（上海纳杰电气成套有限公司 上海 201111）
摘要：分布式能源系统（DES）是在用户端的能源的生产,转换及相应服务的小型系统，可以独立或并网运行，通过资源、环境效益最大化来确定方式和容量的系统，将提高能源的综合利用率为首要目标，以实现节能减排为工作抓手,重点在能源负荷中心区域建立分布式能源系统或楼宇分布式能源系统。分布式燃气发电机组，通过“冷热电”三联供实现能源的梯级利用，并在负荷中心就地实现发电余热、就地供电供热，减少电力、热力能源损耗，综合能源利用率达80%以上，通过智能控制系统进行最大负荷跟踪，实现分布式能源系统的信息化、可视化,进一步提高能源利用率。
关键词分布式能源系统 燃气发电机组 智能控制系统负荷跟踪 信息化
0引言
天然气分布式发电主要分为楼宇型和区域型，楼宇型主要应用于商场、写字楼、机场以及医院等场所，一般几百千瓦到几兆瓦，接入方式并网不上网为主；而区域型则应用于工业园区内和商业中心区，规模一般为几十兆瓦，接入方式以上网为主。与传统的集中式能源系统相比，天然气分布式能源具有节省输配电投资、提高能源利用效率、实现对天然气和电力双重‘削峰填谷’。而且天然气分布式能源设备启停灵活，节能环保优势明显。天然气分布式能源能够以自身的优势替代一些传统的供能方式。例如，传统的煤炭锅炉不仅耗能大，而且产生的污染严重，一些建筑采取传统方式以光伏发电，但是受制于天气因素，这种供电方式并不稳定。另外，对于偏远地区，分布式能够完成区域内对“冷热电”的需求，避免建设长输管线和高压供电线路。
1传统分布式发电机组热电联供控制系统缺陷
天然气分布式发电机组的控制系统主要是对外部市电电力负荷进行采集，对二次泵、三次泵、冷却塔风机、引风机、天然气阀、循环泵、补水阀等设备进行控制，对储水罐液位、进水温度、出水温度、流量计进行测量等，以及其它一些辅助设备的开关量与模拟量的采集。而天然气发电机组自带的发电机控制盘主要是负责天然气发电机组内部控制与常规开关信号与模拟信号的输入，不能进行复杂优化控制与功率实时跟踪，这样限制了天然气发电机组功能的发挥以及效率的提升，对分布式发电系统热电联供的投资回报率有着明显的影响。
2现阶段采用分布式燃气发电机组热电联供控制系统优点
现阶段分布式燃气发电机组热电联供采用的控制系统包含发电机控制盘、PLC控制柜、上位机监控系统三个部分。其中发电机控制盘主要控制发电机组启动与停止、设定参数、发电参数调节、外部信号输入与报警信号输出等。PLC控制柜完成其他辅助设备信号采集与处理，实现发电机启动与停止条件逻辑判断、市电仪表参数与市电跟踪参数以及与上位机通讯。上位机监控系统完成各种条件参数的设置、信息状态的反馈、发电机组运行状态与辅助设备的状态。
2．1发电机控制盘主要功能
发电机控制盘处理的信号主要是完成燃气发电机组内部相关信号检测与处理，并且基本功能是燃气发电机组厂家程序固化在控制盘的触摸屏控制器上，程序与功能不能改动。PLC控制柜与发电机控制盘的关联信号见表1。
由表1可以看出，发电机控制盘与PLC控制柜信号，是通过输入输出开关量信号或者模拟量信号完成燃气发电机组的启停和功率调节。发电机组控制盘接收的相关信号后，发电机组控制盘自动进行启动、停止、功率调节等过程。发电机组内部的辅机监视、控制都在控制盘触摸屏上显示。燃气发电机组控制系统原理如图2，从左到右发电机组到PLC控制柜到上位机到数据中心的数据流，从燃气、空气经过发电机组到电能、热能输出的能量流动。
表2燃气发电机组控制系统原理图
发电机控制盘主要监视参数如表3，控制盘对温度监控与电气参数的监控。燃气发电机组正常运行时发电机组内部温度参数如表4，电气参数如表5。除上面描述的参数外，还有发电机的报警信息显示、发电机高级功能设置、运行模式设置、输出参数比例等显示。PLC控制柜是整个分布式发电系统的大脑，控制发电机组与辅助设备动作条件与动作时间，上位机是神经，实时监控燃气分布式发电机组运行状态。
2．2 PLC控制柜主要功能
PLC控制系统完成电机组启动发电机链路与停止发电机的链路。在发电机组启动与停机链路中会检测到其他辅助设备的状态与控制流程，同时PLC实现对市电电网功率负荷的实时检测。发电机组的系统原理图如图6。
图6 热电联供燃气发电机组系统原理图
发电机组热电联供是现在分布式发电的趋势之一，发电机组消耗天然气产生电能的同时也产生热能，转化效率为高达75%。发电机组发出的低压交流电直接与市电通过并网装置并网，并网的电力来调节用户电力负荷，发电机组的冷却水作为内部循环，带走余热锅炉中燃烧产生的高温烟气能量，将循环水加热，热水回收交换器作为主要换热装置，将外部水箱的水在热交换器中加热，内部循环水温度降低后在进入发电机组进行下一次冷却，回水温度过高将会继续放热，将部分热量与冷却塔中冷水进行热交换，保证发电机组内部温度不会过高。冷却塔中冷水同时与发电机组的空气中冷器进行热交换，带走发电机组空气中的热量，有效防止设备过热造成的设备老化。
发电机组控制相关的设备、辅助、泵、传感器见表7。
根据需要控制设备信号与类型的数量，选取的PLC为西门子公司的S7-200系列的CPU-224XP-CN作为本体，采用24V电源供电，PLC模块配置见表8。
发电机组启动条件：1打开引风机→2延时一分钟后打开燃气阀→3检测燃气阀的状态→4开二次泵、循环泵、冷却塔风机、三次泵，检测稳压泵状态，检测三次泵的运行状态→5检测发电机在远方、发电机自动、发电机无故障、上游断路器合闸状态、并网52G断路器合闸，市电电力负荷大于设定→6系统切入后发电机并网运行→7系统按照设定的功率目标进行追踪。
发电机组停机条件：1市电电力负荷逐渐减小→2监视发电确立、发电机轻故障、并网52G断路器状态、发电机自动、发电机重故障、发电机启动、发电机远方等重要信号→3上游断路器合闸状态→4系统切入退出→5监视发电机功率逐渐减小→6 并网52G断路器状态断开→7延时半小时后逐步关闭二次泵，循环泵、冷却塔风机、三次泵、并监视设备状态→8关闭燃气阀→9延时五分钟关闭引风机。
最关键的控制流程为最大负荷跟踪，不管用户负荷怎么变化，需要保证发电机组一直发电状态，减少对市电的需求量，从而减少用户的每月电力需量，PLC控制系统最大负荷跟踪见表9。
在PLC控制系统中，发电机启动与停止只是其中的一个环节，需要通过外部温度，热水储水罐液位、市电负荷来综合判断。发电机组冷却水循环出水90摄氏度经过热交换器后温度降低在80摄氏度左右，降温的冷却水在次进入发电机冷却循环被加热。通过热量交换将外部水加热，同时利用烟气余热锅炉也进一步把外部水加热，达到提高发电机组效率目的，获得电能的同时也获得热能。
2．3 上位机显示与参数设置
上位机通过串口服务器与PLC系统进行数据交换，可以通过上位机设置高级参数、电力系统、热力系统、辅机监控、热量表监控等。通过上位机可以设置启动条件与停止条件，同时可以将各种参数存储起来进行数据分析。可以通过上位机进行画面浏览，参数设置，输出时间查询与状态信息查询，设置时间定时器，满足条件自动启动，不满足条件发电机组停机。
图10 高级参数设置
图10 电力系统画面
图11 热力系统画面
12 热量表与三通控制画面
3分布式燃气发电关键控制程序
控制系统程序主要包括：主程序、市电跟踪、自动、遥测、停机、启机、仪表通讯、上位机通讯、三通阀PID调节等。通过PLC与上位机进行通讯，程序如图13所示，上位机可以对S7-200PLC进行数据通讯，获得PLC内部寄存器的控制权。市电跟踪程序如图14，是分布式发电系统核心程序，决定了怎样对市电功率跟踪，通过动态调整发电机输出功率接近负载负荷，来发挥燃气机组最大使用率，获得燃气机组以最大功率的发电时间，。
图13上位机通讯程序
图14市电跟踪程序
4分布式燃气发电系统的意义
天然气热值为8400Cal/m³，按照正常燃烧效率85%计算，则可换算成约8400*85%/860=8.302kw/m³热量，其中天然气发电效率大概可按照40%计算，则发电量为3.321kw/m³，意味着每立方米天然气大概可以发电3.321度。若天然气价格为1.5元/m³，则每发1度电成本为1.5/3.321=0.452元。消耗燃气成本刚好和电能价值相等，通过热电联供获得的热水中的热能为附加产生的价值。分布式燃气发电可以获得清洁能源设备补贴，目前各个地方补贴存在一定的区别，都是鼓励分布式燃气发电系统。目前上海市耳鼻喉科医院采用的天然气分布式发电与热水供应系统，极大提升燃气利用效率，减少医院热水需要电加热锅炉的数量。上海市耳鼻喉科医院分布式功能系统是将天然气当燃料，因此与以往的原燃油锅炉比较，燃料的成本有所减少；对环境的污染较小。同时系统的热电比及发电效率均明显升高，充分合理地提高了能源的利用率，热电比高说明系统的总热效率也就越高，对余热的回收以及利用的程度也就越高，热损失也较少。
此外分布式功能系统在工程的投资额、天然气的价格以及热价变化等方面具有重要的经济效益，使得总热的效率达到82.53％。进一步实现了对能源梯级的较好利用，有效提高能源的利用率，提高了医院热水的需求；满足生活需要的同时也节约了能源，提高了经济效益。
5结束语
综上所述，分布式燃气发电的热、电的联产系统，能够较好地确保供热的安全性、可靠性；该供能系统具有灵活性强，投资少，输电损失也较少等优点。利用该系统供能，可减少对能源的浪费，提高利用率，此外燃气轮机组可当备用电源，因此具有较大的经济性。特别是对新建的医院可以采用分期分批建设分布式燃气机组热电联供系统，并采用合同能源管理方式进行投资建设，利润分成方式，只要合理设计与科学运行管理，可减少投资回报期。
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论文作者:张超
论文发表刊物:《电力设备》2018年第13期
论文发表时间:2018/8/22
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