天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)監(jiān)控管理平臺(tái)設(shè)計(jì)

曹 宇， 李 凡

(山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院，山東濟(jì)南250100)

近年來，物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)在建筑監(jiān)控管理平臺(tái)上的應(yīng)用越來越廣泛，能源系統(tǒng)也越來越多地應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行設(shè)備的管理和系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行,良好的監(jiān)控管理平臺(tái)對(duì)系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行有著深遠(yuǎn)的意義。

1 分布式能源系統(tǒng)概況

① 基本信息

該分布式能源系統(tǒng)位于濟(jì)南某高校，為學(xué)生提供了一個(gè)大型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。系統(tǒng)以電定熱原則[1]，根據(jù)用戶需求的電負(fù)荷選擇合適的發(fā)電機(jī)組，再選擇與之匹配的余熱設(shè)備[2]。系統(tǒng)流程見圖1。

系統(tǒng)由外網(wǎng)引入低壓天然氣，分為三路，一路直接進(jìn)入燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)組，一路直接進(jìn)入直燃型吸收式冷溫水機(jī)組(直燃機(jī))，另一路升壓成高壓天然氣進(jìn)入微燃機(jī)組。微燃機(jī)排出275 ℃左右的高溫?zé)煔猓瑑?nèi)燃機(jī)排出350～450 ℃的高溫?zé)煔?，同時(shí)內(nèi)燃機(jī)可產(chǎn)生90 ℃左右的缸套水，換熱后可制取生活熱水。經(jīng)微燃機(jī)與內(nèi)燃機(jī)組排出的高溫?zé)煔庥脕眚?qū)動(dòng)煙氣型冷溫水機(jī)組(以下簡(jiǎn)稱冷溫水機(jī)組)。從冷溫水機(jī)組排出的150 ℃左右的煙氣和直燃機(jī)排出的煙氣

圖1 系統(tǒng)流程

匯合后進(jìn)入煙氣換熱器。最后，煙氣換熱器排出的40～50 ℃的煙氣經(jīng)過處理后排入大氣。

在冬季工況下，水源熱泵機(jī)組、冷溫水機(jī)組和直燃機(jī)同時(shí)開啟，經(jīng)風(fēng)機(jī)盤管和板式換熱器為末端用戶提供熱量。煙氣換熱器將熱量傳遞給水源熱泵機(jī)組的水源側(cè)，水源熱泵機(jī)組再將熱量傳遞給用戶側(cè)。冷溫水機(jī)組被高溫?zé)煔怛?qū)動(dòng)，直燃機(jī)被天然氣燃燒產(chǎn)生的煙氣驅(qū)動(dòng)，將水源側(cè)的熱量傳遞給用戶側(cè)。

夏季工況下，冷溫水機(jī)組和直燃機(jī)經(jīng)風(fēng)機(jī)盤管為末端用戶提供冷量；水源熱泵機(jī)組產(chǎn)生的熱量可制取生活熱水。

② 監(jiān)控管理平臺(tái)監(jiān)測(cè)內(nèi)容

監(jiān)控管理平臺(tái)設(shè)置多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括：內(nèi)燃機(jī)、微燃機(jī)排煙溫度與壓力，缸套水熱量，冷溫水機(jī)組冷卻水進(jìn)出口溫度，煙氣換熱器進(jìn)出口煙氣的溫度與壓力，水源側(cè)供、回水溫度，用戶側(cè)供、回水溫度，水源側(cè)、用戶側(cè)的供回水壓力、流量，熱泵回水溫度，電耗、燃?xì)庀牧?，系統(tǒng)COP等數(shù)據(jù)。

2 數(shù)據(jù)采集與集成

① 底層與傳輸層設(shè)備

底層設(shè)備由傳感器、熱量表、電能表等組成，用于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。傳輸層設(shè)備主要由IO-28U模塊以及中間繼電器組成。底層與傳輸層配置見表1。

表1 底層與傳輸層配置

② 控制層設(shè)備

控制層設(shè)備主要是Niagara網(wǎng)絡(luò)控制器JACE-8000，該控制器是一個(gè)結(jié)構(gòu)緊湊的嵌入式控制器/服務(wù)器平臺(tái)，能夠提供互聯(lián)網(wǎng)連接和Web服務(wù)，具備集成控制、監(jiān)視、數(shù)據(jù)記錄、報(bào)警、日歷和網(wǎng)絡(luò)管理等功能。Niagara網(wǎng)絡(luò)控制器JACE-8000使得通過互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程控制和管理各種設(shè)備成為可能，并且通過基于Web的圖形頁面為用戶提供實(shí)時(shí)信息。

JACE-8000通過Modbus協(xié)議與IO-28U模塊、三相電能表以及熱量表進(jìn)行通信，而且JACE-8000還可通過以太網(wǎng)與PC機(jī)連接，可以實(shí)現(xiàn)本地控制與遠(yuǎn)程訪問的功能。監(jiān)控管理平臺(tái)硬件組成見圖2。

圖2 監(jiān)控管理平臺(tái)硬件組成

3 監(jiān)控管理平臺(tái)方案設(shè)計(jì)及軟件設(shè)計(jì)

① 監(jiān)控管理平臺(tái)功能分析

a.監(jiān)測(cè)末端風(fēng)機(jī)盤管及水系統(tǒng)中水泵狀態(tài)。b.正確設(shè)計(jì)系統(tǒng)的啟停順序。c.根據(jù)煙氣溫度設(shè)計(jì)煙氣控制策略。d.控制冷溫水機(jī)組出口水溫60 ℃。e.設(shè)計(jì)水源熱泵控制策略：監(jiān)測(cè)用戶側(cè)進(jìn)出口水溫、熱量，水源側(cè)進(jìn)出口水溫、熱量。

通過本地/遠(yuǎn)程控制變頻器的狀態(tài)，進(jìn)而控制水泵的啟停。該系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)軟硬件平臺(tái)，可提供基于互聯(lián)網(wǎng)的多用戶遠(yuǎn)程訪問和控制功能，用戶經(jīng)一定的授權(quán)后就可以利用遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行訪問，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的遠(yuǎn)程操作[3]。

② 煙氣和水系統(tǒng)的監(jiān)控原理及監(jiān)控配置

為實(shí)現(xiàn)分布式能源系統(tǒng)的功能，監(jiān)控分為煙氣系統(tǒng)監(jiān)控與水系統(tǒng)監(jiān)控。煙氣系統(tǒng)監(jiān)控原理及監(jiān)控配置分別見圖3、表2，水系統(tǒng)(冬季供熱工況)監(jiān)控原理及監(jiān)控配置分別見圖4、表3。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)包括38個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。

③ 監(jiān)控管理平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

Niagara物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是建筑能源與信息化集成過程中的優(yōu)秀工具[4]，在實(shí)際的工程項(xiàng)目中廣泛應(yīng)用。監(jiān)控管理平臺(tái)軟件截圖見圖5。

監(jiān)控管理平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備進(jìn)行性能測(cè)試與煙氣的深度分析。

圖3 煙氣系統(tǒng)監(jiān)控原理

表2 煙氣系統(tǒng)監(jiān)控配置

表3 水系統(tǒng)監(jiān)控配置

圖4 水系統(tǒng)監(jiān)控原理

圖5 監(jiān)控管理平臺(tái)軟件截圖

例如，將監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)與設(shè)備銘牌數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，并進(jìn)行分析。微燃機(jī)組C30銘牌標(biāo)示排煙溫度為275 ℃，可與溫度傳感器測(cè)得的溫度或者從機(jī)組寄存器地址獲得的煙氣出口溫度進(jìn)行對(duì)比分析。經(jīng)過分析可知，煙氣余熱經(jīng)過多級(jí)利用后，排煙溫度降到30 ℃左右，實(shí)現(xiàn)了能源的梯級(jí)利用。系統(tǒng)的年平均能源綜合利用率達(dá)到70%～90%。

4 結(jié)語

基于Niagara物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的分布式能源燃?xì)饫錈犭娐?lián)供系統(tǒng)監(jiān)控管理平臺(tái)的搭建能夠很好展示冷熱電系統(tǒng)的控制架構(gòu)和基本知識(shí)，解決了傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)的一些缺點(diǎn)，如人機(jī)交互性不夠好，控制實(shí)時(shí)性不強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)不夠融合，布線不方便等。本項(xiàng)研究在實(shí)現(xiàn)控制節(jié)能與優(yōu)化目的的同時(shí)，為物聯(lián)網(wǎng)在能源領(lǐng)域的應(yīng)用做了探索，為其他分布式能源系統(tǒng)監(jiān)控管理平臺(tái)的構(gòu)建積累了經(jīng)驗(yàn)。