曹 宇，李 慧,2,3，李 凡

(1.山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院,山東 濟(jì)南 250101；2.山東建筑大學(xué)可再生能源建筑利用技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 濟(jì)南 250101；3.山東建筑大學(xué)山東省可再生能源建筑應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250101)

0 引言

微燃機(jī)分布式能源系統(tǒng)以微燃機(jī)作為發(fā)電機(jī)組，排出高溫?zé)煔饨o余熱利用機(jī)組，為末端用戶提供冷熱電量。該系統(tǒng)具有的靈活性、節(jié)能性、可調(diào)節(jié)性等特點(diǎn)，已成為近幾年業(yè)界的研究熱點(diǎn)[1]。在山東某高校建成的微燃機(jī)分布式能源熱電冷聯(lián)產(chǎn)(combined cooling heating and pwoer,CCHP)管理平臺(tái)。該管理平臺(tái)作為一個(gè)小型分布式能源試驗(yàn)臺(tái)，可用于后期的試驗(yàn)與教學(xué)。其通過對(duì)分布式能源系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)據(jù)處理，鞏固學(xué)生的專業(yè)知識(shí)，提升學(xué)生的實(shí)操能力，加深對(duì)實(shí)際工程的理解。

依據(jù)Niagara技術(shù)，個(gè)人計(jì)算機(jī)(persona computer,PC)服務(wù)器通過TCP/IP協(xié)議與網(wǎng)絡(luò)控制器Jace-8000進(jìn)行通信，網(wǎng)絡(luò)控制器與其他設(shè)備的通信方式主要通過MODBUS協(xié)議來實(shí)現(xiàn)。物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)采用Niagara N4軟件進(jìn)行軟硬件通信以及界面的搭建，將微燃機(jī)分布式能源系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)、設(shè)備啟停狀態(tài)等數(shù)據(jù)顯示在監(jiān)控管理平臺(tái)上。同時(shí)，在同一局域網(wǎng)下，通過瀏覽器訪問IP地址[2]，可由另一臺(tái)計(jì)算機(jī)或者手機(jī)遠(yuǎn)程訪問該平臺(tái)。

1 系統(tǒng)概況

1.1 CCHP及微燃機(jī)簡介

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

監(jiān)控管理平臺(tái)采用的發(fā)電機(jī)組為Capstone的C30型號(hào)的微燃機(jī)，額定工況下的主要技術(shù)指標(biāo)如下：額定功率為30 kW，發(fā)電效率為(26±2)%，天燃?xì)夂牧繛?15 MJ/h，進(jìn)氣壓力為379～414 kPa，排煙溫度為275 ℃，排煙質(zhì)量流量為0.31 kg/s。

微燃機(jī)主要由壓縮機(jī)、發(fā)電機(jī)、燃燒器和回?zé)崞鹘M成。微燃機(jī)工作原理如圖1所示。

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

由外界引入的空氣，經(jīng)過微燃機(jī)內(nèi)的壓縮機(jī)升壓后進(jìn)入回?zé)崞?，微燃機(jī)出口的煙氣流經(jīng)回?zé)崞鲗?duì)空氣進(jìn)行預(yù)熱。升溫后的空氣與燃料氣(天然氣)混合后進(jìn)入燃燒器燃燒，產(chǎn)生高溫、高壓氣體推動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)子做功，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電[5]。從回?zé)崞鞒鰜淼母邷責(zé)煔饪梢赃M(jìn)入煙氣型溴化鋰吸收式冷溫水機(jī)中，用于驅(qū)動(dòng)冷溫水機(jī)組，為末端用戶提供熱(冷)量。

1.2 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)工作流程圖Fig.2 System flow diagram

系統(tǒng)以天然氣為燃料源，由外網(wǎng)引入的低壓天然氣，經(jīng)過氣體壓縮機(jī)變成高壓天然氣進(jìn)入微燃機(jī)組。微燃機(jī)作為發(fā)電機(jī)組，與國家電網(wǎng)實(shí)行并網(wǎng)供電，為用戶提供電負(fù)荷，同時(shí)排出275 ℃左右的高溫?zé)煔狻Ｅ懦龅母邷責(zé)煔庥脕眚?qū)動(dòng)煙氣吸收冷溫水機(jī)。冷溫水另一側(cè)為用戶側(cè)的冷水進(jìn)出口，經(jīng)風(fēng)機(jī)盤管與用戶側(cè)進(jìn)行換熱。從冷溫水機(jī)排出的150 ℃左右的煙氣進(jìn)入煙氣換熱器。換熱器與水源熱泵機(jī)組的水源側(cè)進(jìn)出水進(jìn)行換熱。同時(shí)，水源熱泵機(jī)組用戶側(cè)與水源側(cè)進(jìn)行換熱，煙氣換熱器排出的30～40 ℃煙氣經(jīng)過處理后排入大氣。

1.3 監(jiān)測系統(tǒng)的組成

為了更好地將各個(gè)設(shè)備集成在一起，該系統(tǒng)設(shè)置多個(gè)監(jiān)測點(diǎn)。監(jiān)測內(nèi)容包括：微燃機(jī)排煙溫度與壓力，冷溫水機(jī)冷卻水進(jìn)出口溫度，煙氣換熱器進(jìn)出口煙氣的溫度與壓力，水源熱泵的水源側(cè)供、回水溫度，用戶側(cè)供、回水溫度，水源側(cè)、用戶側(cè)的供回水壓力、熱量，電耗，系統(tǒng)年平均綜合利用率等數(shù)十項(xiàng)數(shù)據(jù)。監(jiān)測內(nèi)容主要包括煙氣溫度、煙氣壓力、流體熱量、泵與機(jī)組功耗和年平均能源綜合利用率等。

2 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

系統(tǒng)硬件主要包括一臺(tái)Jace-8000嵌入式控制器、兩臺(tái)I/O-28模塊、兩臺(tái)三相電能表、三臺(tái)熱量表以及各類現(xiàn)場傳感器等設(shè)備。硬件架構(gòu)如圖3所示。

圖3 硬件架構(gòu)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(xié)議與本地服務(wù)器進(jìn)行通信，并設(shè)置Port為5 011，用于完成數(shù)據(jù)的上傳和下達(dá)。

I/O-28U模塊以Modbus協(xié)議通過RS-485線，與Jace的COM2口進(jìn)行連接，并設(shè)置波特率為19 200 bit/s，8數(shù)據(jù)位，1停止位，用于采集模擬量和數(shù)字量的數(shù)據(jù)，如溫度、壓力等。

三相電能表與熱量表以Modbus協(xié)議通過RS-485線，分別與Jace的COM1和COM3口進(jìn)行連接，并設(shè)置波特率為9 600 bit/s，8數(shù)據(jù)位，1停止位，將電能、功率、頻率、供回水溫度和熱量等數(shù)據(jù)傳達(dá)給上位機(jī)。

3 數(shù)據(jù)采集與集成

底層設(shè)備由傳感器、熱量表、電能表等組成，用于監(jiān)測數(shù)十項(xiàng)數(shù)據(jù)。傳輸層設(shè)備主要由I/O模塊以及中間繼電器組成。采集裝置將現(xiàn)場的壓力、溫度等傳統(tǒng)模擬量信號(hào)，通過傳輸層匯集到Jace-8000網(wǎng)絡(luò)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(jī)組及泵功率，熱量表用于測量供回水側(cè)熱量，電動(dòng)調(diào)節(jié)蝶閥用于給定和反饋閥位狀態(tài)，I/O-28U模塊用于采集數(shù)字量及模擬量，繼電器起到了轉(zhuǎn)換電路的作用。

4 監(jiān)控管理平臺(tái)設(shè)計(jì)

平臺(tái)界面在本地工作站Supervisor上進(jìn)行設(shè)計(jì)，運(yùn)用軟件框架中的圖形組件直觀地顯示系統(tǒng)的設(shè)備與運(yùn)行情況，模塊化編程功能將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，嵌入基于Internet的Web技術(shù)，將各個(gè)子系統(tǒng)的監(jiān)控頁面以Html頁面的形式統(tǒng)一組織，方便用戶直觀操作及遠(yuǎn)程訪問[6]。軟件功能框圖如圖4所示。平臺(tái)界面設(shè)計(jì)包括首頁、微燃機(jī)三聯(lián)供系統(tǒng)、歷史數(shù)據(jù)、故障報(bào)警界面等，可清晰地呈現(xiàn)出所需的數(shù)據(jù)，增加了平臺(tái)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(tái)的遠(yuǎn)程訪問

對(duì)用戶來說，微燃機(jī)分布式能源監(jiān)控管理平臺(tái)的遠(yuǎn)程訪問功能具有快捷、便利的優(yōu)點(diǎn)。在同一局域網(wǎng)段下，打開本地服務(wù)器下的站點(diǎn)Supervisor，找到Config配置下的Services目錄;打開目錄下的Web service命令，將Enabled設(shè)為True，Http Enabled與Https Enabled也設(shè)為True，Https Only設(shè)為false。保存操作后，Web service狀態(tài)(Status)顯示OK。如果顯示fault，則說明服務(wù)上有其他軟件占用了443或者80端口，需要將Http Port手動(dòng)改為8 000，Https Port改為8 443，但登陸IP地址時(shí)，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(jìn)行保存。

關(guān)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(wǎng)段下，用另一臺(tái)手機(jī)或者計(jì)算機(jī)設(shè)備輸入IP，便可以實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的遠(yuǎn)程訪問。

4.2 模塊化編程處理數(shù)據(jù)

從微燃機(jī)分布式能源系統(tǒng)獲取的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，一部分可以在界面上進(jìn)行直觀地展示，還有一部分需要進(jìn)行處理后，才能變成所需要的數(shù)據(jù)。處理過程采用模塊化編程[8]。以系統(tǒng)發(fā)電效率為例：

式中：η為系統(tǒng)的發(fā)電效率，%；Ne為微燃機(jī)的發(fā)電量，kW；Qg為微燃機(jī)消耗的燃?xì)饣瘜W(xué)熱，kW。

系統(tǒng)發(fā)電效率計(jì)算的模塊化編程如圖5所示。運(yùn)用Palette工具箱中的kitControl組件，添加Numeric Writable點(diǎn)位以及運(yùn)算符，其中的In10通道用來導(dǎo)入底層的數(shù)據(jù)，經(jīng)過模塊化編程，最終得到系統(tǒng)的發(fā)電效率。

圖5 系統(tǒng)發(fā)電效率計(jì)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(jìn)入管理平臺(tái)。在首頁圖中，直觀地顯示當(dāng)前室內(nèi)外的溫濕度、分布式能源系統(tǒng)中的主要機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)、循環(huán)水泵的啟停狀態(tài)、微燃機(jī)的發(fā)電量、循環(huán)水泵的用電量、系統(tǒng)的供冷(熱)量、年平均能源綜合利用率、閥門開度等參數(shù)。此外，本平臺(tái)還能直觀地進(jìn)行微燃機(jī)分布式能源系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)對(duì)比，根據(jù)末端用戶需求選擇最優(yōu)的系統(tǒng)。

4.4 微燃機(jī)分布式能源系統(tǒng)界面

微燃機(jī)分布式能源系統(tǒng)界面實(shí)時(shí)顯示了實(shí)際系統(tǒng)組成以及工作流程。從界面中可以看到，機(jī)組的啟停狀態(tài)，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(tǒng)中的冷(熱)量表顯示的供回水溫度、流量、冷(熱)量等。同時(shí)，通過KitPX組件

的Popup Bingding功能，添加彈窗按鈕，對(duì)水泵的啟停狀態(tài)、運(yùn)行頻率、轉(zhuǎn)速等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，以及對(duì)微燃機(jī)機(jī)組的實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行調(diào)取和查看。

4.5 歷史數(shù)據(jù)界面

為了方便后續(xù)工作的記錄與分析，本平臺(tái)搭建了歷史數(shù)據(jù)界面，用于保存關(guān)鍵數(shù)據(jù)的記錄情況。界面中實(shí)時(shí)記錄著微燃機(jī)組的發(fā)電量、水泵的耗電量、微燃機(jī)排煙溫度、冷溫水機(jī)的供回水溫度和熱量、系統(tǒng)用電量、系統(tǒng)供冷(熱)量等關(guān)鍵性參數(shù)。此外，這些歷史數(shù)據(jù)也可以導(dǎo)出后保存，為其他科研工作的開展提供了便利。

5 結(jié)論

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

為了進(jìn)一步提升分布式能源系統(tǒng)的建筑節(jié)能性，結(jié)合發(fā)展態(tài)勢迅猛的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，搭建了基于Niagara的分布式能源系統(tǒng)監(jiān)控管理平臺(tái)，可實(shí)時(shí)查詢系統(tǒng)參數(shù)、實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)。通過模塊化編程提高了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力。界面的設(shè)計(jì)使得系統(tǒng)更加可視化。平臺(tái)主要應(yīng)用于對(duì)學(xué)生專業(yè)知識(shí)的鞏固以及實(shí)操能力的提升。