基于楼宇式分布式能源站“一键启停”逻辑设计及应用

张爱平，杨玲，徐静静，和彬彬，张希，闫广华

（1.华电分布式能源工程技术有限公司，北京100070；2.国家能源分布式能源研发中心，北京100070）

基于楼宇式分布式能源站“一键启停”逻辑设计及应用

张爱平1，2，杨玲1，2，徐静静1，2，和彬彬1，2，张希1，2，闫广华1，2

（1.华电分布式能源工程技术有限公司，北京100070；2.国家能源分布式能源研发中心，北京100070）

楼宇式分布式能源站涉及到的主机设备种类多，需要运行人员操作的设备多，要减轻运行人员的负担，需要提高能源站的自动化水平，实施“一键启停”。本文对主机需要完成的控制功能、子系统需要完成的控制逻辑、能源站的运行模式进行研究，分别提出了能源站“一键启动”运行模型、“一键停止”运行模型。为提高能源站的自动化水平，提供了合理的设计方案。

楼宇式分布式能源；一键启停；控制逻辑；运行模型；APS；DCS

0 引言

楼宇式分布式能源是建筑冷热电联供（Building Cooling Heating&Power，BCHP）最主要的系统形式之一，是解决建筑冷、热、电等能源需求并安装在用户现场的能源中心，是利用发电废热制冷制热的梯级能源利用技术，能源利用效率能够达到80%以上[1-3]。

本文以华电产业园楼宇式分布式能源站为设计研究对象，能源站配置2台JM620型3.3MW的燃气内燃发电机组+2台2.9MW烟气热水型溴化锂机+2台3.5MW直燃机+2台1.8MW水冷螺杆式电制冷机，满足园区空调冷热、生活热水和部分电力负荷需求，其中直燃机、电制冷机等为冷热调峰设备[4]。

分布式能源站主机设备类型多，需要运行人员操作的设备多，工艺系统关联，运行工况多，增加了操作员的操作难度，也带来了误操作的安全隐患。为确保机组安全、稳定运行，提高能源站自动控制水平，需要设计机组自启停控制系统（APS—Automatic Plant Startup/Shutdown System）[5-6]。APS就是根据能源站的不同运行工况，在启停过程中需要对机组工况全面、准确、迅速的检测，通过大量的条件与时间等方面的逻辑判断，按规定好的程序向各功能组、子功能组、主设备的控制系统等发出启动或停运命令，以最终实现能源站全工况的“一键启动”、“一键停止”程序。

要实现APS控制系统，需要先设计完成能源站主机设备的控制功能、子功能组（系统功能程序）、功能组（不同运行工况的子程序），“一键启动”、“一键停止”程序调用前面的功能组、子功能子程序。

1 能源站主机设备的控制功能

楼宇式分布式能源主机设备控制系统主要完成设备本体的控制及保护功能。

1.1 内燃机控制

内燃机是建筑楼宇分布式能源站的原动机，以天然气为燃料，带动内燃机发电机组发电，内燃机燃烧产生的高温烟气驱动烟气热水型溴化锂机产生冷热，同时内燃机的高温缸套水也是烟气热水型溴化锂机的一次热源。

燃气内燃机目前大多采用进口设备，华电产业园采用GE颜巴赫内燃机。内燃机控制系统具有如下功能：

1）在自动控制的情况下，保证机组能够在设定的工况下连续稳定运行。

2）保证机组能够在预设的恒定负荷方式下运行，又能在自动频率控制方式下运行。

3）机组应能够快速启动并加速到额定速度。4）机组应能够自动同步及自动增减负荷。

1.2 余热机控制

烟气热水型溴化锂机（以下简称为余热机），机组自带PLC控制系统。PLC控制系统根据冷温水出口温度、冷温水进口温度及机组内溶液的浓度来调节机组制冷/制热量。主要控制功能如下：

1）制冷量/制热量自动调节。制冷量/制热量的调节主要是针对冷/热水出口温度进行控制。制冷量/供热量自动调节回路由冷/热水侧温度测量、高低温热交换器调节阀构成，PLC程序根据温度测量信号调节高低温热交换器调节阀。

2）冷却水进口低温限度控制。冷却水进水温度需要控制在18～34℃范围内，才能保证机组的正常运行。冷却水温度太低会导致机组结晶。

3）溶液浓度控制。控制系统随时监视溶液的喷淋浓度，与溶液浓度设定值相比较，使机组在停机后处于最佳的溶度，即防止了结晶，又加快了在此开机的速度。

4）溶液循环量控制。采用变频器控制溶液泵的转速，使机组在最佳溶液循环量下运行。机组由高发液位电极式液位计、高发压力传感器、变频器共同控制。当液位异常时，调节变频器泵使液位回复正常；当液位正常时，变频器的频率有高发压力决定，即高发压力越高，则变频器频率越高。

1.3 直然机控制

直燃机与余热机控制类似，直燃机多一项燃烧器的控制。直燃机通过低发出口浓溶液温度和冷凝温度信号计算出溶液的浓度和结晶温度，结晶温度考虑一定余量即为喷淋溶液要控制的安全温度，实际测得的喷淋溶液温度要大于安全温度。当实际测得的喷淋溶液温度低于安全温度时，要调节控制燃烧器输入的燃料量，以维持喷淋溶液的温度大于安全温度。

1.4 螺杆冷水机组控制

1.4.1 能量调节系统

螺杆式制冷压缩机能量调节主要采用压缩机卸载的能量调节方法，热气旁通调节方式作为辅助调节手段。压缩机滑阀所处的位置，可以根据冷水、进出口温度调节滑阀。滑阀能量调节属无级调节，能量调节范围一般为10%～100%，以在负荷为50%以上运转为宜。

（1）根据冷水出口温度调节滑阀。温度传感器、微处理器、加载与减载电磁阀、滑阀共同组成了对冷水温度进行控制的闭环系统。

（2）根据冷水进水温度来调节滑阀。根据冷水出口温度调节滑阀，由于冷水的进口温度受外界负荷影响较大，机组控制反应迅速，但稳定性差；采用冷水的出口温度控制，滞后大，但稳定性好。

1.4.2 安全保护系统

螺杆式压缩机组通常控制保护以下几个方面：机组缺水保护、机组防冻保护、机组高、低压保护、压缩机过载保护、压缩机内保、压缩机相序保护、油位开关保护。

（2）内燃机程控停止顺序：

内燃机停止→高温水泵停止→低温水泵停止→低温散热器水泵停止→低换二次侧进口电动阀关闭→低换一次侧进口电动阀关闭→高温散热器水泵停止→高换二次侧进口电动阀关闭→结束。

2 主机设备的子组程序控制

主机设备所带控制系已能完成主机设备本体的一键启停、安全保护功能。全厂DCS控制系统需要完成主机设备及主机相关的辅助设备的顺序程控。主机设备控制系统与DCS系统之间硬接线点见表1。

表1 主机设备控制系统与DCS系统之间硬接线点

2.1 内燃机的程控

内燃机相关的辅助设备如下：低温水泵、高温水泵、低温换热器水泵、高温换热器水泵、低换二次侧进口电动阀、高换二次侧进口电动阀、低换一次侧进口电动阀。

（1）内燃机程控启动顺序：

高温水泵启动→高换二次侧进口电动阀打开→高温散热器水泵启动→低温水泵启动→低换一次侧进口电动阀打开→低换二次侧进口电动阀打开→低温散热器水泵启动→内燃机启动→结束。

2.2 余热机的程控

余热机相关的辅助设备如下：余热机冷却水泵、余热机空调水泵、余热机冷塔风机。

（1）余热机启动顺序：

余热机空调水泵启动→余热机冷却水泵启动→余热机冷塔分机启动→余热机启动→结束。

（2）余热机停止顺序：

余热机停止→余热机空调水泵停止→余热机冷却水泵停止→余热机冷塔分机停止→结束。

2.3 直然机的程控

直燃机相关的辅助设备如下：直燃机冷却水泵、直燃机空调水泵、直燃机冷塔风机、直燃机烟气挡板门。

（1）直燃机启动顺序：

直燃机烟气挡板门打开→直燃机空调水泵启动→直燃机冷却水泵启动→直燃机冷塔分机启动→直燃机启动→结束。

（2）直燃机停止顺序：

直燃机停止→直燃机空调水泵停止→直燃机冷却水泵停止→直燃机冷塔分机停止→直燃机烟气挡板门关闭→结束。

2.4 螺杆冷水机组程控

螺杆冷水机组的辅助设备如下：电制冷机组冷却水泵、电制冷机组空调水泵、电制冷机组冷塔风机、电制冷空调水供水电动阀、电制冷空调水回水电动阀。

（1）螺杆冷水机组启动顺序：

电制冷机组空调水供水电动阀打开→电制冷机组空调水回水电动阀→电制冷机组空调水泵启动→电制冷机组冷却水泵启动→电制冷机组冷塔分机启动→电制冷机组启动→结束。

（2）螺杆冷水机组停止顺序：

电制冷机组停止→电制冷机组空调水泵停止→电制冷机组冷却水泵停止→电制冷机组冷塔分机停止→电制冷机组空调水供水电动阀关闭→电制冷机组空调水回水电动阀关闭→结束。

3 全厂所有工况的“一键启停”

与内燃机发电机组配套的余热机参数为：1）冬季工况：可提供的总采暖热量2994kW；生活热水换热器提供生活热水量1700kW；烟气热水换热器提供生活热水量250kW。2）夏季工况：额定制冷量2908kW；生活热水换热器提供生活热水量1700kW；烟气热水换热器提供生活热水量130kW。

直燃机参数为：制冷量3490kW；制热量2800kW；2#直燃机生活热水热量1100kW。电制冷机组：制冷量1800kW。集成化板换：制冷量1500kW。

内燃机组运行负荷不能低于50%。在内燃机组运行条件下，优先利用余热机组供冷供热；在夜间低谷电时调峰设备会选用电制冷设备供冷。基于产业园项目的实际情况，经分析给出以下的典型工况运行模式：冬季采暖运行模式如图3所示；夏季供冷高峰时段运行模式如图4所示；夏季供冷非高峰夜间时段运行模式如图5所示；过渡季运行模式如图6所示；非夏季供冷运行模式如图7所示；供生活热水运行模式如图8所示。

全工况“一键启动”模型如图9所示，设置一个断点；全工况“一键启动”模型如图10所示，无断点。

4 结语

本文以华电产业园楼宇式分布式能源站为例，介绍了一种如何实现一键启动的控制模型。首先完成主机设备本体的控制程序，再设计主机+主机辅助设备的子程序，再分析能源站可能的运行模式，最后设计全工况的“一键启动”模型、“一键停止”模型。程序为一级一级调用主设备相关的程序、子程序。本论文可为基于楼宇式燃气分布式能源站项目的“一键启停”控制逻辑的实现提供参考。

[1]殷平.冷热电三联供系统研究（1）分布式能源还是冷热电三联供[J].暖通空调，2013，44（4）：10-17.

[2]殷平.冷热电三联供系统研究（2）冷热电三联供系统是否应该“以热定电”[J].暖通空调，2013，44（5）：82-87.

[3]金红光，郑丹星，徐建中.分布式冷热电联产系统装置及应用[M].北京：中国电力出版社，2010.

[4]华电产业园能源站项目初步设计说明书[Z].中机国能电力工程有限公司，2012.

[5]于春妹.北京南能源站自动控制方案研究[J].铁路通信信号工程技术（RSCE），2009，6（2）：27-30.

[6]王立地.自动顺序启停系统“一键式启停”基础逻辑设计与应用[J].广东电力，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

国家能源分布式能源技术研发中心项目（CHDKJ14-01-26）

张爱平（1977-），女，河北石家庄人，硕士研究生，高级工程师，主要从事分布式能源站控制系统的设计及研究工作。