大型多联供能源站全工况高效系统智能化解决方案研究

严琨，刘磊，黄飞强，卜世杰，秦礼鹏

（国家电投珠海横琴能源发展有限公司，珠海，519031）

0 引言

目前的区域供冷系统，冷源是系统核心及最大耗能设备。为了实现冷水机组高效运行，需要进行长期专业化管理。在大量工程中，由于冷水机组未获得良好的运行维护，存在运行状态不佳、冷却水量不足、冷却塔挂热效率低、控制策略不优化等问题［1-11］，导致运行效率长期达不到最佳水平。

基于大数据系统，可以利用其挖掘算法和计算能力的优势，针对全年不同运行工况，对冷水机组开展智能化健康度分析与节能诊断，从而采取对应解决方案，提升系统运行能效。相比传统研究方法，采用大数据分析方法的效率和精准度有明显提升［12-15］，故而本文基于珠海市横琴新区某大型区域供冷供热项目研究大型多联供能源站全工况高效系统智能化解决方案，这对解决供冷系统运行维护不佳、运行能效低下等问题具有重要意义。

1 研究方法

本文研究的大型多联供能源站全工况高效系统智能化解决方案主要包括能源站监控系统和综合能效管理平台两部分，图1是大型多联供能源站全工况高效系统智能化解决方案路线图，具体的实现流程如下：

图1 大型多联供能源站全工况高效系统智能化解决方案路线图

（a）能源站监控系统采集能源站供冷系统实际运行参数数据，实现实时运行参数的显示，能够直观地通过监控界面了解各能源站的实际运行情况；

（b）能源站监控系统将采集的实际运行参数数据传递到综合能效管理平台，综合能效管理平台包含在线监控、数据统计、负荷预测、能效分析、管网分析、专家诊断、策略仿真、报警记录等功能；实现对能源站的运行状况进行实时监控、分析、预警及诊断；

（c）综合能效管理平台内含空调系统仿真模块，综合能效管理平台对能源站的运行状况进行分析及诊断后，会提出一种新的包含优化运行控制策略的解决方案，该方案会自动进入仿真模块进行模拟，得到满意节能效果后，将优化运行控制策略传递给能源站控制系统，能源站控制系统通过控制器执行新的控制策略，运行一段时间后，能源站监控系统重新采集能源站供冷系统实际运行参数数据，因此循环分析。

2 能源站监控系统

直观的了解能源站空调系统运行情况离不开能源站监控系统，能源站监控系统不仅仅是采集实时运行数据，还包含能源站能耗分析模块、用户群用冷分析模块以及能源站经济性分析模块三大部分。能源站能耗分析模块用于实现实时运行参数的显示，能够直观地通过监控界面了解各能源站的实际运行情况。用户群用冷分析模块主要根据行政区域和换冷站供冷区域对横琴新区的用户进行划分，便于统计、管理、分析各用户群的用冷状况。能源站经济性分析模块侧重于对能源站的各项用能等情况进行经济性的评价，便于用户把握能源站的经济运行情况。

2.1 能源站能耗分析模块

能源站群能耗分析实现各能源站能效值的监测，并对各能源站的能耗及制冷量分别进行排序，便于管理人员宏观把控各能源站的能效情况。

2.2 用户群用冷分析模块

用户群用冷分析功能如下：

（1）用户群用冷量对比分析

通过复选框，可以根据用户操作单选或多选用户群的用冷情况进行对比分析，以曲线图的形式展现。

（2）用户群用冷量同比分析

通过复选框，用户可选择某一用户群进行单独分析。通过同比分析，对比往年同时间段内用户用冷量的变化情况，可以忽略掉季节对用户群用冷情况的影响。

（3）用户群用冷量环比分析

用户群用冷量环比的分析，可以用于与上一个时间段之间的用冷情况进行对比分析，分析用户是否存在短期内的异常用冷情况。

2.3 能源站经济性分析模块

能源站群经济性分析功能如下：

（1）数据采集

通过销售经营类数据库平台收集每个能源站的数据并进行汇总，主要包括以下数据：各能源站的制冷量、累计制冷量、输送到各个项目的制冷量、累计输送到各个项目的总制冷量、销售价格、该能源站的耗电量、耗水量、耗蒸汽量、电价、水价、蒸汽价格。

（2）蒸汽折算标准煤计算

根据压力-焓表，查对应状态下的蒸汽焓值，然后折算成标准煤。本项目采用的蒸汽压力约为0.8 MPa；查蒸汽的压力-焓表得0.8 MPa的蒸汽焓值为2768 KJ/kg，我国规定每千克标准煤的热值为7000千卡，每千焦折算成每千卡的系数为0.2389。

蒸汽折算标准煤计算公式为：

式中：

N——折算的标准煤，kg；

T——压力为0.8 MPa的蒸汽焓值，为2,768 MPa/kg；

Na——消耗的蒸汽量，kg；

（3）电量折算标准煤计算

每千卡折算成每千焦的系数为4.18，每千克煤转化为电的效率约为0.32，得每度电折算标准煤计算公式为：

式中：

N——折算的标准煤，kg

Ma——消耗的电量，kW•h

η——煤转电的效率，0.32；

（4）盈亏计算分析

根据历史统计数据，按月、季度、年计算出各个能源站的盈亏情况，对各个能源站的盈亏进行横向对比并出具能源站盈亏报告。报告可以显示各个能源站的具体收益以及各项费用支出比例，让用户对能源站的盈亏情况充分了解。同时，平台会为用户提供能源定价作为参考，以及对应收益的百分比。用户也可在平台内手动输入能源价格，根据输入值直接计算出该价格下能源站的收益情况。

3 综合能效管理平台

综合能效管理平台是大型多联供能源站全工况高效系统智能化解决方案比较核心的部分，如图2是综合能效管理平台整体框架，包括在线监控、数据统计、负荷预测、能效分析、管网平衡分析、专家诊断、策略仿真、报警记录和在线报修等模块，可对能源站运行情况进行实时监控、分析、预警及诊断，并能自发提供优化解决方案给能源站控制系统，实现能源站空调系统节能运行。

图2 综合能效管理平台整体框架

3.1 在线监控模块

在线监控系统主要包括输配系统在线监控、机组在线监控、水泵在线监控、冷却塔在线监控四个部分，如图3所示，可通过动态三维界面实时显示现场冷站实时运行情况、能源站关键运行参数及声光报警。输配系统在线监控实时动态显示输配系统的管网及设备运行工况，监测主管网运行参数及辅助显示制冷主要设备运行情况，使运行人员及调度人员直观判断管网运行情况；运行人员根据实时参数，可进行管网故障的预判。机组在线监控，可实现对双工况主机、基载主机、吸收式主机等进行监控。水泵在线监控、冷却塔在线监控支持用户根据可选时间段查看历史运行曲线的变化，以及实时显示关键运行参数。

图3 在线监控框架

3.2 数据统计模块

图4是数据统计框架，数据统计模块负责统计室外气象参数、系统及设备运行参数，并形成数据报表及图形报表；支持自定义报表输出。平台会定期为用户提供详细监测数据报告，便于用户随时查看。

3.3 负荷预测模块

图5是负荷预测框架，负荷预测模块首先针对建筑负荷进行分析，结合采集的室内外气象参数，通过内置的负荷预测算法对下一阶段的建筑负荷进行预测。负荷预测的主要优势是在可以提前预知负荷占比的前提下指导冰蓄冷空调系统的优化运行，确保中央空调系统设备稳定安全运行达标。

图5 负荷预测框架

负荷预测与冰蓄冷空调系统的运行节能息息相关，它可以指导冰槽蓄冷量，结合当地工业用电峰谷电价合理调配冷源设备，为冰槽释冷优化控制提供基本依据，实现良好的经济性。

3.4 能效分析模块

基于不同控制模式对系统进行能效分析，主要的分析内容包括用能分析、冷量分析、能效分析、负荷转移分析、能源站经济性指标。如图6是能效分析框架，用能分析包括耗电量与耗热量，本设计的处理方式把耗热量转换为电，统一用耗电量来表示系统的用能情况。冷量分析通过饼图监控不同供冷机组设备的供冷量占比，将不同控制模式下的制冷分量展示出来。能效分析包括供冷机组的能效、水泵和冷却塔的输送系数。负荷转移分析以峰段释冷百分比与负荷转移率两个指标来评价。峰段释冷百分比研究夜间谷段蓄冰量、峰段释冷量以及峰段释冷百分比之间的综合性分析，分析蓄冰量是否真正的起到了“削峰填谷”的作用。负荷转移率为蓄冰量与建筑物日总冷负荷之比，通过负荷转移率分析可以得出蓄冰量能够承担或能承担多少比例的用冷需求以及峰值用冷需求，为蓄冰量的优化提供数据支撑。

图6 能效分析框架

3.5 管网平衡分析模块

一次管网的水力失调是导致管网能量输送效率下降和供冷质量下降的关键因素。因为能量输配不均，导致末端冷量浪费和末端制冷效果不明显。管网平衡分析模块主要分析冷量供需平衡、换热平衡、电调阀最优区间、管网水力平衡四个方面，具体的管网平衡分析框架如图7所示。冷量供需平衡即能源输送比，该数值能反映出制冷站运行状态是否与用户负荷达到完美匹配，具体输送比率应根据现场实际校验确定。换热平衡为换冷站的换热器换热效率。换热平衡直接反应板式换热器工作效率。系统会根据实时数据采集。通过调节阀行程改变量与管道流量改变量计算调节阀使用行程状态。主管网系统水力平衡可分为主站分支平衡、换冷站平衡和换冷站板换平衡三部分。全部平衡以回水温度与上级主管回水温度比较，计算不平衡度。当不平衡度超过一定值视为管网系统不平衡，并进行系统提示。

图7 管网平衡分析框架

3.6 专家诊断模块

专家诊断是针对冷站的运行特性进行综合性的分析，对系统的运行健康状态及时地进行分析与诊断，为系统的维护和评价提供专业的理论支撑。专家诊断部分主要监测系统各设备的关键参数，结合大数据分析，诊断系统各设备运行的健康状态。图8是专家诊断框架图，主要从系统、冷机、冷却水系统和冰蓄冷系统四个层面评价冷站的健康性。结合相关指标，提出诊断意见，协助客户维持能源站系统的健康运行。

图8 专家诊断框架

3.7 策略仿真模块

策略仿真模块用于指导评价新控制策略方案的节能程度，并将新控制策略方案传输到能源站控制系统，策略仿真模块内含中央空调系统动态仿真模型。图9是中央空调系统动态仿真模型的框架图，它包含了建筑、组合式空调箱AHU、制冷站等等。这里的群控控制器和AHU控制器都是实际的控制器产品，例如PLC、DDC、CPN等等［16］。它们通过模拟信号与数字信号之间的转化将其与动态仿真模型相关联，控制器产品的控制程序可以基于动态仿真模型运行和测试。

图9 动态仿真框架

3.8 报警记录模块

报警记录模块对空调系统运行状态是否正常运行提醒作用，主要包括故障报警、事件记录、交接班管理和值长日志四个部分，如图10所示。故障报警系统主要对系统各设备在运行过程中出现的故障进行记录，主要统计的故障包括设备故障和控制故障。事件记录系统主要对系统各设备在运行过程中发生的事件进行记录。当系统设备有事件发生时（如阀开到位，泵从就地状态切换为远程状态等），系统会自动记录所发生事件，以便后期管理分析。作为连续24小时生产不间断的能源管理单位，为降低交接班过程中存在的交接遗漏，方便查找记录，在系统中增加交接班管理选项，加强交接班监管，有效减少交接班过程中发生的问题与遗漏。在运行管理中，一般发生重大操作时，都会影响系统安全生产运行。甚至引发一定故障及安全隐患。固要对所有重大操作进行记录，为方便以后查找问题，保证操作痕迹管理，这里设置值长日志功能。

图10 报警记录框架

4 总结

为了解决冷水机组由于未获得良好的运行维护而存在的运行状态不佳、冷却水量不足、冷却塔挂热效率低、控制策略不优化等问题，本文建立了一套大型多联供能源站全工况高效系统智能化解决方案，介绍了解决方案路线图，方案核心部分是能源站监控系统和综合能效管理平台。

能源站监控系统负责采集实时运行数据并传递给综合能效管理平台，同时自带能耗和经济性分析功能；综合能效管理平台负责空调系统的在线监控、数据统计、负荷预测、能效分析、管网平衡分析、专家诊断、策略仿真、报警记录等功能，最主要的是可在空调系统发生故障时对其分析、记录，并根据内部策略仿真分析结果提供新的控制解决方案传给能源站控制系统，并进一步分析新策略方案节能效果，依次循环。