天然氣冷熱電聯供系統監控管理平臺設計

曹 宇， 李 凡

(山東建筑大學熱能工程學院，山東濟南250100)

近年來，物聯網相關技術在建筑監控管理平臺上的應用越來越廣泛，能源系統也越來越多地應用物聯網技術進行設備的管理和系統的自動運行,良好的監控管理平臺對系統的節能運行有著深遠的意義。

1 分布式能源系統概況

① 基本信息

該分布式能源系統位于濟南某高校，為學生提供了一個大型實驗平臺。系統以電定熱原則[1]，根據用戶需求的電負荷選擇合適的發電機組，再選擇與之匹配的余熱設備[2]。系統流程見圖1。

系統由外網引入低壓天然氣，分為三路，一路直接進入燃氣內燃機組，一路直接進入直燃型吸收式冷溫水機組(直燃機)，另一路升壓成高壓天然氣進入微燃機組。微燃機排出275 ℃左右的高溫煙氣，內燃機排出350～450 ℃的高溫煙氣，同時內燃機可產生90 ℃左右的缸套水，換熱后可制取生活熱水。經微燃機與內燃機組排出的高溫煙氣用來驅動煙氣型冷溫水機組(以下簡稱冷溫水機組)。從冷溫水機組排出的150 ℃左右的煙氣和直燃機排出的煙氣

圖1 系統流程

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

在冬季工況下，水源熱泵機組、冷溫水機組和直燃機同時開啟，經風機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組的水源側，水源熱泵機組再將熱量傳遞給用戶側。冷溫水機組被高溫煙氣驅動，直燃機被天然氣燃燒產生的煙氣驅動，將水源側的熱量傳遞給用戶側。

夏季工況下，冷溫水機組和直燃機經風機盤管為末端用戶提供冷量；水源熱泵機組產生的熱量可制取生活熱水。

② 監控管理平臺監測內容

監控管理平臺設置多個監測點，監測內容包括：內燃機、微燃機排煙溫度與壓力，缸套水熱量，冷溫水機組冷卻水進出口溫度，煙氣換熱器進出口煙氣的溫度與壓力，水源側供、回水溫度，用戶側供、回水溫度，水源側、用戶側的供回水壓力、流量，熱泵回水溫度，電耗、燃氣消耗量，系統COP等數據。

2 數據采集與集成

① 底層與傳輸層設備

底層設備由傳感器、熱量表、電能表等組成，用于監測數據。傳輸層設備主要由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 控制層設備

控制層設備主要是Niagara網絡控制器JACE-8000，該控制器是一個結構緊湊的嵌入式控制器/服務器平臺，能夠提供互聯網連接和Web服務，具備集成控制、監視、數據記錄、報警、日歷和網絡管理等功能。Niagara網絡控制器JACE-8000使得通過互聯網遠程控制和管理各種設備成為可能，并且通過基于Web的圖形頁面為用戶提供實時信息。

JACE-8000通過Modbus協議與IO-28U模塊、三相電能表以及熱量表進行通信，而且JACE-8000還可通過以太網與PC機連接，可以實現本地控制與遠程訪問的功能。監控管理平臺硬件組成見圖2。

圖2 監控管理平臺硬件組成

3 監控管理平臺方案設計及軟件設計

① 監控管理平臺功能分析

a.監測末端風機盤管及水系統中水泵狀態。b.正確設計系統的啟停順序。c.根據煙氣溫度設計煙氣控制策略。d.控制冷溫水機組出口水溫60 ℃。e.設計水源熱泵控制策略：監測用戶側進出口水溫、熱量，水源側進出口水溫、熱量。

通過本地/遠程控制變頻器的狀態，進而控制水泵的啟停。該系統采用物聯網軟硬件平臺，可提供基于互聯網的多用戶遠程訪問和控制功能，用戶經一定的授權后就可以利用遠程計算機對系統進行訪問，可以實現實驗教學的遠程操作[3]。

② 煙氣和水系統的監控原理及監控配置

為實現分布式能源系統的功能，監控分為煙氣系統監控與水系統監控。煙氣系統監控原理及監控配置分別見圖3、表2，水系統(冬季供熱工況)監控原理及監控配置分別見圖4、表3。監測數據點包括38個數據點。

③ 監控管理平臺軟件設計

Niagara物聯網技術是建筑能源與信息化集成過程中的優秀工具[4]，在實際的工程項目中廣泛應用。監控管理平臺軟件截圖見圖5。

監控管理平臺可實現對設備進行性能測試與煙氣的深度分析。

圖3 煙氣系統監控原理

表2 煙氣系統監控配置

表3 水系統監控配置

圖4 水系統監控原理

圖5 監控管理平臺軟件截圖

例如，將監測得到的數據與設備銘牌數據進行對比，并進行分析。微燃機組C30銘牌標示排煙溫度為275 ℃，可與溫度傳感器測得的溫度或者從機組寄存器地址獲得的煙氣出口溫度進行對比分析。經過分析可知，煙氣余熱經過多級利用后，排煙溫度降到30 ℃左右，實現了能源的梯級利用。系統的年平均能源綜合利用率達到70%～90%。

4 結語

基于Niagara物聯網技術的分布式能源燃氣冷熱電聯供系統監控管理平臺的搭建能夠很好展示冷熱電系統的控制架構和基本知識，解決了傳統的控制系統的一些缺點，如人機交互性不夠好，控制實時性不強，網絡不夠融合，布線不方便等。本項研究在實現控制節能與優化目的的同時，為物聯網在能源領域的應用做了探索，為其他分布式能源系統監控管理平臺的構建積累了經驗。