船厂空压站的数字化节能监测要求及系统设计

赵建帮 王 超

（1.大连船舶重工集团有限公司，大连 116006；2.中船第九设计研究院工程有限公司，上海 200063）

压缩空气是现代制造企业的主要动力源。全国能源基础与管理标准化技术委员会的有关资料统计，工业压缩机系统年耗电量约占全国总发电量的9%[1]。在船舶生产企业中，一座中型船厂空压站的空压机容积流量为1 000 ～2 000 m3·min-1，年电能消耗占企业总耗电量的25%～40%。空压站作为船厂的用能大户，了解其运行能效是船厂减碳降本的重要前提。在物联信息技术蓬勃发展的当下，通过数字化手段建立船厂空压站的在线节能监测系统，实现空压站能效实时状态的连续监测，可为空压站的节能运维提供重要支撑。

1 空压站节能监测要求

1.1 相关规范要求

《空气压缩机组及供气系统节能监测》（GB/T 16665—2017）规定了运行中空气压缩机组及供气系统的节能监测项目、监测要求和方法、测试项目计算方法和节能监测评价等[2]。《交流电气传动风机（泵类、空气压缩机）系统经济运行通则》（GB/T 13466—2006）规定了空气压缩机系统经济运行的基本要求、判别与评价方法和测试方法[3]。《船舶生产企业主要耗能设备管理要求》（GB/T 36218—2018）对船厂空压机组的排气温度、冷却水进水温度、冷却水进出水温差和机组用电单耗提出了监测要求及相应的合格指标[4]。《船舶生产企业能源综合管控通用要求》（GB/T 37325—2019）和《船舶生产企业能耗评价方法》（GB/T 36219—2018）将空气压缩机组用电单耗作为船舶生产企业主要耗能设备能耗评价指标。《压缩空气站能效分级指南》（T/CGMA 033001—2018）提出了综合输功效率的指标，并根据此指标对空压站进行能效分级，该指标综合考虑压缩空气站的回收热能、压缩空气含油量和湿度（干燥程度）等因素，可对空压站进行系统性的节能评价。

1.2 节能监测项目和评价指标

根据相关规范要求，空气压缩机组及供气系统主要的节能监测项目可大致分为空压站、空气压缩机机组、干燥机、过滤器和管网等，相应的合格指标如表1 所示，其中P为电动机的功率。

表1 节能监测项目及合格指标

2 空压站数字化节能监测系统设计

2.1 系统构架

针对船厂空压站的节能监测项目及评价指标要求，设计数字化节能监测系统，实现空压站运行节能数据的在线监测、记录、分析和报警等，以方便管理。空压站数字化节能监测系统架构如图1 所示，主要包括设备仪表层、数据采储层和平台应用层。其中：设备仪表层对照监控系统测点配置要求，接入空压机、干燥机、冷却塔等设备和阀门、流量计、压力变送器、电表等仪表信号；数据采储层满足数据采集、转发、转换、通信、存储等抽象业务服务，包括可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）、网关、交换机及服务器；平台应用层支持系统在个人计算机（Personal Computer，PC）端进行应用展示，对数据进行实时监测、记录和能效分析，实现人机交互。

图1 空压站数字化节能监测系统架构

2.2 设计方案

2.2.1 设备仪表层

空压站除接入空压机、干燥机、冷却塔及水泵等设备的信号外，按照《空气压缩机组及供气系统节能监测》（GB/T 16665—2017）及《用能单位能源计量器具配备和管理通则实施指南》（GB 17167—2006）实时监控系统测点的配置要求安装测量仪器仪表，监测电量、压力、流量、露点等有关能效参数。

各仪器仪表的测量精度应符合相关标准规定，具体要求：有功电能表的准确度应不低于1.5 级；有功功率表的准确度应不低于1.0 级；气体流量计的准确度应不低于1.5 级；转速表的准确度应不低于0.5 级；温度表的准确度应不低于1.0 级；测量仪器仪表应根据相应的标准或规程进行校准。

2.2.2 数据采储层

数据采储层应满足多种抽象业务服务，支持业务集成、应用集成、数据集成和流程集成，具备稳定性和快速拓展的能力，确保系统信息交换和资源共享。

第一，数据采集。通过PLC 集中采集和控制设备的输入/输出（Input/Output，I/O）点。

第二，数据转发。数据转发模块通过对象链接与嵌入的过程控制（OLE for Process Control，OPC）采集I/O 点数据，组成JS 对象简谱（JavaScript Object Notation，JSON）格式的主题报文，采用消息队列遥测传输（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）协议，发布到消息中间件EMQX 软件上。

第三，数据转换。使用EMQX 软件接收数据主题报文，并通过规则引擎将报文解析存入时序库TDengine。同时，可为其他数据消费者提供各种业务系统的消息订阅服务。通过消息中间件，有效解除上层业务系统之间、上层业务系统与下层数据采集应用之间的耦合程度。

第四，数据通信。系统网络及数据采集主要以工业通信网关基于以太网、RS-485、光纤等方式搭建。

第五，数据存储。时序库TDengine 负责高频数据的持久化存储，满足上层业务系统分析时的数据需求。关系型数据库用于存储设备信息、数据映射、过滤和统计结果等。

2.2.3 平台应用层

通过平台应用层，系统可以实时监测和记录节能监测项目中要求的电量、压力、流量、温度和露点等参数，生成历史数据，并根据不同时间维度展示图表[5]。除数据监测和记录外，系统具备整站的能效分析功能，能够计算不同统计时间段内空压站的用电单耗、总供气量、总用电量、余热回收率、输功效率和能效等级，相关计算满足《压缩空气站能效分级指南》（T/CGMA 033001—2018）的要求。系统还具备报警功能，当节能监测数据超过合格指标时，可提供报警提示。

3 结论

通过研究分析，可得出以下结论。

（1）空压站是船厂的用能大户，设计建立船厂空压站数字化节能监测系统，是连续监测空压站能效实时状态的有效手段。

（2）空压站和船舶生产企业能源管控等相关规范提出了空气压缩机组及供气系统主要的节能监测项目和评价指标。空压站数字化节能监测系统的设计应符合监测内容的相应要求。

（3）空压站数字化节能监测系统除接入监测信号并对数据进行采储外，还支持对节能数据进行实时监测、记录、分析和报警。