基于物聯(lián)網(wǎng)的冷水機(jī)組節(jié)能與安全分析

黎天標(biāo)，毛 力，曾永忠，周 璇，葉向榮

（1.廣州特種承壓設(shè)備檢測研究院，廣州 510000；2.華南理工大學(xué)，廣州 510000）

綠色發(fā)展是我國“十四五”規(guī)劃的核心，碳達(dá)峰和碳中和貫穿于經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展全過程和各方面，建筑節(jié)能和工業(yè)節(jié)能是實(shí)現(xiàn)工業(yè)領(lǐng)域碳達(dá)峰行動(dòng)的重要途徑。冷水機(jī)組是建筑空調(diào)機(jī)組和工業(yè)冷卻的主要用能設(shè)備，在電子工業(yè)、醫(yī)藥制造和數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域趨勢尤其明顯。中央空調(diào)系統(tǒng)的總能耗在公共建筑能耗中占的比例約為40%～60%，而冷水機(jī)組的能耗又占空調(diào)系統(tǒng)總能耗的40%，部分地區(qū)甚至高達(dá)70%。降低冷水機(jī)組的能耗成為了空調(diào)節(jié)能，甚至建筑節(jié)能的重要一環(huán)[1]。另外，冷水機(jī)組系統(tǒng)中的蒸發(fā)器和冷凝器等承壓設(shè)備存在爆炸及氨泄漏等危險(xiǎn)性[2]?，F(xiàn)有冷水機(jī)組節(jié)能運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)大多僅針對空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能進(jìn)行監(jiān)測與故障診斷，而缺少對冷水機(jī)組中的冷凝器、蒸發(fā)器及油分離器等壓力容器的安全在線監(jiān)測。目前檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)開展冷水機(jī)組節(jié)能及其系統(tǒng)中的壓力容器安全檢測均需要測試人員到現(xiàn)場，耗費(fèi)大量的人力物力，而且只能測出當(dāng)時(shí)狀態(tài)下冷水機(jī)組的節(jié)能及安全狀況，無法測定冷水機(jī)組在運(yùn)行工況變化后的節(jié)能與安全狀況，與冷水機(jī)組動(dòng)態(tài)負(fù)荷頻繁變化的現(xiàn)狀不相符，同時(shí)也無法對冷水機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，不能滿足節(jié)能與安全監(jiān)測的需要。

為實(shí)現(xiàn)冷水機(jī)組節(jié)能與安全的在線監(jiān)測，記錄運(yùn)行數(shù)據(jù)，并分析不同運(yùn)行工況下冷水機(jī)組節(jié)能與系統(tǒng)的安全性，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究開發(fā)冷水機(jī)組節(jié)能與安全運(yùn)行參數(shù)在線遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，建立集節(jié)能數(shù)據(jù)采集、匯總、統(tǒng)計(jì)、分析計(jì)算、預(yù)報(bào)預(yù)警及數(shù)據(jù)共享于一體的統(tǒng)一的信息化監(jiān)測平臺(tái)，不僅能夠滿足建筑業(yè)主、工業(yè)企業(yè)和安全監(jiān)管部門的現(xiàn)實(shí)需要，而且對于冷水機(jī)組系統(tǒng)的節(jié)能改造和社會(huì)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和意義重大。

1 系統(tǒng)構(gòu)建

基于物聯(lián)網(wǎng)的冷水機(jī)組節(jié)能與安全監(jiān)測系統(tǒng)是應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，對冷水機(jī)組的各種運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行在線監(jiān)測與預(yù)警，該系統(tǒng)具有施工便捷、成本低、監(jiān)測范圍廣、速度快，以及便于進(jìn)行長期的全天侯無地域限制動(dòng)態(tài)監(jiān)測等優(yōu)勢，特別對一些安裝運(yùn)行時(shí)間較長、自動(dòng)控制水平較低、缺乏遠(yuǎn)程在線監(jiān)測裝置、布線困難、節(jié)能和安全運(yùn)行等級無法判斷等場合，該物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)將發(fā)揮不可替代的作用。

基于物聯(lián)網(wǎng)的冷水機(jī)組節(jié)能與安全監(jiān)測系統(tǒng)主要包括冷水機(jī)組運(yùn)行節(jié)能在線監(jiān)測模塊、節(jié)能分析模塊、運(yùn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)管理模塊、安全分析模塊及運(yùn)行節(jié)能數(shù)據(jù)分析模塊等組成。其中，冷水機(jī)組運(yùn)行節(jié)能在線監(jiān)測模塊包括冷水機(jī)組蒸發(fā)溫度及蒸發(fā)壓力、冷凝溫度、冷凝壓力、冷凍供回水溫度和冷卻水進(jìn)出口溫度等運(yùn)行參數(shù)的可視化在線監(jiān)測；節(jié)能監(jiān)測分析模塊包括運(yùn)行節(jié)能建模計(jì)算、統(tǒng)計(jì)分析與低節(jié)能報(bào)警等功能；運(yùn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)管理模塊包括冷水機(jī)組冷凝器運(yùn)行參數(shù)閾值、COP閾值與表字段拓展信息維護(hù)功能；安全分析模塊包括各類冷水機(jī)組特種承壓部件典型安全運(yùn)行參數(shù)庫建立、特種承壓部件安全運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)展示等功能。

2 系統(tǒng)軟件平臺(tái)

軟件平臺(tái)遵循J2EE規(guī)范，采用組件+分布式架構(gòu)。最大化組件通用性的優(yōu)勢，各應(yīng)用層功能可以靈活通過組件組合的方式實(shí)現(xiàn)。組件采用JAVA語言JAR包的形式提供。根據(jù)實(shí)際需要可靈活擴(kuò)展組件，也可根據(jù)實(shí)際情況通過組件組合添加新的功能。平臺(tái)架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)的冷水機(jī)組節(jié)能與安全監(jiān)測系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)圖

軟件平臺(tái)總體功能包括4大核心功能模塊及1個(gè)基礎(chǔ)支撐模塊。4大核心功能為標(biāo)準(zhǔn)子系統(tǒng)、節(jié)能分析、安全分析及數(shù)據(jù)分析?；A(chǔ)支撐模塊包含用戶、角色、權(quán)限及數(shù)據(jù)字典等?？傮w功能框架圖如圖2所示。

圖2 軟件平臺(tái)總體功能框架圖

其中，運(yùn)行節(jié)能建模評價(jià)可以實(shí)現(xiàn)對多種冷水機(jī)組運(yùn)行特性分析，利用采集的運(yùn)行參數(shù)，結(jié)合新興的機(jī)器學(xué)習(xí)算法（如支持向量機(jī)、小波分析等）或多元非線性回歸算法等建立各類冷水機(jī)組運(yùn)行節(jié)能模型，結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對各種工況下冷水機(jī)組運(yùn)行節(jié)能等級進(jìn)行評價(jià)，為企業(yè)提供冷水機(jī)組節(jié)能改造依據(jù)。

冷水機(jī)組特種承壓部件安全運(yùn)行智能診斷對冷水機(jī)組內(nèi)的各特種承壓部件（冷凝器、蒸發(fā)器等）的安全運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行前期調(diào)研分析，建立不同類型冷水機(jī)組特種承壓組件的安全運(yùn)行參數(shù)庫，利用數(shù)據(jù)庫建立起運(yùn)行的安全閾值，對特種承壓設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，根據(jù)冷水機(jī)組系統(tǒng)中特種承壓設(shè)備的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，判斷冷水機(jī)組特種承壓部件的安全運(yùn)行狀態(tài)，對可能存在的安全問題進(jìn)行預(yù)警，以達(dá)到消除安全隱患的目的。

基于物聯(lián)網(wǎng)的冷水機(jī)組節(jié)能與安全監(jiān)測系統(tǒng)軟件平臺(tái)的實(shí)施過程主要為：①根據(jù)數(shù)據(jù)來源的不同，軟件平臺(tái)具備讀取本地文件和鏈接遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫的功能，用戶可自由篩選建模和控制算法所需的輸入輸出數(shù)據(jù)；②軟件平臺(tái)具備數(shù)據(jù)在線預(yù)處理功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)缺失、突變值和累積突變值的在線識別與修復(fù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的歸一化和平滑操作，保證建模和控制算法的數(shù)據(jù)質(zhì)量；③平臺(tái)中應(yīng)有多種能耗預(yù)測算法的調(diào)用接口，可以對比不同算法的結(jié)果從而選擇預(yù)測精準(zhǔn)度高的算法；④對于每種能耗預(yù)測算法，能夠調(diào)節(jié)超參數(shù)，保證預(yù)測的精準(zhǔn)性；⑤軟件平臺(tái)可對原始數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果進(jìn)行可視化操作，以圖表形式向用戶展示，便于用戶分析。

2.1 冷水機(jī)組運(yùn)行參數(shù)在線監(jiān)測

冷水機(jī)組運(yùn)行節(jié)能在線監(jiān)測界面包括設(shè)備選擇和實(shí)時(shí)監(jiān)測界面。可選擇安裝了數(shù)據(jù)采集儀的各企業(yè)的各臺(tái)冷水機(jī)組，對冷水機(jī)組的冷凍水進(jìn)出口溫度，冷卻水進(jìn)出口溫度，壓縮機(jī)吸氣溫度、排氣溫度，壓縮機(jī)吸氣壓力、排氣壓力及運(yùn)行節(jié)能等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。如圖3所示。

圖3 冷水機(jī)組運(yùn)行節(jié)能監(jiān)測分析界面圖

2.2 冷水機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)管理

冷水機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)管理界面能夠根據(jù)用戶需求，自行設(shè)定各種運(yùn)行參數(shù)字段設(shè)置、安全運(yùn)行閾值以及運(yùn)行節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)等參數(shù)，作為冷水機(jī)組的安全運(yùn)行診斷的標(biāo)準(zhǔn)。冷水機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測同樣能夠?qū)渌畽C(jī)組的各運(yùn)行參數(shù)與已設(shè)定的閾值或標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比分析，一旦超出閾值，則在界面進(jìn)行報(bào)警，提示設(shè)備維護(hù)人員及時(shí)進(jìn)行安全隱患排查。如圖4所示。

圖4 冷水機(jī)組運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測分析界面

2.3 冷水機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)安全分析

冷水機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)的安全分析主要包括冷水機(jī)組系統(tǒng)中壓力容器設(shè)備的數(shù)據(jù)查詢，壓力容器設(shè)備異常歷史數(shù)據(jù)查詢、節(jié)能報(bào)告、報(bào)警方式及報(bào)警字段設(shè)置等功能，如圖5所示。

圖5 冷水機(jī)組運(yùn)行報(bào)警情況統(tǒng)計(jì)分析

2.4 冷水機(jī)組運(yùn)行節(jié)能數(shù)據(jù)分析

冷水機(jī)組運(yùn)行節(jié)能數(shù)據(jù)分析功能目前已實(shí)現(xiàn)冷水機(jī)組運(yùn)行節(jié)能監(jiān)測的數(shù)據(jù)分析，通過抽取2020年廣州地區(qū)部分冷水機(jī)組節(jié)能數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以直觀地反映出各區(qū)甚至各臺(tái)冷水機(jī)組節(jié)能狀況，為后期更好地開展冷水機(jī)組節(jié)能改造等措施提供技術(shù)支撐。廣州各區(qū)域部分冷水機(jī)組運(yùn)行節(jié)能分析總覽，如圖6所示。

圖6 廣州市各區(qū)域部分冷水機(jī)組運(yùn)行節(jié)能數(shù)據(jù)分析

3 結(jié)束語

本文提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)的冷水機(jī)組節(jié)能與安全運(yùn)行在線監(jiān)測系統(tǒng)，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究開發(fā)冷水機(jī)組節(jié)能與安全運(yùn)行參數(shù)在線遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，建立集節(jié)能數(shù)據(jù)采集、匯總、統(tǒng)計(jì)、分析計(jì)算、預(yù)報(bào)預(yù)警及數(shù)據(jù)共享于一體的統(tǒng)一的信息化監(jiān)測平臺(tái)，成為建筑業(yè)主、工業(yè)企業(yè)和安全監(jiān)管部門的現(xiàn)實(shí)需要。實(shí)現(xiàn)冷水機(jī)組節(jié)能與安全運(yùn)行參數(shù)快速、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)記錄并遠(yuǎn)程在線監(jiān)視冷水機(jī)組的運(yùn)行情況，通過采集的參數(shù)實(shí)時(shí)計(jì)算冷水機(jī)組的運(yùn)行效率，及時(shí)發(fā)現(xiàn)有關(guān)安全、節(jié)能參數(shù)的異常，并自動(dòng)報(bào)警，使用戶能及時(shí)采取措施，保證冷水機(jī)組在最優(yōu)的節(jié)能、安全參數(shù)下運(yùn)行，達(dá)到冷水機(jī)組安全和節(jié)能減排的目的。