基于微燃机分布式能源系统的物联网管理平台开发

2020-11-12曹宇，李慧,2,3，李凡

自动化仪表 2020年9期

曹宇，李慧,2,3，李凡

(1.山东建筑大学热能工程学院,山东济南 250101；2.山东建筑大学可再生能源建筑利用技术教育部重点实验室,山东济南 250101；3.山东建筑大学山东省可再生能源建筑应用技术重点实验室，山东济南 250101)

0 引言

微燃机分布式能源系统以微燃机作为发电机组，排出高温烟气给余热利用机组，为末端用户提供冷热电量。该系统具有的灵活性、节能性、可调节性等特点，已成为近几年业界的研究热点[1]。在山东某高校建成的微燃机分布式能源热电冷联产(combined cooling heating and pwoer,CCHP)管理平台。该管理平台作为一个小型分布式能源试验台，可用于后期的试验与教学。其通过对分布式能源系统进行实时的数据获取、数据分析以及数据处理，巩固学生的专业知识，提升学生的实操能力，加深对实际工程的理解。

依据Niagara技术，个人计算机(persona computer,PC)服务器通过TCP/IP协议与网络控制器Jace-8000进行通信，网络控制器与其他设备的通信方式主要通过MODBUS协议来实现。物联网管理平台采用Niagara N4软件进行软硬件通信以及界面的搭建，将微燃机分布式能源系统的实时运行参数、设备启停状态等数据显示在监控管理平台上。同时，在同一局域网下，通过浏览器访问IP地址[2]，可由另一台计算机或者手机远程访问该平台。

1 系统概况

1.1 CCHP及微燃机简介

分布式能源系统是布置在用户附近，以天然气为一次能源用于发电，并利用发电余热制冷和供热，同时向用户输送电能、热(冷)能的系统[3]。冷热负荷是天然气分布式能源站可以高效率运行的重要前提条件。只有提高负荷的需求量，才能更好地提高能源综合利用率。监控管理平台将末端用户的冷热需求作为主要的解决目标。因此，在冷热负荷需求较大时，采用“以热定电”方式运行[4]，能有效地提高能源综合利用率及其他指标。

监控管理平台采用的发电机组为Capstone的C30型号的微燃机，额定工况下的主要技术指标如下：额定功率为30 kW，发电效率为(26±2)%，天燃气耗量为415 MJ/h，进气压力为379～414 kPa，排烟温度为275 ℃，排烟质量流量为0.31 kg/s。

微燃机主要由压缩机、发电机、燃烧器和回热器组成。微燃机工作原理如图1所示。

图1 微燃机工作原理图Fig.1 Working principle diagram of micro-combustion

由外界引入的空气，经过微燃机内的压缩机升压后进入回热器，微燃机出口的烟气流经回热器对空气进行预热。升温后的空气与燃料气(天然气)混合后进入燃烧器燃烧，产生高温、高压气体推动涡轮转子做功，带动发电机发电[5]。从回热器出来的高温烟气可以进入烟气型溴化锂吸收式冷温水机中，用于驱动冷温水机组，为末端用户提供热(冷)量。

1.2 系统工作流程

系统工作流程如图2所示。

图2 系统工作流程图Fig.2 System flow diagram

系统以天然气为燃料源，由外网引入的低压天然气，经过气体压缩机变成高压天然气进入微燃机组。微燃机作为发电机组，与国家电网实行并网供电，为用户提供电负荷，同时排出275 ℃左右的高温烟气。排出的高温烟气用来驱动烟气吸收冷温水机。冷温水另一侧为用户侧的冷水进出口，经风机盘管与用户侧进行换热。从冷温水机排出的150 ℃左右的烟气进入烟气换热器。换热器与水源热泵机组的水源侧进出水进行换热。同时，水源热泵机组用户侧与水源侧进行换热，烟气换热器排出的30～40 ℃烟气经过处理后排入大气。

1.3 监测系统的组成

为了更好地将各个设备集成在一起，该系统设置多个监测点。监测内容包括：微燃机排烟温度与压力，冷温水机冷却水进出口温度，烟气换热器进出口烟气的温度与压力，水源热泵的水源侧供、回水温度，用户侧供、回水温度，水源侧、用户侧的供回水压力、热量，电耗，系统年平均综合利用率等数十项数据。监测内容主要包括烟气温度、烟气压力、流体热量、泵与机组功耗和年平均能源综合利用率等。

2 系统硬件架构

系统硬件主要包括一台Jace-8000嵌入式控制器、两台I/O-28模块、两台三相电能表、三台热量表以及各类现场传感器等设备。硬件架构如图3所示。

图3 硬件架构图Fig.3 Hardware architecture diagram

Jace-8000嵌入式控制器(IP：192.168.1.139)通过接口，以TCP/IP协议与本地服务器进行通信，并设置Port为5 011，用于完成数据的上传和下达。

I/O-28U模块以Modbus协议通过RS-485线，与Jace的COM2口进行连接，并设置波特率为19 200 bit/s，8数据位，1停止位，用于采集模拟量和数字量的数据，如温度、压力等。

三相电能表与热量表以Modbus协议通过RS-485线，分别与Jace的COM1和COM3口进行连接，并设置波特率为9 600 bit/s，8数据位，1停止位，将电能、功率、频率、供回水温度和热量等数据传达给上位机。

3 数据采集与集成

底层设备由传感器、热量表、电能表等组成，用于监测数十项数据。传输层设备主要由I/O模块以及中间继电器组成。采集装置将现场的压力、温度等传统模拟量信号，通过传输层汇集到Jace-8000网络控制器。传输模块底层与传输层配置如下：温度传感器用于测量烟气的温度，压力变送器用于测量烟气的压力，三相电能表用于测量机组及泵功率，热量表用于测量供回水侧热量，电动调节蝶阀用于给定和反馈阀位状态，I/O-28U模块用于采集数字量及模拟量，继电器起到了转换电路的作用。

4 监控管理平台设计

平台界面在本地工作站Supervisor上进行设计，运用软件框架中的图形组件直观地显示系统的设备与运行情况，模块化编程功能将数据进行处理和分析，嵌入基于Internet的Web技术，将各个子系统的监控页面以Html页面的形式统一组织，方便用户直观操作及远程访问[6]。软件功能框图如图4所示。平台界面设计包括首页、微燃机三联供系统、历史数据、故障报警界面等，可清晰地呈现出所需的数据，增加了平台的可视化特性[7-8]。

图4 软件功能框图Fig.4 Software function diagram

4.1 平台的远程访问

对用户来说，微燃机分布式能源监控管理平台的远程访问功能具有快捷、便利的优点。在同一局域网段下，打开本地服务器下的站点Supervisor，找到Config配置下的Services目录;打开目录下的Web service命令，将Enabled设为True，Http Enabled与Https Enabled也设为True，Https Only设为false。保存操作后，Web service状态(Status)显示OK。如果显示fault，则说明服务上有其他软件占用了443或者80端口，需要将Http Port手动改为8 000，Https Port改为8 443，但登陆IP地址时，比如原IP为10.216.3.115，端口改成800，那么IP地址要改成10.216.3.115：800，最后进行保存。

关闭防火墙，再打开Platform下的TCP/IP Configuration目录，查看Supervisor工作站下的IP地址(IPv4 Address)：10.216.3.115。在同一局域网段下，用另一台手机或者计算机设备输入IP，便可以实现平台的远程访问。

4.2 模块化编程处理数据

从微燃机分布式能源系统获取的实时数据，一部分可以在界面上进行直观地展示，还有一部分需要进行处理后，才能变成所需要的数据。处理过程采用模块化编程[8]。以系统发电效率为例：

式中：η为系统的发电效率，%；Ne为微燃机的发电量，kW；Qg为微燃机消耗的燃气化学热，kW。

系统发电效率计算的模块化编程如图5所示。运用Palette工具箱中的kitControl组件，添加Numeric Writable点位以及运算符，其中的In10通道用来导入底层的数据，经过模块化编程，最终得到系统的发电效率。

图5 系统发电效率计算的模块化编程图Fig.5 Modular programming diagram of system power generation efficiency calculation

4.3 首页界面

登录Web浏览器，输入用户名与密码，则可进入管理平台。在首页图中，直观地显示当前室内外的温湿度、分布式能源系统中的主要机组运行状态、循环水泵的启停状态、微燃机的发电量、循环水泵的用电量、系统的供冷(热)量、年平均能源综合利用率、阀门开度等参数。此外，本平台还能直观地进行微燃机分布式能源系统与其他系统的数据对比，根据末端用户需求选择最优的系统。