“双碳”目标背景下绿色工业建筑项目的控制系统设计

李 波，王 玥，杨 程

（中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津 300074）

随着“双碳”目标的提出，绿色低碳转型成为各行各业发展的重要方向。建筑领域是中国能源消费和碳排放的三大领域之一，具有巨大的碳减排潜力和市场发展潜力。推动建筑业绿色发展，既是统筹发展和安全提升人民幸福感、满足感的重要途径，也是顺应数字化、智能化发展趋势，培育壮大经济发展新动能的关键举措，而绿色建筑的推广应用是推动国内建筑业绿色低碳循环发展的重要抓手，也是实现产业转型升级的关键路径[1]。在“碳达峰、碳中和”的政策推动下，绿色建筑发展即将驶入快车道，其覆盖的范围也由传统民用公共建筑迅速延伸至市政、冶金、电力及化工等行业的工业建筑。

工业建筑具有其独有的生产适应性，其设计体系与民用建筑存在较大不同，其中最明显的差别体现在控制系统的设计上，控制系统不仅是工业项目的神经中枢，而且是实现工业建筑绿色转型的核心动能。首先，因工业生产工艺复杂，连续性强，自动化程度高，其控制系统相较于民用项目中的设备信息管理系统更为庞大与繁杂，所配置的硬件资源与数据链路更为完备，对数据采集的实时性与控制的可靠性要求更高；
其次，工业项目中绿色建筑的相关设计往往与生产过程独立设计，为了满足绿色建筑的设计要求需独立设计一套能源管理系统，造成了重复投资，且未能实现工业项目全要素和全生命周期绿色化与数字化。

本文以东部沿海某市厨余垃圾处理厂项目为例，提出了绿色工业建筑设计体系下的控制系统设计架构，介绍了过程控制系统与能源管理系统的主要功能及融合思路，构建了基于过程控制系统与能源管理系统相融合的智慧化生产运行管理系统。项目是中国首个采用世行贷款的PPP厨余垃圾综合处理项目，获得了行业内首个“工业建筑三星级绿色建筑”设计标识[2]。

在确保生产过程安全、可靠、经济、高效运行的前提下，为达到绿色工业三星的设计目标，实现工业建筑项目的数字化赋能，本文设计了一套基于过程控制系统（Process Control System，PCS）与能源管理系统（Energy Management System，EMS）相融合的智慧化生产运行管理系统。

1.1 总体思路

由于本项目过程控制系统具备高速稳定的通讯网络、强大的数据采集及处理能力，能源管理系统可依托PCS的数据通讯网络及硬件资源，与过程控制系统充分融合，构建智慧化生产运行管理系统。该系统既可以有效降低能源管理系统的重复投资成本，还可以通过数据融合实现更高层次的运营支撑。智慧化生产运行管理系统网络结构如图1。

图1 智慧化生产运行管理系统网络结构图Fig.1 Network structure diagram of intelligent production operation management system

1.2 过程控制系统

厨余垃圾处理项目为典型工业项目，根据工艺的自身特点及控制要求，设计了一套完整的过程控制系统，完成生产过程各类设备及介质运行参数的检测、控制及管理。过程控制系统采用分布式架构，该系统自上而下分别由管理级、通讯网络及控制级构成。管理级配置多套互为冗余的高性能工业控制计算机作为操作员站，并配置历史数据服务器和性能计算服务器完成数据的采集及深度处理。

通讯网络采用拓扑结构为环形的高速工业以太网，两路通讯光缆在物理路由进行分离敷设，一路通过桥架延全场管廊敷设，另一路采用铠装直埋方式沿地面路由敷设。

在控制级层面，采用高性能PLC控制器作为采集控制站。采集控制站由CPU模块、I/O模块等组成，其采集现场各工艺参数及电气参数并控制现场调节阀、变频器等执行设备，实现快速、大量、安全的数据采集及过程控制[3]。PCS即可满足GB/T 50878-2013《绿色工业建筑评价标准》第10.4.2条的要求：“对建筑物和厂区各类站房内设备、设施的运行状况已设置自动监控系统，且运行正常。”

1.3 能源管理系统

根据GB/T 50878-2013《绿色工业建筑评价标准》第5.2.9条的要求：“按区域、建筑和用途分别设置各种用能的计量设备或装置，进行用能的分区、分类和分项计量。”为满足能源分区、分类、分项的计量要求，本项目设计了涵盖全厂三级用能单位的能源管理系统。该系统通过在线监测整个企业的生产耗能动态过程，实时采集生产过程用电、用水、用气等能耗数据，从系统的角度实施能源介质的平衡调度，经过数据分析、对比，发现能源消耗过程和能源结构中存在的问题，及时掌握项目的能源管理水平和用能状况，输出基于能源介质平衡的能源管理方案，解决能源介质的生产、回收、消耗的平衡问题，提高能源的综合利用效率。同时，该系统同步对太阳能光伏系统、太阳能热水系统等可再生能源系统设备运行情况实时监测，实现太阳能光伏、光热系统的无人值守，并依据运行数据的分析，输出相应的系统维护方案。最终，通过能源信息的综合管理，充分发掘节能降耗潜力，实现节能降耗和绿色升级。

在管理级层面，在PCS系统增设一台操作员站作为能源管理操作站，并在历史数据服务器和性能计算服务器中配置相应的算力资源，实现功能如下：

1）能源消耗过程的信息化与可视化

系统在线监测整个企业的生产能耗动态信息，并将这些能耗数据与相对应的设备、车间、班组生产数据相结合，现场运行管理人员可了解和掌握生产环节和重点设备的实时能耗状况、单位能耗数据、能耗变化趋势和实时运行参数等信息能效信息的统计与管理。

2）历史能耗数据对比及分析

系统自动生成的多种能耗信息统计图形、曲线和报表，如以日、周、月、年为周期的电、水等能耗统计报表，报表类型可分为全厂、车间、重要耗能设备等层次，为用户提供能源消耗结构和能源消耗成本分析依据，评估节能措施的效果和关联影响。

3）太阳能光伏系统及光热系统监测

系统可实时监测太阳辐射量，光伏发电系统所有设备当前时间的各通道直流输入和交流输出的电压、电流、功率、频率等参数和当日发电量等。绘制每日太阳辐射强度曲线、风速变化曲线、逆变器的电压电流-时间曲线、功率-时间曲线，对光伏发电现场的各种通讯采集异常进行记录并报警。

在控制级层面，将全场划分成7个现场控制站即：预处理系统、厌氧系统、沼渣堆肥系统、沼气净化系统、锅炉房、污水处理系统及除臭系统；
3个数据采集站即：计量间、变电室及综合楼。各类能源计量仪表采用硬接线或现场总线方式接入控制站，利用现场控制站完成能耗数据的实施采集，各站主要功能划分如下：

1#控制站：测控预处理系统的工艺参数及电气设备运行状态，采集汇聚预处理车间区域各级能源消耗数据。

2#控制站：测控厌氧系统的工艺参数及电气设备运行情况，采集厌氧发酵界区各级能源消耗数据。

3#控制站：测控沼渣堆肥系统的工艺参数及电气设备运行情况，采集沼渣堆肥车间各级能源消耗数据。

4#控制站：测控沼气净化的工艺参数及设备运行情况，其中包括火炬相关工艺参数检测及设备控制，采集沼气净化界区各级能源消耗数据。

5#控制站：测控锅炉房的工艺参数及设备运行情况，其中包括可燃气体检测报警系统，采集锅炉房各级能源消耗数据。

6#控制站：测控污水处理系统的工艺参数及设备运行情况，其中包括消防泵房、雨水泵站，初期雨水池及事故水池参数检测及设备控制，采集全场进水母管运行参数及污水处理车间能耗数据。

7#控制站：测控除臭系统的工艺参数及设备运行情况。

1#采集站：计量间设置称重及信息录入站，负责采集垃圾重量和车辆信息数据，并上传至中央控制室的全厂计算机监控系统。

2#采集站：采集变电室电气参数，如全厂及各车间用电量、电压、电量等。

3#采集站：采集综合楼内通风空调、太阳能光伏系统及太阳能热水系统等成套设备的运行状态，采集综合楼内界区各类能耗数据。

本文针对工业绿色建筑对能源计量的具体要求，结合实际设计过程中的反馈，重点归纳了水量、电量计量仪表的设计要点。

3.1 水量计量

工业项目中生产用水与生活用水需区分计量，且生产用水涉及工艺过程的过程监控及经济指标核算，故原则上需选用电磁流量计；
生活用水仅涉及耗量计量，选用智能水表即可。

1）一级水表计量范围为整个生产区的各种水量，测量点在给水泵房给水泵出水母管；
仪表形式：电磁流量计；
通讯方式：以硬接线方式接入污水处理车间控制站。

2）二级水表计量范围为各车间和厂区生产、生活用水量（以预处理车间为例）。由于预处理车间内工艺设备众多，生产用给水管道成环形布置存在多个用水点，故生产水量测点为各用水点支管；
测量仪表为电磁流量计；
通讯方式：以硬接线方式接入预处理控制站。生活用水为母管供水，测点在生活给水母管；
测量仪表为远传式水表；
通讯方式：以总线方式接入预处理控制站。

3）三级水表计量范围为重点工艺或重点设备用水量，以厌氧系统冷却塔为例，测量点为循环冷却塔补水管道；
测量仪表为电磁流量计；
通讯方式：以硬接线方式接入厌氧发酵系统控制站。

3.2 电量计量

1）一级电量计量范围为全厂总用电量，测量点位于厂级变配电室10kV进线柜；
测量仪表：智能电力仪表；
通讯方式：经电气综保后台监控系统利用PCS通讯网络直接接入管理层。

2）二级电量计量范围为主要车间或工艺系统用电量，测量点位于厂级配电室内的0.4kV低压出线柜；
测量仪表：智能电力仪表；
通讯方式：经电气综保后台监控系统利用PCS通讯网络直接接入管理层。

3）三级电量计量范围为关键设备用电量，测量点位于车间级配电室MCC柜；
测量仪表：智能马达保护器；
通讯方式：各马达保护器在MCC柜内采用485通讯协议的现场总线进行串接，后接入现场控制站。

1）本文以实际工程为例，介绍了绿色工业建筑体系下的控制系统设计架构，提出了一种基于过程控制系统与能源管理系统相融合的智慧化生产运行系统，实现工业项目绿色化、数字化的前提下兼顾经济性。并结合工程现场实际反馈，归纳了能源管理系统典型测量仪表的选型要点及在执行级与过程控制系统的具体接入方案。该项目投产后项目运行良好，并助力项目取得行业内首个绿色工业建筑三星级运行标识。

2）该系统的实现依赖于方案设计阶段控制系统的整体规划，需全面统筹厂内各类工艺设备的控制系统与能源计量设备，将该设计理念和方案贯彻至成套工艺设备与全厂自控系统采购阶段，从而确保设计意图的实现。

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