冷热电三联产成套装置能效监控系统设计与应用

2019-08-28吴同春谢吉平方雷李冬波匡胜严远大空调有限公司远大能源利用管理有限公司

节能与环保 2019年7期

文_吴同春谢吉平方雷李冬波匡胜严远大空调有限公司远大能源利用管理有限公司

冷热电三联产成套装置（以下简称“成套装置”）是指以能源梯级利用为目的，发电的同时将产生的余热回收利用，集制冷、制热和发电一体化的装置。目前对于联供系统的研究主要集中在系统的设计优化和运行优化两方面，即根据实际情况合理配置系统，采用相应的控制策略使系统运行实现经济性和效率的最优化。由于成套装置涉及的专业较多，系统复杂，所以对成套装置的控制系统设计尤为关键，决定了系统运行的安全性、可靠性和能源的高效利用。

1 冷热电三联产成套装置

1.1 工艺流程图

燃气内燃机发电机组（以下简称“发电机组”）燃烧天然气推动活塞做功输出电力，发电的烟气余热进入热水烟气型溴化锂吸收式冷温水机组（以下简称余热机）作为余热机的驱动热源，缸套水通过冬/夏切换阀V1控制，夏季进入余热机低温发生器制冷，冬季通过换热器换成热水供暖。余热机利用完的烟气余热通过换热器回收，夏季进入余热机低温发生器制冷，冬季换成热水采暖。成套装置工艺流程图见图1。

1.2 成套装置结构图

成套装置由发电机组、发电机组输配系统、余热机、余热机输配系统和控制系统5大模块组成。该装置是采用总体设计、工厂预制、撬块式结构、工厂集成。该装置相比较于传统工程设计、采购、施工模式，具有节省投资、安装方便、降低能耗、提高系统安全性和灵活性等优点。成套装置结构图如图2。

1.3 控制问题需求分析

该装置包括燃气发电机组、余热机、输配系统等设备，控制系统要完成4个方面的控制任务：（1）实现成套装置所有参数的采集工作；（2）完成各个季节工作条件下的能量调节和能效最优控制，使得系统的发电量、制热量与制冷量在满足用户的需求前提下，提高能源利用效率；（3）实现成套装置的集中监控，保证设备安全稳定运行，通过智能控制实现无人值守。（4）根据系统内各主要设备的运行参数，确定小时、日、月、年燃气和电能消耗量，各自费用；热（冷）能、电能产出量及其收入，计算、考核成套装置的能效指标。

2 能效监控系统设计

2.1 硬件系统设计

根据以上的分析，控制系统将根据各个设备的功能实施顺序控制、联锁控制和能效调节。控制系统的硬件采用西门子S7-1500系列可编程序控制器，以及工业控制计算机实现上位机监控。发电机组和余热机根据各自的能量调节和安全保护均实现独立控制。系统管网上的流量、温度和阀门开度等数据采集，各个设备的协调控制则采用一个集中控制器，并通过互联网实现全球联网监控。

发电机组和余热机由设备厂家集成控制系统，发电机组控制系统通过Modbus TCP与集中控制系统通信，余热机通过Modbus RTU与集中控制系统通信。集中控制系统通过PLC采集系统管网仪表参数，并通过工业控制计算机实现上位机集中监控，集中控制PLC通过以太网与上位机通信。集中控制系统通过互联网实现全球联网监控。成套装置网络拓扑图如图3。

2.2 主要控制功能设计

2.2.1 数据采集

控制系统各种设计功能的实现是建立在现场各种数据实时采集的基础上，根据GB51131—2016《燃气冷热电联供工程技术规范》对分布式能源控制系统数据采集有明确的规定，其主要采集的数据分为检测、控制、保护与报警三部分。控制系统根据工艺控制要求不同设计采集数据，并通过通信方式和数据采集模块实现数据采集，传输给控制系统，作为控制决策的依据。

2.2.2 顺序控制

当控制系统初始上电后，用户需要在上位机上设定系统运行模式和设备操作模式，如用户不设定模式，即默认为发电制冷模式和手动操作模式，手动模式实现成套装置单台设备操作。若上位机设定为自动操作模式，控制系统将根据用户在上位控制计算机中所指定的模式进行操作，自动模式实现成套装置的全自动运行。成套装置的启停顺序图如图4。

2.2.3 夏季/冬季运行模式切换

在系统处于夏季，即启动夏季控制模块，设定系统运行模式为发电制冷模式，V1冬/夏切换阀打开，发电机组缸套水进入余热机制冷，控制系统自动设定冷冻水出口温度，余热机控制系统自动调节烟气输入热量，使冷冻水出口温度与设定温度一致。

在系统处于冬季，即启动冬季控制模块，设定系统运行模式为发电制热模式。V1冬/夏切换阀关闭，发电机组缸套水进入换热器制热，控制系统自动设定热水出口温度，余热机控制系统自动调节烟气输入热量，使热水出口温度与设定温度一致。

2.2.4 能效监控优化运行

根据成套装置内各主要设备的运行参数，统计小时、日、月、年燃气和电能消耗量；统计热（冷）能、电能产出量，计算、考核成套装置的能效指标。根据不同时段电价、天然气价格、热价、冷价计算成套装置的消耗费用，产生收益，利润的小时、日、月、年经济数据。

控制系统可以根据不同季节用户对于冷、热、电负荷条件及冷、热、电、气价格，进行技术经济比较优化运行差数，找出经济和能源利用的最优点，在满足用户需求的前提下做到经济运行。

3 工艺流程优化和控制优化设计

3.1 优化设计

如图5成套装置前工艺流程图，92℃缸套水经过V2阀时，一部分去余热机或是换热器利用，另一部分去缸套水冷却塔散热，最后混合，满足缸套水回水84℃要求。由于水温越高越容易利用，水温越低越难以利用，因此一部分92℃高温缸套水直接去冷却塔散热，必然将导致部分高品位能量的损失，从而降低能源利用效率。

如图6成套装置优化设计后工艺流程图，92℃缸套水必须经过余热机或是换热器才能返回发电机组或缸套水冷却塔。在V2阀出口增加温度计T，在刚刚启动发电机组时，通过缸套水三通阀使缸套水打内循环，加快发电机组启动速度。启动完成后，缸套水经过余热机或换热器利用返回经过V2阀门，当V2阀门出口温度高于发电机组回水温度，调节V2阀门开度，增加部分回水去缸套水冷却塔散热；当V2阀门出口温度低于发电机组回水温度，调节V2阀门开度，增加部分回水直接返回发电机组。且该设计使控制更加清晰，缸套水阀实现缸套水回水温度低时的控制，V2阀门实现缸套水回水温度高时的控制，互相独立，互不干扰。

该设计模式将系统工艺流程优化设计与控制优化设计相结合，有利于提高成套装置的能源利用效率。

3.2 优化后运行效果

工艺流程优化前，工厂测试成套装置综合能源效率为75.21%；系统优化设计后，工厂测试综合能源效率为77.16%，提高了2.95%，运行效果显著。且在工厂试验台测试管道流程短，如果在冬天，管道流程长的能源站现场，优化后的系统对综合能源效率提高更加明显。

4 系统监控应用

系统监控采用研华工业控制计算机，上位机控制软件采用力控组态软件实施总体监控，其画面主要包括：主界面、控制模式界面、一键启停界面、发电机组控制界面、余热机控制界面、能效分析界面、数据报表界面、报警记录界面等。

主界面中包括了整个成套装置的工艺流程图，在此界面中用户可以通过每个设备的颜色变化来余热机、发电机组、冷热水泵、冷却水泵、冷却塔风机运行状态和各个自控阀门的开关状态，同时还可以通过管道流动性动画确定水流方向，冷热水、冷却水的流向更加直观。系统启动通过登陆界面输入用户名和密码后进入此画面，并由用户点击右上方的按钮从而确定系统的季节工况。成套装置主界面见图7。

另外从此界面中，我们可以通过左侧菜单，进入一键启停、能效分析、报警记录、历史趋势曲线、数据报表等界面。并可以点击左下角退出按钮退出系统。

能效分析界面包括该成套装置消耗的天然气和电力统计，产出冷热量统计，以及制冷效率、制热效率、综合能源效率、节能率等能效指标计算。此外，还可以设置不同时段电价、天然气价格、冷价、热价，就可以计算该成套装置消耗的费用，产生的收入，利润情况一目了然。成套装置能效分析界面见图8。