CN114739070B - 一种跨临界二氧化碳双级压缩制冰系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种跨临界二氧化碳双级压缩制冰系统及控制方法，制冰系统中闪蒸罐的底部出口经管路和第一节流阀与制冰盘管的一端连接，制冰盘管的另一端经管路与低压级压缩机的入口连接，低压级压缩机的出口经管路与中温气冷器的入口连接，中温气冷器的出口与闪蒸罐的上部出口经管路一并与高压级压缩机的入口连接；高压级压缩机的出口通过管路依次与高温气冷器、第二节流阀及闪蒸罐的入口连接；闪蒸罐的上部出口与高压级压缩机连接的管路上设有第三节流阀；中央控制器与低压级压缩机、高压级压缩机、第一节流阀、第二节流阀、第三节流阀连接。
Description
技术领域
本发明涉及制冷制冰系统领域，具体是一种基于动态最优运行压力的跨临界二氧化碳双级压缩制冰系统及控制方法。
背景技术
主流制冷系统包括压缩式制冷和吸收式制冷，前者具备工况响应快、性能系数高等优点，后者适用工况范围宽，耗电少，运行稳定。现今冰雪运动产业规模也在快速发展壮大，其中速度滑冰、冰壶等冰上运动项目存在人工冰场需求。对于制冰需求(0℃以下低温制冷)来说，压缩式制冷是更好的选择。传统制冷系统通常采用人工合成制冷剂(如R22、R134a等卤代烃)来实现较高的制冷效率，但是由于其GWP(全球变暖潜能值)较高，系统环保性能较差。在《<蒙特利尔议定书>基加利修正案》和《巴黎协定》等全球应对气候变化一系列公约的签署实施背景下，传统制冷剂的生产和应用逐渐受到限制。相比之下，二氧化碳作为一种自然工质，具有低GWP和低价格等优点，而且具备与传统制冷剂相当的制冷能力，因此，可以将二氧化碳用于制冷(冰)系统。二氧化碳制冷技术包括以二氧化碳为载冷剂的制冷循环、二氧化碳亚临界制冷系统和二氧化碳跨临界制冷系统等，二氧化碳的临界温度在30.98℃，跨临界二氧化碳制冷系统压缩机排气出口高温二氧化碳可以在较高环境温度下冷却，而且具备热量回收能力，进而实现冷热能量综合利用的最大化。因此，跨临界二氧化碳制冷系统凭借工况适用性强、能源利用率高等优点受到广泛关注。
大量制冷领域学者的研究表明，跨临界二氧化碳压缩制冷系统双级压缩构型相比单级压缩构型在制冷系数(COP，coefficient of performance，制冷量/耗电量)上可提升20％以上。但是，双级压缩制冷系统包含有较多的运行参数，如低压级排气压力、高压级排气压力和高压级排气温度、补气系数等，而且系统实际运行过程中环境温度和制冷需求等会发生变化，当前系统控制一般依据工程师经验进行盲目粗略的调整，缺乏相应的优化运行策略和控制技术指导进行精细化的操作，无法保证系统运行状态处于最优能效水平。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有制冰系统运行控制技术中的不足，提供一种跨临界二氧化碳双级压缩制冰系统及控制方法，通过使制冰系统运行在动态最优运行压力(中间压力、最高压力)，从而提升制冰系统在宽广工作区域内的冷热综合能量利用效率，冷热综合能量利用效率的计算方式为：(制冷量+热回收量)/耗电量。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种跨临界二氧化碳双级压缩制冰系统，包括低压级压缩机、高压级压缩机、中温气冷器、高温气冷器、制冰盘管、闪蒸罐和中央控制器，所述闪蒸罐的底部出口经管路和第一节流阀与制冰盘管的一端连接，制冰盘管的另一端经管路与所述低压级压缩机的入口连接，低压级压缩机的出口经管路与所述中温气冷器的入口连接，中温气冷器的出口与闪蒸罐的上部出口经管路一并与高压级压缩机的入口连接；高压级压缩机的出口通过管路依次与高温气冷器、第二节流阀及闪蒸罐的入口连接；所述闪蒸罐的上部出口与高压级压缩机连接的管路上设有第三节流阀；所述中央控制器与低压级压缩机、高压级压缩机、第一节流阀、第二节流阀、第三节流阀连接；
本发明还提供了一种跨临界二氧化碳双级压缩制冰系统的控制方法，中央控制器内嵌有中间压力、最高压力计算算法；制冰系统工作过程中通过中央控制器监测制冰系统的运行状态参数和边界条件，通过内嵌的算法计算制冰系统的最优运行压力，并判断制冰系统是否达到最优运行压力，若制冰系统没有达到最优运行压力，通过中央控制器调整第一节流阀、第二节流阀、第三节流阀的开度及低压级压缩机、高压级压缩机的转速，直到制冰系统达到最优运行压力；制冰系统的工作过程如下：
二氧化碳在制冰盘管中吸热由低压低温液体转变为低压蒸汽，为制冰盘管接触的冰场冰层降温并维持结冰状态；
制冰盘管出口的二氧化碳进入低压级压缩机中升压变为中压高温气体，之后进入中温气冷器散热变为中压中温气体，中压高温的二氧化碳气体的热量经由中温气冷器内的中温热回收水路吸收带走；
中温气冷器出口的二氧化碳和来自闪蒸罐的二氧化碳气体汇合后进入高压级压缩机升压，变为高压高温二氧化碳气体，随后进入高温气冷器散热变为高压中温的二氧化碳液体，高压高温二氧化碳气体的热量经由高温气冷器内的高温热回收水路吸收带走；
高温气冷器出口的二氧化液体碳经过第二节流阀降压进入闪蒸罐变为中温中压气液混合物中压中温饱和蒸汽，闪蒸罐中二氧化碳气体经由第三节流阀后与中温气冷器排出的二氧化碳气体汇合，闪蒸罐中二氧化碳液体进入第一节流阀降压变为低压低温液体后输送至制冰盘管，至此制冰系统内形成完整循环。
进一步的，所述制冰系统的运行状态参数和边界条件包括制冰盘管内二氧化碳液体的蒸发温度、中温气冷器出口温度、高温气冷器出口温度、低压级压缩机出口压力、高压级压缩机出口压力、低压级压缩机的转速和高压级压缩机的转速。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
跨临界二氧化碳双级压缩制冰系统实际运行时，制冰负荷波动和热回收水路温度变化等系统负荷变化会导致运行状态偏离设计点，如继续保持设计工况下运行控制参数(如节流阀开度、压缩机转速等)将会导致系统性能恶化。本发明根据制冰系统热力学模型计算得到不同蒸发温度、中温气冷器出口温度、高温气冷器出口温度下制冰系统最优中间压力和最高压力，拟合得到最优运行压力与相关工况参数的关联式，将计算公式嵌入中央控制器，中央控制器基于监测的制冰系统运行状态参数和边界条件参数给出制冰系统最优运行压力，然后通过PID或神经网络等算法计算得到相应节流阀开度和压缩机转速，进而开展对应调整。因此本发明技术方案可以根据制冰系统内实际制冰负荷需求和热回收水温要求匹配调整制冰系统运行中压和高压，实现制冰系统冷热综合能量利用最大化。
本发明旨在基于动态最优运行压力思路来提升制冰系统在宽广工况范围内的性能系数；本发明制冰系统通过采用双级压缩中间冷却方案降低压缩耗功，而且利用压缩后二氧化碳散热来供给冰场浇冰用水加热、生活用水加热等，实现冷热综合能量梯级利用，根据热力模型计算得到的制冰负荷和边界条件与最优运行压力关系得到系统动态最优中间压力和最高压力，依此来调整控制系统节流阀开度和压缩机转速，从而保证制冰系统在宽广工况范围内均具备较高性能系数。
附图说明
图1是本发明中制冰系统的结构示意图。
图2是本发明中制冰系统控制示意图。
附图标记：1-中央控制器，2-闪蒸罐，3-第一节流阀，4-制冰盘管，5-低压级压缩机，6-中温气冷器，7-第三节流阀，8-高压级压缩机，9-高温气冷器，10-第二节流阀。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种跨临界二氧化碳双级压缩制冰系统的结构示意图，该制冰系统包括低压级压缩机5、高压级压缩机8、中温气冷器6、高温气冷器9、制冰盘管4、闪蒸罐2和中央控制器1，闪蒸罐2的底部出口经管路和第一节流阀3与制冰盘管4的一端连接，制冰盘管4的另一端经管路与低压级压缩机5的入口连接，低压级压缩机5的出口经管路与中温气冷器6的入口连接，中温气冷器6的出口与闪蒸罐2的上部出口经管路一并与高压级压缩机8的入口连接；高压级压缩机8的出口通过管路依次与高温气冷器9、第二节流阀10及闪蒸罐2的入口连接；闪蒸罐2的上部出口与高压级压缩机8连接的管路上设有第三节流阀7；中央控制器1与低压级压缩机5、高压级压缩机8、第一节流阀3、第二节流阀10、第三节流阀7连接。具体的，制冰系统的工作过程如下：
低温低压二氧化碳液体在经过制冰盘管4时吸收冰层热量，由低压低温液体蒸发转变为低压蒸汽，为制冰盘管接触的冰场冰层降温并维持结冰状态；低压的二氧化碳蒸汽随后进入低压级压缩机5，其中制冰盘管4中蒸发温度与制冰负荷需求有关；
二氧化碳蒸汽进入低压级压缩机5后升压，变为中压高温的二氧化碳气体，之后进入中温气冷器6散热变为中压中温气体；其中，中压高温的二氧化碳气体的热量经由中温气冷器内的中温热回收水路吸收带走；
中温气冷器6出口的二氧化碳气体和来自闪蒸罐2的二氧化碳过热气体汇合后进入高压级压缩机8，之后进入高温气冷器9散热变为高压中温的二氧化碳液体；其中，高压高温二氧化碳气体的热量经由高温气冷器9内的高温热回收水路吸收带走；
高温气冷器9出口的二氧化碳液体经过第二节流阀10后变为中压中温液体，随后进入闪蒸罐2进行汽液分离，闪蒸罐2上方的中压饱和二氧化碳气体经过第三节流阀7降压变为中压过热气体，随后与来自中温气冷器6的二氧化碳气体汇合。闪蒸罐2中下方的二氧化碳液体进入第一节流阀3降压变为低压低温液体后输送至制冰盘管4，至此制冰系统内形成二氧化碳工质的完整循环。
见图2，在制冰系统实际运行过程中，制冰负荷需求波动和热回收水路的温度变化会导致系统运行状态发生变化，为了维持系统在宽广工况范围内的冷热综合能量利用效率，需要做出针对性的控制调整。本发明还提出了一种基于动态最优运行压力的跨临界二氧化碳双级压缩制冰系统的运行控制方法，具体如下：
依据系统各部件中流体热力学过程来建立热力学第一定律模型，主要依据质量守恒方程和能量守恒方程，结合实际部件特性参数(如换热器换热面积、压缩机性能曲线)来标定热力学模型中未知参数(如工质换热系数、压缩机等熵效率等)。基于标定后的系统模型进行非设计工况下即不同二氧化碳液体蒸发温度、中温气冷器出口温度、高温气冷器出口温度等参数组合的模拟计算，采用遗传算法等优化算法进行单目标(制冷系数、冷热能量利用效率等)或多目标优化分析，优化变量为系统中间压力和最高压力两个系统关键运行参数，根据优化结果使用拟合方法(多项式拟合、神经网络拟合等)得到最优运行压力与工况参数的变化关系式或函数。然后建立系统动态模型进行控制算法开发，将得到的不同工况下的最优运行压力作为系统控制目标，采用PID控制算法或神经网络算法来计算给出系统执行部件如第一节流阀3、第二节流阀10、第三节流阀7开度，低压级压缩机5和高压级压缩机8转速等。其中，第一节流阀3为系统中间压力调整的主要部件，第三节流阀7和低压级压缩机5配合进行细调；第二节流阀10为系统最高压力调整的主要部件，高压级压缩机8配合进行细调，至此获取得到系统可调部件参数的控制算法。将最优运行压力计算算法和可调部件参数控制算法嵌入中央控制器1，中央控制器1基于温度压力等传感器反馈得到的制冰系统运行状态参数和边界条件，调用最优运行压力计算算法给出制冰系统的最优运行压力，最优运行压力包括中间压力和最高压力，然后调用可调部件参数控制算法得到各节流阀开度和压缩机变化方向和变化数值，具体为调整第一节流阀3、第二节流阀10、第三节流阀7的开度和低压级压缩机5、高压级压缩机8的转速，从而控制制冰系统的运行压力处于最佳值，从而维持制冰系统能效始终处于较高水平，实现系统在宽广工况范围内均具备较高的冷热综合能量利用效率。
最后需要指出的是：以上实例仅用以说明本发明的计算过程，而非对其限制。尽管参照前述实例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对前述实例所记载的计算过程进行修改，或者对其中部分参数进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应计算方法的本质脱离本发明计算方法的精神和范围。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种跨临界二氧化碳双级压缩制冰系统，其特征在于，包括低压级压缩机、高压级压缩机、中温气冷器、高温气冷器、制冰盘管、闪蒸罐和中央控制器，所述闪蒸罐的底部出口经管路和第一节流阀与制冰盘管的一端连接，制冰盘管的另一端经管路与所述低压级压缩机的入口连接，低压级压缩机的出口经管路与所述中温气冷器的入口连接，中温气冷器的出口与闪蒸罐的上部出口经管路一并与高压级压缩机的入口连接；高压级压缩机的出口通过管路依次与高温气冷器、第二节流阀及闪蒸罐的入口连接；所述闪蒸罐的上部出口与高压级压缩机连接的管路上设有第三节流阀；所述中央控制器与低压级压缩机、高压级压缩机、第一节流阀、第二节流阀、第三节流阀连接；通过使制冰系统运行在动态最优运行压力，提升制冰系统在工作区域内的冷热综合能量利用效率，冷热综合能量利用效率的计算方式为：(制冷量+热回收量)/耗电量；根据制冰系统热力学模型计算得到不同蒸发温度、中温气冷器出口温度、高温气冷器出口温度下制冰系统最优中间压力和最高压力，拟合得到最优运行压力与相关工况参数的关联式，将计算公式嵌入中央控制器，中央控制器基于监测的制冰系统运行状态参数和边界条件参数给出制冰系统最优运行压力，并通过PID或神经网络算法计算得到相应节流阀开度和压缩机转速，开展对应调整；能够根据制冰系统内实际制冰负荷需求和热回收水温要求匹配调整制冰系统运行中压和高压，实现制冰系统冷热综合能量利用最大化；该制冰系统利用压缩后二氧化碳散热来供给冰场浇冰用水加热、生活用水加热，实现冷热综合能量梯级利用。
2.一种跨临界二氧化碳双级压缩制冰系统的控制方法，基于权利要求1所述跨临界二氧化碳双级压缩制冰系统，其特征在于，中央控制器内嵌有中间压力、最高压力计算算法；制冰系统工作过程中通过中央控制器监测制冰系统的运行状态参数和边界条件，通过内嵌的算法计算制冰系统的最优运行压力，并判断制冰系统是否达到最优运行压力，若制冰系统没有达到最优运行压力，通过中央控制器调整第一节流阀、第二节流阀、第三节流阀的开度及低压级压缩机、高压级压缩机的转速，直到制冰系统达到最优运行压力；制冰系统的工作过程如下：
二氧化碳在制冰盘管中吸热由低压低温液体转变为低压蒸汽，为制冰盘管接触的冰场冰层降温并维持结冰状态；
制冰盘管出口的二氧化碳进入低压级压缩机中升压变为中压高温气体，之后进入中温气冷器散热变为中压中温气体，中压高温的二氧化碳气体的热量经由中温气冷器内的中温热回收水路吸收带走；
中温气冷器出口的二氧化碳和来自闪蒸罐的二氧化碳气体汇合后进入高压级压缩机升压，变为高压高温二氧化碳气体，随后进入高温气冷器散热变为高压中温的二氧化碳液体，高压高温二氧化碳气体的热量经由高温气冷器内的高温热回收水路吸收带走；
高温气冷器出口的二氧化液体碳经过第二节流阀降压进入闪蒸罐变为中温中压气液混合物，闪蒸罐中二氧化碳气体经由第三节流阀后与中温气冷器排出的二氧化碳气体汇合，闪蒸罐中二氧化碳液体进入第一节流阀降压变为低压低温液体后输送至制冰盘管，至此制冰系统内形成完整循环；所述制冰系统的运行状态参数和边界条件包括制冰盘管内二氧化碳液体的蒸发温度、中温气冷器出口温度、高温气冷器出口温度、低压级压缩机出口压力、高压级压缩机出口压力、低压级压缩机的转速和高压级压缩机的转速；通过使制冰系统运行在动态最优运行压力，提升制冰系统在工作区域内的冷热综合能量利用效率，冷热综合能量利用效率的计算方式为：(制冷量+热回收量)/耗电量。
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