氨/二氧化碳復(fù)疊式制冷系統(tǒng)自動化研究與設(shè)計(jì)分析

邵長勝 任志峰

摘 ?要：為更好的滿足經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展及人們追求高質(zhì)量生活的需求，應(yīng)加大冷藏庫的建設(shè)力度。盡管近些年國內(nèi)冷庫總?cè)萘颗c人均占有量均有明顯提升，但和世界先進(jìn)水平相比較，冷庫項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)技術(shù)均較落后，自動化冷庫占比相對較低。為提升我國冷庫自動化水平及更好的落實(shí)節(jié)能減排政策，本文從硬件、軟件兩大方面設(shè)計(jì)了氨/二氧化碳（NH3/CO2）復(fù)疊式制冷系統(tǒng)，以供同行參考借鑒。

關(guān)鍵詞：復(fù)疊式制冷系統(tǒng);氨/二氧化碳;軟件;硬件;自動化設(shè)計(jì)

引言

近些年中，國家給予環(huán)保、節(jié)能情況較高重視，對制冷行業(yè)發(fā)展過程起到良好的促進(jìn)作用，新型制冷系統(tǒng)陸續(xù)被研發(fā)，實(shí)現(xiàn)環(huán)保、智能化是系統(tǒng)的主要發(fā)展方向。制冷企業(yè)一定要以技術(shù)創(chuàng)新維支撐，提升制冷控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)水平，使其具備較好的自動化控制功能。在NH3/CO2雙制冷劑系統(tǒng)內(nèi)，CO2僅存留在機(jī)組內(nèi)，克服了很多危險(xiǎn)因素，和其他混合工質(zhì)比較，效率提升量高于70%。NH3制冷的優(yōu)勢主要表現(xiàn)在安全、節(jié)能等方面上，在NH3/CO2復(fù)疊式系統(tǒng)內(nèi)，NH3被限制在機(jī)房區(qū)，減輕了對人員及貨物品造成的損害。提升制冷系統(tǒng)的自動化水平，能明顯減少因人為操作失誤帶來的隱患。

1、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選用S7-300系列PLC作為總控中心，利用PROFIBUS技術(shù)調(diào)控各控制單元，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全自動化運(yùn)轉(zhuǎn)，在此基礎(chǔ)上勾畫設(shè)計(jì)項(xiàng)目的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖。[1]

利用 S7-200PLC+HMI調(diào)控各模塊單元，負(fù)責(zé)接收由PLC傳送的各種指令。PLC不僅能利用EM277模塊拓展總線 PROFIBUS-DP由站接口，還具備遠(yuǎn)程編程、維護(hù)功能。該系統(tǒng)內(nèi)，均應(yīng)用自動型機(jī)組作為氨壓縮機(jī)組，能實(shí)現(xiàn)對能量的智能化調(diào)控;結(jié)合系統(tǒng)降溫流程，蒸發(fā)冷能自動化調(diào)控啟停動作，參照冷凝壓力的改變情況自動調(diào)控?cái)?shù)臺蒸發(fā)冷水泵和軸流風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài);制冷機(jī)房中布設(shè)了NH3、CO2報(bào)警裝置，對系統(tǒng)安全運(yùn)行過程起到了一定維護(hù)、鞏固作用。

1.1機(jī)組控制柜

選用進(jìn)口控制元件作為壓縮機(jī)控制臺，其有調(diào)控過程靈敏度高、可靠性強(qiáng)的特征，選用觸摸屏作為控制界面，全中文顯示，使用者的可操作性較強(qiáng)。其實(shí)可以將PLC看成是計(jì)算機(jī)設(shè)備，軟硬件結(jié)構(gòu)與計(jì)算機(jī)大體一致。利用閉環(huán)直接數(shù)字控制PLC運(yùn)轉(zhuǎn)過程，實(shí)現(xiàn)了全程、全自動化計(jì)算機(jī)調(diào)控，明顯提升了壓縮機(jī)調(diào)控的精準(zhǔn)性、穩(wěn)定性。智能檢測吸氣壓力，利用PLC自動控制滑閥上的卸載情況，能在很少的范疇中自動調(diào)控壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，減少能耗量。在機(jī)組PLC上還增設(shè)了通訊卡，對MODBUS、PROFIBUS等運(yùn)轉(zhuǎn)過程起到良好的支持作用，能和建筑自控系統(tǒng)或上位機(jī)進(jìn)行雙向通訊，這是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、多機(jī)群控的重要基礎(chǔ)。

1.2撬塊控制柜

氣液分離器、CO2泵及其他附件是撬塊的主要構(gòu)成，結(jié)構(gòu)科學(xué)、行程實(shí)現(xiàn)集中化等是其主要特征，便于制冷系統(tǒng)的兼容與應(yīng)用。其中，采用磁浮子液位計(jì)設(shè)計(jì)氣液分離器，丹佛 ICS+ICM+AKS4100U+EKE347協(xié)同實(shí)現(xiàn)智能供液、預(yù)警液位超高情況等。分離器上布置了自動、手動兩種供液方法，AKS4100U傳感器最大的功能是把液位信號傳送到PLC上，并且會在上位機(jī)直觀的呈現(xiàn)出來。CO2泵上裝設(shè)了壓差控制器，當(dāng)CO2泵進(jìn)、出口壓力在設(shè)計(jì)值之下時，壓差控制器便傳送出信號，和時間繼電器連通后延時，若在設(shè)定的時間中排出壓力不能提高，則就采用暫停泵運(yùn)轉(zhuǎn)過程的方法進(jìn)行處理。[2]

1.3蒸發(fā)冷控制柜

參照最大排熱量區(qū)選擇適宜的蒸發(fā)式冷凝器，已知系統(tǒng)的總熱負(fù)荷1068kW，冷凝溫度+35℃，經(jīng)修正以后的排熱量是1008kW。

不管是蒸發(fā)冷水泵，還是風(fēng)扇，其均配置了手動、自動兩種運(yùn)行模式，進(jìn)而使系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的可靠性得到更大保障。在室外安置一個溫度傳感器，用于檢測環(huán)境溫度，進(jìn)而精準(zhǔn)的判斷系統(tǒng)運(yùn)行所處的季節(jié)，這是系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)現(xiàn)節(jié)能的重要基礎(chǔ)。合理應(yīng)用自動化控制原理對蒸發(fā)冷運(yùn)行情況進(jìn)行計(jì)時，暫停操作時，對正處于運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)轉(zhuǎn)時間最長的單臺設(shè)備進(jìn)行停止操作，這是設(shè)備磨損實(shí)現(xiàn)均衡的重要基礎(chǔ)，進(jìn)而延長設(shè)備的使用年限，減少運(yùn)維成本。

1.4總控PLC柜

利用計(jì)算機(jī)人機(jī)界面能動態(tài)監(jiān)控本系統(tǒng)內(nèi)所有設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，病集中管理、存儲數(shù)據(jù)等。用單臺運(yùn)行組態(tài)軟件的工控機(jī)作為機(jī)房控制室中上位機(jī)，采用人工手動方法控制系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)，S7-200 PLC能實(shí)現(xiàn)上位機(jī)的自動化操控，以太網(wǎng)完成通訊，實(shí)時呈現(xiàn)出各監(jiān)控點(diǎn)的改變情況，PLC能實(shí)現(xiàn)對設(shè)備狀態(tài)的集中化控制，為不同操作人員布置級別有差異的操控口令，確保系統(tǒng)操作過程的整體安全性。

2、軟件設(shè)計(jì)

可以將復(fù)疊系統(tǒng)看成是配搭雙級系統(tǒng)，主要由高、低溫級兩部分組成，分別利用NH3、CO2作為制冷劑，采用冷凝蒸發(fā)器連接高、低溫級制冷系統(tǒng)，通過蒸發(fā)CO2去低溫級壓縮機(jī)排出的NH3蒸汽。利用蒸發(fā)器將冷庫熱負(fù)荷傳送給NH3制冷劑，NH3制冷劑吸熱后基于冷凝蒸發(fā)器將其傳送給CO2制冷劑。選用研華工控機(jī)、液晶顯示器作為機(jī)房控制室內(nèi)上位機(jī)，S7-300與S7-200 ?PLC作為下位機(jī)，基于PROFIBUS實(shí)現(xiàn)快速通訊，實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)各個設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。[3]

3、性能檢測

CO2是天然工質(zhì)，將其用于制冷領(lǐng)域中，其環(huán)保性能相對較高，且和制冷循環(huán)及系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)表現(xiàn)出較高的適應(yīng)性，且CO2化學(xué)穩(wěn)定，無毒害作用，經(jīng)濟(jì)性較高。NH3制冷具有對環(huán)境友好，熱力學(xué)性能好，單位容積制冷量高等諸多優(yōu)勢。氟利昂是一種不易燃、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的制冷劑，可用于各溫級制冷劑內(nèi)。

本文通過試驗(yàn)檢測了NH3雙級、NH3+CO2復(fù)疊、CO2及氟利昂制冷情況（表1）[4] 。

綜合表1內(nèi)的數(shù)據(jù)信息，不難發(fā)現(xiàn)各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果均較好的符合設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。相比之下，NH3+CO2復(fù)疊式系統(tǒng)的操作流程相對較復(fù)雜，運(yùn)行符合改變對系統(tǒng)狀態(tài)基本不會形成顯著影響，系統(tǒng)內(nèi)NH3充入量較少，在機(jī)房內(nèi)能實(shí)現(xiàn)集中化。

結(jié)束語：

CO2自身性能優(yōu)良，用NH3+CO2復(fù)疊系統(tǒng)將傳統(tǒng)低溫制冷循環(huán)工質(zhì)取代式制冷行業(yè)未來發(fā)展的主要方向之一。現(xiàn)已有研究證實(shí)，本文設(shè)計(jì)的復(fù)疊系統(tǒng)和傳統(tǒng)R22/R12復(fù)疊式系統(tǒng)在性能系數(shù)上表現(xiàn)出高度一致性，如果再考慮環(huán)境效益問題，則可以認(rèn)定這種制冷系統(tǒng)自身具有較強(qiáng)的市場競爭力和發(fā)展?jié)摿?，值得推廣。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳利儀. CO2制冷機(jī)組復(fù)疊系統(tǒng)自動控制設(shè)計(jì)分析[J]. 中國標(biāo)準(zhǔn)化， 2019， 000（006）：254-256.

[2] 任繼鵬， 孫遠(yuǎn)新， 張良. R1270/CO2復(fù)疊式制冷系統(tǒng)熱力學(xué)分析與研究[J]. 科學(xué)與財(cái)富， 2019， 000（006）：258.

[3] 孔德霞. NH3和CO2制冷劑及其復(fù)疊式制冷系統(tǒng)[J]. 農(nóng)村經(jīng)濟(jì)與科技， 2020， 031（008）：345-346.

[4] 劉軍， 董磊， 全峰. 某大型冷庫制冷系統(tǒng)的選擇[J]. 冷藏技術(shù)， 2019， v.42;No.169（04）：42-44.