吸收式余热驱动制冷控制系统研究

徐传芳 王鹏飞 岳伟甲

[摘    要]吸收式余热驱动制冷技术能够制备-25 ℃左右的低温冷源，其制冷工艺设备结构相对简单、控制要求较低。文章介绍了吸收式余热驱动制冷系统的设备构成，根据系统运行参数和控制要求，设计了以PLC为核心控制器的软、硬件系统，并且对控制系统主要功能进行了详细介绍。整个控制系统在工业环境中进行了调试运行，设备运行效果满足工业生产要求。

[关键词]余热制冷;PLC;控制系统

[中圖分类号]TK115 [文献标志码]A [文章编号]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

目前制冷技术主要是以压缩式和吸收式为主，传统的压缩式制冷技术主要利用电能或机械能驱动压缩机进行冷源制备，在此过程中必然消耗大量电能，一定程度上造成能源浪费。吸收式余热驱动制冷工艺是1种新型的余热驱动制冷技术，它能够利用工业生产过程中产生的丰富废气余热资源制备低温冷源，有效利用从废气余热制备来的低温冷源，对于能源循环利用、节约生产成本具有重要意义。

以乙二醇、合成氨、尿素等合成过程中产生的反应热为例，根据生产工艺的要求需大量循环冷却水对设备或溶液进行有效冷却降温，将富余热量带走以保证生产高效、连续地进行，此循环水出口温度范围一般在90 ～130 ℃。吸收式余热驱动制冷技术可以利用上述富余热量的高温热源制备生产过程中所需要的-25 ℃左右的低温冷源，相比过去的压缩式制冷机制冷技术而言，吸收式制冷工艺运行效率更高，系统设备结构更加简单，控制要求较低。而研究余热制冷控制系统对于制冷工艺在工业领域的高效稳定运行具有现实意义。

2 吸收式余热驱动制冷装置构成

本文介绍的余热驱动制冷工艺采用的是吸收式制冷方式，以工业生产乙二醇过程为例，根据制冷设备参数、制备冷量要求，合肥沃特普尔节能科技有限公司设计了，1套完整的吸收式余热驱动制冷装置。该制冷装置构成主要包括：

（1）换热器、吸收器、发生器、蒸发器和缓冲罐等多种溶液反应发生器。

（2）溶液泵、循环泵、反冲洗泵和蒸发冷水泵等多种叶片式立式泵。

（3）管道开关阀、液位调节阀、温度调节阀和压力调节阀等多种阀门。

（4）蒸发冷风机。

吸收式余热制冷装置3DSMax渲染图如图1所示。该制冷工艺所采用的工质主要以氨盐溶液、抗氧剂、催化剂为主，工作介质主要以制取冷量的制冷剂和吸收、解吸制冷剂的吸收剂为主。液态冷剂节流降压后进入蒸发器，在蒸发器内吸热蒸发，产生冷效应，冷剂由液态变为气态，再进入吸收器中;贫溶液由发生器经换热器和节流降压后进入吸收器，吸收来自蒸发器的冷剂蒸气，吸收过程中产生的富溶液由循环泵加压，经换热器吸热升温后，重新进入发生器，如此完成低温冷源的循环制备。

3 余热驱动制冷控制系统硬件设计

根据制冷工艺工作原理、设备技术参数、现场工业环境以及设备投入成本等综合因素，为实现整个制冷设备的所有功能，最终给出控制系统可行性技术方案。本控制系统采用施耐德莫迪康M580系列PLC作为核心控制器，PLC控制系统硬件包括：数字量输入/输出模块、模拟量输入/输出模块、电源模块、通讯模块以及底板与机架。其中，输入输出单元设计在1000点以上;通讯模块包括1个主站通讯块和3个子站通讯块，主站和子站之间以及上位机服务器和PLC下位机之间采用以太网通讯;PLC控制系统硬件上预留了可扩展卡槽，方便后期系统功能扩展和升级。另外，控制系统配套的硬件设备包括：上位机服务器、电气控制柜、变频器、电能测量表、电动机保护器、输入/输出电抗器、中间继电器、断路器和开关电源等。

PLC控制模块主要功能如下：

（1）模拟量输入。①完成制冷设备中吸收器、发生器、蒸发器等内部溶液温度、压力、液位、流量的数据采集功能，硬件上数据采集配套传感器包括：温度测量的一体化温度变送器;压力测量的压力变送器;液位测量的磁翻板液位计、双法兰差压变送器;流量测量的电磁流量计、差压变送器。表1给出了制冷设备部分溶液数据与PLC硬件地址、数据采集传感器对应关系。

②变频器、电能测量表、电机保护器、输入/输出电抗器等制冷系统配套设备电能数据采集，电能数据主要包括三相电流、三相电压和总有功功率。

（2）模拟量输出。①实现液位调节阀、温度调节阀和压力调节阀等开度PID数据给定;②溶液泵和蒸发冷风机运行频率给定。

（3）数字量输入。①检测溶液泵、循环泵、反冲洗泵、蒸发冷水泵和蒸发冷风机等设备运行与故障信号;②管道开关阀限位开关动作指示信号检测。

（4）数字量输出。溶液泵、循环泵、反冲洗泵、蒸发冷水泵、蒸发冷风机以及电磁阀门等设备启动与停止指令给定。

4 余热驱动制冷控制系统软件设计

PLC程序编写采用UNITY PRO XL8.0及以上版本软件，软件编程环境如图2所示，控制模块采用1个主站和3个子站布局方式。

控制系统程序段主要包括：

（1）模拟量数据采集。程序设计完成传感器4～20 mA电流信号或0～1 V电压信号的数值转换任务，转换后的浮点型数据保存在PLC程序对应的寄存器中，相关数据供上位机监控系统调用。

（2）程序设计完成连接制冷设备的主要管道开关阀逻辑开关动作等任务。

（3）调节阀开度PID调节。这是程序设计的核心，整个控制系统根据制冷工艺要求，对现场设备中溶液温度、液位、压力、流量进行实时采集，并根据设备溶液温度、压力和液位数据对制冷设备中管道调节阀开度进行PI或PID调节。例如，管程乙二醇管道出口温度调节阀开度与管程乙二醇管道出口温度成正线性相关性，温度在-20.2 ℃以上时调节阀開度线性增大，温度在-5 ℃时调节阀开度设置最大值，其他有关数据PI/PID调节参数具体关系见表2。

（4）上位机对溶液泵进行频率给定。程序设计中溶液泵设备频率数据通过上位机监控系统给定，PLC程序段对上位机给定的频率数据存储后通过PLC模拟量输出模块输出给变频器。

5 调试与运行

整个余热驱动制冷系统安装在化工厂环境，在工业乙二醇生产过程中利用产生的废气、废液等余热进行制冷，现场对整个控制系统进行了联调，持续不间断运行表明整个系统运行良好，上位机监控系统的数据采集以及操作员对现场设备的远程指令操作准确无误。单套系统试运行后外部参数见表3。

6 结语

为提高能源利用率，依托余热驱动制冷的方式使余热资源回收再利用技术得到快速发展，吸收式余热驱动制冷技术可回收以及能够循环利用工业生产中的余热、废气，其在替代传统电能压缩式制冷设备，特别在节约电能等生产成本上发挥巨大作用。合肥沃特普尔节能科技有限公司设计的制冷设备在乙二醇生产过程中利用高温热源制备低温冷源的实际工业环境中得到有效应用，本文根据该制冷设备构成、技术参数、工艺流程和工作原理等相关知识给出了完整的系统控制方案，控制系统采用PLC作为核心部件，对整个控制系统软、硬件设计和功能进行了详细介绍，并且控制系统在实际工业生产中进行了安装调试运行。

目前吸收式制冷设备正在向着小型化、高效化的方向发展，吸收式制冷已经成为制冷技术的主要发展方向之一，有着非常广阔的前景。本文给出的余热驱动制冷控制系统的可行性方案对研究优化余热制冷控制技术具有现实意义。

参考文献

[1] 李仁军，叶少春.余热深度制冷技术的应用[J].中国盐业，2019（8）：43-47.

[2] 聂山钧.基于热电制冷的图像传感器深度制冷技术研究[D].中国科学院光电技术研究所，2019.

[3] 粟航，郭开华，皇甫立霞，等.强吸水性离子液体-水工质对吸收式制冷循环性能分析[J].制冷学报，2013，（3）：24-30.

[4] 高泉，郑丹星，蒋楚生.升温型吸收式热泵工质对的热力学研究[J].石油化工，1993（6）：382-392.

[5] 王正辉，余晓明，陈松江，等.低品位余热驱动制冷问题的探讨[J].低温与超导，2012，（11）：45-48.

[6] 李艺群.基于吸收式热泵循环的工质对研究[D].北京科技大学，2020.