化和科學(xué)化水平[4]。與此同時(shí)，隨著國家對(duì)清潔能源應(yīng)用比例的要求逐漸提高，鐵路作為重要的能源消耗行業(yè)，光伏發(fā)電項(xiàng)目在鐵路客運(yùn)站的應(yīng)用越來越多[5]，尤其是近年新建的鐵路大型客運(yùn)站；此外，冷熱電三聯(lián)供技術(shù)在北京南站、上海虹橋等車站得以應(yīng)用，新建鐵路客運(yùn)站停車場的電動(dòng)汽車充電樁數(shù)量逐漸增多，這些構(gòu)成了鐵路客運(yùn)站新的能源生產(chǎn)和消耗形式。

德國、英國、丹麥、美國、日本等在綜合能源系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究和應(yīng)用方面較為領(lǐng)先，相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展為能源的可持續(xù)發(fā)展和節(jié)能減排提供了強(qiáng)大動(dòng)力[6]。如今，綜合能源系統(tǒng)已經(jīng)逐漸成為我國能源領(lǐng)域發(fā)展的新業(yè)態(tài)，該系統(tǒng)集成了電源-電網(wǎng)-負(fù)荷-儲(chǔ)能-充放電等多項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新，也融合了云技術(shù)、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、區(qū)塊鏈等新一代信息技術(shù)，目前已經(jīng)在多個(gè)高校、機(jī)場及產(chǎn)業(yè)園區(qū)進(jìn)行了應(yīng)用，有效提高了綜合能源利用效率[7]。為解決傳統(tǒng)鐵路客運(yùn)站供能系統(tǒng)中能源利用率較低的問題，李要紅等[8]結(jié)合客運(yùn)站的能源供應(yīng)種類及用能負(fù)荷需求，在供能側(cè)引入太陽能和風(fēng)能等可再生能源，建立了客運(yùn)站冷熱電一體化綜合能源系統(tǒng)模型，并通過仿真軟件分析了該綜合能源系統(tǒng)模型應(yīng)用于鐵路客運(yùn)站產(chǎn)生的節(jié)能效果。本文在該分布式模型研究基礎(chǔ)之上，將光伏發(fā)電、冷熱電三聯(lián)供等綜合能源系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)與傳統(tǒng)鐵路能源管控系統(tǒng)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，針對(duì)北方某車站實(shí)際用能開發(fā)了示范軟件，以驗(yàn)證基于能量流理論模型的綜合能源系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用效果。

1 鐵路客運(yùn)站綜合能源系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

綜合能源系統(tǒng)包含的能源產(chǎn)生和消費(fèi)模式多樣，帶動(dòng)了從能源產(chǎn)生到能源消費(fèi)的多種技術(shù)綜合發(fā)展。風(fēng)力、光伏等新能源發(fā)電技術(shù)，冷熱電三聯(lián)供技術(shù)，混和儲(chǔ)能技術(shù)，光儲(chǔ)充一體化技術(shù)，地源熱泵、空氣源熱泵、冷水機(jī)組的復(fù)合能源供應(yīng)技術(shù)，以及綜合能源智慧管控技術(shù)等，均為綜合能源系統(tǒng)實(shí)施的關(guān)鍵技術(shù)[9]。隨著鐵路智能化發(fā)展對(duì)鐵路客運(yùn)站綜合用能效率提升的要求，以及近年光伏、冷熱電三聯(lián)供、儲(chǔ)能等多種綜合能源系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)在鐵路應(yīng)用的增多，結(jié)合能源系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)在公共建筑等應(yīng)用取得的良好節(jié)能效果，開展鐵路客運(yùn)站綜合能源系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究十分必要。

1.1 鐵路客運(yùn)站能源管控系統(tǒng)

鐵路客運(yùn)站能源管控系統(tǒng)在對(duì)車站能源計(jì)量系統(tǒng)進(jìn)行完善和功能升級(jí)的基礎(chǔ)上，將傳統(tǒng)的能耗人工采集方式變?yōu)樾畔⑾到y(tǒng)自動(dòng)采集和在線監(jiān)測，有效提高了能源計(jì)量系統(tǒng)的采集效率和精確程度；此外，還針對(duì)車站耗能大的空調(diào)、照明等進(jìn)行了智能化節(jié)能控制，有效降低了車站能源消耗。該系統(tǒng)已經(jīng)在北京北站、桂林站、長沙南站等進(jìn)行了應(yīng)用。鐵路客運(yùn)站能源管控系統(tǒng)的典型組成架構(gòu)如圖1所示。

圖1 鐵路客運(yùn)站能源管控系統(tǒng)的典型組成架構(gòu)

1.2 基于能量流的鐵路客運(yùn)站綜合能源系統(tǒng)建模方法

基于能量流的系統(tǒng)建模方法最早源于電力系統(tǒng)，后逐漸應(yīng)用于熱力系統(tǒng)、電-氣混聯(lián)綜合能源系統(tǒng)及冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的建模研究之中。能量流理論描述了熱量、電量和動(dòng)量的輸運(yùn)過程，其本質(zhì)為驅(qū)動(dòng)力與驅(qū)動(dòng)流之間的線性輸運(yùn)關(guān)系，上述線性輸運(yùn)過程均同時(shí)體現(xiàn)了守恒性和不可逆性。其中，驅(qū)動(dòng)力提供了輸運(yùn)的勢差，而驅(qū)動(dòng)流具有守恒特性。此外，輸運(yùn)過程還存在耗散特性，描述耗散特性的普適方法是耗散量與驅(qū)動(dòng)流平方間的比值，即阻力(如電阻、熱阻或流阻等)[10]。

基于上述能量流的建模理論方法，結(jié)合目前鐵路客運(yùn)站多樣的能源供給和消費(fèi)模式，尤其是冷熱電三聯(lián)供和光伏等技術(shù)的應(yīng)用，根據(jù)車站暖通空調(diào)系統(tǒng)在整體能耗中占據(jù)主要部分的特點(diǎn)，本研究將鐵路客運(yùn)站的暖通空調(diào)等熱力系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)組成綜合能源系統(tǒng)統(tǒng)籌考慮，建立適用于鐵路客運(yùn)站的電力-熱力綜合能源系統(tǒng)模型。

研究以電力系統(tǒng)模型為主，將熱力系統(tǒng)模型融入現(xiàn)有電力系統(tǒng)模型體系中。以能量流為核心，采用熱電比擬思想，結(jié)合熱系統(tǒng)火積理論，建立了與電力系統(tǒng)模型體系相容的熱力系統(tǒng)模型，包括換熱、儲(chǔ)熱、熱電轉(zhuǎn)換等不同的環(huán)節(jié)，以及傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射等不同的熱傳遞方式，然后將熱力系統(tǒng)模型融入電力系統(tǒng)模型，最終形成電力-熱力綜合能源系統(tǒng)的統(tǒng)一模型。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合可再生能源(風(fēng)電)、儲(chǔ)熱等環(huán)節(jié)，基于電易輸、熱易儲(chǔ)的天然互補(bǔ)性，最終建立了適用于鐵路客運(yùn)站的分布式綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化模型，為研究提出適用于鐵路客運(yùn)站的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行方法提供了基礎(chǔ)。

1.3 適用于鐵路客運(yùn)站的綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行控制方法

基于建立的鐵路客運(yùn)站分布式綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化模型，在保障滿足鐵路客運(yùn)站的電、熱、冷用能需求的前提下，研究分析了鐵路客運(yùn)站的運(yùn)行特點(diǎn)和時(shí)間規(guī)律，提出了一種優(yōu)化的綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行控制策略。運(yùn)行優(yōu)化控制策略如圖2所示。

根據(jù)圖2，O1O2為系統(tǒng)運(yùn)行的最優(yōu)熱電產(chǎn)能曲線，根據(jù)客運(yùn)站所需電負(fù)荷和熱負(fù)荷與系統(tǒng)運(yùn)行最小和最大熱電負(fù)荷Emin、Emax、Qmin、Qmax之間的關(guān)系，將負(fù)荷需求劃分為7 個(gè)不同子區(qū)域，每個(gè)子區(qū)域?qū)?yīng)綜合能源系統(tǒng)不同的運(yùn)行場景。通過分析不同運(yùn)行場景下系統(tǒng)所需熱電的來源和分配，給出綜合能源系統(tǒng)最優(yōu)的控制策略。經(jīng)過仿真軟件分析，相較于傳統(tǒng)的控制策略，該優(yōu)化控制策略可使系統(tǒng)綜合性能有效提升，并顯著縮短投資回收期。

圖2 適用于鐵路客運(yùn)站的綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化控制策略

2 適用于鐵路客運(yùn)站的綜合能源系統(tǒng)應(yīng)用示范軟件

根據(jù)研究提出的鐵路客運(yùn)站綜合能源系統(tǒng)建模方法和運(yùn)行優(yōu)化控制策略，在原有鐵路能源管控系統(tǒng)基礎(chǔ)上，結(jié)合北方某車站的供能和用能特性，對(duì)上述提出的鐵路客運(yùn)站綜合能源系統(tǒng)建模方法和運(yùn)行優(yōu)化控制方法進(jìn)一步完善，開發(fā)出一套適用于該車站的綜合能源系統(tǒng)應(yīng)用示范軟件，以驗(yàn)證基于能量流理論的建模方法和控制策略優(yōu)化方法的有效性。該軟件可提供豐富的可視化功能，將數(shù)據(jù)進(jìn)行抽取計(jì)算，并對(duì)運(yùn)行結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和對(duì)比分析；用圖形變化和色彩組合等展現(xiàn)不同的視覺效果，使運(yùn)行管理人員對(duì)綜合能源系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)一目了然，方便及時(shí)采取有效的控制措施。

該車站冬季采用市政供暖方式，夏季采用4 臺(tái)冷水機(jī)組進(jìn)行制冷，并在站房屋頂設(shè)有較大容量的光伏發(fā)電系統(tǒng)。研究針對(duì)車站供能、用能特點(diǎn)進(jìn)行控制算法優(yōu)化。軟件界面首頁展示了4 臺(tái)冷水機(jī)組每日的最優(yōu)負(fù)荷輸出和能耗、產(chǎn)生的節(jié)能效果。操作界面展示了每臺(tái)機(jī)組的屬性和輸入負(fù)荷數(shù)據(jù)。

以該車站夏季某典型日的運(yùn)行數(shù)據(jù)為例，圖3 至圖5 分別展示了車站某夏季典型日的光伏發(fā)電量預(yù)測數(shù)據(jù)曲線和車站全部機(jī)組的熱電負(fù)荷預(yù)測數(shù)據(jù)曲線。其中，圖3 至圖5 橫坐標(biāo)均為按照每30 min 間隔所取的對(duì)應(yīng)時(shí)刻(下同)。

圖3 車站某典型日光伏發(fā)電量曲線

圖4 車站空調(diào)機(jī)組電負(fù)荷輸出預(yù)測數(shù)據(jù)

根據(jù)該車站典型日的輸入數(shù)據(jù)曲線，在軟件中運(yùn)行研究的優(yōu)化控制算法，可得到各空調(diào)機(jī)組的輸出負(fù)荷數(shù)據(jù)，即該車站綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行的優(yōu)化控制策略，如圖6所示。

應(yīng)用基于能量流的綜合能源系統(tǒng)建模方法及優(yōu)化控制策略后，該車站整個(gè)空調(diào)機(jī)組產(chǎn)生的能耗前后對(duì)比如圖7 所示。通過對(duì)比可以看出，采用該優(yōu)化控制策略可有效降低空調(diào)機(jī)組能耗，對(duì)示范軟件應(yīng)用前后不同時(shí)刻優(yōu)化的用電量進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，優(yōu)化后的節(jié)電率約為15.19%。

圖5 車站空調(diào)機(jī)組熱負(fù)荷輸出預(yù)測數(shù)據(jù)

圖6 車站4臺(tái)空調(diào)機(jī)組輸出負(fù)荷數(shù)據(jù)曲線

3 總結(jié)與展望

研究結(jié)果表明，基于能量流理論的鐵路客運(yùn)站綜合能源系統(tǒng)建模方法和能源優(yōu)化控制方法能夠提升車站的綜合能源利用效率，在綜合能源系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)服務(wù)日益完善和我國鐵路客運(yùn)站智能化發(fā)展的大趨勢下，隨著分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)和空氣源、地源熱泵等多種供能方式在鐵路的應(yīng)用，應(yīng)用綜合能源系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)對(duì)于提高鐵路客運(yùn)站可再生能源利用比例和構(gòu)建綜合協(xié)調(diào)、綠色低碳的鐵路客運(yùn)站具有積極意義。

圖7 優(yōu)化后能耗對(duì)比