吸收式余熱驅動制冷控制系統研究

徐傳芳 王鵬飛 岳偉甲

[摘 ? ?要]吸收式余熱驅動制冷技術能夠制備-25 ℃左右的低溫冷源，其制冷工藝設備結構相對簡單、控制要求較低。文章介紹了吸收式余熱驅動制冷系統的設備構成，根據系統運行參數和控制要求，設計了以PLC為核心控制器的軟、硬件系統，并且對控制系統主要功能進行了詳細介紹。整個控制系統在工業環境中進行了調試運行，設備運行效果滿足工業生產要求。

[關鍵詞]余熱制冷;PLC;控制系統

[中圖分類號]TK115 [文獻標志碼]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

目前制冷技術主要是以壓縮式和吸收式為主，傳統的壓縮式制冷技術主要利用電能或機械能驅動壓縮機進行冷源制備，在此過程中必然消耗大量電能，一定程度上造成能源浪費。吸收式余熱驅動制冷工藝是1種新型的余熱驅動制冷技術，它能夠利用工業生產過程中產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，對于能源循環利用、節約生產成本具有重要意義。

以乙二醇、合成氨、尿素等合成過程中產生的反應熱為例，根據生產工藝的要求需大量循環冷卻水對設備或溶液進行有效冷卻降溫，將富余熱量帶走以保證生產高效、連續地進行，此循環水出口溫度范圍一般在90 ～130 ℃。吸收式余熱驅動制冷技術可以利用上述富余熱量的高溫熱源制備生產過程中所需要的-25 ℃左右的低溫冷源，相比過去的壓縮式制冷機制冷技術而言，吸收式制冷工藝運行效率更高，系統設備結構更加簡單，控制要求較低。而研究余熱制冷控制系統對于制冷工藝在工業領域的高效穩定運行具有現實意義。

2 吸收式余熱驅動制冷裝置構成

本文介紹的余熱驅動制冷工藝采用的是吸收式制冷方式，以工業生產乙二醇過程為例，根據制冷設備參數、制備冷量要求，合肥沃特普爾節能科技有限公司設計了，1套完整的吸收式余熱驅動制冷裝置。該制冷裝置構成主要包括：

（1）換熱器、吸收器、發生器、蒸發器和緩沖罐等多種溶液反應發生器。

（2）溶液泵、循環泵、反沖洗泵和蒸發冷水泵等多種葉片式立式泵。

（3）管道開關閥、液位調節閥、溫度調節閥和壓力調節閥等多種閥門。

（4）蒸發冷風機。

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主要以氨鹽溶液、抗氧劑、催化劑為主，工作介質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。液態冷劑節流降壓后進入蒸發器，在蒸發器內吸熱蒸發，產生冷效應，冷劑由液態變為氣態，再進入吸收器中;貧溶液由發生器經換熱器和節流降壓后進入吸收器，吸收來自蒸發器的冷劑蒸氣，吸收過程中產生的富溶液由循環泵加壓，經換熱器吸熱升溫后，重新進入發生器，如此完成低溫冷源的循環制備。

3 余熱驅動制冷控制系統硬件設計

根據制冷工藝工作原理、設備技術參數、現場工業環境以及設備投入成本等綜合因素，為實現整個制冷設備的所有功能，最終給出控制系統可行性技術方案。本控制系統采用施耐德莫迪康M580系列PLC作為核心控制器，PLC控制系統硬件包括：數字量輸入/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架。其中，輸入輸出單元設計在1000點以上;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服務器和PLC下位機之間采用以太網通訊;PLC控制系統硬件上預留了可擴展卡槽，方便后期系統功能擴展和升級。另外，控制系統配套的硬件設備包括：上位機服務器、電氣控制柜、變頻器、電能測量表、電動機保護器、輸入/輸出電抗器、中間繼電器、斷路器和開關電源等。

PLC控制模塊主要功能如下：

（1）模擬量輸入。①完成制冷設備中吸收器、發生器、蒸發器等內部溶液溫度、壓力、液位、流量的數據采集功能，硬件上數據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、雙法蘭差壓變送器;流量測量的電磁流量計、差壓變送器。表1給出了制冷設備部分溶液數據與PLC硬件地址、數據采集傳感器對應關系。

②變頻器、電能測量表、電機保護器、輸入/輸出電抗器等制冷系統配套設備電能數據采集，電能數據主要包括三相電流、三相電壓和總有功功率。

（2）模擬量輸出。①實現液位調節閥、溫度調節閥和壓力調節閥等開度PID數據給定;②溶液泵和蒸發冷風機運行頻率給定。

（3）數字量輸入。①檢測溶液泵、循環泵、反沖洗泵、蒸發冷水泵和蒸發冷風機等設備運行與故障信號;②管道開關閥限位開關動作指示信號檢測。

（4）數字量輸出。溶液泵、循環泵、反沖洗泵、蒸發冷水泵、蒸發冷風機以及電磁閥門等設備啟動與停止指令給定。

4 余熱驅動制冷控制系統軟件設計

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

控制系統程序段主要包括：

（1）模擬量數據采集。程序設計完成傳感器4～20 mA電流信號或0～1 V電壓信號的數值轉換任務，轉換后的浮點型數據保存在PLC程序對應的寄存器中，相關數據供上位機監控系統調用。

（2）程序設計完成連接制冷設備的主要管道開關閥邏輯開關動作等任務。

（3）調節閥開度PID調節。這是程序設計的核心，整個控制系統根據制冷工藝要求，對現場設備中溶液溫度、液位、壓力、流量進行實時采集，并根據設備溶液溫度、壓力和液位數據對制冷設備中管道調節閥開度進行PI或PID調節。例如，管程乙二醇管道出口溫度調節閥開度與管程乙二醇管道出口溫度成正線性相關性，溫度在-20.2 ℃以上時調節閥開度線性增大，溫度在-5 ℃時調節閥開度設置最大值，其他有關數據PI/PID調節參數具體關系見表2。

（4）上位機對溶液泵進行頻率給定。程序設計中溶液泵設備頻率數據通過上位機監控系統給定，PLC程序段對上位機給定的頻率數據存儲后通過PLC模擬量輸出模塊輸出給變頻器。

5 調試與運行

整個余熱驅動制冷系統安裝在化工廠環境，在工業乙二醇生產過程中利用產生的廢氣、廢液等余熱進行制冷，現場對整個控制系統進行了聯調，持續不間斷運行表明整個系統運行良好，上位機監控系統的數據采集以及操作員對現場設備的遠程指令操作準確無誤。單套系統試運行后外部參數見表3。

6 結語

為提高能源利用率，依托余熱驅動制冷的方式使余熱資源回收再利用技術得到快速發展，吸收式余熱驅動制冷技術可回收以及能夠循環利用工業生產中的余熱、廢氣，其在替代傳統電能壓縮式制冷設備，特別在節約電能等生產成本上發揮巨大作用。合肥沃特普爾節能科技有限公司設計的制冷設備在乙二醇生產過程中利用高溫熱源制備低溫冷源的實際工業環境中得到有效應用，本文根據該制冷設備構成、技術參數、工藝流程和工作原理等相關知識給出了完整的系統控制方案，控制系統采用PLC作為核心部件，對整個控制系統軟、硬件設計和功能進行了詳細介紹，并且控制系統在實際工業生產中進行了安裝調試運行。

目前吸收式制冷設備正在向著小型化、高效化的方向發展，吸收式制冷已經成為制冷技術的主要發展方向之一，有著非常廣闊的前景。本文給出的余熱驅動制冷控制系統的可行性方案對研究優化余熱制冷控制技術具有現實意義。

參考文獻

[1] 李仁軍，葉少春.余熱深度制冷技術的應用[J].中國鹽業，2019（8）：43-47.

[2] 聶山鈞.基于熱電制冷的圖像傳感器深度制冷技術研究[D].中國科學院光電技術研究所，2019.

[3] 粟航，郭開華，皇甫立霞，等.強吸水性離子液體-水工質對吸收式制冷循環性能分析[J].制冷學報，2013，（3）：24-30.

[4] 高泉，鄭丹星，蔣楚生.升溫型吸收式熱泵工質對的熱力學研究[J].石油化工，1993（6）：382-392.

[5] 王正輝，余曉明，陳松江，等.低品位余熱驅動制冷問題的探討[J].低溫與超導，2012，（11）：45-48.

[6] 李藝群.基于吸收式熱泵循環的工質對研究[D].北京科技大學，2020.