基于樓宇式分布式能源站“一鍵啟停”邏輯設計及應用

張愛平，楊玲，徐靜靜，和彬彬，張希，閆廣華

（1.華電分布式能源工程技術有限公司，北京100070；2.國家能源分布式能源研發中心，北京100070）

基于樓宇式分布式能源站“一鍵啟停”邏輯設計及應用

張愛平1，2，楊玲1，2，徐靜靜1，2，和彬彬1，2，張希1，2，閆廣華1，2

（1.華電分布式能源工程技術有限公司，北京100070；2.國家能源分布式能源研發中心，北京100070）

樓宇式分布式能源站涉及到的主機設備種類多，需要運行人員操作的設備多，要減輕運行人員的負擔，需要提高能源站的自動化水平，實施“一鍵啟停”。本文對主機需要完成的控制功能、子系統需要完成的控制邏輯、能源站的運行模式進行研究，分別提出了能源站“一鍵啟動”運行模型、“一鍵停止”運行模型。為提高能源站的自動化水平，提供了合理的設計方案。

樓宇式分布式能源；一鍵啟停；控制邏輯；運行模型；APS；DCS

0 引言

樓宇式分布式能源是建筑冷熱電聯供（Building Cooling Heating&Power，BCHP）最主要的系統形式之一，是解決建筑冷、熱、電等能源需求并安裝在用戶現場的能源中心，是利用發電廢熱制冷制熱的梯級能源利用技術，能源利用效率能夠達到80%以上[1-3]。

本文以華電產業園樓宇式分布式能源站為設計研究對象，能源站配置2臺JM620型3.3MW的燃氣內燃發電機組+2臺2.9MW煙氣熱水型溴化鋰機+2臺3.5MW直燃機+2臺1.8MW水冷螺桿式電制冷機，滿足園區空調冷熱、生活熱水和部分電力負荷需求，其中直燃機、電制冷機等為冷熱調峰設備[4]。

分布式能源站主機設備類型多，需要運行人員操作的設備多，工藝系統關聯，運行工況多，增加了操作員的操作難度，也帶來了誤操作的安全隱患。為確保機組安全、穩定運行，提高能源站自動控制水平，需要設計機組自啟停控制系統（APS—Automatic Plant Startup/Shutdown System）[5-6]。APS就是根據能源站的不同運行工況，在啟停過程中需要對機組工況全面、準確、迅速的檢測，通過大量的條件與時間等方面的邏輯判斷，按規定好的程序向各功能組、子功能組、主設備的控制系統等發出啟動或停運命令，以最終實現能源站全工況的“一鍵啟動”、“一鍵停止”程序。

要實現APS控制系統，需要先設計完成能源站主機設備的控制功能、子功能組（系統功能程序）、功能組（不同運行工況的子程序），“一鍵啟動”、“一鍵停止”程序調用前面的功能組、子功能子程序。

1 能源站主機設備的控制功能

樓宇式分布式能源主機設備控制系統主要完成設備本體的控制及保護功能。

1.1 內燃機控制

內燃機是建筑樓宇分布式能源站的原動機，以天然氣為燃料，帶動內燃機發電機組發電，內燃機燃燒產生的高溫煙氣驅動煙氣熱水型溴化鋰機產生冷熱，同時內燃機的高溫缸套水也是煙氣熱水型溴化鋰機的一次熱源。

燃氣內燃機目前大多采用進口設備，華電產業園采用GE顏巴赫內燃機。內燃機控制系統具有如下功能：

1）在自動控制的情況下，保證機組能夠在設定的工況下連續穩定運行。

2）保證機組能夠在預設的恒定負荷方式下運行，又能在自動頻率控制方式下運行。

3）機組應能夠快速啟動并加速到額定速度。4）機組應能夠自動同步及自動增減負荷。

1.2 余熱機控制

煙氣熱水型溴化鋰機（以下簡稱為余熱機），機組自帶PLC控制系統。PLC控制系統根據冷溫水出口溫度、冷溫水進口溫度及機組內溶液的濃度來調節機組制冷/制熱量。主要控制功能如下：

1）制冷量/制熱量自動調節。制冷量/制熱量的調節主要是針對冷/熱水出口溫度進行控制。制冷量/供熱量自動調節回路由冷/熱水側溫度測量、高低溫熱交換器調節閥構成，PLC程序根據溫度測量信號調節高低溫熱交換器調節閥。

2）冷卻水進口低溫限度控制。冷卻水進水溫度需要控制在18～34℃范圍內，才能保證機組的正常運行。冷卻水溫度太低會導致機組結晶。

3）溶液濃度控制。控制系統隨時監視溶液的噴淋濃度，與溶液濃度設定值相比較，使機組在停機后處于最佳的溶度，即防止了結晶，又加快了在此開機的速度。

4）溶液循環量控制。采用變頻器控制溶液泵的轉速，使機組在最佳溶液循環量下運行。機組由高發液位電極式液位計、高發壓力傳感器、變頻器共同控制。當液位異常時，調節變頻器泵使液位回復正常；當液位正常時，變頻器的頻率有高發壓力決定，即高發壓力越高，則變頻器頻率越高。

1.3 直然機控制

直燃機與余熱機控制類似，直燃機多一項燃燒器的控制。直燃機通過低發出口濃溶液溫度和冷凝溫度信號計算出溶液的濃度和結晶溫度，結晶溫度考慮一定余量即為噴淋溶液要控制的安全溫度，實際測得的噴淋溶液溫度要大于安全溫度。當實際測得的噴淋溶液溫度低于安全溫度時，要調節控制燃燒器輸入的燃料量，以維持噴淋溶液的溫度大于安全溫度。

1.4 螺桿冷水機組控制

1.4.1 能量調節系統

螺桿式制冷壓縮機能量調節主要采用壓縮機卸載的能量調節方法，熱氣旁通調節方式作為輔助調節手段。壓縮機滑閥所處的位置，可以根據冷水、進出口溫度調節滑閥。滑閥能量調節屬無級調節，能量調節范圍一般為10%～100%，以在負荷為50%以上運轉為宜。

（1）根據冷水出口溫度調節滑閥。溫度傳感器、微處理器、加載與減載電磁閥、滑閥共同組成了對冷水溫度進行控制的閉環系統。

（2）根據冷水進水溫度來調節滑閥。根據冷水出口溫度調節滑閥，由于冷水的進口溫度受外界負荷影響較大，機組控制反應迅速，但穩定性差；采用冷水的出口溫度控制，滯后大，但穩定性好。

1.4.2 安全保護系統

螺桿式壓縮機組通常控制保護以下幾個方面：機組缺水保護、機組防凍保護、機組高、低壓保護、壓縮機過載保護、壓縮機內保、壓縮機相序保護、油位開關保護。

（2）內燃機程控停止順序：

內燃機停止→高溫水泵停止→低溫水泵停止→低溫散熱器水泵停止→低換二次側進口電動閥關閉→低換一次側進口電動閥關閉→高溫散熱器水泵停止→高換二次側進口電動閥關閉→結束。

2 主機設備的子組程序控制

主機設備所帶控制系已能完成主機設備本體的一鍵啟停、安全保護功能。全廠DCS控制系統需要完成主機設備及主機相關的輔助設備的順序程控。主機設備控制系統與DCS系統之間硬接線點見表1。

表1 主機設備控制系統與DCS系統之間硬接線點

2.1 內燃機的程控

內燃機相關的輔助設備如下：低溫水泵、高溫水泵、低溫換熱器水泵、高溫換熱器水泵、低換二次側進口電動閥、高換二次側進口電動閥、低換一次側進口電動閥。

（1）內燃機程控啟動順序：

高溫水泵啟動→高換二次側進口電動閥打開→高溫散熱器水泵啟動→低溫水泵啟動→低換一次側進口電動閥打開→低換二次側進口電動閥打開→低溫散熱器水泵啟動→內燃機啟動→結束。

2.2 余熱機的程控

余熱機相關的輔助設備如下：余熱機冷卻水泵、余熱機空調水泵、余熱機冷塔風機。

（1）余熱機啟動順序：

余熱機空調水泵啟動→余熱機冷卻水泵啟動→余熱機冷塔分機啟動→余熱機啟動→結束。

（2）余熱機停止順序：

余熱機停止→余熱機空調水泵停止→余熱機冷卻水泵停止→余熱機冷塔分機停止→結束。

2.3 直然機的程控

直燃機相關的輔助設備如下：直燃機冷卻水泵、直燃機空調水泵、直燃機冷塔風機、直燃機煙氣擋板門。

（1）直燃機啟動順序：

直燃機煙氣擋板門打開→直燃機空調水泵啟動→直燃機冷卻水泵啟動→直燃機冷塔分機啟動→直燃機啟動→結束。

（2）直燃機停止順序：

直燃機停止→直燃機空調水泵停止→直燃機冷卻水泵停止→直燃機冷塔分機停止→直燃機煙氣擋板門關閉→結束。

2.4 螺桿冷水機組程控

螺桿冷水機組的輔助設備如下：電制冷機組冷卻水泵、電制冷機組空調水泵、電制冷機組冷塔風機、電制冷空調水供水電動閥、電制冷空調水回水電動閥。

（1）螺桿冷水機組啟動順序：

電制冷機組空調水供水電動閥打開→電制冷機組空調水回水電動閥→電制冷機組空調水泵啟動→電制冷機組冷卻水泵啟動→電制冷機組冷塔分機啟動→電制冷機組啟動→結束。

（2）螺桿冷水機組停止順序：

電制冷機組停止→電制冷機組空調水泵停止→電制冷機組冷卻水泵停止→電制冷機組冷塔分機停止→電制冷機組空調水供水電動閥關閉→電制冷機組空調水回水電動閥關閉→結束。

3 全廠所有工況的“一鍵啟停”

與內燃機發電機組配套的余熱機參數為：1）冬季工況：可提供的總采暖熱量2994kW；生活熱水換熱器提供生活熱水量1700kW；煙氣熱水換熱器提供生活熱水量250kW。2）夏季工況：額定制冷量2908kW；生活熱水換熱器提供生活熱水量1700kW；煙氣熱水換熱器提供生活熱水量130kW。

直燃機參數為：制冷量3490kW；制熱量2800kW；2#直燃機生活熱水熱量1100kW。電制冷機組：制冷量1800kW。集成化板換：制冷量1500kW。

內燃機組運行負荷不能低于50%。在內燃機組運行條件下，優先利用余熱機組供冷供熱；在夜間低谷電時調峰設備會選用電制冷設備供冷。基于產業園項目的實際情況，經分析給出以下的典型工況運行模式：冬季采暖運行模式如圖3所示；夏季供冷高峰時段運行模式如圖4所示；夏季供冷非高峰夜間時段運行模式如圖5所示；過渡季運行模式如圖6所示；非夏季供冷運行模式如圖7所示；供生活熱水運行模式如圖8所示。

全工況“一鍵啟動”模型如圖9所示，設置一個斷點；全工況“一鍵啟動”模型如圖10所示，無斷點。

4 結語

本文以華電產業園樓宇式分布式能源站為例，介紹了一種如何實現一鍵啟動的控制模型。首先完成主機設備本體的控制程序，再設計主機+主機輔助設備的子程序，再分析能源站可能的運行模式，最后設計全工況的“一鍵啟動”模型、“一鍵停止”模型。程序為一級一級調用主設備相關的程序、子程序。本論文可為基于樓宇式燃氣分布式能源站項目的“一鍵啟停”控制邏輯的實現提供參考。

[1]殷平.冷熱電三聯供系統研究（1）分布式能源還是冷熱電三聯供[J].暖通空調，2013，44（4）：10-17.

[2]殷平.冷熱電三聯供系統研究（2）冷熱電三聯供系統是否應該“以熱定電”[J].暖通空調，2013，44（5）：82-87.

[3]金紅光，鄭丹星，徐建中.分布式冷熱電聯產系統裝置及應用[M].北京：中國電力出版社，2010.

[4]華電產業園能源站項目初步設計說明書[Z].中機國能電力工程有限公司，2012.

[5]于春妹.北京南能源站自動控制方案研究[J].鐵路通信信號工程技術（RSCE），2009，6（2）：27-30.

[6]王立地.自動順序啟停系統“一鍵式啟停”基礎邏輯設計與應用[J].廣東電力，2009，22（1）：65-69.

Logic Design and Application of“Startup/Shutdown with One Key”for Building Distributed Energy Sources Station

ZHANG Ai-ping1，2，YANG Ling1，2，XU Jing-jing1，2，HE Bin-bin1，2，ZHANG Xi1，2，YAN Guang-hua1，2
（1.Huadian Distributed Energy Engineering Technology Co.Ltd.，Beijing 100070，China；2.Research and Development Center of National Distributed Energy，Beijing 100070，China）

There are many types of main equipment in the building distributed energy source station.The operators need to operate all of these types equipment.To reduce pressure of the station’s operator，the station is necessary for realizing full automation，i.e.“startup/shutdown with one key”.This paper studies the main equipment’s control function，the control logic algorithms of sub-system，and the running models of the station.Based on above the control function，design the logic algorithms of“startup with one key”and“shutdown with one key”about the building distributed energy source station.To improve the level of the automation，this paper proposes one reasonable designing scheme.

building distributed energy source；startup/shutdown with one key；control logic algorithm；running model；APS-Automatic Plant Startup/Shutdown System；DCS-Distributed Control System

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.04.001

TM76

B

2095-3429（2016）04-0001-06

2016-04-18

修回日期：2016-05-30

國家能源分布式能源技術研發中心項目（CHDKJ14-01-26）

張愛平（1977-），女，河北石家莊人，碩士研究生，高級工程師，主要從事分布式能源站控制系統的設計及研究工作。