冷熱電三聯(lián)產(chǎn)成套裝置能效監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

文_吳同春 謝吉平 方雷 李冬波 匡勝嚴(yán) 遠(yuǎn)大空調(diào)有限公司 遠(yuǎn)大能源利用管理有限公司

冷熱電三聯(lián)產(chǎn)成套裝置（以下簡(jiǎn)稱“成套裝置”）是指以能源梯級(jí)利用為目的，發(fā)電的同時(shí)將產(chǎn)生的余熱回收利用，集制冷、制熱和發(fā)電一體化的裝置。目前對(duì)于聯(lián)供系統(tǒng)的研究主要集中在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化和運(yùn)行優(yōu)化兩方面，即根據(jù)實(shí)際情況合理配置系統(tǒng)，采用相應(yīng)的控制策略使系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性和效率的最優(yōu)化。由于成套裝置涉及的專業(yè)較多，系統(tǒng)復(fù)雜，所以對(duì)成套裝置的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵，決定了系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、可靠性和能源的高效利用。

1 冷熱電三聯(lián)產(chǎn)成套裝置

1.1 工藝流程圖

燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組（以下簡(jiǎn)稱“發(fā)電機(jī)組”）燃燒天然氣推動(dòng)活塞做功輸出電力，發(fā)電的煙氣余熱進(jìn)入熱水煙氣型溴化鋰吸收式冷溫水機(jī)組（以下簡(jiǎn)稱余熱機(jī)）作為余熱機(jī)的驅(qū)動(dòng)熱源，缸套水通過(guò)冬/夏切換閥V1控制，夏季進(jìn)入余熱機(jī)低溫發(fā)生器制冷，冬季通過(guò)換熱器換成熱水供暖。余熱機(jī)利用完的煙氣余熱通過(guò)換熱器回收，夏季進(jìn)入余熱機(jī)低溫發(fā)生器制冷，冬季換成熱水采暖。成套裝置工藝流程圖見(jiàn)圖1。

1.2 成套裝置結(jié)構(gòu)圖

成套裝置由發(fā)電機(jī)組、發(fā)電機(jī)組輸配系統(tǒng)、余熱機(jī)、余熱機(jī)輸配系統(tǒng)和控制系統(tǒng)5大模塊組成。該裝置是采用總體設(shè)計(jì)、工廠預(yù)制、撬塊式結(jié)構(gòu)、工廠集成。該裝置相比較于傳統(tǒng)工程設(shè)計(jì)、采購(gòu)、施工模式，具有節(jié)省投資、安裝方便、降低能耗、提高系統(tǒng)安全性和靈活性等優(yōu)點(diǎn)。成套裝置結(jié)構(gòu)圖如圖2。

1.3 控制問(wèn)題需求分析

該裝置包括燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組、余熱機(jī)、輸配系統(tǒng)等設(shè)備，控制系統(tǒng)要完成4個(gè)方面的控制任務(wù)：（1）實(shí)現(xiàn)成套裝置所有參數(shù)的采集工作；（2）完成各個(gè)季節(jié)工作條件下的能量調(diào)節(jié)和能效最優(yōu)控制，使得系統(tǒng)的發(fā)電量、制熱量與制冷量在滿足用戶的需求前提下，提高能源利用效率；（3）實(shí)現(xiàn)成套裝置的集中監(jiān)控，保證設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行，通過(guò)智能控制實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守。（4）根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)各主要設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，確定小時(shí)、日、月、年燃?xì)夂碗娔芟牧?，各自費(fèi)用；熱（冷）能、電能產(chǎn)出量及其收入，計(jì)算、考核成套裝置的能效指標(biāo)。

2 能效監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)以上的分析，控制系統(tǒng)將根據(jù)各個(gè)設(shè)備的功能實(shí)施順序控制、聯(lián)鎖控制和能效調(diào)節(jié)?？刂葡到y(tǒng)的硬件采用西門(mén)子S7-1500系列可編程序控制器，以及工業(yè)控制計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)監(jiān)控。發(fā)電機(jī)組和余熱機(jī)根據(jù)各自的能量調(diào)節(jié)和安全保護(hù)均實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制。系統(tǒng)管網(wǎng)上的流量、溫度和閥門(mén)開(kāi)度等數(shù)據(jù)采集，各個(gè)設(shè)備的協(xié)調(diào)控制則采用一個(gè)集中控制器，并通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)全球聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控。

發(fā)電機(jī)組和余熱機(jī)由設(shè)備廠家集成控制系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)通過(guò)Modbus TCP與集中控制系統(tǒng)通信，余熱機(jī)通過(guò)Modbus RTU與集中控制系統(tǒng)通信。集中控制系統(tǒng)通過(guò)PLC采集系統(tǒng)管網(wǎng)儀表參數(shù)，并通過(guò)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)集中監(jiān)控，集中控制PLC通過(guò)以太網(wǎng)與上位機(jī)通信。集中控制系統(tǒng)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)全球聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控。成套裝置網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖3。

2.2 主要控制功能設(shè)計(jì)

2.2.1 數(shù)據(jù)采集

控制系統(tǒng)各種設(shè)計(jì)功能的實(shí)現(xiàn)是建立在現(xiàn)場(chǎng)各種數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集的基礎(chǔ)上，根據(jù)GB51131—2016《燃?xì)饫錈犭娐?lián)供工程技術(shù)規(guī)范》對(duì)分布式能源控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集有明確的規(guī)定，其主要采集的數(shù)據(jù)分為檢測(cè)、控制、保護(hù)與報(bào)警三部分。控制系統(tǒng)根據(jù)工藝控制要求不同設(shè)計(jì)采集數(shù)據(jù)，并通過(guò)通信方式和數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，傳輸給控制系統(tǒng)，作為控制決策的依據(jù)。

2.2.2 順序控制

當(dāng)控制系統(tǒng)初始上電后，用戶需要在上位機(jī)上設(shè)定系統(tǒng)運(yùn)行模式和設(shè)備操作模式，如用戶不設(shè)定模式，即默認(rèn)為發(fā)電制冷模式和手動(dòng)操作模式，手動(dòng)模式實(shí)現(xiàn)成套裝置單臺(tái)設(shè)備操作。若上位機(jī)設(shè)定為自動(dòng)操作模式，控制系統(tǒng)將根據(jù)用戶在上位控制計(jì)算機(jī)中所指定的模式進(jìn)行操作，自動(dòng)模式實(shí)現(xiàn)成套裝置的全自動(dòng)運(yùn)行。成套裝置的啟停順序圖如圖4。

2.2.3 夏季/冬季運(yùn)行模式切換

在系統(tǒng)處于夏季，即啟動(dòng)夏季控制模塊，設(shè)定系統(tǒng)運(yùn)行模式為發(fā)電制冷模式，V1冬/夏切換閥打開(kāi)，發(fā)電機(jī)組缸套水進(jìn)入余熱機(jī)制冷，控制系統(tǒng)自動(dòng)設(shè)定冷凍水出口溫度，余熱機(jī)控制系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)煙氣輸入熱量，使冷凍水出口溫度與設(shè)定溫度一致。

在系統(tǒng)處于冬季，即啟動(dòng)冬季控制模塊，設(shè)定系統(tǒng)運(yùn)行模式為發(fā)電制熱模式。V1冬/夏切換閥關(guān)閉，發(fā)電機(jī)組缸套水進(jìn)入換熱器制熱，控制系統(tǒng)自動(dòng)設(shè)定熱水出口溫度，余熱機(jī)控制系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)煙氣輸入熱量，使熱水出口溫度與設(shè)定溫度一致。

2.2.4 能效監(jiān)控優(yōu)化運(yùn)行

根據(jù)成套裝置內(nèi)各主要設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，統(tǒng)計(jì)小時(shí)、日、月、年燃?xì)夂碗娔芟牧?；統(tǒng)計(jì)熱（冷）能、電能產(chǎn)出量，計(jì)算、考核成套裝置的能效指標(biāo)。根據(jù)不同時(shí)段電價(jià)、天然氣價(jià)格、熱價(jià)、冷價(jià)計(jì)算成套裝置的消耗費(fèi)用，產(chǎn)生收益，利潤(rùn)的小時(shí)、日、月、年經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)。

控制系統(tǒng)可以根據(jù)不同季節(jié)用戶對(duì)于冷、熱、電負(fù)荷條件及冷、熱、電、氣價(jià)格，進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較優(yōu)化運(yùn)行差數(shù)，找出經(jīng)濟(jì)和能源利用的最優(yōu)點(diǎn)，在滿足用戶需求的前提下做到經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

3 工藝流程優(yōu)化和控制優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)

如圖5成套裝置前工藝流程圖，92℃缸套水經(jīng)過(guò)V2閥時(shí)，一部分去余熱機(jī)或是換熱器利用，另一部分去缸套水冷卻塔散熱，最后混合，滿足缸套水回水84℃要求。由于水溫越高越容易利用，水溫越低越難以利用，因此一部分92℃高溫缸套水直接去冷卻塔散熱，必然將導(dǎo)致部分高品位能量的損失，從而降低能源利用效率。

如圖6成套裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)后工藝流程圖，92℃缸套水必須經(jīng)過(guò)余熱機(jī)或是換熱器才能返回發(fā)電機(jī)組或缸套水冷卻塔。在V2閥出口增加溫度計(jì)T，在剛剛啟動(dòng)發(fā)電機(jī)組時(shí)，通過(guò)缸套水三通閥使缸套水打內(nèi)循環(huán)，加快發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)速度。啟動(dòng)完成后，缸套水經(jīng)過(guò)余熱機(jī)或換熱器利用返回經(jīng)過(guò)V2閥門(mén)，當(dāng)V2閥門(mén)出口溫度高于發(fā)電機(jī)組回水溫度，調(diào)節(jié)V2閥門(mén)開(kāi)度，增加部分回水去缸套水冷卻塔散熱；當(dāng)V2閥門(mén)出口溫度低于發(fā)電機(jī)組回水溫度，調(diào)節(jié)V2閥門(mén)開(kāi)度，增加部分回水直接返回發(fā)電機(jī)組。且該設(shè)計(jì)使控制更加清晰，缸套水閥實(shí)現(xiàn)缸套水回水溫度低時(shí)的控制，V2閥門(mén)實(shí)現(xiàn)缸套水回水溫度高時(shí)的控制，互相獨(dú)立，互不干擾。

該設(shè)計(jì)模式將系統(tǒng)工藝流程優(yōu)化設(shè)計(jì)與控制優(yōu)化設(shè)計(jì)相結(jié)合，有利于提高成套裝置的能源利用效率。

3.2 優(yōu)化后運(yùn)行效果

工藝流程優(yōu)化前，工廠測(cè)試成套裝置綜合能源效率為75.21%；系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，工廠測(cè)試綜合能源效率為77.16%，提高了2.95%，運(yùn)行效果顯著。且在工廠試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試管道流程短，如果在冬天，管道流程長(zhǎng)的能源站現(xiàn)場(chǎng)，優(yōu)化后的系統(tǒng)對(duì)綜合能源效率提高更加明顯。

4 系統(tǒng)監(jiān)控應(yīng)用

系統(tǒng)監(jiān)控采用研華工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，上位機(jī)控制軟件采用力控組態(tài)軟件實(shí)施總體監(jiān)控，其畫(huà)面主要包括：主界面、控制模式界面、一鍵啟停界面、發(fā)電機(jī)組控制界面、余熱機(jī)控制界面、能效分析界面、數(shù)據(jù)報(bào)表界面、報(bào)警記錄界面等。

主界面中包括了整個(gè)成套裝置的工藝流程圖，在此界面中用戶可以通過(guò)每個(gè)設(shè)備的顏色變化來(lái)余熱機(jī)、發(fā)電機(jī)組、冷熱水泵、冷卻水泵、冷卻塔風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和各個(gè)自控閥門(mén)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，同時(shí)還可以通過(guò)管道流動(dòng)性動(dòng)畫(huà)確定水流方向，冷熱水、冷卻水的流向更加直觀。系統(tǒng)啟動(dòng)通過(guò)登陸界面輸入用戶名和密碼后進(jìn)入此畫(huà)面，并由用戶點(diǎn)擊右上方的按鈕從而確定系統(tǒng)的季節(jié)工況。成套裝置主界面見(jiàn)圖7。

另外從此界面中，我們可以通過(guò)左側(cè)菜單，進(jìn)入一鍵啟停、能效分析、報(bào)警記錄、歷史趨勢(shì)曲線、數(shù)據(jù)報(bào)表等界面。并可以點(diǎn)擊左下角退出按鈕退出系統(tǒng)。

能效分析界面包括該成套裝置消耗的天然氣和電力統(tǒng)計(jì)，產(chǎn)出冷熱量統(tǒng)計(jì)，以及制冷效率、制熱效率、綜合能源效率、節(jié)能率等能效指標(biāo)計(jì)算。此外，還可以設(shè)置不同時(shí)段電價(jià)、天然氣價(jià)格、冷價(jià)、熱價(jià)，就可以計(jì)算該成套裝置消耗的費(fèi)用，產(chǎn)生的收入，利潤(rùn)情況一目了然。成套裝置能效分析界面見(jiàn)圖8。

5 結(jié)論

本文采用PLC和上位機(jī)實(shí)現(xiàn)成套裝置的集中控制，同時(shí)實(shí)現(xiàn)能源計(jì)量、能效分析和優(yōu)化控制。該成套裝置通過(guò)工藝流程優(yōu)化設(shè)計(jì)與控制優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了更高能效目標(biāo)。