1、能量转换与管理修订版终能量转换与管理66(2013)312 - 2013能量转换与管理大型综合冷却系统中的通用的能源管理系统Gideon Edgar Du Plessis ,1, Leon Liebenberg 1, Edward Henry Mathews 1, Johan Nicolaas Du Plessis 1持续研究和工程开发中心、西北大学(比勒陀利亚校区),93号套房,私人包X30 莱恩岭0040年,南非文章历史于2012年10月27日被接受修订后的形式于2012年12月7日被接受于2012年12月18日被公认于2013年1月11日网上可查找关键词能源管理系统大型冷却系统矿井冷却实
2、时控制摘要大型、能源密集型冷却系统被发现在深层矿山提供冷冻水和冷却通风空气。这个需求存在于大型综合冷冻系统的简单的实时能量管理工具中。为了作为特例的通用系统基础上的能量管理工具的深层矿井大型冷冻系统开发了一个通用能量管理系统。该系统连接到矿山的SCADA系统并且突出了分层控制的功能。通过一个集成的、系统的方法，设置点的各种子系统得到了实时优化。实时监测和自动报告功能支持综合的能量管理。在本文中, 提出了将系统的发展和可行性作为一个实用和通用的能源管理平台。对四个大型冷冻系统的不同设计、尺寸和需求的安装启用的现场试验结果被认为是调查这样的能量管理工具的可能性。在所有站点对矿井冷却需求没有产生不利
3、影响的情况下实现了平均节约电能33.3%。另外也显示了在其他大型冷却系统的应用中实现的可能性。2012爱思唯尔有限公司保留所有权利。正文1. 引言可持续能源系统是在许多国家是重点政策1。国际能源署(IEA)显示需求管理(DSM)比传统的供应经济学政策更具成本效益2。有效的能源管理很大程度上取决于行业的类型3。DSM的一个主要应用领域是冷却系统已经被证实4。冷却和通风是能源密集型的,但那也提供了许多潜在的可以通过有效的控制被优化的能源应用领域。因此在DSM来说需要保证可观的回报 5以及各种负载管理工作。这点特别适用于建筑部门6。建筑能源管理系统(BEMSs)在致力于持续的能源管理中得到普及，活跃
4、的建筑系统,如加热、通风和空调(暖通空调)系统7。BEMS系统也已扩展到与可再生能源系统相互影响8、9。近年来为了给BEMS系统提供先进的控制方法做了重要的研究。这些包括模糊遗传10,算法控制 11,神经网络12,进化编程13和在线自适应控制14。然而, 实践证明提供远程控制和实时监测的简单综合的能源管理方法仍然有需求15。在建筑系统中，这些方法已经被Marinakiset al.6和 Doukas et al.7实现了。目前，在构建冷冻系统中，综合实时能源管理的进步还没有发展到和更能源密集型的工业过程一样的程度16。Lee et al.16开发了一个能源管理系统与设备监视和控制系统(FMCS
5、s)一起使用。这个系统监控和优化了暖通空调和冷水机组能量工业信息技术(IT)的运用。Vosloo et al.17开发了一种方法,模拟,优化和控制深层矿井的水网状网络。这需要一个类似的系统开发大型冷却系统,如发现深层矿井。南非深层矿山有大量,独特的整合水和空气冷却系统,足以满足由于开采深度增加和相关的高温冷却要求。这些系统通常消费深层矿井电力供应18总量的20%以上，而采矿业部门只拥有国家电力需求的14%19。考虑到工业能源使用占了世界能源需求的大约三分之一20，很显然应当将更多重点放在提高大型矿井冷却系统能源效率上。本文提出一个简单的、集成的、实时的能源管理系统,可以应用于各种大型冷却系统上
6、发现深矿井。这个系统作为通用综合能源管理工具和用于说明可以从此系统中实现的潜在好处的典型例子。集成实时控制和子系统的优化与自动报告和远程监控相结合。用不同的操作流程各种矿井降温系统现场实验结果显示。主要目标是解决需要一个实用、实时能源管理系统的冷却系统,应用于能源密集的工业过程，如发现矿井。为一个特定的深矿井冷却系统21作的详细研究分析了成熟的能源管理系统在能源消耗服务交付和系统性能的影响。本文介绍了功能性开发能源管理的细节，通过考虑四个明显不同的大型矿井降温系统进一步扩大其应用程序结果。新系统应用到各种矿井降温系统以及显示潜在的扩张到其他大型冷却系统强调了系统应用到各种大型综合性冷却的能源管
7、理系统的通用方法。它突出了一个集成系统达到能量效率利用和可持续发展的现实意义,正如Chai和Yeo所说20。2大型矿井降温系统集成的服务交付要求和操作矿山冷却系统不同于典型的建筑暖通空调系统。大量的矿井水不断冷冻、存储和提供一个集成的网络终端用户。典型的操作流程和相关的能源效率和控制方法当开发一个集成是必要的考虑能源管理系统。2.1操作深层矿井需要冷冻水用于各种目的。这些包括大部分冷却通风空气,冷却的岩石演习和其他机械、岩石大规模操作,除尘措施和地下冷却车或现货冷却器22。合并后的冷却能力增加，操作通常要求30MW的电力供应或者更多23。庞大而独特的设计,集成冷却系统是必需的。这样的系统是安装
8、在地面上和地下作为典型的半封闭式循环矿井的不可分离的部分水网状系统24。图1显示了一个通用的原理流程布局冷却系统,表明典型的子系统交互,水流,电能和热能流输入和从系统中出来。热水从终端用户进入存储大坝约为30 - 35 ，然后从这里由水泵注入冷却塔。这些通常是鼓风式直接接触热交换器,略高于周围的水降温温度(25)。冷却水被抽送到大型水冷冷却器降温至大约2 。具体安排和冷却器的大小决定于每个特定的矿井需求。制冷机冷却水被抽送到另一组冷却塔，在这了热能会散失到环境中。冷冻水被直接抽送到各种工作地点和各种地下最终用户或抽送到空气冷却器(BACs)26。BAC是一种冷却传入的环境空气以确保所需的合法湿
9、球温度在27.5摄氏度或更低的蒸发冷却器17。对冷冻水的需求是零星的，并且由于终端用户的复杂网络而相对不可预知结果的。冷冻水存储大坝的位置和大小在确保每个特定矿井的不同要求可以被满足中扮演了一个重要的角色27。存储水坝网络通常允许旁路和/或互联再循环的水所需要操作的变化条件。电能输入提供制冷压缩机和冷却塔等辅助设备的风扇,BAC的风扇,冷冻水泵、冷却水泵和各种转移水泵。热能从冷却塔、冷凝器的冷却水塔和冷水机组蒸发器中被转化。热能转移到BAC的水冷水机组或冷凝器中。各种不同的流程设计和操作程序调节不同矿井的冷却负载和需求。一个系统与多个并行冷却器冷却时通常使用在负荷主要是由季节性变化影响需求水量
10、的情况下。平行排列的冷却器连接成系列通常用在季节性变化在入口水温也有影响时28。在一个级联布局内带调节大坝的两套分开冷却装置是另一个适应温度和流量的变化的方法。只为BAC系统提供冷却水并且没有储水大坝的闭环水冷系统存在于冷却水作为矿井的备用供应时。制冰工厂也被某些特殊的应用程序整合与冷冻水系统提供额外的能力或作为热存储系统29。地下冷却系统通常与地表工厂有类似的设计但有明显不同的操作条件来完成相应的指定和控制。很明显,矿井有效的能源管理冷却系统取决于至少两个操作特征。首先,相互依赖的子系统和操作热能和电能的各种流动必须组成集成系统并且优化管理。第二,大范围的设计为了成为几乎足够通用的管理工具必
11、须满足与之相适应的变化。2.2能源效率改善能源和成本效率的矿井冷却系统已经被各种调查研究。Del Castillo (30)研究空气循环制冷系统的使用,而不是BACs提供冷却通风空气的水供应,从而节约冷却和抽水的能源成本。Swart31认为电力成本的优化可以通过开发一个地下冷却装置和通风设备的负载转移模型。Pelzer et al.32开发了一种策略,减少和控制了冷却器入口水温的提高性能系数(COP),定义为制冷机的冷负荷与制冷压缩机的能量比。这些策略的改善了矿井冷却系统的能量效率。然而,一个中央的能源管理系统,不仅控制特定子系统的节能策略,而且显示和管理集成系统但其优化的辅助设备还没有被开发
12、出来。能源效率和控制系统之间有很强的相关性33。矿井通风系统的优化控制系统的调查已经进行了很多年34 -36。在其他领域，复杂的数学模型也被引入大型冷却系统的最优控制37 -39。然而,大多数这些系统不同时解决运营效率的问题,控制鲁棒性(40)和计算成本。因此，其复杂性通常会造成实现起来是不可靠,不切实际的41。因此对一个集成、通用的大型矿井能量系统的能量管理系统的要求是高效并足够实用、安全和可靠的。3能源管理系统描述实时能源管理系统的能源管理系统冷却系统辅助设备(REMS-CA)被认为是一个大型矿井降温系统的中央能源管理工具典型的例子42。它的焦点是一个通用的工具系统的能源效率和能源综合管理
13、方法。功能包括一个安全的监督功能规范,一个简单的优化和分级控制系统,自动报告系统和一个易于使用的互动监控平台。3.1系统架构能源管理系统集成了现有的矿井通信网络分层级联控制器,如图2所示。这个系统架构包括由当地网络可编程序逻辑控制器(PLCs)控制的内部控制循环和由中央监控管理控制与数据采集(SCADA)系统控制的外部控制回路。这样可以确保完全控制和监控整个公司的网络，数据采集和集中能源管理44是受欢迎的方法43。REMS-CA服务器与矿井通信SCADA客户机通过OPC协议(对象链接和嵌入过程控制)控制45。该协议保证了两个独立的平台的实时数据交换。因此使能量管理系统能写和读值主PLC,与所有
14、现场仪表进行交互和执行机构,如图2所示。OPC连接使系统集成到任何矿井SCADA,从而确保所有能源管理工具可以通用。SCADA和PLCs之间的信息通量一般通过以太网或现场总线网络。这样的网络很明晰,因此允许所有子系统简单的可访问性。能源管理系统是通过访问服务器交互式用户界面的,通常从个人电脑(电脑)。这允许用户监视和控制能量管理系统与现有的SCADA系统。域控制器也有人机接口(HMIs)启用优先控制的紧急情况。3.2功能规范图3显示了REMS-CA作为能源管理器的关键功能。在系统定制特定的冷却系统通过一个用户友好的可视化编辑器套件,首选项可以提供在用户界面上。这种偏好通常包括允许控制设备和特定
15、子系统设置的局限性点,以确保服务交付需求得到满足。高输出是指实时监控能源使用和高水平的输出所有系统参数,实时优化和控制子系统和辅助设备和自动日报,周报能源消费及其和月度报告管理。典型的主概览窗口REMS-CA所示图4。这图显示了综合布局的具体矿井冷却系统以及自动控制致动器,在这种情况下各种变速驱动器(VSDs)和控制阀门。各种屏幕可以导航选项卡,设置有定制、手动和自动模式可以选择。界面的布局色彩鲜艳、直观和操作员容易使用,推荐者Avouris46。REMS-CA、SCADA、PLCs和冷却系统的各种通信和控制场景之间的安全性是很重要的。冗余必须内置在电脑管理系统,以确保它作为一个自动装置控制器
16、是可行的。图5显示了通信和控制路径指定的连接REMS-CA现有冷却系统网络。REMS-CA有自动和手动控制模式。这允许用户在特殊情况下选择自动优化设置点覆盖和手动优化设置点覆盖。SCADA已经发展到包括提供REMS-CA控制权限的选项。PLCs通常可以从HMI本地控制或从中央SCADA自动控制。图5中的流程图表示的是各种选项指定控制回路,因此控制永远不会失效。当所有PLCs在内部自动控制模式下,所有 SCADA和REMS-CA控制权限在外自动控制模式下，预计可能出现最优性能。在除了指定的通信需求下,备份REMS-CA服务器可以确保自动故障转移到一个镜像平台。这时冗余是内置在系统里的，它可以被认
17、为是适当的安全矿井冷却系统的实际应用。3.3控制和集成能量管理系统的控制能力的主要目标是控制子系统和辅助设备优化的电能消耗冷却系统集成。这样做是尽可能减少计算时间和成本、改善服务质量和让系统实现长时间的可升级性和维护。典型的例子包括控制冷却系统的设备冷冻水泵、冷却水泵和BAC供应水阀门。VSDs通常用于控制泵电机的轴转速,车床能源消耗和水的流量。电动或气动执行机构一般用于控制水阀的位置,从而也控制水的流量。在REMS-CA中有一个通用控制器功能。这功能指可以由用户选择特定的函数编辑子系统程序和适当的局部控制。例如,图6显示了一个通用的编辑窗口变速驱动控制器。它可以根据特定的系统和变速驱动的应用
18、程序选择一个大坝的水位、水温差或者作为控制器的控制参数的环境焓。多个控制器可以插入和创建系统,确定网站设计和所需的控制参数。图7是一个总结在REMSCA在图1所示应用于通用矿山冷却系统优化过程中典型的通用控制器的控制和集成的示意图。可以看出各种通用控制器可以创建和定制各种工厂PLCs通信。根据定制被控制设备的类型和相关的子系统交互控制和优化程序。图7通过考虑把控制器1作为例子显示了分层控制和优化的方法。在这种情况下,控制器通过VSD设置控制冷冻水泵速度。用户首先定义调试期间变速驱动频率控制的限制。然后选中设置点的类型。在这种情况下,泵将调制来维持冷冻水大坝水平集点。考虑各种参数，再由能源管理系
19、统优化大坝水平集的价值点。如果一个定义覆盖值或矿井计划值不存在,系统则通过简单的嵌入式算法控制最小化上层频率限制。在这种情况下,目标是确保制冷负荷尽可能的低,同时要求冷冻水温度保持10%的偏差、冷却水和pre-cooling大坝水平。随后将energy-optimised输出设置点和频率发送到相关的限制PLC来实现和控制本地的proportional-integral-derivative(PID)控制回路。其他子系统控制方法是由示例所示的能量管理系统近似地实现的。冷却水泵根据在冷水机组的冷凝器的设置点控制水温。大部分空气冷却器泵都是由一个前馈控制回路根据周围的焓控制。大部分空气冷却器返回泵是
20、用于调制维护空气冷却器水大坝的水平。预冷的泵根据pre-cooling水大坝的水平控制。因此允许开发的能源管理系统简单和优化的控制子系统，同时考虑到与其他子系统的实时交互。一个控制器和控制器功能的优势能源管理系统是,大量的子系统在不增加计算成本的情况下可以最优化的控制在一个集成的方式。此外,设计控制器的通用型还允许各种不同的矿井降温系统布局。电能综合冷却系统的不同网站可以被相同的基本能源管理工具使用实时优化同时管理,为每个单独的工厂定制。3.4监测和报告实时监控监测功能支持实现综合能源控制工具的管理。这是一个REMS-CA平台给用户的各种监测、统计和图形显示工具单独的标签。典型的例子包括跟踪日
21、常整体冷却系统的图表及其子系统的能耗,关键系统参数或大坝水平温度和节约成本意识的实时计算的管理系统跟踪等。自动报警系统还可以设置提醒用户能源使用异常,系统performanceor网络等相关问题。图8是系统平台监控页面的例子。REMS-CA的监控功能是自动补充报告和数据备份功能。这个系统使用记录装置和电力数据自动创建一个定制文档以报告能源使用、能源和节约成本,以及在预先确定的基线的基础上建议操作领域冷却系统的改善和集成。这些报告创建有每日、每周和每月的形式。所有报告,警告和建议系统本身都可以访问或通过电子邮件或移动手机短信自动发送。监督能源管理系统通常专注于单一终端用户，主要考虑监控系统16。
22、进一步发展这个概念,能源管理系统服务器连接到一个网络,其中包括参与冷却系统的能源效率的所有利益相关者。图9所示就是这样一个网络。当地的矿井网络通常是连接到显示器的，它显示矿井的核电站和中央控制室。一个无线路由器进一步允许远程连接到外部位置，如能源服务公司(ESCo)负责实施的控制室,矿井组的能量管理或电力供应实用程序。该系统使感兴趣集成的网络具有实时监控功能和使用报告可访问性。这样可以确保通过自顶向下的方法完成能源管理，节能性能通常在管理水平中关注度日益增加。4实验验证在对能源管理工具的可行性进行建筑系统评估方面，用虚拟的发展方法做了各种努力47，48。同样,仿真模型最初用来在各种矿冷却系统评
23、估这种新能源管理的可行性49。有前途的虚拟的结果导致了矿井的REMS-CA四大冷却系统实现的经济可行性。四个冷却系统的细节设计,功能和规格在表1中给出。四个网站有不同的配置和操作方法。他们包含最典型的深层矿山系统冷却。重要的原位试验结果从每个网站调查的可行性,REMSCA的实用性和通用性作为中央综合能源管理系统的一个典型的例子。精确测量的数据从工业节能能源效率项目上可以减轻不确定性，此类项目的效果和提高未来预期的估计节省有类似系统50。因此,在能源效率的测量和验证准则和需求管理(EEDSM)项目和计划Eskom公司服务部门保证和出版的司法部门来验证节能效果遵循同样的原则51。这些原则符合南方非
24、洲标准局给出的测量和验证节能项目的规范52。使用回归模型来准确确定冷却系统每日的能量节省是一种广泛使用的工业验证方法51。因此, 由一个独立的审计师为每个站点设计的合适的缩放参数识别和用于计算冷却系统每天电源能源管理系统来实现。4.1并行冷水机组系统矿井REMS-CA第一个冷却系统的安装需要使用六个在不同季节提供变量水流的平行冷却器。该系统包括在所有pre-cooling VSDs、冷冻、冷却和BAC水泵安装节能设备。能源管理系统通过优化各种参数设置点在一个集成的的方式控制所有VSDs的速度。局部控制参数包括冷冻水大坝水平,冷却水温度上升,周围的焓和预冷水大坝的水平。多个制冷机加载需要满足地下
25、冷冻水和BAC的要求，也能实时确定并行制冷机的最佳数量。REMS-CA系统和冷冻系统相结合实施前后每天的平均冷功耗如图10。考虑夏天的三个月作为评估周期。结果表明,除8天, 集成系统正面的每天净储蓄都有结果。考虑时间时期，平均节省达到1865千瓦,或平均preimplementation基线的31.7%。这就意味着每年节约运营成本784036美元。日常节能的变化可能会因为所示因素,如环境条件,矿井水要求和进口温度都会影响日常降温需求。程度辅助设备和制冷负荷可以优化，但取决于日常需求。研究发现，在实现前，平均17.5毫升/天的冷冻水体积在类似的条件被送往地下。这在安装启用后降低了6.9%。然而,
26、 启用之前每日最低流量为5.8毫升/天, 启用之后7.6毫升/天。这意味着,尽管平均流量有所减少, 地下终端用户的冷冻水可用性并没有减少。启用后每日平均冷冻水温度从3.8增加至4.3摄氏度。这个主要是冷冻和冷却水流率的变化影响个人制冷机容量控制性能的结果。然而,这个矿藏要求水温保持在5度以下。冷冻水温度的微小增加仍不到矿指定的最高温度。人员监控矿井系统从中央控制室以及远程从中央能源管理办公室发送的能源的冷却性能。这个功能和自动每日报告都被用于能源管理过程。当REMS-CA反馈能源效率低下时，就需要现场联系运营商在各种场合对性能或子系统的maintenance-related的问题进行调查。不仅
27、在系统的能源管理工具的操作方法上直接节约能源,而且积极能量管理的支持工具也实现了间接节能。4.2混联制冷系统REMS-CA也实现了与矿井两个冷却装置串联,与另一个相同的两个系列冷水机并联成组。因此被称为混联制冷系统，并满足矿井冷冻水温度以及流量要求的灵活性。这个系统启用一个月的结果被用来评估对子系统表现的详细影响21。启用两个月的结果在这里被用来考察新能源管理系统的普遍影响和与本文中给出的其他系统进行有效比较。在这个矿井安装的节能设备包括VSDs的三个冷冻水泵、三个冷却水泵和两个BAC泵以及三个BAC水控制阀供给线。类似于第一个冷却系统，所有这些子系统由REMS-CA共同控制。然而,这些水泵供
28、给子系统是流形。因此，控制和优化程序适应控制泵组而不是单个水泵。同时,优化冷水机组负荷不能与并行冷却器以同样的方式运行。因此，水温在系列冷水机领先和滞后之间的互动这些因素也被认为是这种冷却系统的优化程序。在夏天的三个月里整个系统功耗的降低据调查分别为32%、32%和41%。在评估期，系统平均功率从7 361千瓦减少到4752千瓦。节能可转化为电力消耗基线的35.4%,相当于节省费用1095611美元。日常节能的变化低于第一冷却系统,主要是由于关于多个冷却负荷更少的选择。图11显示了日均冷冻水大坝温度和设备安装启用之前和之后输送到地下水的总量。结果表明,在启用前冷冻水大坝温度在5.3和7 之间，
29、设计温度为6 。此外, 送到地下典型的冷量水在24.5毫升/天和30.5毫升/天之间，设计点为27毫升/天。上限温度和下限的体积是在矿井服务交付时必须考虑的参数。可以看出，设备安装启用后，平均冷冻水大坝温度仍低于上限,平均在6.4 。这只是一个由于冷却水流量的减少和BAC用水量的降低而导致的边际服务水温的增加。很显然,制冷机容量设计是由维护设置点出口温度不同的水流速度控制的,考虑到流率是在机器允许的一定范围内。平均温度微小的增加可以归因于维护一组大坝水平的新控制方法。这需要大量的水长时间停留在大坝,导致略大的温度增加。然而,7以下的冷冻水温是矿井可以接受的。图11还表明，输送到地下的水的体积是
30、27.4毫升/天,仍高于24.5毫升/天的下限。这表明服务水供应没有降低并且由于冷冻和BAC水流率的减少的结果而有可用性。影响一个集成的冷却系统能源管理系统的效率可以通过考察被评估系统的COP的方法。COP定义为冷却系统的总冷负荷总量与电能输入的比率。图12显示了设备安装启用之前和之后系统每日平均COP以及混联冷却系统的相关热负荷。图12显示了虽然合并后的冷却负荷保持在相同的范围内,但是系统的COP增加了36%。这一结果表明, 在电能消耗明显降低的情况下，整个工厂的冷负荷或整体服务交付不协调。在热负荷非常高的情况下，设备安装启用之前和之后热负荷非常相似。这是可以预料到的,因为在优化范围更窄的白
31、天，高热需求需要较高的电能输入。这意味着,当系统负荷减少,通过中央能源管理系统通过匹配水量供应和需求增加实现part-load节能。4.3级联大坝系统第三个冷却系统用于验证REMS-CA使用向中间存储大坝供水的四个平行冷却器。废水从这个大坝注入最后的冷冻水存储水坝之前会通过一个单独的冷却器。因此布局分离特性可以是梯级水坝冷却器。这计划还允许蓄热器灵活的适应流量和温度变化要求。然而,矿井通常是一个冷却器从两组全天操作,并允许任何多余的水分循环。REMS-CA控制安装在VSDs上所有的冷冻水控件和冷却水泵。也考虑到两个级联集的冷水机的最优调度。这是站点的一个重要的特性，因为存储水坝提供在高峰时期典
32、型的最终用户的用水需求潜在的热存储,级联制冷机系统也被考虑其中。图13显示了典型的集成冷却系统的日常电力消耗。设备安装启用后的变化概要文件是归因于这两个冷却系统的优化调度和加载。从晚上11：00到凌晨02:00,每个冷却器系统根据地下水岩石在这段时间里操作的全面要求操作维护两套大坝的水平。这之后的一段时间更多的冷却装置为了填补满足地下的水量需求大坝而运行。从07:00到10点所有冷水机为了最大化节约成本停下来，因为这时段被定义为一个峰值时间，这段时间电力成本高。钻井操作在此期间使用存储水。白天其他时期的类似趋势可以在权力配置文件看到。在图13也可以看到, 在part-load条件下，能耗降低明显。例如,在16:00和17：00没有大的水量需求，冷却装置只是操作维护现有的大坝水平。水流因此大幅减少,可以是part-load节能
