基于微燃機分布式能源系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)管理平臺開發(fā)

曹 宇，李 慧,2,3，李 凡

(1.山東建筑大學熱能工程學院,山東 濟南 250101；2.山東建筑大學可再生能源建筑利用技術教育部重點實驗室,山東 濟南 250101；3.山東建筑大學山東省可再生能源建筑應用技術重點實驗室，山東 濟南 250101)

0 引言

微燃機分布式能源系統(tǒng)以微燃機作為發(fā)電機組，排出高溫煙氣給余熱利用機組，為末端用戶提供冷熱電量。該系統(tǒng)具有的靈活性、節(jié)能性、可調(diào)節(jié)性等特點，已成為近幾年業(yè)界的研究熱點[1]。在山東某高校建成的微燃機分布式能源熱電冷聯(lián)產(chǎn)(combined cooling heating and pwoer,CCHP)管理平臺。該管理平臺作為一個小型分布式能源試驗臺，可用于后期的試驗與教學。其通過對分布式能源系統(tǒng)進行實時的數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)據(jù)處理，鞏固學生的專業(yè)知識，提升學生的實操能力，加深對實際工程的理解。

依據(jù)Niagara技術，個人計算機(persona computer,PC)服務器通過TCP/IP協(xié)議與網(wǎng)絡控制器Jace-8000進行通信，網(wǎng)絡控制器與其他設備的通信方式主要通過MODBUS協(xié)議來實現(xiàn)。物聯(lián)網(wǎng)管理平臺采用Niagara N4軟件進行軟硬件通信以及界面的搭建，將微燃機分布式能源系統(tǒng)的實時運行參數(shù)、設備啟停狀態(tài)等數(shù)據(jù)顯示在監(jiān)控管理平臺上。同時，在同一局域網(wǎng)下，通過瀏覽器訪問IP地址[2]，可由另一臺計算機或者手機遠程訪問該平臺。

1 系統(tǒng)概況

1.1 CCHP及微燃機簡介

分布式能源系統(tǒng)是布置在用戶附近，以天然氣為一次能源用于發(fā)電，并利用發(fā)電余熱制冷和供熱，同時向用戶輸送電能、熱(冷)能的系統(tǒng)[3]。冷熱負荷是天然氣分布式能源站可以高效率運行的重要前提條件。只有提高負荷的需求量，才能更好地提高能源綜合利用率。監(jiān)控管理平臺將末端用戶的冷熱需求作為主要的解決目標。因此，在冷熱負荷需求較大時，采用“以熱定電”方式運行[4]，能有效地提高能源綜合利用率及其他指標。

監(jiān)控管理平臺采用的發(fā)電機組為Capstone的C30型號的微燃機，額定工況下的主要技術指標如下：額定功率為30 kW，發(fā)電效率為(26±2)%，天燃氣耗量為415 MJ/h，進氣壓力為379～414 kPa，排煙溫度為275 ℃，排煙質(zhì)量流量為0.31 kg/s。

微燃機主要由壓縮機、發(fā)電機、燃燒器和回熱器組成。微燃機工作原理如圖1所示。

圖1 微燃機工作原理圖Fig.1 Working principle diagram of micro-combustion

由外界引入的空氣，經(jīng)過微燃機內(nèi)的壓縮機升壓后進入回熱器，微燃機出口的煙氣流經(jīng)回熱器對空氣進行預熱。升溫后的空氣與燃料氣(天然氣)混合后進入燃燒器燃燒，產(chǎn)生高溫、高壓氣體推動渦輪轉(zhuǎn)子做功，帶動發(fā)電機發(fā)電[5]。從回熱器出來的高溫煙氣可以進入煙氣型溴化鋰吸收式冷溫水機中，用于驅(qū)動冷溫水機組，為末端用戶提供熱(冷)量。

1.2 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)工作流程圖Fig.2 System flow diagram

系統(tǒng)以天然氣為燃料源，由外網(wǎng)引入的低壓天然氣，經(jīng)過氣體壓縮機變成高壓天然氣進入微燃機組。微燃機作為發(fā)電機組，與國家電網(wǎng)實行并網(wǎng)供電，為用戶提供電負荷，同時排出275 ℃左右的高溫煙氣。排出的高溫煙氣用來驅(qū)動煙氣吸收冷溫水機。冷溫水另一側為用戶側的冷水進出口，經(jīng)風機盤管與用戶側進行換熱。從冷溫水機排出的150 ℃左右的煙氣進入煙氣換熱器。換熱器與水源熱泵機組的水源側進出水進行換熱。同時，水源熱泵機組用戶側與水源側進行換熱，煙氣換熱器排出的30～40 ℃煙氣經(jīng)過處理后排入大氣。

1.3 監(jiān)測系統(tǒng)的組成

為了更好地將各個設備集成在一起，該系統(tǒng)設置多個監(jiān)測點。監(jiān)測內(nèi)容包括：微燃機排煙溫度與壓力，冷溫水機冷卻水進出口溫度，煙氣換熱器進出口煙氣的溫度與壓力，水源熱泵的水源側供、回水溫度，用戶側供、回水溫度，水源側、用戶側的供回水壓力、熱量，電耗，系統(tǒng)年平均綜合利用率等數(shù)十項數(shù)據(jù)。監(jiān)測內(nèi)容主要包括煙氣溫度、煙氣壓力、流體熱量、泵與機組功耗和年平均能源綜合利用率等。

2 系統(tǒng)硬件架構

系統(tǒng)硬件主要包括一臺Jace-8000嵌入式控制器、兩臺I/O-28模塊、兩臺三相電能表、三臺熱量表以及各類現(xiàn)場傳感器等設備。硬件架構如圖3所示。

圖3 硬件架構圖Fig.3 Hardware architecture diagram

Jace-8000嵌入式控制器(IP：192.168.1.139)通過接口，以TCP/IP協(xié)議與本地服務器進行通信，并設置Port為5 011，用于完成數(shù)據(jù)的上傳和下達。

I/O-28U模塊以Modbus協(xié)議通過RS-485線，與Jace的COM2口進行連接，并設置波特率為19 200 bit/s，8數(shù)據(jù)位，1停止位，用于采集模擬量和數(shù)字量的數(shù)據(jù)，如溫度、壓力等。

三相電能表與熱量表以Modbus協(xié)議通過RS-485線，分別與Jace的COM1和COM3口進行連接，并設置波特率為9 600 bit/s，8數(shù)據(jù)位，1停止位，將電能、功率、頻率、供回水溫度和熱量等數(shù)據(jù)傳達給上位機。

3 數(shù)據(jù)采集與集成

底層設備由傳感器、熱量表、電能表等組成，用于監(jiān)測數(shù)十項數(shù)據(jù)。傳輸層設備主要由I/O模塊以及中間繼電器組成。采集裝置將現(xiàn)場的壓力、溫度等傳統(tǒng)模擬量信號，通過傳輸層匯集到Jace-8000網(wǎng)絡控制器。傳輸模塊底層與傳輸層配置如下：溫度傳感器用于測量煙氣的溫度，壓力變送器用于測量煙氣的壓力，三相電能表用于測量機組及泵功率，熱量表用于測量供回水側熱量，電動調(diào)節(jié)蝶閥用于給定和反饋閥位狀態(tài)，I/O-28U模塊用于采集數(shù)字量及模擬量，繼電器起到了轉(zhuǎn)換電路的作用。

4 監(jiān)控管理平臺設計

平臺界面在本地工作站Supervisor上進行設計，運用軟件框架中的圖形組件直觀地顯示系統(tǒng)的設備與運行情況，模塊化編程功能將數(shù)據(jù)進行處理和分析，嵌入基于Internet的Web技術，將各個子系統(tǒng)的監(jiān)控頁面以Html頁面的形式統(tǒng)一組織，方便用戶直觀操作及遠程訪問[6]。軟件功能框圖如圖4所示。平臺界面設計包括首頁、微燃機三聯(lián)供系統(tǒng)、歷史數(shù)據(jù)、故障報警界面等，可清晰地呈現(xiàn)出所需的數(shù)據(jù)，增加了平臺的可視化特性[7-8]。

圖4 軟件功能框圖Fig.4 Software function diagram

4.1 平臺的遠程訪問

對用戶來說，微燃機分布式能源監(jiān)控管理平臺的遠程訪問功能具有快捷、便利的優(yōu)點。在同一局域網(wǎng)段下，打開本地服務器下的站點Supervisor，找到Config配置下的Services目錄;打開目錄下的Web service命令，將Enabled設為True，Http Enabled與Https Enabled也設為True，Https Only設為false。保存操作后，Web service狀態(tài)(Status)顯示OK。如果顯示fault，則說明服務上有其他軟件占用了443或者80端口，需要將Http Port手動改為8 000，Https Port改為8 443，但登陸IP地址時，比如原IP為10.216.3.115，端口改成800，那么IP地址要改成10.216.3.115：800，最后進行保存。

關閉防火墻，再打開Platform下的TCP/IP Configuration目錄，查看Supervisor工作站下的IP地址(IPv4 Address)：10.216.3.115。在同一局域網(wǎng)段下，用另一臺手機或者計算機設備輸入IP，便可以實現(xiàn)平臺的遠程訪問。

4.2 模塊化編程處理數(shù)據(jù)

從微燃機分布式能源系統(tǒng)獲取的實時數(shù)據(jù)，一部分可以在界面上進行直觀地展示，還有一部分需要進行處理后，才能變成所需要的數(shù)據(jù)。處理過程采用模塊化編程[8]。以系統(tǒng)發(fā)電效率為例：

式中：η為系統(tǒng)的發(fā)電效率，%；Ne為微燃機的發(fā)電量，kW；Qg為微燃機消耗的燃氣化學熱，kW。

系統(tǒng)發(fā)電效率計算的模塊化編程如圖5所示。運用Palette工具箱中的kitControl組件，添加Numeric Writable點位以及運算符，其中的In10通道用來導入底層的數(shù)據(jù)，經(jīng)過模塊化編程，最終得到系統(tǒng)的發(fā)電效率。

圖5 系統(tǒng)發(fā)電效率計算的模塊化編程圖Fig.5 Modular programming diagram of system power generation efficiency calculation

4.3 首頁界面

登錄Web瀏覽器，輸入用戶名與密碼，則可進入管理平臺。在首頁圖中，直觀地顯示當前室內(nèi)外的溫濕度、分布式能源系統(tǒng)中的主要機組運行狀態(tài)、循環(huán)水泵的啟停狀態(tài)、微燃機的發(fā)電量、循環(huán)水泵的用電量、系統(tǒng)的供冷(熱)量、年平均能源綜合利用率、閥門開度等參數(shù)。此外，本平臺還能直觀地進行微燃機分布式能源系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)對比，根據(jù)末端用戶需求選擇最優(yōu)的系統(tǒng)。

4.4 微燃機分布式能源系統(tǒng)界面

微燃機分布式能源系統(tǒng)界面實時顯示了實際系統(tǒng)組成以及工作流程。從界面中可以看到，機組的啟停狀態(tài)，煙氣管道上的溫度和壓力傳感器位置，電能表測得的電量和功率，水系統(tǒng)中的冷(熱)量表顯示的供回水溫度、流量、冷(熱)量等。同時，通過KitPX組件

的Popup Bingding功能，添加彈窗按鈕，對水泵的啟停狀態(tài)、運行頻率、轉(zhuǎn)速等參數(shù)進行設定，以及對微燃機機組的實時狀態(tài)進行調(diào)取和查看。

4.5 歷史數(shù)據(jù)界面

為了方便后續(xù)工作的記錄與分析，本平臺搭建了歷史數(shù)據(jù)界面，用于保存關鍵數(shù)據(jù)的記錄情況。界面中實時記錄著微燃機組的發(fā)電量、水泵的耗電量、微燃機排煙溫度、冷溫水機的供回水溫度和熱量、系統(tǒng)用電量、系統(tǒng)供冷(熱)量等關鍵性參數(shù)。此外，這些歷史數(shù)據(jù)也可以導出后保存，為其他科研工作的開展提供了便利。

5 結論

分布式能源系統(tǒng)是近幾年比較推崇的近末端用戶的系統(tǒng)用能形式，與集中供能形式的系統(tǒng)相比，更加靈活、可調(diào)，也更符合末端用戶的實際需求。同時，分布式能源系統(tǒng)減少了能源傳輸過程中的能量損失，使節(jié)能性與利用效率大大提高。

為了進一步提升分布式能源系統(tǒng)的建筑節(jié)能性，結合發(fā)展態(tài)勢迅猛的物聯(lián)網(wǎng)技術，搭建了基于Niagara的分布式能源系統(tǒng)監(jiān)控管理平臺，可實時查詢系統(tǒng)參數(shù)、實時分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)。通過模塊化編程提高了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力。界面的設計使得系統(tǒng)更加可視化。平臺主要應用于對學生專業(yè)知識的鞏固以及實操能力的提升。