船廠(chǎng)空壓站的數(shù)字化節(jié)能監(jiān)測(cè)要求及系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙建幫 王 超

（1.大連船舶重工集團(tuán)有限公司，大連 116006；2.中船第九設(shè)計(jì)研究院工程有限公司，上海 200063）

壓縮空氣是現(xiàn)代制造企業(yè)的主要?jiǎng)恿υ?。全?guó)能源基礎(chǔ)與管理標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)的有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，工業(yè)壓縮機(jī)系統(tǒng)年耗電量約占全國(guó)總發(fā)電量的9%[1]。在船舶生產(chǎn)企業(yè)中，一座中型船廠(chǎng)空壓站的空壓機(jī)容積流量為1 000 ～2 000 m3·min-1，年電能消耗占企業(yè)總耗電量的25%～40%?？諌赫咀鳛榇瑥S(chǎng)的用能大戶(hù)，了解其運(yùn)行能效是船廠(chǎng)減碳降本的重要前提。在物聯(lián)信息技術(shù)蓬勃發(fā)展的當(dāng)下，通過(guò)數(shù)字化手段建立船廠(chǎng)空壓站的在線(xiàn)節(jié)能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)空壓站能效實(shí)時(shí)狀態(tài)的連續(xù)監(jiān)測(cè)，可為空壓站的節(jié)能運(yùn)維提供重要支撐。

1 空壓站節(jié)能監(jiān)測(cè)要求

1.1 相關(guān)規(guī)范要求

《空氣壓縮機(jī)組及供氣系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測(cè)》（GB/T 16665—2017）規(guī)定了運(yùn)行中空氣壓縮機(jī)組及供氣系統(tǒng)的節(jié)能監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、監(jiān)測(cè)要求和方法、測(cè)試項(xiàng)目計(jì)算方法和節(jié)能監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)等[2]?！督涣麟姎鈧鲃?dòng)風(fēng)機(jī)（泵類(lèi)、空氣壓縮機(jī)）系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行通則》（GB/T 13466—2006）規(guī)定了空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的基本要求、判別與評(píng)價(jià)方法和測(cè)試方法[3]?！洞吧a(chǎn)企業(yè)主要耗能設(shè)備管理要求》（GB/T 36218—2018）對(duì)船廠(chǎng)空壓機(jī)組的排氣溫度、冷卻水進(jìn)水溫度、冷卻水進(jìn)出水溫差和機(jī)組用電單耗提出了監(jiān)測(cè)要求及相應(yīng)的合格指標(biāo)[4]。《船舶生產(chǎn)企業(yè)能源綜合管控通用要求》（GB/T 37325—2019）和《船舶生產(chǎn)企業(yè)能耗評(píng)價(jià)方法》（GB/T 36219—2018）將空氣壓縮機(jī)組用電單耗作為船舶生產(chǎn)企業(yè)主要耗能設(shè)備能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)?！秹嚎s空氣站能效分級(jí)指南》（T/CGMA 033001—2018）提出了綜合輸功效率的指標(biāo)，并根據(jù)此指標(biāo)對(duì)空壓站進(jìn)行能效分級(jí)，該指標(biāo)綜合考慮壓縮空氣站的回收熱能、壓縮空氣含油量和濕度（干燥程度）等因素，可對(duì)空壓站進(jìn)行系統(tǒng)性的節(jié)能評(píng)價(jià)。

1.2 節(jié)能監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和評(píng)價(jià)指標(biāo)

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，空氣壓縮機(jī)組及供氣系統(tǒng)主要的節(jié)能監(jiān)測(cè)項(xiàng)目可大致分為空壓站、空氣壓縮機(jī)機(jī)組、干燥機(jī)、過(guò)濾器和管網(wǎng)等，相應(yīng)的合格指標(biāo)如表1 所示，其中P為電動(dòng)機(jī)的功率。

表1 節(jié)能監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及合格指標(biāo)

2 空壓站數(shù)字化節(jié)能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)構(gòu)架

針對(duì)船廠(chǎng)空壓站的節(jié)能監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及評(píng)價(jià)指標(biāo)要求，設(shè)計(jì)數(shù)字化節(jié)能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)空壓站運(yùn)行節(jié)能數(shù)據(jù)的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)、記錄、分析和報(bào)警等，以方便管理?？諌赫緮?shù)字化節(jié)能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示，主要包括設(shè)備儀表層、數(shù)據(jù)采儲(chǔ)層和平臺(tái)應(yīng)用層。其中：設(shè)備儀表層對(duì)照監(jiān)控系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)配置要求，接入空壓機(jī)、干燥機(jī)、冷卻塔等設(shè)備和閥門(mén)、流量計(jì)、壓力變送器、電表等儀表信號(hào)；數(shù)據(jù)采儲(chǔ)層滿(mǎn)足數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)發(fā)、轉(zhuǎn)換、通信、存儲(chǔ)等抽象業(yè)務(wù)服務(wù)，包括可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）、網(wǎng)關(guān)、交換機(jī)及服務(wù)器；平臺(tái)應(yīng)用層支持系統(tǒng)在個(gè)人計(jì)算機(jī)（Personal Computer，PC）端進(jìn)行應(yīng)用展示，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、記錄和能效分析，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

圖1 空壓站數(shù)字化節(jié)能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 設(shè)計(jì)方案

2.2.1 設(shè)備儀表層

空壓站除接入空壓機(jī)、干燥機(jī)、冷卻塔及水泵等設(shè)備的信號(hào)外，按照《空氣壓縮機(jī)組及供氣系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測(cè)》（GB/T 16665—2017）及《用能單位能源計(jì)量器具配備和管理通則實(shí)施指南》（GB 17167—2006）實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)的配置要求安裝測(cè)量?jī)x器儀表，監(jiān)測(cè)電量、壓力、流量、露點(diǎn)等有關(guān)能效參數(shù)。

各儀器儀表的測(cè)量精度應(yīng)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，具體要求：有功電能表的準(zhǔn)確度應(yīng)不低于1.5 級(jí)；有功功率表的準(zhǔn)確度應(yīng)不低于1.0 級(jí)；氣體流量計(jì)的準(zhǔn)確度應(yīng)不低于1.5 級(jí)；轉(zhuǎn)速表的準(zhǔn)確度應(yīng)不低于0.5 級(jí)；溫度表的準(zhǔn)確度應(yīng)不低于1.0 級(jí)；測(cè)量?jī)x器儀表應(yīng)根據(jù)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)程進(jìn)行校準(zhǔn)。

2.2.2 數(shù)據(jù)采儲(chǔ)層

數(shù)據(jù)采儲(chǔ)層應(yīng)滿(mǎn)足多種抽象業(yè)務(wù)服務(wù)，支持業(yè)務(wù)集成、應(yīng)用集成、數(shù)據(jù)集成和流程集成，具備穩(wěn)定性和快速拓展的能力，確保系統(tǒng)信息交換和資源共享。

第一，數(shù)據(jù)采集。通過(guò)PLC 集中采集和控制設(shè)備的輸入/輸出（Input/Output，I/O）點(diǎn)。

第二，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊通過(guò)對(duì)象鏈接與嵌入的過(guò)程控制（OLE for Process Control，OPC）采集I/O 點(diǎn)數(shù)據(jù)，組成JS 對(duì)象簡(jiǎn)譜（JavaScript Object Notation，JSON）格式的主題報(bào)文，采用消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）協(xié)議，發(fā)布到消息中間件EMQX 軟件上。

第三，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。使用EMQX 軟件接收數(shù)據(jù)主題報(bào)文，并通過(guò)規(guī)則引擎將報(bào)文解析存入時(shí)序庫(kù)TDengine。同時(shí)，可為其他數(shù)據(jù)消費(fèi)者提供各種業(yè)務(wù)系統(tǒng)的消息訂閱服務(wù)。通過(guò)消息中間件，有效解除上層業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間、上層業(yè)務(wù)系統(tǒng)與下層數(shù)據(jù)采集應(yīng)用之間的耦合程度。

第四，數(shù)據(jù)通信。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)及數(shù)據(jù)采集主要以工業(yè)通信網(wǎng)關(guān)基于以太網(wǎng)、RS-485、光纖等方式搭建。

第五，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。時(shí)序庫(kù)TDengine 負(fù)責(zé)高頻數(shù)據(jù)的持久化存儲(chǔ)，滿(mǎn)足上層業(yè)務(wù)系統(tǒng)分析時(shí)的數(shù)據(jù)需求。關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)用于存儲(chǔ)設(shè)備信息、數(shù)據(jù)映射、過(guò)濾和統(tǒng)計(jì)結(jié)果等。

2.2.3 平臺(tái)應(yīng)用層

通過(guò)平臺(tái)應(yīng)用層，系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄節(jié)能監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中要求的電量、壓力、流量、溫度和露點(diǎn)等參數(shù)，生成歷史數(shù)據(jù)，并根據(jù)不同時(shí)間維度展示圖表[5]。除數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和記錄外，系統(tǒng)具備整站的能效分析功能，能夠計(jì)算不同統(tǒng)計(jì)時(shí)間段內(nèi)空壓站的用電單耗、總供氣量、總用電量、余熱回收率、輸功效率和能效等級(jí)，相關(guān)計(jì)算滿(mǎn)足《壓縮空氣站能效分級(jí)指南》（T/CGMA 033001—2018）的要求。系統(tǒng)還具備報(bào)警功能，當(dāng)節(jié)能監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超過(guò)合格指標(biāo)時(shí)，可提供報(bào)警提示。

3 結(jié)論

通過(guò)研究分析，可得出以下結(jié)論。

（1）空壓站是船廠(chǎng)的用能大戶(hù)，設(shè)計(jì)建立船廠(chǎng)空壓站數(shù)字化節(jié)能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，是連續(xù)監(jiān)測(cè)空壓站能效實(shí)時(shí)狀態(tài)的有效手段。

（2）空壓站和船舶生產(chǎn)企業(yè)能源管控等相關(guān)規(guī)范提出了空氣壓縮機(jī)組及供氣系統(tǒng)主要的節(jié)能監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和評(píng)價(jià)指標(biāo)。空壓站數(shù)字化節(jié)能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)符合監(jiān)測(cè)內(nèi)容的相應(yīng)要求。

（3）空壓站數(shù)字化節(jié)能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)除接入監(jiān)測(cè)信號(hào)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采儲(chǔ)外，還支持對(duì)節(jié)能數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、記錄、分析和報(bào)警。