吸收式余熱驅(qū)動制冷控制系統(tǒng)研究

徐傳芳 王鵬飛 岳偉甲

[摘 ? ?要]吸收式余熱驅(qū)動制冷技術(shù)能夠制備-25 ℃左右的低溫冷源，其制冷工藝設(shè)備結(jié)構(gòu)相對簡單、控制要求較低。文章介紹了吸收式余熱驅(qū)動制冷系統(tǒng)的設(shè)備構(gòu)成，根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)和控制要求，設(shè)計(jì)了以PLC為核心控制器的軟、硬件系統(tǒng)，并且對控制系統(tǒng)主要功能進(jìn)行了詳細(xì)介紹。整個控制系統(tǒng)在工業(yè)環(huán)境中進(jìn)行了調(diào)試運(yùn)行，設(shè)備運(yùn)行效果滿足工業(yè)生產(chǎn)要求。

[關(guān)鍵詞]余熱制冷;PLC;控制系統(tǒng)

[中圖分類號]TK115 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2022）03–00–03

Study on Absorption Waste Heat Driven Refrigeration Control System

XU Chuan-fang，WANG Peng-fei，YUE Wei-jia

[Abstract]Absorption waste heat driven refrigeration technology can prepare low-temperature cold source of about -25 ℃， with relatively simple structure and low control requirements for its refrigeration process equipment. This paper introduces the equipment composition of absorption waste heat driven refrigeration system， designs the software and hardware system with PLC as the core controller according to the system operation parameters and control requirements， and describes the main functions of the control system in detail. The whole control system has been debugged and run in the industrial environment， and the operating results of the equipment meets the requirements of industrial production.

[Keywords]waste heat refrigeration; PLC; Control System

1 概述

目前制冷技術(shù)主要是以壓縮式和吸收式為主，傳統(tǒng)的壓縮式制冷技術(shù)主要利用電能或機(jī)械能驅(qū)動壓縮機(jī)進(jìn)行冷源制備，在此過程中必然消耗大量電能，一定程度上造成能源浪費(fèi)。吸收式余熱驅(qū)動制冷工藝是1種新型的余熱驅(qū)動制冷技術(shù)，它能夠利用工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的豐富廢氣余熱資源制備低溫冷源，有效利用從廢氣余熱制備來的低溫冷源，對于能源循環(huán)利用、節(jié)約生產(chǎn)成本具有重要意義。

以乙二醇、合成氨、尿素等合成過程中產(chǎn)生的反應(yīng)熱為例，根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求需大量循環(huán)冷卻水對設(shè)備或溶液進(jìn)行有效冷卻降溫，將富余熱量帶走以保證生產(chǎn)高效、連續(xù)地進(jìn)行，此循環(huán)水出口溫度范圍一般在90 ～130 ℃。吸收式余熱驅(qū)動制冷技術(shù)可以利用上述富余熱量的高溫?zé)嵩粗苽渖a(chǎn)過程中所需要的-25 ℃左右的低溫冷源，相比過去的壓縮式制冷機(jī)制冷技術(shù)而言，吸收式制冷工藝運(yùn)行效率更高，系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)更加簡單，控制要求較低。而研究余熱制冷控制系統(tǒng)對于制冷工藝在工業(yè)領(lǐng)域的高效穩(wěn)定運(yùn)行具有現(xiàn)實(shí)意義。

2 吸收式余熱驅(qū)動制冷裝置構(gòu)成

本文介紹的余熱驅(qū)動制冷工藝采用的是吸收式制冷方式，以工業(yè)生產(chǎn)乙二醇過程為例，根據(jù)制冷設(shè)備參數(shù)、制備冷量要求，合肥沃特普爾節(jié)能科技有限公司設(shè)計(jì)了，1套完整的吸收式余熱驅(qū)動制冷裝置。該制冷裝置構(gòu)成主要包括：

（1）換熱器、吸收器、發(fā)生器、蒸發(fā)器和緩沖罐等多種溶液反應(yīng)發(fā)生器。

（2）溶液泵、循環(huán)泵、反沖洗泵和蒸發(fā)冷水泵等多種葉片式立式泵。

（3）管道開關(guān)閥、液位調(diào)節(jié)閥、溫度調(diào)節(jié)閥和壓力調(diào)節(jié)閥等多種閥門。

（4）蒸發(fā)冷風(fēng)機(jī)。

吸收式余熱制冷裝置3DSMax渲染圖如圖1所示。該制冷工藝所采用的工質(zhì)主要以氨鹽溶液、抗氧劑、催化劑為主，工作介質(zhì)主要以制取冷量的制冷劑和吸收、解吸制冷劑的吸收劑為主。液態(tài)冷劑節(jié)流降壓后進(jìn)入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器內(nèi)吸熱蒸發(fā)，產(chǎn)生冷效應(yīng)，冷劑由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，再進(jìn)入吸收器中;貧溶液由發(fā)生器經(jīng)換熱器和節(jié)流降壓后進(jìn)入吸收器，吸收來自蒸發(fā)器的冷劑蒸氣，吸收過程中產(chǎn)生的富溶液由循環(huán)泵加壓，經(jīng)換熱器吸熱升溫后，重新進(jìn)入發(fā)生器，如此完成低溫冷源的循環(huán)制備。

3 余熱驅(qū)動制冷控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)制冷工藝工作原理、設(shè)備技術(shù)參數(shù)、現(xiàn)場工業(yè)環(huán)境以及設(shè)備投入成本等綜合因素，為實(shí)現(xiàn)整個制冷設(shè)備的所有功能，最終給出控制系統(tǒng)可行性技術(shù)方案。本控制系統(tǒng)采用施耐德莫迪康M580系列PLC作為核心控制器，PLC控制系統(tǒng)硬件包括：數(shù)字量輸入/輸出模塊、模擬量輸入/輸出模塊、電源模塊、通訊模塊以及底板與機(jī)架。其中，輸入輸出單元設(shè)計(jì)在1000點(diǎn)以上;通訊模塊包括1個主站通訊塊和3個子站通訊塊，主站和子站之間以及上位機(jī)服務(wù)器和PLC下位機(jī)之間采用以太網(wǎng)通訊;PLC控制系統(tǒng)硬件上預(yù)留了可擴(kuò)展卡槽，方便后期系統(tǒng)功能擴(kuò)展和升級。另外，控制系統(tǒng)配套的硬件設(shè)備包括：上位機(jī)服務(wù)器、電氣控制柜、變頻器、電能測量表、電動機(jī)保護(hù)器、輸入/輸出電抗器、中間繼電器、斷路器和開關(guān)電源等。

PLC控制模塊主要功能如下：

（1）模擬量輸入。①完成制冷設(shè)備中吸收器、發(fā)生器、蒸發(fā)器等內(nèi)部溶液溫度、壓力、液位、流量的數(shù)據(jù)采集功能，硬件上數(shù)據(jù)采集配套傳感器包括：溫度測量的一體化溫度變送器;壓力測量的壓力變送器;液位測量的磁翻板液位計(jì)、雙法蘭差壓變送器;流量測量的電磁流量計(jì)、差壓變送器。表1給出了制冷設(shè)備部分溶液數(shù)據(jù)與PLC硬件地址、數(shù)據(jù)采集傳感器對應(yīng)關(guān)系。

②變頻器、電能測量表、電機(jī)保護(hù)器、輸入/輸出電抗器等制冷系統(tǒng)配套設(shè)備電能數(shù)據(jù)采集，電能數(shù)據(jù)主要包括三相電流、三相電壓和總有功功率。

（2）模擬量輸出。①實(shí)現(xiàn)液位調(diào)節(jié)閥、溫度調(diào)節(jié)閥和壓力調(diào)節(jié)閥等開度PID數(shù)據(jù)給定;②溶液泵和蒸發(fā)冷風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率給定。

（3）數(shù)字量輸入。①檢測溶液泵、循環(huán)泵、反沖洗泵、蒸發(fā)冷水泵和蒸發(fā)冷風(fēng)機(jī)等設(shè)備運(yùn)行與故障信號;②管道開關(guān)閥限位開關(guān)動作指示信號檢測。

（4）數(shù)字量輸出。溶液泵、循環(huán)泵、反沖洗泵、蒸發(fā)冷水泵、蒸發(fā)冷風(fēng)機(jī)以及電磁閥門等設(shè)備啟動與停止指令給定。

4 余熱驅(qū)動制冷控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

PLC程序編寫采用UNITY PRO XL8.0及以上版本軟件，軟件編程環(huán)境如圖2所示，控制模塊采用1個主站和3個子站布局方式。

控制系統(tǒng)程序段主要包括：

（1）模擬量數(shù)據(jù)采集。程序設(shè)計(jì)完成傳感器4～20 mA電流信號或0～1 V電壓信號的數(shù)值轉(zhuǎn)換任務(wù)，轉(zhuǎn)換后的浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)保存在PLC程序?qū)?yīng)的寄存器中，相關(guān)數(shù)據(jù)供上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)用。

（2）程序設(shè)計(jì)完成連接制冷設(shè)備的主要管道開關(guān)閥邏輯開關(guān)動作等任務(wù)。

（3）調(diào)節(jié)閥開度PID調(diào)節(jié)。這是程序設(shè)計(jì)的核心，整個控制系統(tǒng)根據(jù)制冷工藝要求，對現(xiàn)場設(shè)備中溶液溫度、液位、壓力、流量進(jìn)行實(shí)時采集，并根據(jù)設(shè)備溶液溫度、壓力和液位數(shù)據(jù)對制冷設(shè)備中管道調(diào)節(jié)閥開度進(jìn)行PI或PID調(diào)節(jié)。例如，管程乙二醇管道出口溫度調(diào)節(jié)閥開度與管程乙二醇管道出口溫度成正線性相關(guān)性，溫度在-20.2 ℃以上時調(diào)節(jié)閥開度線性增大，溫度在-5 ℃時調(diào)節(jié)閥開度設(shè)置最大值，其他有關(guān)數(shù)據(jù)PI/PID調(diào)節(jié)參數(shù)具體關(guān)系見表2。

（4）上位機(jī)對溶液泵進(jìn)行頻率給定。程序設(shè)計(jì)中溶液泵設(shè)備頻率數(shù)據(jù)通過上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)給定，PLC程序段對上位機(jī)給定的頻率數(shù)據(jù)存儲后通過PLC模擬量輸出模塊輸出給變頻器。

5 調(diào)試與運(yùn)行

整個余熱驅(qū)動制冷系統(tǒng)安裝在化工廠環(huán)境，在工業(yè)乙二醇生產(chǎn)過程中利用產(chǎn)生的廢氣、廢液等余熱進(jìn)行制冷，現(xiàn)場對整個控制系統(tǒng)進(jìn)行了聯(lián)調(diào)，持續(xù)不間斷運(yùn)行表明整個系統(tǒng)運(yùn)行良好，上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集以及操作員對現(xiàn)場設(shè)備的遠(yuǎn)程指令操作準(zhǔn)確無誤。單套系統(tǒng)試運(yùn)行后外部參數(shù)見表3。

6 結(jié)語

為提高能源利用率，依托余熱驅(qū)動制冷的方式使余熱資源回收再利用技術(shù)得到快速發(fā)展，吸收式余熱驅(qū)動制冷技術(shù)可回收以及能夠循環(huán)利用工業(yè)生產(chǎn)中的余熱、廢氣，其在替代傳統(tǒng)電能壓縮式制冷設(shè)備，特別在節(jié)約電能等生產(chǎn)成本上發(fā)揮巨大作用。合肥沃特普爾節(jié)能科技有限公司設(shè)計(jì)的制冷設(shè)備在乙二醇生產(chǎn)過程中利用高溫?zé)嵩粗苽涞蜏乩湓吹膶?shí)際工業(yè)環(huán)境中得到有效應(yīng)用，本文根據(jù)該制冷設(shè)備構(gòu)成、技術(shù)參數(shù)、工藝流程和工作原理等相關(guān)知識給出了完整的系統(tǒng)控制方案，控制系統(tǒng)采用PLC作為核心部件，對整個控制系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì)和功能進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并且控制系統(tǒng)在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中進(jìn)行了安裝調(diào)試運(yùn)行。

目前吸收式制冷設(shè)備正在向著小型化、高效化的方向發(fā)展，吸收式制冷已經(jīng)成為制冷技術(shù)的主要發(fā)展方向之一，有著非常廣闊的前景。本文給出的余熱驅(qū)動制冷控制系統(tǒng)的可行性方案對研究優(yōu)化余熱制冷控制技術(shù)具有現(xiàn)實(shí)意義。

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