天然气冷热电联供系统监控管理平台设计

曹 宇， 李 凡

(山东建筑大学热能工程学院，山东济南250100)

近年来，物联网相关技术在建筑监控管理平台上的应用越来越广泛，能源系统也越来越多地应用物联网技术进行设备的管理和系统的自动运行,良好的监控管理平台对系统的节能运行有着深远的意义。

1 分布式能源系统概况

① 基本信息

该分布式能源系统位于济南某高校，为学生提供了一个大型实验平台。系统以电定热原则[1]，根据用户需求的电负荷选择合适的发电机组，再选择与之匹配的余热设备[2]。系统流程见图1。

系统由外网引入低压天然气，分为三路，一路直接进入燃气内燃机组，一路直接进入直燃型吸收式冷温水机组(直燃机)，另一路升压成高压天然气进入微燃机组。微燃机排出275 ℃左右的高温烟气，内燃机排出350～450 ℃的高温烟气，同时内燃机可产生90 ℃左右的缸套水，换热后可制取生活热水。经微燃机与内燃机组排出的高温烟气用来驱动烟气型冷温水机组(以下简称冷温水机组)。从冷温水机组排出的150 ℃左右的烟气和直燃机排出的烟气

图1 系统流程

汇合后进入烟气换热器。最后，烟气换热器排出的40～50 ℃的烟气经过处理后排入大气。

在冬季工况下，水源热泵机组、冷温水机组和直燃机同时开启，经风机盘管和板式换热器为末端用户提供热量。烟气换热器将热量传递给水源热泵机组的水源侧，水源热泵机组再将热量传递给用户侧。冷温水机组被高温烟气驱动，直燃机被天然气燃烧产生的烟气驱动，将水源侧的热量传递给用户侧。

夏季工况下，冷温水机组和直燃机经风机盘管为末端用户提供冷量；水源热泵机组产生的热量可制取生活热水。

② 监控管理平台监测内容

监控管理平台设置多个监测点，监测内容包括：内燃机、微燃机排烟温度与压力，缸套水热量，冷温水机组冷却水进出口温度，烟气换热器进出口烟气的温度与压力，水源侧供、回水温度，用户侧供、回水温度，水源侧、用户侧的供回水压力、流量，热泵回水温度，电耗、燃气消耗量，系统COP等数据。

2 数据采集与集成

① 底层与传输层设备

底层设备由传感器、热量表、电能表等组成，用于监测数据。传输层设备主要由IO-28U模块以及中间继电器组成。底层与传输层配置见表1。

表1 底层与传输层配置

② 控制层设备

控制层设备主要是Niagara网络控制器JACE-8000，该控制器是一个结构紧凑的嵌入式控制器/服务器平台，能够提供互联网连接和Web服务，具备集成控制、监视、数据记录、报警、日历和网络管理等功能。Niagara网络控制器JACE-8000使得通过互联网远程控制和管理各种设备成为可能，并且通过基于Web的图形页面为用户提供实时信息。

JACE-8000通过Modbus协议与IO-28U模块、三相电能表以及热量表进行通信，而且JACE-8000还可通过以太网与PC机连接，可以实现本地控制与远程访问的功能。监控管理平台硬件组成见图2。

图2 监控管理平台硬件组成

3 监控管理平台方案设计及软件设计

① 监控管理平台功能分析

a.监测末端风机盘管及水系统中水泵状态。b.正确设计系统的启停顺序。c.根据烟气温度设计烟气控制策略。d.控制冷温水机组出口水温60 ℃。e.设计水源热泵控制策略：监测用户侧进出口水温、热量，水源侧进出口水温、热量。

通过本地/远程控制变频器的状态，进而控制水泵的启停。该系统采用物联网软硬件平台，可提供基于互联网的多用户远程访问和控制功能，用户经一定的授权后就可以利用远程计算机对系统进行访问，可以实现实验教学的远程操作[3]。

② 烟气和水系统的监控原理及监控配置

为实现分布式能源系统的功能，监控分为烟气系统监控与水系统监控。烟气系统监控原理及监控配置分别见图3、表2，水系统(冬季供热工况)监控原理及监控配置分别见图4、表3。监测数据点包括38个数据点。

③ 监控管理平台软件设计

Niagara物联网技术是建筑能源与信息化集成过程中的优秀工具[4]，在实际的工程项目中广泛应用。监控管理平台软件截图见图5。

监控管理平台可实现对设备进行性能测试与烟气的深度分析。

图3 烟气系统监控原理

表2 烟气系统监控配置

表3 水系统监控配置

图4 水系统监控原理

图5 监控管理平台软件截图

例如，将监测得到的数据与设备铭牌数据进行对比，并进行分析。微燃机组C30铭牌标示排烟温度为275 ℃，可与温度传感器测得的温度或者从机组寄存器地址获得的烟气出口温度进行对比分析。经过分析可知，烟气余热经过多级利用后，排烟温度降到30 ℃左右，实现了能源的梯级利用。系统的年平均能源综合利用率达到70%～90%。

4 结语

基于Niagara物联网技术的分布式能源燃气冷热电联供系统监控管理平台的搭建能够很好展示冷热电系统的控制架构和基本知识，解决了传统的控制系统的一些缺点，如人机交互性不够好，控制实时性不强，网络不够融合，布线不方便等。本项研究在实现控制节能与优化目的的同时，为物联网在能源领域的应用做了探索，为其他分布式能源系统监控管理平台的构建积累了经验。