基于微燃機分布式能源系統的物聯網管理平臺開發

曹 宇，李 慧,2,3，李 凡

(1.山東建筑大學熱能工程學院,山東 濟南 250101；2.山東建筑大學可再生能源建筑利用技術教育部重點實驗室,山東 濟南 250101；3.山東建筑大學山東省可再生能源建筑應用技術重點實驗室，山東 濟南 250101)

0 引言

微燃機分布式能源系統以微燃機作為發電機組，排出高溫煙氣給余熱利用機組，為末端用戶提供冷熱電量。該系統具有的靈活性、節能性、可調節性等特點，已成為近幾年業界的研究熱點[1]。在山東某高校建成的微燃機分布式能源熱電冷聯產(combined cooling heating and pwoer,CCHP)管理平臺。該管理平臺作為一個小型分布式能源試驗臺，可用于后期的試驗與教學。其通過對分布式能源系統進行實時的數據獲取、數據分析以及數據處理，鞏固學生的專業知識，提升學生的實操能力，加深對實際工程的理解。

依據Niagara技術，個人計算機(persona computer,PC)服務器通過TCP/IP協議與網絡控制器Jace-8000進行通信，網絡控制器與其他設備的通信方式主要通過MODBUS協議來實現。物聯網管理平臺采用Niagara N4軟件進行軟硬件通信以及界面的搭建，將微燃機分布式能源系統的實時運行參數、設備啟停狀態等數據顯示在監控管理平臺上。同時，在同一局域網下，通過瀏覽器訪問IP地址[2]，可由另一臺計算機或者手機遠程訪問該平臺。

1 系統概況

1.1 CCHP及微燃機簡介

分布式能源系統是布置在用戶附近，以天然氣為一次能源用于發電，并利用發電余熱制冷和供熱，同時向用戶輸送電能、熱(冷)能的系統[3]。冷熱負荷是天然氣分布式能源站可以高效率運行的重要前提條件。只有提高負荷的需求量，才能更好地提高能源綜合利用率。監控管理平臺將末端用戶的冷熱需求作為主要的解決目標。因此，在冷熱負荷需求較大時，采用“以熱定電”方式運行[4]，能有效地提高能源綜合利用率及其他指標。

監控管理平臺采用的發電機組為Capstone的C30型號的微燃機，額定工況下的主要技術指標如下：額定功率為30 kW，發電效率為(26±2)%，天燃氣耗量為415 MJ/h，進氣壓力為379～414 kPa，排煙溫度為275 ℃，排煙質量流量為0.31 kg/s。

微燃機主要由壓縮機、發電機、燃燒器和回熱器組成。微燃機工作原理如圖1所示。

圖1 微燃機工作原理圖Fig.1 Working principle diagram of micro-combustion

由外界引入的空氣，經過微燃機內的壓縮機升壓后進入回熱器，微燃機出口的煙氣流經回熱器對空氣進行預熱。升溫后的空氣與燃料氣(天然氣)混合后進入燃燒器燃燒，產生高溫、高壓氣體推動渦輪轉子做功，帶動發電機發電[5]。從回熱器出來的高溫煙氣可以進入煙氣型溴化鋰吸收式冷溫水機中，用于驅動冷溫水機組，為末端用戶提供熱(冷)量。

1.2 系統工作流程

系統工作流程如圖2所示。

圖2 系統工作流程圖Fig.2 System flow diagram

系統以天然氣為燃料源，由外網引入的低壓天然氣，經過氣體壓縮機變成高壓天然氣進入微燃機組。微燃機作為發電機組，與國家電網實行并網供電，為用戶提供電負荷，同時排出275 ℃左右的高溫煙氣。排出的高溫煙氣用來驅動煙氣吸收冷溫水機。冷溫水另一側為用戶側的冷水進出口，經風機盤管與用戶側進行換熱。從冷溫水機排出的150 ℃左右的煙氣進入煙氣換熱器。換熱器與水源熱泵機組的水源側進出水進行換熱。同時，水源熱泵機組用戶側與水源側進行換熱，煙氣換熱器排出的30～40 ℃煙氣經過處理后排入大氣。

1.3 監測系統的組成

為了更好地將各個設備集成在一起，該系統設置多個監測點。監測內容包括：微燃機排煙溫度與壓力，冷溫水機冷卻水進出口溫度，煙氣換熱器進出口煙氣的溫度與壓力，水源熱泵的水源側供、回水溫度，用戶側供、回水溫度，水源側、用戶側的供回水壓力、熱量，電耗，系統年平均綜合利用率等數十項數據。監測內容主要包括煙氣溫度、煙氣壓力、流體熱量、泵與機組功耗和年平均能源綜合利用率等。

2 系統硬件架構

系統硬件主要包括一臺Jace-8000嵌入式控制器、兩臺I/O-28模塊、兩臺三相電能表、三臺熱量表以及各類現場傳感器等設備。硬件架構如圖3所示。

圖3 硬件架構圖Fig.3 Hardware architecture diagram

Jace-8000嵌入式控制器(IP：192.168.1.139)通過接口，以TCP/IP協議與本地服務器進行通信，并設置Port為5 011，用于完成數據的上傳和下達。

I/O-28U模塊以Modbus協議通過RS-485線，與Jace的COM2口進行連接，并設置波特率為19 200 bit/s，8數據位，1停止位，用于采集模擬量和數字量的數據，如溫度、壓力等。

三相電能表與熱量表以Modbus協議通過RS-485線，分別與Jace的COM1和COM3口進行連接，并設置波特率為9 600 bit/s，8數據位，1停止位，將電能、功率、頻率、供回水溫度和熱量等數據傳達給上位機。

3 數據采集與集成

底層設備由傳感器、熱量表、電能表等組成，用于監測數十項數據。傳輸層設備主要由I/O模塊以及中間繼電器組成。采集裝置將現場的壓力、溫度等傳統模擬量信號，通過傳輸層匯集到Jace-8000網絡控制器。傳輸模塊底層與傳輸層配置如下：溫度傳感器用于測量煙氣的溫度，壓力變送器用于測量煙氣的壓力，三相電能表用于測量機組及泵功率，熱量表用于測量供回水側熱量，電動調節蝶閥用于給定和反饋閥位狀態，I/O-28U模塊用于采集數字量及模擬量，繼電器起到了轉換電路的作用。

4 監控管理平臺設計

平臺界面在本地工作站Supervisor上進行設計，運用軟件框架中的圖形組件直觀地顯示系統的設備與運行情況，模塊化編程功能將數據進行處理和分析，嵌入基于Internet的Web技術，將各個子系統的監控頁面以Html頁面的形式統一組織，方便用戶直觀操作及遠程訪問[6]。軟件功能框圖如圖4所示。平臺界面設計包括首頁、微燃機三聯供系統、歷史數據、故障報警界面等，可清晰地呈現出所需的數據，增加了平臺的可視化特性[7-8]。

圖4 軟件功能框圖Fig.4 Software function diagram

4.1 平臺的遠程訪問

對用戶來說，微燃機分布式能源監控管理平臺的遠程訪問功能具有快捷、便利的優點。在同一局域網段下，打開本地服務器下的站點Supervisor，找到Config配置下的Services目錄;打開目錄下的Web service命令，將Enabled設為True，Http Enabled與Https Enabled也設為True，Https Only設為false。保存操作后，Web service狀態(Status)顯示OK。如果顯示fault，則說明服務上有其他軟件占用了443或者80端口，需要將Http Port手動改為8 000，Https Port改為8 443，但登陸IP地址時，比如原IP為10.216.3.115，端口改成800，那么IP地址要改成10.216.3.115：800，最后進行保存。

關閉防火墻，再打開Platform下的TCP/IP Configuration目錄，查看Supervisor工作站下的IP地址(IPv4 Address)：10.216.3.115。在同一局域網段下，用另一臺手機或者計算機設備輸入IP，便可以實現平臺的遠程訪問。

4.2 模塊化編程處理數據

從微燃機分布式能源系統獲取的實時數據，一部分可以在界面上進行直觀地展示，還有一部分需要進行處理后，才能變成所需要的數據。處理過程采用模塊化編程[8]。以系統發電效率為例：

式中：η為系統的發電效率，%；Ne為微燃機的發電量，kW；Qg為微燃機消耗的燃氣化學熱，kW。

系統發電效率計算的模塊化編程如圖5所示。運用Palette工具箱中的kitControl組件，添加Numeric Writable點位以及運算符，其中的In10通道用來導入底層的數據，經過模塊化編程，最終得到系統的發電效率。

圖5 系統發電效率計算的模塊化編程圖Fig.5 Modular programming diagram of system power generation efficiency calculation

4.3 首頁界面

登錄Web瀏覽器，輸入用戶名與密碼，則可進入管理平臺。在首頁圖中，直觀地顯示當前室內外的溫濕度、分布式能源系統中的主要機組運行狀態、循環水泵的啟停狀態、微燃機的發電量、循環水泵的用電量、系統的供冷(熱)量、年平均能源綜合利用率、閥門開度等參數。此外，本平臺還能直觀地進行微燃機分布式能源系統與其他系統的數據對比，根據末端用戶需求選擇最優的系統。

4.4 微燃機分布式能源系統界面

微燃機分布式能源系統界面實時顯示了實際系統組成以及工作流程。從界面中可以看到，機組的啟停狀態，煙氣管道上的溫度和壓力傳感器位置，電能表測得的電量和功率，水系統中的冷(熱)量表顯示的供回水溫度、流量、冷(熱)量等。同時，通過KitPX組件

的Popup Bingding功能，添加彈窗按鈕，對水泵的啟停狀態、運行頻率、轉速等參數進行設定，以及對微燃機機組的實時狀態進行調取和查看。

4.5 歷史數據界面

為了方便后續工作的記錄與分析，本平臺搭建了歷史數據界面，用于保存關鍵數據的記錄情況。界面中實時記錄著微燃機組的發電量、水泵的耗電量、微燃機排煙溫度、冷溫水機的供回水溫度和熱量、系統用電量、系統供冷(熱)量等關鍵性參數。此外，這些歷史數據也可以導出后保存，為其他科研工作的開展提供了便利。

5 結論

分布式能源系統是近幾年比較推崇的近末端用戶的系統用能形式，與集中供能形式的系統相比，更加靈活、可調，也更符合末端用戶的實際需求。同時，分布式能源系統減少了能源傳輸過程中的能量損失，使節能性與利用效率大大提高。

為了進一步提升分布式能源系統的建筑節能性，結合發展態勢迅猛的物聯網技術，搭建了基于Niagara的分布式能源系統監控管理平臺，可實時查詢系統參數、實時分析系統數據。通過模塊化編程提高了系統的調節能力。界面的設計使得系統更加可視化。平臺主要應用于對學生專業知識的鞏固以及實操能力的提升。