冷熱電三聯產成套裝置能效監控系統設計與應用

文_吳同春 謝吉平 方雷 李冬波 匡勝嚴 遠大空調有限公司 遠大能源利用管理有限公司

冷熱電三聯產成套裝置（以下簡稱“成套裝置”）是指以能源梯級利用為目的，發電的同時將產生的余熱回收利用，集制冷、制熱和發電一體化的裝置。目前對于聯供系統的研究主要集中在系統的設計優化和運行優化兩方面，即根據實際情況合理配置系統，采用相應的控制策略使系統運行實現經濟性和效率的最優化。由于成套裝置涉及的專業較多，系統復雜，所以對成套裝置的控制系統設計尤為關鍵，決定了系統運行的安全性、可靠性和能源的高效利用。

1 冷熱電三聯產成套裝置

1.1 工藝流程圖

燃氣內燃機發電機組（以下簡稱“發電機組”）燃燒天然氣推動活塞做功輸出電力，發電的煙氣余熱進入熱水煙氣型溴化鋰吸收式冷溫水機組（以下簡稱余熱機）作為余熱機的驅動熱源，缸套水通過冬/夏切換閥V1控制，夏季進入余熱機低溫發生器制冷，冬季通過換熱器換成熱水供暖。余熱機利用完的煙氣余熱通過換熱器回收，夏季進入余熱機低溫發生器制冷，冬季換成熱水采暖。成套裝置工藝流程圖見圖1。

1.2 成套裝置結構圖

成套裝置由發電機組、發電機組輸配系統、余熱機、余熱機輸配系統和控制系統5大模塊組成。該裝置是采用總體設計、工廠預制、撬塊式結構、工廠集成。該裝置相比較于傳統工程設計、采購、施工模式，具有節省投資、安裝方便、降低能耗、提高系統安全性和靈活性等優點。成套裝置結構圖如圖2。

1.3 控制問題需求分析

該裝置包括燃氣發電機組、余熱機、輸配系統等設備，控制系統要完成4個方面的控制任務：（1）實現成套裝置所有參數的采集工作；（2）完成各個季節工作條件下的能量調節和能效最優控制，使得系統的發電量、制熱量與制冷量在滿足用戶的需求前提下，提高能源利用效率；（3）實現成套裝置的集中監控，保證設備安全穩定運行，通過智能控制實現無人值守。（4）根據系統內各主要設備的運行參數，確定小時、日、月、年燃氣和電能消耗量，各自費用；熱（冷）能、電能產出量及其收入，計算、考核成套裝置的能效指標。

2 能效監控系統設計

2.1 硬件系統設計

根據以上的分析，控制系統將根據各個設備的功能實施順序控制、聯鎖控制和能效調節。控制系統的硬件采用西門子S7-1500系列可編程序控制器，以及工業控制計算機實現上位機監控。發電機組和余熱機根據各自的能量調節和安全保護均實現獨立控制。系統管網上的流量、溫度和閥門開度等數據采集，各個設備的協調控制則采用一個集中控制器，并通過互聯網實現全球聯網監控。

發電機組和余熱機由設備廠家集成控制系統，發電機組控制系統通過Modbus TCP與集中控制系統通信，余熱機通過Modbus RTU與集中控制系統通信。集中控制系統通過PLC采集系統管網儀表參數，并通過工業控制計算機實現上位機集中監控，集中控制PLC通過以太網與上位機通信。集中控制系統通過互聯網實現全球聯網監控。成套裝置網絡拓撲圖如圖3。

2.2 主要控制功能設計

2.2.1 數據采集

控制系統各種設計功能的實現是建立在現場各種數據實時采集的基礎上，根據GB51131—2016《燃氣冷熱電聯供工程技術規范》對分布式能源控制系統數據采集有明確的規定，其主要采集的數據分為檢測、控制、保護與報警三部分。控制系統根據工藝控制要求不同設計采集數據，并通過通信方式和數據采集模塊實現數據采集，傳輸給控制系統，作為控制決策的依據。

2.2.2 順序控制

當控制系統初始上電后，用戶需要在上位機上設定系統運行模式和設備操作模式，如用戶不設定模式，即默認為發電制冷模式和手動操作模式，手動模式實現成套裝置單臺設備操作。若上位機設定為自動操作模式，控制系統將根據用戶在上位控制計算機中所指定的模式進行操作，自動模式實現成套裝置的全自動運行。成套裝置的啟停順序圖如圖4。

2.2.3 夏季/冬季運行模式切換

在系統處于夏季，即啟動夏季控制模塊，設定系統運行模式為發電制冷模式，V1冬/夏切換閥打開，發電機組缸套水進入余熱機制冷，控制系統自動設定冷凍水出口溫度，余熱機控制系統自動調節煙氣輸入熱量，使冷凍水出口溫度與設定溫度一致。

在系統處于冬季，即啟動冬季控制模塊，設定系統運行模式為發電制熱模式。V1冬/夏切換閥關閉，發電機組缸套水進入換熱器制熱，控制系統自動設定熱水出口溫度，余熱機控制系統自動調節煙氣輸入熱量，使熱水出口溫度與設定溫度一致。

2.2.4 能效監控優化運行

根據成套裝置內各主要設備的運行參數，統計小時、日、月、年燃氣和電能消耗量；統計熱（冷）能、電能產出量，計算、考核成套裝置的能效指標。根據不同時段電價、天然氣價格、熱價、冷價計算成套裝置的消耗費用，產生收益，利潤的小時、日、月、年經濟數據。

控制系統可以根據不同季節用戶對于冷、熱、電負荷條件及冷、熱、電、氣價格，進行技術經濟比較優化運行差數，找出經濟和能源利用的最優點，在滿足用戶需求的前提下做到經濟運行。

3 工藝流程優化和控制優化設計

3.1 優化設計

如圖5成套裝置前工藝流程圖，92℃缸套水經過V2閥時，一部分去余熱機或是換熱器利用，另一部分去缸套水冷卻塔散熱，最后混合，滿足缸套水回水84℃要求。由于水溫越高越容易利用，水溫越低越難以利用，因此一部分92℃高溫缸套水直接去冷卻塔散熱，必然將導致部分高品位能量的損失，從而降低能源利用效率。

如圖6成套裝置優化設計后工藝流程圖，92℃缸套水必須經過余熱機或是換熱器才能返回發電機組或缸套水冷卻塔。在V2閥出口增加溫度計T，在剛剛啟動發電機組時，通過缸套水三通閥使缸套水打內循環，加快發電機組啟動速度。啟動完成后，缸套水經過余熱機或換熱器利用返回經過V2閥門，當V2閥門出口溫度高于發電機組回水溫度，調節V2閥門開度，增加部分回水去缸套水冷卻塔散熱；當V2閥門出口溫度低于發電機組回水溫度，調節V2閥門開度，增加部分回水直接返回發電機組。且該設計使控制更加清晰，缸套水閥實現缸套水回水溫度低時的控制，V2閥門實現缸套水回水溫度高時的控制，互相獨立，互不干擾。

該設計模式將系統工藝流程優化設計與控制優化設計相結合，有利于提高成套裝置的能源利用效率。

3.2 優化后運行效果

工藝流程優化前，工廠測試成套裝置綜合能源效率為75.21%；系統優化設計后，工廠測試綜合能源效率為77.16%，提高了2.95%，運行效果顯著。且在工廠試驗臺測試管道流程短，如果在冬天，管道流程長的能源站現場，優化后的系統對綜合能源效率提高更加明顯。

4 系統監控應用

系統監控采用研華工業控制計算機，上位機控制軟件采用力控組態軟件實施總體監控，其畫面主要包括：主界面、控制模式界面、一鍵啟停界面、發電機組控制界面、余熱機控制界面、能效分析界面、數據報表界面、報警記錄界面等。

主界面中包括了整個成套裝置的工藝流程圖，在此界面中用戶可以通過每個設備的顏色變化來余熱機、發電機組、冷熱水泵、冷卻水泵、冷卻塔風機運行狀態和各個自控閥門的開關狀態，同時還可以通過管道流動性動畫確定水流方向，冷熱水、冷卻水的流向更加直觀。系統啟動通過登陸界面輸入用戶名和密碼后進入此畫面，并由用戶點擊右上方的按鈕從而確定系統的季節工況。成套裝置主界面見圖7。

另外從此界面中，我們可以通過左側菜單，進入一鍵啟停、能效分析、報警記錄、歷史趨勢曲線、數據報表等界面。并可以點擊左下角退出按鈕退出系統。

能效分析界面包括該成套裝置消耗的天然氣和電力統計，產出冷熱量統計，以及制冷效率、制熱效率、綜合能源效率、節能率等能效指標計算。此外，還可以設置不同時段電價、天然氣價格、冷價、熱價，就可以計算該成套裝置消耗的費用，產生的收入，利潤情況一目了然。成套裝置能效分析界面見圖8。

5 結論

本文采用PLC和上位機實現成套裝置的集中控制，同時實現能源計量、能效分析和優化控制。該成套裝置通過工藝流程優化設計與控制優化設計結合，實現了更高能效目標。