大型多聯(lián)供能源站全工況高效系統(tǒng)智能化解決方案研究

嚴琨，劉磊，黃飛強，卜世杰，秦禮鵬

（國家電投珠海橫琴能源發(fā)展有限公司，珠海，519031）

0 引言

目前的區(qū)域供冷系統(tǒng)，冷源是系統(tǒng)核心及最大耗能設備。為了實現(xiàn)冷水機組高效運行，需要進行長期專業(yè)化管理。在大量工程中，由于冷水機組未獲得良好的運行維護，存在運行狀態(tài)不佳、冷卻水量不足、冷卻塔掛熱效率低、控制策略不優(yōu)化等問題［1-11］，導致運行效率長期達不到最佳水平。

基于大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，可以利用其挖掘算法和計算能力的優(yōu)勢，針對全年不同運行工況，對冷水機組開展智能化健康度分析與節(jié)能診斷，從而采取對應解決方案，提升系統(tǒng)運行能效。相比傳統(tǒng)研究方法，采用大數(shù)據(jù)分析方法的效率和精準度有明顯提升［12-15］，故而本文基于珠海市橫琴新區(qū)某大型區(qū)域供冷供熱項目研究大型多聯(lián)供能源站全工況高效系統(tǒng)智能化解決方案，這對解決供冷系統(tǒng)運行維護不佳、運行能效低下等問題具有重要意義。

1 研究方法

本文研究的大型多聯(lián)供能源站全工況高效系統(tǒng)智能化解決方案主要包括能源站監(jiān)控系統(tǒng)和綜合能效管理平臺兩部分，圖1是大型多聯(lián)供能源站全工況高效系統(tǒng)智能化解決方案路線圖，具體的實現(xiàn)流程如下：

圖1 大型多聯(lián)供能源站全工況高效系統(tǒng)智能化解決方案路線圖

（a）能源站監(jiān)控系統(tǒng)采集能源站供冷系統(tǒng)實際運行參數(shù)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)實時運行參數(shù)的顯示，能夠直觀地通過監(jiān)控界面了解各能源站的實際運行情況；

（b）能源站監(jiān)控系統(tǒng)將采集的實際運行參數(shù)數(shù)據(jù)傳遞到綜合能效管理平臺，綜合能效管理平臺包含在線監(jiān)控、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、負荷預測、能效分析、管網(wǎng)分析、專家診斷、策略仿真、報警記錄等功能；實現(xiàn)對能源站的運行狀況進行實時監(jiān)控、分析、預警及診斷；

（c）綜合能效管理平臺內含空調系統(tǒng)仿真模塊，綜合能效管理平臺對能源站的運行狀況進行分析及診斷后，會提出一種新的包含優(yōu)化運行控制策略的解決方案，該方案會自動進入仿真模塊進行模擬，得到滿意節(jié)能效果后，將優(yōu)化運行控制策略傳遞給能源站控制系統(tǒng)，能源站控制系統(tǒng)通過控制器執(zhí)行新的控制策略，運行一段時間后，能源站監(jiān)控系統(tǒng)重新采集能源站供冷系統(tǒng)實際運行參數(shù)數(shù)據(jù)，因此循環(huán)分析。

2 能源站監(jiān)控系統(tǒng)

直觀的了解能源站空調系統(tǒng)運行情況離不開能源站監(jiān)控系統(tǒng)，能源站監(jiān)控系統(tǒng)不僅僅是采集實時運行數(shù)據(jù)，還包含能源站能耗分析模塊、用戶群用冷分析模塊以及能源站經(jīng)濟性分析模塊三大部分。能源站能耗分析模塊用于實現(xiàn)實時運行參數(shù)的顯示，能夠直觀地通過監(jiān)控界面了解各能源站的實際運行情況。用戶群用冷分析模塊主要根據(jù)行政區(qū)域和換冷站供冷區(qū)域對橫琴新區(qū)的用戶進行劃分，便于統(tǒng)計、管理、分析各用戶群的用冷狀況。能源站經(jīng)濟性分析模塊側重于對能源站的各項用能等情況進行經(jīng)濟性的評價，便于用戶把握能源站的經(jīng)濟運行情況。

2.1 能源站能耗分析模塊

能源站群能耗分析實現(xiàn)各能源站能效值的監(jiān)測，并對各能源站的能耗及制冷量分別進行排序，便于管理人員宏觀把控各能源站的能效情況。

2.2 用戶群用冷分析模塊

用戶群用冷分析功能如下：

（1）用戶群用冷量對比分析

通過復選框，可以根據(jù)用戶操作單選或多選用戶群的用冷情況進行對比分析，以曲線圖的形式展現(xiàn)。

（2）用戶群用冷量同比分析

通過復選框，用戶可選擇某一用戶群進行單獨分析。通過同比分析，對比往年同時間段內用戶用冷量的變化情況，可以忽略掉季節(jié)對用戶群用冷情況的影響。

（3）用戶群用冷量環(huán)比分析

用戶群用冷量環(huán)比的分析，可以用于與上一個時間段之間的用冷情況進行對比分析，分析用戶是否存在短期內的異常用冷情況。

2.3 能源站經(jīng)濟性分析模塊

能源站群經(jīng)濟性分析功能如下：

（1）數(shù)據(jù)采集

通過銷售經(jīng)營類數(shù)據(jù)庫平臺收集每個能源站的數(shù)據(jù)并進行匯總，主要包括以下數(shù)據(jù)：各能源站的制冷量、累計制冷量、輸送到各個項目的制冷量、累計輸送到各個項目的總制冷量、銷售價格、該能源站的耗電量、耗水量、耗蒸汽量、電價、水價、蒸汽價格。

（2）蒸汽折算標準煤計算

根據(jù)壓力-焓表，查對應狀態(tài)下的蒸汽焓值，然后折算成標準煤。本項目采用的蒸汽壓力約為0.8 MPa；查蒸汽的壓力-焓表得0.8 MPa的蒸汽焓值為2768 KJ/kg，我國規(guī)定每千克標準煤的熱值為7000千卡，每千焦折算成每千卡的系數(shù)為0.2389。

蒸汽折算標準煤計算公式為：

式中：

N——折算的標準煤，kg；

T——壓力為0.8 MPa的蒸汽焓值，為2,768 MPa/kg；

Na——消耗的蒸汽量，kg；

（3）電量折算標準煤計算

每千卡折算成每千焦的系數(shù)為4.18，每千克煤轉化為電的效率約為0.32，得每度電折算標準煤計算公式為：

式中：

N——折算的標準煤，kg

Ma——消耗的電量，kW?h

η——煤轉電的效率，0.32；

（4）盈虧計算分析

根據(jù)歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)，按月、季度、年計算出各個能源站的盈虧情況，對各個能源站的盈虧進行橫向對比并出具能源站盈虧報告。報告可以顯示各個能源站的具體收益以及各項費用支出比例，讓用戶對能源站的盈虧情況充分了解。同時，平臺會為用戶提供能源定價作為參考，以及對應收益的百分比。用戶也可在平臺內手動輸入能源價格，根據(jù)輸入值直接計算出該價格下能源站的收益情況。

3 綜合能效管理平臺

綜合能效管理平臺是大型多聯(lián)供能源站全工況高效系統(tǒng)智能化解決方案比較核心的部分，如圖2是綜合能效管理平臺整體框架，包括在線監(jiān)控、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、負荷預測、能效分析、管網(wǎng)平衡分析、專家診斷、策略仿真、報警記錄和在線報修等模塊，可對能源站運行情況進行實時監(jiān)控、分析、預警及診斷，并能自發(fā)提供優(yōu)化解決方案給能源站控制系統(tǒng)，實現(xiàn)能源站空調系統(tǒng)節(jié)能運行。

圖2 綜合能效管理平臺整體框架

3.1 在線監(jiān)控模塊

在線監(jiān)控系統(tǒng)主要包括輸配系統(tǒng)在線監(jiān)控、機組在線監(jiān)控、水泵在線監(jiān)控、冷卻塔在線監(jiān)控四個部分，如圖3所示，可通過動態(tài)三維界面實時顯示現(xiàn)場冷站實時運行情況、能源站關鍵運行參數(shù)及聲光報警。輸配系統(tǒng)在線監(jiān)控實時動態(tài)顯示輸配系統(tǒng)的管網(wǎng)及設備運行工況，監(jiān)測主管網(wǎng)運行參數(shù)及輔助顯示制冷主要設備運行情況，使運行人員及調度人員直觀判斷管網(wǎng)運行情況；運行人員根據(jù)實時參數(shù)，可進行管網(wǎng)故障的預判。機組在線監(jiān)控，可實現(xiàn)對雙工況主機、基載主機、吸收式主機等進行監(jiān)控。水泵在線監(jiān)控、冷卻塔在線監(jiān)控支持用戶根據(jù)可選時間段查看歷史運行曲線的變化，以及實時顯示關鍵運行參數(shù)。

圖3 在線監(jiān)控框架

3.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計模塊

圖4是數(shù)據(jù)統(tǒng)計框架，數(shù)據(jù)統(tǒng)計模塊負責統(tǒng)計室外氣象參數(shù)、系統(tǒng)及設備運行參數(shù)，并形成數(shù)據(jù)報表及圖形報表；支持自定義報表輸出。平臺會定期為用戶提供詳細監(jiān)測數(shù)據(jù)報告，便于用戶隨時查看。

3.3 負荷預測模塊

圖5是負荷預測框架，負荷預測模塊首先針對建筑負荷進行分析，結合采集的室內外氣象參數(shù)，通過內置的負荷預測算法對下一階段的建筑負荷進行預測。負荷預測的主要優(yōu)勢是在可以提前預知負荷占比的前提下指導冰蓄冷空調系統(tǒng)的優(yōu)化運行，確保中央空調系統(tǒng)設備穩(wěn)定安全運行達標。

圖5 負荷預測框架

負荷預測與冰蓄冷空調系統(tǒng)的運行節(jié)能息息相關，它可以指導冰槽蓄冷量，結合當?shù)毓I(yè)用電峰谷電價合理調配冷源設備，為冰槽釋冷優(yōu)化控制提供基本依據(jù)，實現(xiàn)良好的經(jīng)濟性。

3.4 能效分析模塊

基于不同控制模式對系統(tǒng)進行能效分析，主要的分析內容包括用能分析、冷量分析、能效分析、負荷轉移分析、能源站經(jīng)濟性指標。如圖6是能效分析框架，用能分析包括耗電量與耗熱量，本設計的處理方式把耗熱量轉換為電，統(tǒng)一用耗電量來表示系統(tǒng)的用能情況。冷量分析通過餅圖監(jiān)控不同供冷機組設備的供冷量占比，將不同控制模式下的制冷分量展示出來。能效分析包括供冷機組的能效、水泵和冷卻塔的輸送系數(shù)。負荷轉移分析以峰段釋冷百分比與負荷轉移率兩個指標來評價。峰段釋冷百分比研究夜間谷段蓄冰量、峰段釋冷量以及峰段釋冷百分比之間的綜合性分析，分析蓄冰量是否真正的起到了“削峰填谷”的作用。負荷轉移率為蓄冰量與建筑物日總冷負荷之比，通過負荷轉移率分析可以得出蓄冰量能夠承擔或能承擔多少比例的用冷需求以及峰值用冷需求，為蓄冰量的優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐。

圖6 能效分析框架

3.5 管網(wǎng)平衡分析模塊

一次管網(wǎng)的水力失調是導致管網(wǎng)能量輸送效率下降和供冷質量下降的關鍵因素。因為能量輸配不均，導致末端冷量浪費和末端制冷效果不明顯。管網(wǎng)平衡分析模塊主要分析冷量供需平衡、換熱平衡、電調閥最優(yōu)區(qū)間、管網(wǎng)水力平衡四個方面，具體的管網(wǎng)平衡分析框架如圖7所示。冷量供需平衡即能源輸送比，該數(shù)值能反映出制冷站運行狀態(tài)是否與用戶負荷達到完美匹配，具體輸送比率應根據(jù)現(xiàn)場實際校驗確定。換熱平衡為換冷站的換熱器換熱效率。換熱平衡直接反應板式換熱器工作效率。系統(tǒng)會根據(jù)實時數(shù)據(jù)采集。通過調節(jié)閥行程改變量與管道流量改變量計算調節(jié)閥使用行程狀態(tài)。主管網(wǎng)系統(tǒng)水力平衡可分為主站分支平衡、換冷站平衡和換冷站板換平衡三部分。全部平衡以回水溫度與上級主管回水溫度比較，計算不平衡度。當不平衡度超過一定值視為管網(wǎng)系統(tǒng)不平衡，并進行系統(tǒng)提示。

圖7 管網(wǎng)平衡分析框架

3.6 專家診斷模塊

專家診斷是針對冷站的運行特性進行綜合性的分析，對系統(tǒng)的運行健康狀態(tài)及時地進行分析與診斷，為系統(tǒng)的維護和評價提供專業(yè)的理論支撐。專家診斷部分主要監(jiān)測系統(tǒng)各設備的關鍵參數(shù)，結合大數(shù)據(jù)分析，診斷系統(tǒng)各設備運行的健康狀態(tài)。圖8是專家診斷框架圖，主要從系統(tǒng)、冷機、冷卻水系統(tǒng)和冰蓄冷系統(tǒng)四個層面評價冷站的健康性。結合相關指標，提出診斷意見，協(xié)助客戶維持能源站系統(tǒng)的健康運行。

圖8 專家診斷框架

3.7 策略仿真模塊

策略仿真模塊用于指導評價新控制策略方案的節(jié)能程度，并將新控制策略方案傳輸?shù)侥茉凑究刂葡到y(tǒng)，策略仿真模塊內含中央空調系統(tǒng)動態(tài)仿真模型。圖9是中央空調系統(tǒng)動態(tài)仿真模型的框架圖，它包含了建筑、組合式空調箱AHU、制冷站等等。這里的群控控制器和AHU控制器都是實際的控制器產品，例如PLC、DDC、CPN等等［16］。它們通過模擬信號與數(shù)字信號之間的轉化將其與動態(tài)仿真模型相關聯(lián)，控制器產品的控制程序可以基于動態(tài)仿真模型運行和測試。

圖9 動態(tài)仿真框架

3.8 報警記錄模塊

報警記錄模塊對空調系統(tǒng)運行狀態(tài)是否正常運行提醒作用，主要包括故障報警、事件記錄、交接班管理和值長日志四個部分，如圖10所示。故障報警系統(tǒng)主要對系統(tǒng)各設備在運行過程中出現(xiàn)的故障進行記錄，主要統(tǒng)計的故障包括設備故障和控制故障。事件記錄系統(tǒng)主要對系統(tǒng)各設備在運行過程中發(fā)生的事件進行記錄。當系統(tǒng)設備有事件發(fā)生時（如閥開到位，泵從就地狀態(tài)切換為遠程狀態(tài)等），系統(tǒng)會自動記錄所發(fā)生事件，以便后期管理分析。作為連續(xù)24小時生產不間斷的能源管理單位，為降低交接班過程中存在的交接遺漏，方便查找記錄，在系統(tǒng)中增加交接班管理選項，加強交接班監(jiān)管，有效減少交接班過程中發(fā)生的問題與遺漏。在運行管理中，一般發(fā)生重大操作時，都會影響系統(tǒng)安全生產運行。甚至引發(fā)一定故障及安全隱患。固要對所有重大操作進行記錄，為方便以后查找問題，保證操作痕跡管理，這里設置值長日志功能。

圖10 報警記錄框架

4 總結

為了解決冷水機組由于未獲得良好的運行維護而存在的運行狀態(tài)不佳、冷卻水量不足、冷卻塔掛熱效率低、控制策略不優(yōu)化等問題，本文建立了一套大型多聯(lián)供能源站全工況高效系統(tǒng)智能化解決方案，介紹了解決方案路線圖，方案核心部分是能源站監(jiān)控系統(tǒng)和綜合能效管理平臺。

能源站監(jiān)控系統(tǒng)負責采集實時運行數(shù)據(jù)并傳遞給綜合能效管理平臺，同時自帶能耗和經(jīng)濟性分析功能；綜合能效管理平臺負責空調系統(tǒng)的在線監(jiān)控、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、負荷預測、能效分析、管網(wǎng)平衡分析、專家診斷、策略仿真、報警記錄等功能，最主要的是可在空調系統(tǒng)發(fā)生故障時對其分析、記錄，并根據(jù)內部策略仿真分析結果提供新的控制解決方案傳給能源站控制系統(tǒng)，并進一步分析新策略方案節(jié)能效果，依次循環(huán)。