氨/二氧化碳复叠式制冷系统自动化研究与设计分析

邵长胜 任志峰

摘  要：为更好的满足经济社会发展及人们追求高质量生活的需求，应加大冷藏库的建设力度。尽管近些年国内冷库总容量与人均占有量均有明显提升，但和世界先进水平相比较，冷库项目的设计与生产技术均较落后，自动化冷库占比相对较低。为提升我国冷库自动化水平及更好的落实节能减排政策，本文从硬件、软件两大方面设计了氨/二氧化碳（NH3/CO2）复叠式制冷系统，以供同行参考借鉴。

关键词：复叠式制冷系统;氨/二氧化碳;软件;硬件;自动化设计

引言

近些年中，国家给予环保、节能情况较高重视，对制冷行业发展过程起到良好的促进作用，新型制冷系统陆续被研发，实现环保、智能化是系统的主要发展方向。制冷企业一定要以技术创新维支撑，提升制冷控制系统的设计水平，使其具备较好的自动化控制功能。在NH3/CO2双制冷剂系统内，CO2仅存留在机组内，克服了很多危险因素，和其他混合工质比较，效率提升量高于70%。NH3制冷的优势主要表现在安全、节能等方面上，在NH3/CO2复叠式系统内，NH3被限制在机房区，减轻了对人员及货物品造成的损害。提升制冷系统的自动化水平，能明显减少因人为操作失误带来的隐患。

1、控制系统硬件设计

本系统选用S7-300系列PLC作为总控中心，利用PROFIBUS技术调控各控制单元，实现系统的全自动化运转，在此基础上勾画设计项目的网络架构图。[1]

利用 S7-200PLC+HMI调控各模块单元，负责接收由PLC传送的各种指令。PLC不仅能利用EM277模块拓展总线 PROFIBUS-DP由站接口，还具备远程编程、维护功能。该系统内，均应用自动型机组作为氨压缩机组，能实现对能量的智能化调控;结合系统降温流程，蒸发冷能自动化调控启停动作，参照冷凝压力的改变情况自动调控数台蒸发冷水泵和轴流风机的运转状态;制冷机房中布设了NH3、CO2报警装置，对系统安全运行过程起到了一定维护、巩固作用。

1.1机组控制柜

选用进口控制元件作为压缩机控制台，其有调控过程灵敏度高、可靠性强的特征，选用触摸屏作为控制界面，全中文显示，使用者的可操作性较强。其实可以将PLC看成是计算机设备，软硬件结构与计算机大体一致。利用闭环直接数字控制PLC运转过程，实现了全程、全自动化计算机调控，明显提升了压缩机调控的精准性、稳定性。智能检测吸气压力，利用PLC自动控制滑阀上的卸载情况，能在很少的范畴中自动调控压缩机运行状态，减少能耗量。在机组PLC上还增设了通讯卡，对MODBUS、PROFIBUS等运转过程起到良好的支持作用，能和建筑自控系统或上位机进行双向通讯，这是实现远程监控、多机群控的重要基础。

1.2撬块控制柜

气液分离器、CO2泵及其他附件是撬块的主要构成，结构科学、行程实现集中化等是其主要特征，便于制冷系统的兼容与应用。其中，采用磁浮子液位计设计气液分离器，丹佛 ICS+ICM+AKS4100U+EKE347协同实现智能供液、预警液位超高情况等。分离器上布置了自动、手动两种供液方法，AKS4100U傳感器最大的功能是把液位信号传送到PLC上，并且会在上位机直观的呈现出来。CO2泵上装设了压差控制器，当CO2泵进、出口压力在设计值之下时，压差控制器便传送出信号，和时间继电器连通后延时，若在设定的时间中排出压力不能提高，则就采用暂停泵运转过程的方法进行处理。[2]

1.3蒸发冷控制柜

参照最大排热量区选择适宜的蒸发式冷凝器，已知系统的总热负荷1068kW，冷凝温度+35℃，经修正以后的排热量是1008kW。

不管是蒸发冷水泵，还是风扇，其均配置了手动、自动两种运行模式，进而使系统运行状态的可靠性得到更大保障。在室外安置一个温度传感器，用于检测环境温度，进而精准的判断系统运行所处的季节，这是系统运行实现节能的重要基础。合理应用自动化控制原理对蒸发冷运行情况进行计时，暂停操作时，对正处于运行状态、运转时间最长的单台设备进行停止操作，这是设备磨损实现均衡的重要基础，进而延长设备的使用年限，减少运维成本。

1.4总控PLC柜

利用计算机人机界面能动态监控本系统内所有设备的运行状态，病集中管理、存储数据等。用单台运行组态软件的工控机作为机房控制室中上位机，采用人工手动方法控制系统设备状态，S7-200 PLC能实现上位机的自动化操控，以太网完成通讯，实时呈现出各监控点的改变情况，PLC能实现对设备状态的集中化控制，为不同操作人员布置级别有差异的操控口令，确保系统操作过程的整体安全性。

2、软件设计

可以将复叠系统看成是配搭双级系统，主要由高、低温级两部分组成，分别利用NH3、CO2作为制冷剂，采用冷凝蒸发器连接高、低温级制冷系统，通过蒸发CO2去低温级压缩机排出的NH3蒸汽。利用蒸发器将冷库热负荷传送给NH3制冷剂，NH3制冷剂吸热后基于冷凝蒸发器将其传送给CO2制冷剂。选用研华工控机、液晶显示器作为机房控制室内上位机，S7-300与S7-200  PLC作为下位机，基于PROFIBUS实现快速通讯，实时监控系统内各个设备运行状态。[3]

3、性能检测

CO2是天然工质，将其用于制冷领域中，其环保性能相对较高，且和制冷循环及系统运行状态表现出较高的适应性，且CO2化学稳定，无毒害作用，经济性较高。NH3制冷具有对环境友好，热力学性能好，单位容积制冷量高等诸多优势。氟利昂是一种不易燃、化学性质稳定的制冷剂，可用于各温级制冷剂内。

本文通过试验检测了NH3双级、NH3+CO2复叠、CO2及氟利昂制冷情况（表1）[4] 。

综合表1内的数据信息，不难发现各项试验结果均较好的符合设计指标要求。相比之下，NH3+CO2复叠式系统的操作流程相对较复杂，运行符合改变对系统状态基本不会形成显著影响，系统内NH3充入量较少，在机房内能实现集中化。

结束语：

CO2自身性能优良，用NH3+CO2复叠系统将传统低温制冷循环工质取代式制冷行业未来发展的主要方向之一。现已有研究证实，本文设计的复叠系统和传统R22/R12复叠式系统在性能系数上表现出高度一致性，如果再考虑环境效益问题，则可以认定这种制冷系统自身具有较强的市场竞争力和发展潜力，值得推广。

参考文献

[1] 陈利仪. CO2制冷机组复叠系统自动控制设计分析[J]. 中国标准化， 2019， 000（006）：254-256.

[2] 任继鹏， 孙远新， 张良. R1270/CO2复叠式制冷系统热力学分析与研究[J]. 科学与财富， 2019， 000（006）：258.

[3] 孔德霞. NH3和CO2制冷剂及其复叠式制冷系统[J]. 农村经济与科技， 2020， 031（008）：345-346.

[4] 刘军， 董磊， 全峰. 某大型冷库制冷系统的选择[J]. 冷藏技术， 2019， v.42;No.169（04）：42-44.