基于能量管理的多熱源熱水系統(tǒng)監(jiān)測(cè)與控制關(guān)鍵技術(shù)研究*

楊前明，張亞軍，李 亭，李 凱

(山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，山東青島266590)

0 引 言

以太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)、空氣源(地?zé)嵩?熱泵熱水機(jī)組與余熱回收等多熱源有機(jī)組合的熱水系統(tǒng)工程，由于其能效比高、組合靈活和易于安裝實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)［1-2］，近年來(lái)在建筑物熱水與采暖工程、工業(yè)供熱等技術(shù)領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，受到了業(yè)內(nèi)同仁的高度關(guān)注與認(rèn)可。由于系統(tǒng)熱負(fù)荷構(gòu)成的多樣性，如何綜合考慮系統(tǒng)供熱負(fù)荷與初投資、構(gòu)成熱源的性價(jià)比及系統(tǒng)運(yùn)行成本、多種熱源調(diào)配與運(yùn)行策略則又是一項(xiàng)技術(shù)組合與創(chuàng)新層面上的研究課題。

本研究在對(duì)大量國(guó)內(nèi)外最新技術(shù)文獻(xiàn)研究的基礎(chǔ)上，給出太陽(yáng)能空氣源熱泵多熱源熱水系統(tǒng)(SAMW)可視化遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制(VRMC)的設(shè)計(jì)方案。

1 SAMW系統(tǒng)組成及其用能策略

1.1 系統(tǒng)組成

SAMW系統(tǒng)組成原理如圖1所示。該系統(tǒng)主要包括太陽(yáng)能集熱器、集熱水箱、空氣源熱泵、電加熱裝置、余熱回收裝置、各類(lèi)循環(huán)水泵、電磁閥、止流閥、管網(wǎng)及控制系統(tǒng)等部件，系統(tǒng)熱源由太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)(solar collecter water system，SCWS)、空氣源熱泵熱水系統(tǒng)(air heat pump water system，AHPWS)、余熱回收系統(tǒng)(waste heat recovery system，WHRS)聯(lián)合提供，電加熱系統(tǒng)(electric heating emergency system，EHES)作為特種氣候條件下的應(yīng)急熱源。

圖1 SAMW系統(tǒng)組成示意圖

1.2 用能策略

SAMW系統(tǒng)的用能策略示意框圖如圖2所示。在SAMW系統(tǒng)熱源中，一般將污水余熱作為常態(tài)熱源，太陽(yáng)能作為優(yōu)先使用熱源，熱泵熱源作為主流熱源，電加熱作為應(yīng)急熱源;系統(tǒng)熱負(fù)荷能力及其能效比取決于系統(tǒng)的多熱源聯(lián)合供熱策略。多熱源系統(tǒng)的用能要求為:以獲得系統(tǒng)最佳能效比為目標(biāo)，優(yōu)先使用常態(tài)熱源(廢水余熱)、太陽(yáng)能;根據(jù)季節(jié)與氣候條件及系統(tǒng)熱負(fù)荷供應(yīng)目標(biāo)，設(shè)定溫度、時(shí)間等運(yùn)行參數(shù)，合理調(diào)配使用系統(tǒng)熱源構(gòu)成及占比。

圖2 SAMW系統(tǒng)用能策略示意框圖

2 SAMW系統(tǒng)VRMC實(shí)現(xiàn)方法

2.1 VRMC系統(tǒng)組成

VRMC系統(tǒng)監(jiān)控原理結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。該系統(tǒng)主要由監(jiān)控計(jì)算機(jī)(包括服務(wù)器端、客戶端)、主控制器(可編程控制器PLC，也可為PCI數(shù)據(jù)采集與控制板卡等)、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線(如RS485、CAN總線)、電路器件(如繼電器、接觸器、斷路器等)、信號(hào)檢測(cè)元件(如溫度、液位、功率、光照等傳感器)以及Internet網(wǎng)絡(luò)支持環(huán)境等單元組成［3-4］。

圖3 VRMC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控計(jì)算機(jī)(服務(wù)器端)對(duì)主控制器運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行可視化顯示與過(guò)程控制，并通過(guò)Internet網(wǎng)進(jìn)行Web發(fā)布，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，工作人員可通過(guò)監(jiān)控軟件進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)的相關(guān)設(shè)置。主控制器通過(guò)溫度、液位、功率、光照度等檢測(cè)傳感器對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行與氣候參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并根據(jù)控制程序?qū)嵤?duì)循環(huán)水泵、空氣源熱泵等執(zhí)行元件的啟停控制。

2.2 多熱源運(yùn)行流程

SAMW系統(tǒng)的VRMC監(jiān)控流程如圖4所示，各子系統(tǒng)根據(jù)用能策略，能量品位及其性價(jià)比有機(jī)協(xié)同，提供系統(tǒng)熱負(fù)荷需求總量。

(1)SCWS子系統(tǒng)。太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)采用溫差循環(huán)供熱，當(dāng) T1＞T3(T1—集熱器出口水溫，T3—水箱實(shí)際水溫)，且 T1－T3≥△TP1on時(shí)，循環(huán)水泵 P1運(yùn)行，直至T1－T3≤△TP1off時(shí)，循環(huán)水泵P1停止。如此反復(fù)進(jìn)行，直至 T3≥Tset(Tset—水箱設(shè)定溫度)時(shí)停止。

圖4 VRMC系統(tǒng)控制流程

(2)AHPWS子系統(tǒng)?？諝庠礋岜脽崴到y(tǒng)采用定時(shí)段、定溫度目標(biāo)循環(huán)供熱。在某時(shí)刻t0，當(dāng)T12≥THP(T12—環(huán)境氣溫，THP—熱泵經(jīng)濟(jì)運(yùn)行溫度)且T3t0≤Tsett0(Tsett0—水箱設(shè)定在t0時(shí)刻水溫，T3t0—t0時(shí)刻水箱實(shí)際溫度)時(shí)，熱泵HP及其循環(huán)水泵P2運(yùn)行，直至 T3≥Tset時(shí)停止［5-6］。

(3)WHRS子系統(tǒng)。余熱回收系統(tǒng)主要由板式換熱器(或采用污水源熱泵)在自來(lái)水通過(guò)時(shí)進(jìn)行余熱回收。

(4)EHES子系統(tǒng)。電加熱應(yīng)急系統(tǒng)擔(dān)負(fù)特種惡劣天氣下，人工應(yīng)急啟動(dòng)提供系統(tǒng)需求熱負(fù)荷。

表1 SAMW系統(tǒng)中各熱源系統(tǒng)的運(yùn)行流程

3 監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件結(jié)構(gòu)與功能

SAMW熱水系統(tǒng)采用CenturyStar開(kāi)發(fā)其監(jiān)控軟件，軟件結(jié)構(gòu)如圖5所示。以數(shù)據(jù)庫(kù)為核心，向上表現(xiàn)為人機(jī)界面(HMI，包括報(bào)表、趨勢(shì)曲線、報(bào)警等)及Web發(fā)布、ODBC數(shù)據(jù)源等應(yīng)用，向下表現(xiàn)為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序(I/O Driver);監(jiān)控軟件通過(guò)I/O Driver和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線與主控制器進(jìn)行通信，把主控制器采集到的系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和控制，并通過(guò)Internet網(wǎng)進(jìn)行Web發(fā)布，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控;監(jiān)控軟件具有系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)存儲(chǔ)、分析計(jì)算、繪制趨勢(shì)曲線、能源管理等功能。

圖5 監(jiān)控軟件結(jié)構(gòu)

3.2 軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程

3.2.1 監(jiān)控界面

在CenturyStar開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的瀏覽器里面，本研究通過(guò)圖形控件、變量字典、系統(tǒng)配置等建立監(jiān)控界面。監(jiān)控界面［7-8］如圖6所示?？蓪?shí)時(shí)顯示系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)及對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行過(guò)程控制。

圖6 SAMW系統(tǒng)監(jiān)控界面

3.2.2 I/O 設(shè)備配置

該系統(tǒng)采用主控制器(如PLC、PCI板卡)完成底層數(shù)據(jù)采集和底層控制過(guò)程。主控制器通過(guò)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線(如 RS485、CAN總線)與監(jiān)控計(jì)算機(jī)通信。在CenturyStar開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的瀏覽器里面，通過(guò)“設(shè)備驅(qū)動(dòng)”/“設(shè)備安裝向?qū)А?，按提示即可完成主控制器I/O驅(qū)動(dòng)程序的配置。

3.2.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控

監(jiān)控軟件可通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)的Web發(fā)布，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。具體分為監(jiān)控計(jì)算機(jī)連接上網(wǎng)硬件設(shè)置與監(jiān)控軟件Web發(fā)布服務(wù)器端和客戶端軟件設(shè)置兩部分。

4 系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試

該系統(tǒng)在中國(guó)東部城市青島地區(qū)進(jìn)行了運(yùn)行測(cè)試，測(cè)試條件為:某年全年，年均氣溫12.5℃，補(bǔ)水水溫在3℃ ～17℃之間，系統(tǒng)每天需提供40℃熱水150 t。

測(cè)試結(jié)果如下:系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，供應(yīng)熱水及時(shí)合格，節(jié)能效果顯著，實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)用能狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和管理，提高了系統(tǒng)熱效率和技術(shù)文檔管理水平。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)介紹SAMW系統(tǒng)的熱源結(jié)構(gòu)及用能策略，本研究以能源管理及最優(yōu)能效比為設(shè)計(jì)目標(biāo)，優(yōu)化了各熱源子系統(tǒng)的控制流程，給出了實(shí)現(xiàn)其可視化遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制的一整套開(kāi)發(fā)流程;以“PC+PLC“為控制核心，借助 CenturyStar平臺(tái)開(kāi)發(fā)監(jiān)控軟件，構(gòu)建了SAMW系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)示范工程。

系統(tǒng)實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，本研究提出的設(shè)計(jì)方法合理有效，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)科學(xué)用能管理，具有良好的熱性能與能效比。該系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能、空氣能、污水廢熱能等低品位能源的綜合高效利用提供了設(shè)計(jì)參考依據(jù)。

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