基于TC 工质吸收式余热驱动制冷监控系统设计

徐传芳，蒋 坤，刘承君，黄文静

（陆军炮兵防空兵学院，安徽 合肥 230000）

引言

工业领域中特别是过程控制领域，生产过程中能源消耗极大，同时能源利用率偏低。例如在钢铁冶炼、化工石油、合成氨、橡胶轮胎制造等行业及分布式能源诸多领域，生产过程中会产生丰富的余热资源，而多数过程控制生产线将产生的余热直接排除或利用率极低。丰富的余热资源得不到有效循环利用，使生产成本增加，并且造成能源浪费。以合成氨、尿素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水将热量带走以保证生产高效、连续运行，此循环水出口温度范围一般在90～110 ℃之间，并且在此合成工艺系统中，许多工艺环节需要高品味的蒸汽进行加热，这部分蒸汽凝水（也称为尿素凝结水）的余热也可以为热水型溴化锂吸收式制冷机所利用，余热通过有效驱动制冷供部分生产环节再循环使用对于提高能源利用率、节约能耗、降低生产成本都具有十分重要的意义。

工业领域传统压缩机制冷技术是电能的转换过程，压缩机将蒸发器内所产生的低压低温的制冷剂气体（如氟利昂）吸入汽缸内，经压缩后成为压力、温度较高的气体被排入冷凝器，冷凝成液体，再经调压阀节流降压进人蒸发器，此时低压制冷剂气体汽化吸收蒸发器内的热量而降温，达到制冷目的。传统压缩机制冷技术在压缩制冷过程中需要消耗较大电能，如在尿素合成工艺系统中，采用传统压缩机制冷技术不仅无法有效利用余热资源制冷，而且会增加额外电能成本。

目前国内外对于工业领域中余热再循环利用研究在积极深入，并且取得较大成果。吸收式制冷工艺早在1842 年就被应用在工程实验中[1]，随着科学技术的不断发展，该工艺越来越多被应用在工程实践中。基于TC 工质的余热制冷工艺是一种新型的余热驱动制冷技术，此技术在化工过程控制领域的广泛使用，使其在节约生产成本，降低生产能耗，改善环境方面发挥重要作用。吸收式余热驱动制冷技术[2]可以利用富余热量的高温热源制备-25 ℃左右的低温冷源，此吸收式制冷工艺运行效率高，系统设备结构简单，控制要求较低。本文基于吸收式余热驱动制冷技术工艺，根据控制系统参数要求，研究各项参数对余热制冷系统整体结构运行稳定性的影响规律，设计以PLC为核心控制器件的软、硬件系统，采用INTOUCH 组态软件开发实用、可靠、操作简捷的余热制冷监控系统。研究内容对于制冷工艺在工业领域中高效稳定运行具有现实指导作用。

1 吸收式余热驱动制冷技术原理

本文介绍的吸收式余热驱动制冷技术主要应用在化工领域生产乙二醇过程中，该技术能够将乙二醇生产过程中产生的132 ℃高品位热源作为驱动源，驱动制备乙二醇生产过程中所必备的-20.2 ℃的低温冷源。此新型制冷工艺所采用的工质主要以氨盐溶液、催化剂等为主。吸收式制冷装置由换热器、吸收器、发生器、蒸发器、缓冲罐、溶液泵、循环泵、反冲洗泵、开关阀和调节阀等部件组成，工作介质包括制取冷量的制冷剂和吸收、解吸制冷剂的吸收剂，二者组成TC 工质对。液态冷剂经过节流降压，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；另外，从发生器流出的贫溶液经换热器和节流降压后进入吸收器，吸收过程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。制冷工艺流程如下页图1 所示。

图1 吸收式余热制冷工艺流程

2 余热驱动制冷控制系统结构

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，本控制系统采用一个主站和三个子站布局方式，其中控制系统硬件包括：工作站、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、开关电源、各类传感器与变送器、电磁阀等执行设备。

核心控制器PLC 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等。控制系统主要完成对系统模拟量数据的输入采集，上位机给定模拟量数据输出，设备故障、报警信息等数字量信号输入，上位机控制现场泵、阀门等设备的输出量等工作。系统对设备中溶液温度、液位、压力、流量等数据进行实时采集，并根据温度和液位对系统中溶液泵频率、调节阀开度进行PID 调节，实现对模拟量数据闭环控制。程序段主要包括：各类泵电流显示，开关阀逻辑，设备中溶液温度、液位、压力、流量测量，PID 调节以及上位机对溶液泵进行开关控制、频率给定等操作。

3 余热驱动制冷监控系统设计

根据余热驱动制冷技术工作原理，为实现制冷技术在工业生产中高效运行，监控系统对设备参数、状态数据的远程有效采集，以及上位机指令能够有效操作设备动作等系统功能，监控系统上位机采用IN TOUCH10.1 及以上版本组态软件进行监控画面的开发。

图2 为设计的监控主界面图，主界面图动画基本能够反应余热驱动制冷工艺流程的详细情况，余热驱动制冷监控系统窗口主要包括：A 套设备监控主画面_1 以及B 套设备监控主画面_2 窗口；蒸发冷风机、泵系统监控/操作窗口；电能数据显示窗口；故障报警信息监测窗口；用户登录窗口等。主画面_1 与主画面_2 窗口能够实现模拟量数据动态显示、溶液液位动画显示以及泵、阀门等开关动作显示等功能。

图2 吸收式余热制冷监控系统主界面

图3 为蒸发冷风机、泵系统监控/操作界面，蒸发冷风机操作窗口设计了手动给定其转速功能,TC工质进出口压力和压力差检测显示，其中风机根据制冷工艺要求，其转速给定是通过上位机频率设定实现的。

图3 蒸发冷风机系统界面

余热制冷监控系统设计了利用脚本制作的报警弹出画面，弹出画面方便提醒操作员读取和处理系统的紧急报警状态；利用现场总线技术对电能数据进行采集，上位机监控画面实时显示仪器仪表电能参数。现场多种设备中仪器仪表与上位机之间采用串口服务器通讯，数据通讯采用MODBUS 驱动，使用RTU协议。图4 为仪器仪表电能数据显示画面，主要显示蒸发冷风机/泵以及溶液泵等电机保护器的三相电流、三相电压和总有功功率数据。其中INTOUCH 组态和PLC 软件之间采用MBENET 驱动进行数据通讯。

图4 仪器仪表数据显示界面

4 监控系统主要功能

为实现制冷工艺的高效、可靠运行，设计的监控系统具有界面美观、系统运行稳定、操作简便以及功能齐全等优点，该监控系统完成的主要功能包括：

1）换热器、吸收器、发生器、蒸发器、缓冲罐等所有与制冷相关设备的内部溶液流量、压力、温度、液位的模拟量数据采集。

2）溶液泵、循环泵、反冲洗泵等设备故障报警信号检测，上位机对各种泵、开关阀门、调节阀门的开关操作和启动、停止显示。

3）上位机对开关阀门、调节阀门的开度手/自动调节功能，阀门开度PI/PID 调节切换功能以及PI/PID参数手动设定功能。

4）上位机对蒸发冷风机的频率手/自动切换与设定功能。

5）变频器、电能测量表、电动机保护器、输入/输出电抗器等制冷系统有关设备电能数据监视。

5 结语

余热驱动制冷技术可循环利用工业生产中的余热、废气，其可以替代传统电能压缩式制冷机，制备低温冷源以满足工业生产需要，该技术能够有效节约电能能耗，降低生产成本。本文主要基于TC 工质的吸收式余热驱动制冷技术原理，通过分析设备技术参数，设计了具有操作便捷、可靠性高、系统监控界面功能齐全等特点的监控系统。该系统已经在化工领域生产乙二醇过程控制中得到有效投放使用，实际使用中监控系统运行稳定，在节约电能方面带来可观的经济效益。

吸收式制冷正在向着小型化、高效化的方向发展，各国对吸收式技术的开发研究主要集中在联合循环、余热利用、吸收式热泵、吸收和发生过程的机理研究、机组优化设计、系统的特性仿真等方面。本文针对解决小型化和高效化制冷控制系统的优化设计以及可靠运行问题，将设计成果应用于现场工程实践当中，检验理论成果的可行性，为类似条件下余热制冷控制提供设计依据。该监控系统的可靠运行对于余热驱动制冷技术等多方面应用具有实际的参考价值。