CN107763890A - 一种基于高压储液罐控制的高温热泵系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于高压储液罐的高温热泵系统及其控制方法，它将高温热泵系统整体上分为蒸发器、冷凝器、压缩机、毛细管和高压储液罐五个主要模块，主要通过保证冷凝器冷凝压力与高压储液罐蓄能的控制方法及对工业废水传递温度的前馈控制，实现蒸发器压力、冷凝器压力、毛细管质量流量同时在稳定状态下运行。本发明通过构建高压储液罐对冷凝器出口压力的控制及对高温热源侧的前馈控制的内回路控制方法，能够在压缩机频率的情况下，更快速地实现系统的协调控制，提高蒸发器和冷凝器的动态调节品质；同时，采用高压储液罐的高温热泵系统，能够保证压缩机的正常运行，提高冷凝器的换热效果，高效循环制冷剂从而保证系统的高效、稳定、安全运行。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于高压储液罐控制的高温热泵系统，属于热工自动控制领域。
背景技术
近年来，我国积极发展高效绿色的能源利用技术，大力发展低温热能的回收利用技术。高温热泵具有85℃以上的供水温度，可广泛应用于工业、建筑等领域，是电能替代的重要途径之一。采用工业废水余热等作为高温热泵的低温热源，可减少热污染，增加能源利用率。因此水源高温热泵具有良好的应用前景。高温热泵中的工质由于高温高压的环境要求下循环工作，所以国内外学者的主要针对高温热泵的制冷剂、制热效率等方面进行了大量的研究工作，但是控制策略的研究有所不足。绝大多数研究者为了提高热泵的效率致力于研究部件的匹配技术，而热泵机组通常是在不同负荷下运行，一旦负荷发生变化，运行的实际工况也会相应改变，机组的实际效率将与设计的额定工况下差异很大，因此高温热泵在运行过程中通常通过变频压缩机或者间歇启停压缩机的工作气缸来调节输出负荷，但这些方式对运行效率以及系统的稳定性带来很大的影响。
[另外，由于高温热泵系统长期在高温高压下工作，安全性和高效性难以保证，使得控制策略的设计尤为重要。同时，由于扰动、测量噪声、不确定性的存在对控制器有一定干扰作用，很难取得良好的控制品质。现阶段国内外的研究者主要采用先进的控制算法比如：模糊控制、神经网络控制等对系统进行控制仿真，而在控制策略方向上研究甚少。
本发明通过在高温热泵中加入高压储液罐，能够更好地实现高温热泵系统的稳定运行；同时，通过对冷凝器的出口阀门的反馈控制和对热源侧信号的前馈控制方法的综合运用，从而增强其抗扰动和不确定性的能力，使得控制系统能够更好地适应现场要求，提高供水品质、系统效率。
发明内容
发明目的：针对上述现有存在的问题和不足，本发提供了一种具有高压储液罐的高温热泵系统的控制方法。可以快速有效减小扰动造成的动态偏差，改善供水品质，同时保证系统在高温高压下仍能够安全高效的运行。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于高压储液罐的高温热泵系统，包括蒸发器、冷凝器、冷凝器出口阀门、高压储液罐、压缩机以及控制器，所述蒸发器与冷凝器经第一管路和第二管路形成循环回路，所述压缩机设置在所述第一管路上，所述冷凝器出口阀门和高压储液罐设置在所述第二管路上，在所述高压储液罐内设置有用于测量液位的液位传感器，在所述蒸发器内设置有用于测量热源侧温度的温度传感器，所述控制器与所述液位传感器和温度传感器连接并根据所述液位传感器获取的液位信号和温度传感器获取的温度信号控制所述冷凝器出门阀门的开度。
所述控制器包括主控制器及温度补偿器，所述温度补偿器对所述温度传感器获取的温度信号进行前馈补偿。
一种高温热泵系统的控制方法，其特征在于，步骤为：
1)获取控制参数，其中控制参数包括蒸发器的热源侧温度和高压储液罐的液位；
2)对获取的热源侧温度进行前馈补偿；
3)控制器根据获取的液位和经前馈补充后的热源侧温度对冷凝器出口阀门进行控制。
前馈补偿器，整体采用反馈调节手段控制，对具有高压储液罐的高温热泵的动态特性进行建模，根据模型的阶跃响应特征，利用子空间辨识方法得出热源侧温度与用户侧输出温度的模型，获得前馈补偿控制器的拉普拉斯变换G1(s)为：
其中，s表示拉普拉斯算子；GYD(s)表示热源侧温度扰动对高压储液罐液位的传递函数的拉普拉斯变换，GYC(s)表示冷凝器出口阀门对储液罐液位的传递函数的拉普拉斯变换。
分别以供水温度作为输出，热源侧温度的变化作为前馈信号进行开环阶跃响应试验，经平滑滤波后，得到相应的具有高压储液罐的高温热泵的阶跃响应模型的拉普拉斯变换分别为R(s)，D(s)。
加入前馈补偿环节的复合调节系统的传递函数的拉普拉斯变换为Y(s)：
其中：Gd(s)表示温度干扰通道的传递函数的拉普拉斯变换；Gc(s)表示主控制器的传递函数的拉普拉斯变换；G2(s)表示冷凝器出口阀门开度对储液罐水位传递函数的拉普拉斯变换；H1，H2分别表示温度传感器与流量传感器的传递函数；
若前馈调节为完全补偿，采用PID控制下的系统的开环传递函数的拉普拉斯变换G(s)为：
其中：Kp为比例系数，TI为积分时间，TD为微分时间，Ke为对象传递函数的增益，Te为对象传递函数的时间常数，s为拉普拉斯算子。
高温热泵系统以变频调节为主要调节手段，通过改变压缩机的供电电源频率来改变压缩机转子转速，使制冷剂工况发生改变，进而满足供水侧负荷的变化。本方明通过控制高压储液罐的液位、热源侧前馈环节快速调节，在需要改变供电电源频率前快速消除扰动，保证系统稳定运行；
由于热源侧温度不恒定，导致蒸发器侧传热温差变化，蒸发器内制冷剂吸热量发生变化，蒸发压力随着蒸发温度变化而变化，导致毛细管前后压力差变化使得其质量流量发生变化，为保持制热量不变，且压缩机功率不发生变化的情况下，冷凝温度下降，冷凝器的压力也相应下降，冷凝器效率下降，供水效果变差。
因此将热源侧温度变化作为扰动，仅考虑热源测对储液罐水位的影响，通过温度传感器得到温度这一扰动信号，设置前馈补偿控制器，能够迅速消除温度产生的扰动；
由于单一的前馈调节不能够充分满足控制的要求，接着从液位测量器中获得高压储液罐的液位，作为内回路的反馈调节的信号，同时获得冷凝器出口流量对高压储液罐液位影响的传递函数，通过设置控制器让该回路能够快速消除扰动，保证系统的稳定运行；
本发明在具有高压储液罐的高温热泵系统的基础上，设计内回路控制器对冷凝器的出口质量流量进行控制，引入热源侧扰动作为前馈信号。加入的高压储液罐模块一方面可以防止制冷剂进入压缩机产生液击，并且可以避免凝液在冷凝器中积存过多而使传热面积变小，影响冷凝器的传热效果。另一方面，高压储液罐的液位能够作为中间输出量作为系统的内部输出信号，针对液位设计的内回路反馈调节手段能够快速消除扰动，使压缩机变频或者启停频率减小。此外，通过控制器的设计，能够有效抑制外界扰动及测量噪声对高压储液罐液位造成的影响，从而保证系统的控制品质。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：通过采用高压储液罐这一环节，能够更好地控制冷凝器出口的质量流量，有效处理压缩机液击和冷凝器内换热面减小等问题，提高系统的动态调节品质；同时通过内回路控制器的设计，能够通过调节冷凝器出口阀门快速调节高压储液罐的液位，调节高压储液罐内的压力，进而影响储液罐的出口流量，从而有效抑制外界扰动及测量噪声造成的影响，并且引入热源侧内回路前馈环节，从扰动侧抵消一部分扰动的影响，从而保证高温热泵系统的安全稳定高效的运行。
附图说明
图1为本发明基于高压储液罐的高温热泵系统简图；
图2为本发明基于高压储液罐的高温热泵系统控制控制原理图；
图3为本发明基于高压储液罐的高温热泵系统控制框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
本发明提供一种考虑热源侧扰动及调节高压储液罐液位的控制方法，在系统加入了高压储液罐的同时采用控制器对冷凝器出口的质量流量进行控制，并且引入热源侧的温度作为前馈补偿。在变频压缩机变化之前内回路先整定，延长压缩机的寿命；另一方面，增加的高压储液罐环节能够维持冷凝器和蒸发器内部的制冷剂量，并且保证压缩机不发生液击，保障运行的安全性。系统简图如图1所示，为了简化模型，变频压缩机的在热源侧扰动下的控制手段不在本发明考虑范围内。
热源侧扰动下基于高压储液罐的高温热泵控制方法，具体步骤如下：
1)在仿真软件(MATLAB)中建立含有高压储液罐的高温热泵系统的模型，系统简图如图1所示，根据蒸发器、冷凝器、毛细管、变频压缩机和高压储液罐之间的压力流量通道和能量守恒方程建立仿真模型；
2)根据模型辨识获得具有高压储液罐的高温热泵对象的阶跃响应模型。在稳态工况保证变频压缩机能够自动调节的基础上，分别以供水温度作为输出、高压储液罐液位作为反馈信号，热源侧温度的变化作为前馈信号进行开环阶跃响应试验，经平滑滤波后，得到具有高压储液罐的高温热泵的阶跃响应模型，即：
构建的高温热泵模型利用子空间辨识算法得到热源侧温度扰动对高压储液罐液位影响的传递函数，即热源侧的温度作为输入，高压储液罐的液位作为输出，通过这组输入输出得到单输入单输出的传递函数；
3)如图2所示，由于工业废水侧(高温热源)温度不稳定，在热源侧温度前馈环节与储液罐液位的反馈调节的协同作用下，通过控制储液罐出口流量阀门的开度使得供水温度保持恒定并且使得冷凝器和蒸发器都能够在热源侧存在扰动的情况下稳定运行。
根据该传递函数设计前馈补偿器，要使得前馈环节能够完全补偿，前馈补偿控制器模型的拉普拉斯变换G1(s)为：
其中，GYD(s)表示热源侧温度扰动对高压储液罐液位的传递函数的拉普拉斯变换，GYC(s)表示冷凝器出口阀门对储液罐液位的传递函数的拉普拉斯变换；
4)将运行过程中高压储液罐的液位作为反馈信号传递给内回路控制器，能够检验输出的储液罐水位高度与设定的水位高度是否一致，从而使构成的前馈--反馈内回路控制能够有效提高在外部扰动下系统的稳定性；
5)由于加入了高压储液罐液位反馈环节和热源侧扰动前馈环节，系统的稳定性能不能够保证，所以先证明该系统的稳定性；
6)如图3所示为具有高温储液罐的高温热泵系统控制系统的控制框图，其中，Gd(s)表示温度干扰通道的传递函数的拉普拉斯变换；Gc(s)表示主控制器的传递函数的拉普拉斯变换，即PID控制或者预测控制的传递函数的拉普拉斯变换；G2(s)表示冷凝器出口阀门开度对储液罐水位的传递函数的拉普拉斯变换；H1，H2分别表示温度传感器与流量传感器的传递函数；运用模型辨识分别获得温度干扰传递函数的拉普拉斯变换D(s)与冷凝器出口阀门开度对储液罐水位的传递函数的拉普拉斯变换R(s)；
7)根据上述结果，图3加入前馈补偿环节的复合调节系统的传递函数的拉普拉斯变换Y(s)为：
8)若前馈调节为完全补偿，采用PID控制下的系统的开环传递函数的拉普拉斯变换G(s)为：
其中：Kp为比例系数，TI为积分时间，TD为微分时间，Ke为对象传递函数的增益，Te为对象传递函数的时间常数，s为拉普拉斯算子。
控制系统特征方程为：
根据分子等于零可得：
此方程的解为：
显然根的实部为负数，因此控制系统是稳定的；
9)当热源侧温度降低时，即蒸发器侧的换热效果变差，从而导致管壁对高温水的对流放热量减小，在保证供水温度不变的情况下，进入压缩机的制冷剂的质量流量就会减少，这时候需要减少冷凝器的压力，从而使得进入冷凝器的流量增大，保证在冷凝器内的换热能够保持恒定，从而满足用户的用水需求；
10)由于要减少冷凝器中的压力，需要开大冷凝器出口阀门的开度，让冷凝器中更多的制冷剂流入高压储液罐中，由于高压储液罐中液位升高，气体部分压力升高，高压储液罐出口流量增大，从而使得进入蒸发器的制冷剂增多，使得蒸发器侧的换热能力增加，进入压缩机的制冷剂增多，能够在压缩机不变频的情况下，形成一个快速的反馈系统，保证系统的正常运行；
11)当热源侧温度升高时，制冷剂的质量流量突然增多，在冷凝器侧的冷却后的液态制冷剂的量就会增多，此时压缩机在变频的过程中可能会出现液击的现象，严重影响压缩机的寿命，而通过高压储液罐环节，多余的制冷剂会存贮在储液罐内而不会产生液击，同时增加的高压储液罐环节能够提高制冷剂的循环效率，保证冷凝器和蒸发器的换热面积，从而使系统能够安全高效地运行。
Claims (6)
1.一种基于高压储液罐的高温热泵系统，包括蒸发器、冷凝器、冷凝器出口阀门、高压储液罐、压缩机以及控制器，所述蒸发器与冷凝器经第一管路和第二管路形成循环回路，所述压缩机设置在所述第一管路上，所述冷凝器出口阀门和高压储液罐设置在所述第二管路上，在所述高压储液罐内设置有用于测量液位的液位传感器，在所述蒸发器内设置有用于测量热源侧温度的温度传感器，所述控制器与所述液位传感器和温度传感器连接并根据所述液位传感器获取的液位信号和温度传感器获取的温度信号控制所述冷凝器出门阀门的开度。
2.根据权利要求1所述的高温热泵系统，其特征在于：所述控制器包括主控制器及温度补偿器，所述温度补偿器对所述温度传感器获取的温度信号进行前馈补偿。
3.一种如权利要求1所述高温热泵系统的控制方法，其特征在于，步骤为：
1)获取控制参数，其中控制参数包括蒸发器的热源侧温度和高压储液罐的液位；
2)对获取的热源侧温度进行前馈补偿；
3)控制器根据获取的液位和经前馈补充后的热源侧温度对冷凝器出口阀门进行控制。
4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于：前馈补偿器，整体采用反馈调节手段控制，对具有高压储液罐的高温热泵的动态特性进行建模，根据模型的阶跃响应特征，利用子空间辨识方法得出热源侧温度与用户侧输出温度的模型，获得前馈补偿控制器的拉普拉斯变换G1(s)为：
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其中，s表示拉普拉斯算子；GYD(s)表示热源侧温度扰动对高压储液罐液位的传递函数的拉普拉斯变换，GYC(s)表示冷凝器出口阀门对储液罐液位的传递函数的拉普拉斯变换。
5.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于：分别以供水温度作为输出，热源侧温度的变化作为前馈信号进行开环阶跃响应试验，经平滑滤波后，得到相应的具有高压储液罐的高温热泵的阶跃响应模型的拉普拉斯变换分别为R(s)，D(s)。
6.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于：
加入前馈补偿环节的复合调节系统的传递函数的拉普拉斯变换为Y(s)：
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其中：Gd(s)表示温度干扰通道的传递函数的拉普拉斯变换；Gc(s)表示主控制器的传递函数的拉普拉斯变换；G2(s)表示冷凝器出口阀门开度对储液罐水位传递函数的拉普拉斯变换；H1，H2分别表示温度传感器与流量传感器的传递函数；
若前馈调节为完全补偿，采用PID控制下的系统的开环传递函数的拉普拉斯变换G(s)为：
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