嚴(yán)琨，劉磊，黃飛強(qiáng)，卜世杰，秦禮鵬

（國家電投珠海橫琴能源發(fā)展有限公司，珠海，519031）

0 引言

目前的區(qū)域供冷系統(tǒng)，冷源是系統(tǒng)核心及最大耗能設(shè)備。為了實(shí)現(xiàn)冷水機(jī)組高效運(yùn)行，需要進(jìn)行長(zhǎng)期專業(yè)化管理。在大量工程中，由于冷水機(jī)組未獲得良好的運(yùn)行維護(hù)，存在運(yùn)行狀態(tài)不佳、冷卻水量不足、冷卻塔掛熱效率低、控制策略不優(yōu)化等問題［1-11］，導(dǎo)致運(yùn)行效率長(zhǎng)期達(dá)不到最佳水平。

基于大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，可以利用其挖掘算法和計(jì)算能力的優(yōu)勢(shì)，針對(duì)全年不同運(yùn)行工況，對(duì)冷水機(jī)組開展智能化健康度分析與節(jié)能診斷，從而采取對(duì)應(yīng)解決方案，提升系統(tǒng)運(yùn)行能效。相比傳統(tǒng)研究方法，采用大數(shù)據(jù)分析方法的效率和精準(zhǔn)度有明顯提升［12-15］，故而本文基于珠海市橫琴新區(qū)某大型區(qū)域供冷供熱項(xiàng)目研究大型多聯(lián)供能源站全工況高效系統(tǒng)智能化解決方案，這對(duì)解決供冷系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)不佳、運(yùn)行能效低下等問題具有重要意義。

1 研究方法

本文研究的大型多聯(lián)供能源站全工況高效系統(tǒng)智能化解決方案主要包括能源站監(jiān)控系統(tǒng)和綜合能效管理平臺(tái)兩部分，圖1是大型多聯(lián)供能源站全工況高效系統(tǒng)智能化解決方案路線圖，具體的實(shí)現(xiàn)流程如下：

圖1 大型多聯(lián)供能源站全工況高效系統(tǒng)智能化解決方案路線圖

（a）能源站監(jiān)控系統(tǒng)采集能源站供冷系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)的顯示，能夠直觀地通過監(jiān)控界面了解各能源站的實(shí)際運(yùn)行情況；

（b）能源站監(jiān)控系統(tǒng)將采集的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)傳遞到綜合能效管理平臺(tái)，綜合能效管理平臺(tái)包含在線監(jiān)控、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、負(fù)荷預(yù)測(cè)、能效分析、管網(wǎng)分析、專家診斷、策略仿真、報(bào)警記錄等功能；實(shí)現(xiàn)對(duì)能源站的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、分析、預(yù)警及診斷；

（c）綜合能效管理平臺(tái)內(nèi)含空調(diào)系統(tǒng)仿真模塊，綜合能效管理平臺(tái)對(duì)能源站的運(yùn)行狀況進(jìn)行分析及診斷后，會(huì)提出一種新的包含優(yōu)化運(yùn)行控制策略的解決方案，該方案會(huì)自動(dòng)進(jìn)入仿真模塊進(jìn)行模擬，得到滿意節(jié)能效果后，將優(yōu)化運(yùn)行控制策略傳遞給能源站控制系統(tǒng)，能源站控制系統(tǒng)通過控制器執(zhí)行新的控制策略，運(yùn)行一段時(shí)間后，能源站監(jiān)控系統(tǒng)重新采集能源站供冷系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)，因此循環(huán)分析。

2 能源站監(jiān)控系統(tǒng)

直觀的了解能源站空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行情況離不開能源站監(jiān)控系統(tǒng)，能源站監(jiān)控系統(tǒng)不僅僅是采集實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，還包含能源站能耗分析模塊、用戶群用冷分析模塊以及能源站經(jīng)濟(jì)性分析模塊三大部分。能源站能耗分析模塊用于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)的顯示，能夠直觀地通過監(jiān)控界面了解各能源站的實(shí)際運(yùn)行情況。用戶群用冷分析模塊主要根據(jù)行政區(qū)域和換冷站供冷區(qū)域?qū)M琴新區(qū)的用戶進(jìn)行劃分，便于統(tǒng)計(jì)、管理、分析各用戶群的用冷狀況。能源站經(jīng)濟(jì)性分析模塊側(cè)重于對(duì)能源站的各項(xiàng)用能等情況進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性的評(píng)價(jià)，便于用戶把握能源站的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行情況。

2.1 能源站能耗分析模塊

能源站群能耗分析實(shí)現(xiàn)各能源站能效值的監(jiān)測(cè)，并對(duì)各能源站的能耗及制冷量分別進(jìn)行排序，便于管理人員宏觀把控各能源站的能效情況。

2.2 用戶群用冷分析模塊

用戶群用冷分析功能如下：

（1）用戶群用冷量對(duì)比分析

通過復(fù)選框，可以根據(jù)用戶操作單選或多選用戶群的用冷情況進(jìn)行對(duì)比分析，以曲線圖的形式展現(xiàn)。

（2）用戶群用冷量同比分析

通過復(fù)選框，用戶可選擇某一用戶群進(jìn)行單獨(dú)分析。通過同比分析，對(duì)比往年同時(shí)間段內(nèi)用戶用冷量的變化情況，可以忽略掉季節(jié)對(duì)用戶群用冷情況的影響。

（3）用戶群用冷量環(huán)比分析

用戶群用冷量環(huán)比的分析，可以用于與上一個(gè)時(shí)間段之間的用冷情況進(jìn)行對(duì)比分析，分析用戶是否存在短期內(nèi)的異常用冷情況。

2.3 能源站經(jīng)濟(jì)性分析模塊

能源站群經(jīng)濟(jì)性分析功能如下：

（1）數(shù)據(jù)采集

通過銷售經(jīng)營類數(shù)據(jù)庫平臺(tái)收集每個(gè)能源站的數(shù)據(jù)并進(jìn)行匯總，主要包括以下數(shù)據(jù)：各能源站的制冷量、累計(jì)制冷量、輸送到各個(gè)項(xiàng)目的制冷量、累計(jì)輸送到各個(gè)項(xiàng)目的總制冷量、銷售價(jià)格、該能源站的耗電量、耗水量、耗蒸汽量、電價(jià)、水價(jià)、蒸汽價(jià)格。

（2）蒸汽折算標(biāo)準(zhǔn)煤計(jì)算

根據(jù)壓力-焓表，查對(duì)應(yīng)狀態(tài)下的蒸汽焓值，然后折算成標(biāo)準(zhǔn)煤。本項(xiàng)目采用的蒸汽壓力約為0.8 MPa；查蒸汽的壓力-焓表得0.8 MPa的蒸汽焓值為2768 KJ/kg，我國規(guī)定每千克標(biāo)準(zhǔn)煤的熱值為7000千卡，每千焦折算成每千卡的系數(shù)為0.2389。

蒸汽折算標(biāo)準(zhǔn)煤計(jì)算公式為：

式中：

N——折算的標(biāo)準(zhǔn)煤，kg；

T——壓力為0.8 MPa的蒸汽焓值，為2,768 MPa/kg；

Na——消耗的蒸汽量，kg；

（3）電量折算標(biāo)準(zhǔn)煤計(jì)算

每千卡折算成每千焦的系數(shù)為4.18，每千克煤轉(zhuǎn)化為電的效率約為0.32，得每度電折算標(biāo)準(zhǔn)煤計(jì)算公式為：

式中：

N——折算的標(biāo)準(zhǔn)煤，kg

Ma——消耗的電量，kW?h

η——煤轉(zhuǎn)電的效率，0.32；

（4）盈虧計(jì)算分析

根據(jù)歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，按月、季度、年計(jì)算出各個(gè)能源站的盈虧情況，對(duì)各個(gè)能源站的盈虧進(jìn)行橫向?qū)Ρ炔⒊鼍吣茉凑居潏?bào)告。報(bào)告可以顯示各個(gè)能源站的具體收益以及各項(xiàng)費(fèi)用支出比例，讓用戶對(duì)能源站的盈虧情況充分了解。同時(shí)，平臺(tái)會(huì)為用戶提供能源定價(jià)作為參考，以及對(duì)應(yīng)收益的百分比。用戶也可在平臺(tái)內(nèi)手動(dòng)輸入能源價(jià)格，根據(jù)輸入值直接計(jì)算出該價(jià)格下能源站的收益情況。

3 綜合能效管理平臺(tái)

綜合能效管理平臺(tái)是大型多聯(lián)供能源站全工況高效系統(tǒng)智能化解決方案比較核心的部分，如圖2是綜合能效管理平臺(tái)整體框架，包括在線監(jiān)控、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、負(fù)荷預(yù)測(cè)、能效分析、管網(wǎng)平衡分析、專家診斷、策略仿真、報(bào)警記錄和在線報(bào)修等模塊，可對(duì)能源站運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、分析、預(yù)警及診斷，并能自發(fā)提供優(yōu)化解決方案給能源站控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)能源站空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行。

圖2 綜合能效管理平臺(tái)整體框架

3.1 在線監(jiān)控模塊

在線監(jiān)控系統(tǒng)主要包括輸配系統(tǒng)在線監(jiān)控、機(jī)組在線監(jiān)控、水泵在線監(jiān)控、冷卻塔在線監(jiān)控四個(gè)部分，如圖3所示，可通過動(dòng)態(tài)三維界面實(shí)時(shí)顯示現(xiàn)場(chǎng)冷站實(shí)時(shí)運(yùn)行情況、能源站關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)及聲光報(bào)警。輸配系統(tǒng)在線監(jiān)控實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示輸配系統(tǒng)的管網(wǎng)及設(shè)備運(yùn)行工況，監(jiān)測(cè)主管網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)及輔助顯示制冷主要設(shè)備運(yùn)行情況，使運(yùn)行人員及調(diào)度人員直觀判斷管網(wǎng)運(yùn)行情況；運(yùn)行人員根據(jù)實(shí)時(shí)參數(shù)，可進(jìn)行管網(wǎng)故障的預(yù)判。機(jī)組在線監(jiān)控，可實(shí)現(xiàn)對(duì)雙工況主機(jī)、基載主機(jī)、吸收式主機(jī)等進(jìn)行監(jiān)控。水泵在線監(jiān)控、冷卻塔在線監(jiān)控支持用戶根據(jù)可選時(shí)間段查看歷史運(yùn)行曲線的變化，以及實(shí)時(shí)顯示關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)。

圖3 在線監(jiān)控框架

3.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)模塊

圖4是數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)框架，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)模塊負(fù)責(zé)統(tǒng)計(jì)室外氣象參數(shù)、系統(tǒng)及設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，并形成數(shù)據(jù)報(bào)表及圖形報(bào)表；支持自定義報(bào)表輸出。平臺(tái)會(huì)定期為用戶提供詳細(xì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)報(bào)告，便于用戶隨時(shí)查看。

3.3 負(fù)荷預(yù)測(cè)模塊

圖5是負(fù)荷預(yù)測(cè)框架，負(fù)荷預(yù)測(cè)模塊首先針對(duì)建筑負(fù)荷進(jìn)行分析，結(jié)合采集的室內(nèi)外氣象參數(shù)，通過內(nèi)置的負(fù)荷預(yù)測(cè)算法對(duì)下一階段的建筑負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè)。負(fù)荷預(yù)測(cè)的主要優(yōu)勢(shì)是在可以提前預(yù)知負(fù)荷占比的前提下指導(dǎo)冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行，確保中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備穩(wěn)定安全運(yùn)行達(dá)標(biāo)。

圖5 負(fù)荷預(yù)測(cè)框架

負(fù)荷預(yù)測(cè)與冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行節(jié)能息息相關(guān)，它可以指導(dǎo)冰槽蓄冷量，結(jié)合當(dāng)?shù)毓I(yè)用電峰谷電價(jià)合理調(diào)配冷源設(shè)備，為冰槽釋冷優(yōu)化控制提供基本依據(jù)，實(shí)現(xiàn)良好的經(jīng)濟(jì)性。

3.4 能效分析模塊

基于不同控制模式對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行能效分析，主要的分析內(nèi)容包括用能分析、冷量分析、能效分析、負(fù)荷轉(zhuǎn)移分析、能源站經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。如圖6是能效分析框架，用能分析包括耗電量與耗熱量，本設(shè)計(jì)的處理方式把耗熱量轉(zhuǎn)換為電，統(tǒng)一用耗電量來表示系統(tǒng)的用能情況。冷量分析通過餅圖監(jiān)控不同供冷機(jī)組設(shè)備的供冷量占比，將不同控制模式下的制冷分量展示出來。能效分析包括供冷機(jī)組的能效、水泵和冷卻塔的輸送系數(shù)。負(fù)荷轉(zhuǎn)移分析以峰段釋冷百分比與負(fù)荷轉(zhuǎn)移率兩個(gè)指標(biāo)來評(píng)價(jià)。峰段釋冷百分比研究夜間谷段蓄冰量、峰段釋冷量以及峰段釋冷百分比之間的綜合性分析，分析蓄冰量是否真正的起到了“削峰填谷”的作用。負(fù)荷轉(zhuǎn)移率為蓄冰量與建筑物日總冷負(fù)荷之比，通過負(fù)荷轉(zhuǎn)移率分析可以得出蓄冰量能夠承擔(dān)或能承擔(dān)多少比例的用冷需求以及峰值用冷需求，為蓄冰量的優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐。

圖6 能效分析框架

3.5 管網(wǎng)平衡分析模塊

一次管網(wǎng)的水力失調(diào)是導(dǎo)致管網(wǎng)能量輸送效率下降和供冷質(zhì)量下降的關(guān)鍵因素。因?yàn)槟芰枯斉洳痪瑢?dǎo)致末端冷量浪費(fèi)和末端制冷效果不明顯。管網(wǎng)平衡分析模塊主要分析冷量供需平衡、換熱平衡、電調(diào)閥最優(yōu)區(qū)間、管網(wǎng)水力平衡四個(gè)方面，具體的管網(wǎng)平衡分析框架如圖7所示。冷量供需平衡即能源輸送比，該數(shù)值能反映出制冷站運(yùn)行狀態(tài)是否與用戶負(fù)荷達(dá)到完美匹配，具體輸送比率應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際校驗(yàn)確定。換熱平衡為換冷站的換熱器換熱效率。換熱平衡直接反應(yīng)板式換熱器工作效率。系統(tǒng)會(huì)根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。通過調(diào)節(jié)閥行程改變量與管道流量改變量計(jì)算調(diào)節(jié)閥使用行程狀態(tài)。主管網(wǎng)系統(tǒng)水力平衡可分為主站分支平衡、換冷站平衡和換冷站板換平衡三部分。全部平衡以回水溫度與上級(jí)主管回水溫度比較，計(jì)算不平衡度。當(dāng)不平衡度超過一定值視為管網(wǎng)系統(tǒng)不平衡，并進(jìn)行系統(tǒng)提示。

圖7 管網(wǎng)平衡分析框架

3.6 專家診斷模塊

專家診斷是針對(duì)冷站的運(yùn)行特性進(jìn)行綜合性的分析，對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行健康狀態(tài)及時(shí)地進(jìn)行分析與診斷，為系統(tǒng)的維護(hù)和評(píng)價(jià)提供專業(yè)的理論支撐。專家診斷部分主要監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各設(shè)備的關(guān)鍵參數(shù)，結(jié)合大數(shù)據(jù)分析，診斷系統(tǒng)各設(shè)備運(yùn)行的健康狀態(tài)。圖8是專家診斷框架圖，主要從系統(tǒng)、冷機(jī)、冷卻水系統(tǒng)和冰蓄冷系統(tǒng)四個(gè)層面評(píng)價(jià)冷站的健康性。結(jié)合相關(guān)指標(biāo)，提出診斷意見，協(xié)助客戶維持能源站系統(tǒng)的健康運(yùn)行。

圖8 專家診斷框架

3.7 策略仿真模塊

策略仿真模塊用于指導(dǎo)評(píng)價(jià)新控制策略方案的節(jié)能程度，并將新控制策略方案?jìng)鬏數(shù)侥茉凑究刂葡到y(tǒng)，策略仿真模塊內(nèi)含中央空調(diào)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真模型。圖9是中央空調(diào)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真模型的框架圖，它包含了建筑、組合式空調(diào)箱AHU、制冷站等等。這里的群控控制器和AHU控制器都是實(shí)際的控制器產(chǎn)品，例如PLC、DDC、CPN等等［16］。它們通過模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)之間的轉(zhuǎn)化將其與動(dòng)態(tài)仿真模型相關(guān)聯(lián)，控制器產(chǎn)品的控制程序可以基于動(dòng)態(tài)仿真模型運(yùn)行和測(cè)試。

圖9 動(dòng)態(tài)仿真框架

3.8 報(bào)警記錄模塊

報(bào)警記錄模塊對(duì)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)是否正常運(yùn)行提醒作用，主要包括故障報(bào)警、事件記錄、交接班管理和值長(zhǎng)日志四個(gè)部分，如圖10所示。故障報(bào)警系統(tǒng)主要對(duì)系統(tǒng)各設(shè)備在運(yùn)行過程中出現(xiàn)的故障進(jìn)行記錄，主要統(tǒng)計(jì)的故障包括設(shè)備故障和控制故障。事件記錄系統(tǒng)主要對(duì)系統(tǒng)各設(shè)備在運(yùn)行過程中發(fā)生的事件進(jìn)行記錄。當(dāng)系統(tǒng)設(shè)備有事件發(fā)生時(shí)（如閥開到位，泵從就地狀態(tài)切換為遠(yuǎn)程狀態(tài)等），系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)記錄所發(fā)生事件，以便后期管理分析。作為連續(xù)24小時(shí)生產(chǎn)不間斷的能源管理單位，為降低交接班過程中存在的交接遺漏，方便查找記錄，在系統(tǒng)中增加交接班管理選項(xiàng)，加強(qiáng)交接班監(jiān)管，有效減少交接班過程中發(fā)生的問題與遺漏。在運(yùn)行管理中，一般發(fā)生重大操作時(shí)，都會(huì)影響系統(tǒng)安全生產(chǎn)運(yùn)行。甚至引發(fā)一定故障及安全隱患。固要對(duì)所有重大操作進(jìn)行記錄，為方便以后查找問題，保證操作痕跡管理，這里設(shè)置值長(zhǎng)日志功能。

圖10 報(bào)警記錄框架

4 總結(jié)

為了解決冷水機(jī)組由于未獲得良好的運(yùn)行維護(hù)而存在的運(yùn)行狀態(tài)不佳、冷卻水量不足、冷卻塔掛熱效率低、控制策略不優(yōu)化等問題，本文建立了一套大型多聯(lián)供能源站全工況高效系統(tǒng)智能化解決方案，介紹了解決方案路線圖，方案核心部分是能源站監(jiān)控系統(tǒng)和綜合能效管理平臺(tái)。

能源站監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)并傳遞給綜合能效管理平臺(tái)，同時(shí)自帶能耗和經(jīng)濟(jì)性分析功能；綜合能效管理平臺(tái)負(fù)責(zé)空調(diào)系統(tǒng)的在線監(jiān)控、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、負(fù)荷預(yù)測(cè)、能效分析、管網(wǎng)平衡分析、專家診斷、策略仿真、報(bào)警記錄等功能，最主要的是可在空調(diào)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)對(duì)其分析、記錄，并根據(jù)內(nèi)部策略仿真分析結(jié)果提供新的控制解決方案?jìng)鹘o能源站控制系統(tǒng)，并進(jìn)一步分析新策略方案節(jié)能效果，依次循環(huán)。