CN116518600A - 热泵低温干化设备压缩机制冷性能控制方法、电子设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种热泵低温干化设备压缩机制冷性能控制方法、电子设备，属于用于污泥处理的热泵控制技术领域；该方法通过对压缩机运行工况点的控制，使其能够稳定运行在最优工况点，从而有效降低压缩机运行功率，提高压缩机的制冷量，进而达到降低热泵低温干化设备整体能耗的目的。压缩机的工况点包括：蒸发温度和冷凝温度；首先选择满足设定蒸发温度和冷凝温度条件下，COP值大于设定值的工况点作为压缩机的最优工况点；然后对换热器进行结构设计，使换热器的换热量能够满足压缩机在最优工况点运行的需求；热泵低温干化设备运行过程中，对所述热泵单元的运行状态进行实时动态调节，使所述压缩机保持在最优工况点运行。
Description
技术领域
本发明涉及一种控制方法，具体涉及一种热泵低温干化设备压缩机制冷性能控制方法、电子设备，属于用于污泥处理的热泵控制技术领域。
背景技术
污泥处理是对污泥进行浓缩、调质、脱水、稳定、干化或焚烧等减量化、稳定化、无害化的加工过程。
热泵低温污泥干化设备是一种污泥深度脱水设备，可有效将85%含水率及以下污泥处理至最低10%含水率。其工作原理为：在密闭干化仓内注入干燥气体，通过湿度交换原理将污泥中的水分带出，再用蒸发器冷凝去除空气中的水分；同时利用热泵原理回收水分凝结潜热，用于加热干燥空气重新吹入干化仓。
热泵单元是热泵低温污泥干化设备的核心部件，热泵单元中，压缩机、冷凝器、储液罐、高温冷媒过滤器、电子膨胀阀、蒸发器和气液分离器依次连接形成制冷循环回路；低温低压冷媒气体通过压缩机做功后形成高温高压气体，高温高压气体进入冷凝器冷却形成低温高压冷媒气体，同时释放热量至空气介质中，然后经过储液罐、高温冷媒过滤器和电子膨胀阀节流形成低温低压冷媒液体，随后进入蒸发器，蒸发器吸收空气中潜热而使低温低压冷媒液体变成低温低压气、液混合物，同时空气被冷却，并经过气液分离器分离后形成低温低压冷媒气体后再次进入压缩机，如此达到热交换制冷循环。
实际使用时，发现热泵低温污泥干化设备整体能耗偏高，作为热泵低温污泥干化设备的核心部件，热泵单元中压缩机工作工况点COP（COP为热泵单元所能实现的制冷量和输入功率的比值）偏低是造成设备整体能耗偏高的重要原因之一。因此，如何降低压缩机的运行功率，以降低热泵低温污泥干化设备的整体能耗是急需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种热泵低温干化设备压缩机制冷性能控制方法，通过对压缩机运行工况点的控制，使其能够稳定运行在最优工况点，从而有效降低压缩机运行功率，提高压缩机的制冷量，进而达到降低热泵低温干化设备整体能耗的目的。
本发明所采用的技术方案是：热泵低温干化设备压缩机制冷性能控制方法，所述热泵低温干化设备包括换热器和热泵单元，所述热泵单元中，压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器依次连接形成制冷循环回路；湿热空气在循环风机的作用下经过换热器换热后，依次经过热泵单元中的蒸发器和冷凝器后形成干热空气进入所述热泵低温干化设备的干化仓；其特征在于：
所述压缩机的工况点包括：蒸发温度和冷凝温度；首先选择满足设定蒸发温度和冷凝温度条件下，COP值大于设定值的工况点作为压缩机的最优工况点，令最优工况点对应的蒸发温度和冷凝温度分别为最优蒸发温度和最优冷凝温度；
对换热器进行结构设计，使所述换热器的换热量能够满足压缩机在最优工况点运行的需求；
所述热泵低温干化设备运行过程中，对热泵单元的运行状态进行实时动态调节，使所述压缩机保持在最优工况点运行。
作为本发明的一种优选方式，当只有一台备选压缩机时，选择满足设定蒸发温度和冷凝温度条件下，该备选压缩机COP值最高的工况点作为其最优工况点；
当具有多台不同备选压缩机时：从所有备选压缩机中选择能够满足设定蒸发温度和冷凝温度条件下，COP值最高的工况点以及对应的备选压缩机；采用所选择的备选压缩机作为热泵单元的压缩机，并将对应的工况点作为最优工况点。
作为本发明的一种优选方式，在对换热器进行结构设计时：建立所述热泵低温干化设备的仿真模型，所述仿真模型用于模拟所述热泵低温干化设备内的空气温湿度梯度；调整仿真模型中换热器仿真单元的换热量，使换热器仿真单元的换热量能够满足压缩机在最优工况点运行的需求，获取此时仿真模型中换热器仿真单元的换热量；基于所获取的换热量，对所述换热器进行结构设计。
作为本发明的一种优选方式，所述热泵低温干化设备运行过程中，当热泵单元的蒸发温度与所述最优蒸发温度的差值超过设定范围时，首先调节膨胀阀的开度，若当膨胀阀的开度调节至最大开度或最小开度后，蒸发温度与最优蒸发温度的差值仍超过设定范围，则采用调节冷凝器过冷度、调节循环风机风量、调节压缩机转速中一种以上的方式实现对蒸发温度的进一步调节。
作为本发明的一种优选方式，对蒸发温度进行进一步调节时，优先级顺序为：调节冷凝器过冷度-调节循环风机风量-调节压缩机转速。
作为本发明的一种优选方式，所述热泵低温干化设备运行过程中，当热泵单元的冷凝温度与所述最优冷凝温度的差值超过设定范围时，首先调节所述压缩机的排气过热度，若在调节压缩机的排气过热度后，冷凝温度与最优冷凝温度的差值仍超过设定范围，则采用调节循环风机风量、调节压缩机转速中一种以上的方式实现对冷凝温度的进一步调节。
作为本发明的一种优选方式，对冷凝温度进行进一步调节时，优先级顺序为：调节循环风机风量-调节压缩机转速。
作为本发明的一种优选方式，所述热泵低温干化设备运行过程中，实时监测冷凝器前端压力，当冷凝器前端压力大于设定值时，调节蒸发器过热度。
作为本发明的一种优选方式，在热泵单元的压缩机与冷凝器之间设置换热单元，若调节蒸发器过热度后，冷凝器前端压力仍大于设定值，则增大换热单元换热量，以降低所述冷凝器前端压力。
此外，本发明提供一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述控制方法的步骤。
有益效果：
（1）本发明通过对热泵单元中压缩机运行工况点的控制，能够有效降低压缩机运行功率，提高压缩机的制冷量，进而达到降低热泵低温干化设备整体能耗的目的。
（2）为保证压缩机能够在最优工况点运行，首先对换热器的换热量进行优化设计，由此从硬件结构上保证压缩机能够运行在最优工况点。
（3）热泵低温干化设备运行过程中，实时监测热泵单元的蒸发温度和冷凝温度，通过对热泵单元运行状态的实时动态调节实现压缩机工况点的纠偏。
（4）本发明在对运行状态实时动态调节以进行工况点纠偏时，优先采用便于实施且不会对其他参数产生附带影响的调节方式，如膨胀阀开度、过热度和过冷度；其次采用调节风机风量、压缩机变频等手段。
（5）本发明中，为保证热泵单元的安全运行，在压缩机与冷凝器之间设置有换热单元，能够实现热泵单元运行过程中应急调节。
附图说明
图1为热泵低温干化设备中热泵单元的组成及工作原理图；
图2为压缩机制冷性能控制方法原理图；
图3为压缩机运行工况点控制顺序图。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明做进一步的详细说明。
实施例1：
本实施例提供一种热泵低温干化设备压缩机制冷性能控制方法，通过热泵单元中压缩机运行工况点的控制，能够有效降低压缩机运行功率，提高压缩机的制冷量，进而达到降低热泵低温干化设备整体能耗的目的。
如图1所示，热泵低温干化设备包括换热器和热泵单元，热泵单元中，压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器依次连接形成制冷循环回路；湿热空气在循环风机的作用下经过换热器换热后，依次经过热泵单元中的蒸发器和冷凝器后形成干热空气进入所述热泵低温干化设备的干化仓。
如图2所示，该压缩机制冷性能控制方法的原理为：首先确定压缩机的最优工况点；然后对换热器进行结构设计，使换热器的换热量能够满足压缩机在最优工况点运行的需求；然后在热泵低温干化设备运行过程中通过对热泵单元进行控制，使压缩机保持在最优工况点运行；本方案中，在最优工况点运行是指与最优工况点的温差在设定范围内（如温差在±5%内），理想状态为，与最优工况点一致（即与最优工况点的温差为0）。
压缩机的工况点包括：蒸发温度和冷凝温度，其中蒸发温度为压缩机的进气温度，冷凝温度为压缩机的出气温度；该工况点与压缩机运行COP相对应；对于低温污泥干化设备，65°C以上出风温度是保证污泥快速进入恒速阶段的重要保证，因此冷凝温度必须大于等于65°C；模拟后得到最佳蒸发温度为30°C左右。
基于此，为降低热泵单元的功耗，需提高压缩机运行COP；当不更换压缩机（即只有一台备选压缩机，该备选压缩机即为热泵单元实际要采用的压缩机）时，选择满足冷凝温度大于等于65°C，蒸发温度30°C左右条件下，该压缩机COP值大于设定值的工况点；然后将该工况点作为最优工况点，令最优工况点对应的蒸发温度和冷凝温度分别为最优蒸发温度和最优冷凝温度。该情况为仅通过改变压缩机运行工况点的方式来提高压缩机的COP值。
当可以更换压缩机（即具有多台备选压缩机）时，可以在多个不同压缩机（品牌或/和型号不同）中，选择满足冷凝温度大于等于65°C，蒸发温度30°C左右条件下，COP值大于设定值的工况点以及对应的压缩机；然后采用所选择的压缩机作为热泵单元实际要采用的压缩机，并将对应的工况点作为最优工况点。该情况为通过选择压缩机加运行工况点的方式来提高压缩机的COP值。
作为一种示例，可以选择压缩机COP值最高的工况点作为最优工况点。如对于相同品牌相同型号的压缩机（如谷轮12P），工况点为30°C /80°C（即蒸发温度30°C，冷凝温度80°C）时，COP值为3.31；工况点为30°C /65°C时，COP值为5.51；则选择30°C /65°C作为最优工况点。
作为另一种示例，将满足冷凝温度大于等于65°C，蒸发温度30°C左右条件下各工况点对应的COP值从大到小排序，COP值排序在前50%的工况点均可作为最优工况点。
在确定最优工况点后，通过对换热器进行结构设计以优化换热器换热量以及对热泵单元运行状态的控制，保证压缩机在最优工况点运行，即控制蒸发温度与最优蒸发温度的差值在设定范围内，控制冷凝温度与最优冷凝温度的差值在设定范围内。具体的：
热泵低温干化设备的循环风路中，循环湿热空气在循环风机的作用下经过换热器（本方案中具体为水冷换热器）换热后，依次经过热泵单元中的蒸发器和冷凝器后形成循环干热空气吹入干化仓。
为保证压缩机能够在最优工况点运行，首先通过优化换热器的换热量（即对换热器进行优化设计），来保证热泵单元工作过程中，压缩机在最优工况点运行时换热器的换热量能够满足要求。优化换热器的换热量的方法为：采用DYMOLA建立热泵低温干化设备的仿真模型，通过该仿真模型数字模拟热泵低温干化设备中的空气温湿度梯度，通过该数字模拟能够得到压缩机处于最优工况点运行时换热器所需提供的换热量（即采用DYMOLA数字模拟时，调整仿真模型中换热器仿真单元的换热量，使换热器仿真单元的换热量能够满足压缩机在最优工况点运行的需求，获取此时仿真模型中换热器仿真单元的换热量）；基于得到的换热器仿真单元的换热量，确定换热器的结构和尺寸，依据该结构尺寸对换热器进行结构设计，由此从硬件结构上保证压缩机能够运行在最优工况点。
但在实际运行过程中，由于受各种干扰，不能保证压缩机能够稳定运行在最优工况点，基于此，需进一步进行运行状态的实时动态调节（即最优工况点的纠偏）。
本实施例中，为实现最优工况点的纠偏，分别在循环风路和冷媒气体循环线路上设定位置配置传感器进行工作状态的实时监测。
循环风路：在蒸发器的进风口、出风口，冷凝器的进风口、出风口以及换热器的出风口处均设置有空气温湿度传感器（设置温湿度传感器还用于监测对应位置循环空气的饱和度）。
冷媒气体循环线路：在压缩机进出口均配有温度传感器，实时监测压缩机进出口冷媒气体温度（即热泵单元的蒸发温度和冷凝温度），令通过温度传感器A实时监测热泵单元的蒸发温度，通过温度传感器B实时监测热泵单元的冷凝温度；在冷凝器前端管路上设置有高压侧压力传感器（令为压力传感器A），在蒸发器前端管路上设置有低压侧压力传感器（令为压力传感器B），由此能够监控每个状态点冷媒气体的温度和压力，从而判断压缩机工作状态。
在热泵单元运行过程中，通过温度传感器A和温度传感器B实时监测热泵单元的蒸发温度和冷凝温度，当蒸发温度或冷凝温度与最优工况点对应温度的差值超过设定范围后，对热泵单元中的各部件进行调节，以实现蒸发温度和冷凝温度的实时调节，进而保证压缩机能够稳定运行在最优工况点。如图3所示，具体的：
当蒸发温度偏离最优蒸发温度（即与最优蒸发温度的差值超过设定范围）时，优先进行膨胀阀开度的调节，通过调节膨胀阀的开度调节冷媒气体的流量和压力，而调节冷媒气体流量能够实现蒸发器换热量的调节，调节冷媒气体压力能够实现蒸发温度的调节。但膨胀阀开度的调节受限于膨胀阀自身结构，若当膨胀阀开度调节至最大开度或最小开度后，蒸发温度仍偏离最优蒸发温度，则可采用调节冷凝器过冷度、调节循环风机风量、调节压缩机转速的方式实现对蒸发温度的进一步调节。其中冷凝器过冷度仅能在一定范围内调节（如仅能实现5K左右的调节），调节冷凝器过冷度能够控制到膨胀阀的冷媒气体的温度和压力；调节循环风机风量时采用变频调节，能够控制经过冷凝器和蒸发器的空气流量，进而改变换热量；压缩机为变频压缩机，调节压缩机转速能够调整压缩机压缩后冷媒气体的压力和温度。
采用上述方式对蒸发温度进行进一步调节时，优先级顺序为：调节冷凝器过冷度-调节风机风量-调节压缩机转速，即优先采用调节冷凝器过冷度的方式进行蒸发温度的精调，当调节冷凝器过冷度后蒸发温度处于最优蒸发温度（即与最优蒸发温度偏差在设定范围内），则无需进行其它调节；否则，进一步调节循环风机风量，若当调节循环风机风量后蒸发温度处于最优蒸发温度（即与最优蒸发温度偏差在设定范围内），则无需进行其它调节，否则，进一步调节压缩机转速。
当冷凝温度偏离最优冷凝温度（即与最优冷凝温度的差值超过设定范围）时，优先调节压缩机的排气过热度，调节压缩机的排气过热度能够控制到冷凝器前的冷媒气体的温度和压力；但压缩机的排气过热度仅能在一定范围内调节（如仅能实现5K以内调节）；当调节压缩机的排气过热度后，冷凝温度仍偏离最优冷凝温度，则可采用调节循环风机风量和调节压缩机转速的方式实现对冷凝温度的进一步调节，优先级顺序为：调节循环风机风量-调节压缩机转速。
实施例2：
在上述实施例1的基础上，进一步给出热泵单元运行过程中应急调节方式。
为保证热泵单元的安全运行，在压缩机与冷凝器之间设置水炮换热器（管壳式换热器的一种）作为换热单元。
热泵单元运行过程中，当压力传感器A监测到冷凝器前端压力大于设定阈值，则进入应急调节状态，应急调节状态时，优先进行蒸发器过热度的调节（冷凝器压力大对应温度高，需要降温所以需要减少过热度），但蒸发器过热度仅能在一定范围内调节（如仅能实现8K左右的调节）；若调节蒸发器过热度后，冷凝器前端压力仍大于设定阈值，增大水炮换热器换热量，以防止冷凝器的温度和压力过高。
实施例3：
本实施例提供一种电子设备，其包括存储器和处理器，该存储器上存储有计算机程序，该计算机程序被所述处理器执行时实现实施例1-实施例2的控制方法。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.热泵低温干化设备压缩机制冷性能控制方法，所述热泵低温干化设备包括换热器和热泵单元，所述热泵单元中，压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器依次连接形成制冷循环回路；湿热空气在循环风机的作用下经过换热器换热后，依次经过热泵单元中的蒸发器和冷凝器后形成干热空气进入所述热泵低温干化设备的干化仓；其特征在于：
所述压缩机的工况点包括：蒸发温度和冷凝温度；首先选择满足设定蒸发温度和冷凝温度条件下，COP值大于设定值的工况点作为压缩机的最优工况点，令最优工况点对应的蒸发温度和冷凝温度分别为最优蒸发温度和最优冷凝温度；
对换热器进行结构设计，使所述换热器的换热量能够满足压缩机在最优工况点运行的需求；
所述热泵低温干化设备运行过程中，对热泵单元的运行状态进行实时动态调节，使所述压缩机保持在最优工况点运行。
2.如权利要求1所述的热泵低温干化设备压缩机制冷性能控制方法，其特征在于：
当只有一台备选压缩机时，选择满足设定蒸发温度和冷凝温度条件下，该备选压缩机COP值最高的工况点作为其最优工况点；
当具有多台不同备选压缩机时：从所有备选压缩机中选择能够满足设定蒸发温度和冷凝温度条件下，COP值最高的工况点以及对应的备选压缩机；采用所选择的备选压缩机作为热泵单元的压缩机，并将对应的工况点作为最优工况点。
3.如权利要求1所述的热泵低温干化设备压缩机制冷性能控制方法，其特征在于：在对换热器进行结构设计时：建立所述热泵低温干化设备的仿真模型，所述仿真模型用于模拟所述热泵低温干化设备内的空气温湿度梯度；调整仿真模型中换热器仿真单元的换热量，使换热器仿真单元的换热量能够满足压缩机在最优工况点运行的需求，获取此时仿真模型中换热器仿真单元的换热量；基于所获取的换热量，对所述换热器进行结构设计。
4.如权利要求1-3任一项所述的热泵低温干化设备压缩机制冷性能控制方法，其特征在于：
所述热泵低温干化设备运行过程中，当热泵单元的蒸发温度与所述最优蒸发温度的差值超过设定范围时，首先调节膨胀阀的开度，若当膨胀阀的开度调节至最大开度或最小开度后，蒸发温度与最优蒸发温度的差值仍超过设定范围，则采用调节冷凝器过冷度、调节循环风机风量、调节压缩机转速中一种以上的方式实现对蒸发温度的进一步调节。
5.如权利要求4所述的热泵低温干化设备压缩机制冷性能控制方法，其特征在于：对蒸发温度进行进一步调节时，优先级顺序为：调节冷凝器过冷度-调节循环风机风量-调节压缩机转速。
6.如权利要求1-3任一项所述的热泵低温干化设备压缩机制冷性能控制方法，其特征在于：
所述热泵低温干化设备运行过程中，当热泵单元的冷凝温度与所述最优冷凝温度的差值超过设定范围时，首先调节所述压缩机的排气过热度，若在调节压缩机的排气过热度后，冷凝温度与最优冷凝温度的差值仍超过设定范围，则采用调节循环风机风量、调节压缩机转速中一种以上的方式实现对冷凝温度的进一步调节。
7.如权利要求6所述的热泵低温干化设备压缩机制冷性能控制方法，其特征在于：对冷凝温度进行进一步调节时，优先级顺序为：调节循环风机风量-调节压缩机转速。
8.如权利要求1-3任一项所述的热泵低温干化设备压缩机制冷性能控制方法，其特征在于：
所述热泵低温干化设备运行过程中，实时监测冷凝器前端压力，当冷凝器前端压力大于设定值时，调节蒸发器过热度。
9.如权利要求8所述的热泵低温干化设备压缩机制冷性能控制方法，其特征在于：在热泵单元的压缩机与冷凝器之间设置换热单元，若调节蒸发器过热度后，冷凝器前端压力仍大于设定值，则增大换热单元换热量，以降低所述冷凝器前端压力。
10.一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至9中任一项所述的方法的步骤。
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-
2023
- 2023-07-05 CN CN202310813674.2A patent/CN116518600A/zh active Pending
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