楊曉新， 吾海鵬， 張 磊

(1.西安航空學(xué)院 能源與建筑學(xué)院， 西安 710000； 2.江蘇必領(lǐng)能源科技有限公司， 江蘇 太倉(cāng) 215400)

在許多工業(yè)生產(chǎn)中同時(shí)有制冷制熱需求，如啤酒生產(chǎn)[1]、牲畜屠宰[2]等企業(yè)既需要制冷冷藏，又需要制備熱水。常規(guī)冷凝熱被排放，熱負(fù)荷通過(guò)鍋爐滿(mǎn)足。針對(duì)這種能量浪費(fèi)現(xiàn)象，孫浩森等[3]研究了冷凝熱回收原理，理論分析了冷凝熱回收的節(jié)能效果，舒建國(guó)等[4]、魏洪生等[5]提出采用冷凝熱回收及高溫?zé)岜眉夹g(shù)生產(chǎn)60～90 ℃熱水，提高能源利用。

但是由于生產(chǎn)期用熱和制冷冷藏錯(cuò)時(shí)進(jìn)行，在能源需求和廢熱可用性方面，冷凝熱與熱水負(fù)荷不能達(dá)到逐時(shí)匹配[4]，熱泵耗電量大，冷凝熱回收不足40%[6]，制冷壓縮機(jī)耗能無(wú)法有效降低，這些始終是節(jié)能的瓶頸問(wèn)題。

因此合理設(shè)計(jì)系統(tǒng)組成，匹配系統(tǒng)容量，通過(guò)對(duì)管道流量及冷熱聯(lián)供負(fù)荷的自適應(yīng)控制，智能化管理設(shè)備投運(yùn)顯得尤為重要。

1 冷熱聯(lián)供系統(tǒng)設(shè)計(jì)

將冷凝蒸發(fā)器與熱回收換熱器結(jié)合組成冷熱聯(lián)供系統(tǒng)，采用兩組換向裝置控制供能的最佳匹配。在熱負(fù)荷大時(shí)，由冷凝器吸熱補(bǔ)償；在冷負(fù)荷大時(shí)，由冷凝器分流散熱；在不同工作負(fù)荷時(shí)，由冷庫(kù)壓縮機(jī)和高溫?zé)岜寐?lián)合滿(mǎn)足制冷和供熱需求。

以屠宰企業(yè)為例。加工生產(chǎn)線(xiàn)需要45、56、87 ℃熱水；保鮮排酸、速凍冷藏等冷鏈環(huán)節(jié)需要4、-38 ℃的低溫冷量。生產(chǎn)線(xiàn)的熱水不能循環(huán)使用，補(bǔ)水加熱的溫差大于20 ℃，用熱溫度最高達(dá)90 ℃。屠宰企業(yè)一般為兩班運(yùn)轉(zhuǎn)，每班工作8 h，工藝用熱水時(shí)段分為生產(chǎn)準(zhǔn)備期、生產(chǎn)期和清潔期。根據(jù)實(shí)際調(diào)研，冷庫(kù)冷凝熱排放與工藝熱水逐時(shí)負(fù)荷如圖1所示。其白天生產(chǎn)期用熱需求高，熱負(fù)荷有45 ℃沖洗熱水、56 ℃漂燙機(jī)補(bǔ)水，此時(shí)冷負(fù)荷較低，僅低溫通風(fēng)和冷藏排酸；夜班時(shí)制冷機(jī)組全開(kāi)進(jìn)行速凍，持續(xù)6～8 h，此時(shí)冷負(fù)荷最大，熱負(fù)荷為少量消毒用87 ℃熱水。

根據(jù)企業(yè)用熱特殊性，整合系統(tǒng)工藝，提高制冷、制熱能效比。選擇工質(zhì)R134a高溫?zé)岜?，其具有控制?jiǎn)單、工況調(diào)節(jié)范圍寬、能效比高等優(yōu)點(diǎn)[7]；選用不銹鋼(2205鎳合金)材質(zhì)的殼管式換熱器進(jìn)行氨冷凝熱回收，滿(mǎn)足耐高壓防腐蝕要求[8]。

由圖1可見(jiàn)，冷庫(kù)冷凝排熱與熱泵制熱需求運(yùn)行時(shí)間不同步，不能直接使用冷庫(kù)冷卻水作為熱泵的一次熱源[9]。常規(guī)是采用并聯(lián)換熱器[4-5,10]，提取部分冷凝熱與鍋爐共同生產(chǎn)熱水，但隨著燃煤鍋爐的取締，這種方法無(wú)法完全滿(mǎn)足工藝水需求。本設(shè)計(jì)采用圖2所示的熱回收換熱器3與蒸發(fā)式冷凝器9串聯(lián)復(fù)合式系統(tǒng)，其特點(diǎn)是通過(guò)自適應(yīng)控制器實(shí)時(shí)控制兩組換向裝置、流量閥等，實(shí)現(xiàn)制熱、制冷靈活切換，同時(shí)滿(mǎn)足冷凝熱回收與熱水制備中各種冷熱生產(chǎn)匹配過(guò)程的節(jié)能控制，系統(tǒng)用高溫?zé)岜锰娲仩t，滿(mǎn)足制備87 ℃高溫水需求。

如圖2所示，該系統(tǒng)主要由冷庫(kù)壓縮機(jī)1、油分離器2、熱回收換熱器3、換向裝置4和8、高壓儲(chǔ)液器5、電磁閥6、節(jié)流閥7、蒸發(fā)式冷凝器9、冷庫(kù)10、氣液分離器11、高溫?zé)岜脵C(jī)組12、熱水循環(huán)泵13等設(shè)備組成。

圖2中熱回收裝置3由殼管式換熱器、導(dǎo)熱介質(zhì)、泵及管道組成。導(dǎo)熱介質(zhì)吸收氨蒸汽冷凝熱，經(jīng)泵推動(dòng)，進(jìn)入熱泵機(jī)組一次端(蒸發(fā)器)。

圖2 高溫?zé)岜美錈崧?lián)供系統(tǒng)

系統(tǒng)通過(guò)換向裝置4與換向裝置8的開(kāi)關(guān)控制，改變系統(tǒng)中制冷工質(zhì)流通方向，從而最大限度回收冷凝熱，降低壓縮機(jī)工質(zhì)溫度，合理排放余熱量，使熱泵保持其較高的COP值，減少制冷壓縮機(jī)耗電量，實(shí)現(xiàn)熱回收與制熱量匹配。

2 不同工況下的運(yùn)行方式

2.1 冷熱聯(lián)供運(yùn)行模式

運(yùn)行過(guò)程中，為保持熱泵和制冷壓縮機(jī)的最佳工況，系統(tǒng)功率和運(yùn)行模式需要根據(jù)冷熱負(fù)荷進(jìn)行調(diào)節(jié)[11-12]。高溫?zé)岜玫臒嶝?fù)荷Q熱由式(1)計(jì)算；氨工質(zhì)在制冷循環(huán)中排出的冷凝熱Q冷由式(2)計(jì)算，即

Q熱=cpGΔt

(1)

Q冷=(Qq+Nεη′m)ε

(2)

式中：cp為工質(zhì)質(zhì)量定壓比熱容， J/(kg· ℃)；Q熱為熱負(fù)荷量，由熱泵出水質(zhì)量流量G和二次端溫差Δt計(jì)算；Q冷為冷凝負(fù)荷，是壓縮機(jī)制冷量Qq與壓縮機(jī)有效功率Nεη′m之和；ε為修正系數(shù)。

通過(guò)對(duì)冷、熱負(fù)荷比較，判斷制冷與制熱匹配程度，將系統(tǒng)的工作狀態(tài)分為以制熱為主、以制冷為主、制冷制熱同時(shí)進(jìn)行的3種狀態(tài)。通過(guò)兩組換向裝置切換和蒸發(fā)式冷凝器的流量、風(fēng)量變化控制，實(shí)現(xiàn)熱泵和制冷壓縮機(jī)獨(dú)立運(yùn)行。

當(dāng)Q熱=Q冷時(shí)，制冷與制熱同時(shí)進(jìn)行。如圖2所示的系統(tǒng)，換向裝置4的B閥與換向裝置8的D閥開(kāi)，其余閥關(guān)閉。經(jīng)壓縮機(jī)壓縮的高溫高壓氣態(tài)制冷劑流入換熱器3，熱泵工質(zhì)吸熱，制冷劑冷卻，放熱后制冷劑通過(guò)換向裝置4流入節(jié)流裝置7，絕熱膨脹后處于低壓低溫狀態(tài)的氣液混合態(tài)制冷劑通過(guò)換向裝置8流入冷庫(kù)10。此時(shí)冷庫(kù)壓縮機(jī)和熱泵機(jī)組負(fù)荷匹配，達(dá)到同時(shí)制冷與制熱。

當(dāng)Q熱>Q冷時(shí)，系統(tǒng)以制熱運(yùn)行模式為主。圖2系統(tǒng)中換向裝置4、8的B、C閥開(kāi)，制冷劑經(jīng)熱回收換熱器3后達(dá)到過(guò)冷態(tài)，經(jīng)換向裝置4流入節(jié)流裝置7，絕熱膨脹后處于低壓低溫氣液混合態(tài)，再經(jīng)換向裝置8流入冷凝器9，從室外空氣吸熱補(bǔ)償后，低溫低壓制冷劑經(jīng)換向裝置4、8的C閥流入冷庫(kù)10，如此滿(mǎn)足較小冷負(fù)荷狀態(tài)下制取熱水。蒸發(fā)冷凝器9向室外空氣排放冷量。

當(dāng)Q熱

2.2 系統(tǒng)控制裝置

自適應(yīng)控制具有在過(guò)程環(huán)境變化范圍較大的情況下，在線(xiàn)優(yōu)化控制參數(shù)[13]，使整個(gè)系統(tǒng)在滿(mǎn)足負(fù)荷要求下獲得最小耗電量，可同時(shí)滿(mǎn)足熱泵和制冷壓縮機(jī)都工作在高COP范圍內(nèi)。圖2系統(tǒng)中按熱負(fù)荷變化控制換向裝置上閥門(mén)改變工質(zhì)流向，冷凝器9的流量閥、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速由自適應(yīng)控制器設(shè)定，使控制偏差達(dá)到最小，即獲得最匹配的制熱制冷量。

冷熱聯(lián)供控制系統(tǒng)如圖3所示。通過(guò)對(duì)Q熱、Q冷進(jìn)行比較，可判斷出制冷與制熱匹配程度，按上述3種工況確定工質(zhì)流向，再以熱回收換熱器3的換熱量Qk與Q熱的差值作為指標(biāo)函數(shù)J的參考量?？刂葡到y(tǒng)啟動(dòng)后，對(duì)蒸發(fā)器的流量、溫度建模，采用支持多變量多工況模型無(wú)憂(yōu)切換的廣義預(yù)測(cè)控制算法(GPC)，結(jié)合高溫?zé)岜煤屠淠鲄f(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)控制策略，實(shí)現(xiàn)同時(shí)制冷制熱的冷熱聯(lián)供。

圖3 冷熱聯(lián)供控制系統(tǒng)

設(shè)控制系統(tǒng)指標(biāo)函數(shù)J的計(jì)算公式[14]為

(3)

令

(4)

可得自適應(yīng)控制器預(yù)測(cè)方程為

(5)

為使當(dāng)前時(shí)刻的輸出y(k)盡可能平穩(wěn)到達(dá)設(shè)定值yr，廣義預(yù)測(cè)器使被控對(duì)象的輸出yr(k+j-1)盡可能靠近yd(k+j-1)[15-16]。

2.3 系統(tǒng)控制策略

結(jié)合上述控制算法，對(duì)冷凝器工質(zhì)流量、溫度、系統(tǒng)冷熱負(fù)荷的對(duì)象模型，實(shí)現(xiàn)基于多變量的預(yù)測(cè)控制優(yōu)化策略。冷凝器運(yùn)行中冷熱不平衡時(shí)的過(guò)冷量或剩余熱量，通過(guò)改變冷卻水的流量、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)冷熱聯(lián)供時(shí)熱泵和冷庫(kù)壓縮機(jī)最佳COP工況。

1)Q熱=Q冷時(shí)，為平衡狀態(tài)，此時(shí)僅控制換向器開(kāi)關(guān)量，冷凝器的流量和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速設(shè)置趨近于0。

2)Q熱>Q冷時(shí)，控制器偏差e變大，冷凝器9的流量設(shè)定值增加，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速設(shè)定值加大，直至滿(mǎn)足系統(tǒng)制冷制熱平衡運(yùn)行。

3)Q熱

4)換熱裝置3中，在保障高溫?zé)岜靡淮味朔€(wěn)定運(yùn)行和機(jī)組最佳能效比的前提下，通過(guò)對(duì)熱泵機(jī)組進(jìn)出口工質(zhì)溫差Δt1、流量m1、冷庫(kù)進(jìn)出口工質(zhì)溫差Δt2、流量m2等信號(hào)采集，計(jì)算制冷工質(zhì)的過(guò)冷量或過(guò)熱量，以此為前饋信號(hào)，設(shè)置冷凝裝置9的工作狀態(tài)。裝置9的優(yōu)化控制策略如圖4所示。

圖4 冷凝裝置優(yōu)化控制策略

系統(tǒng)熱負(fù)荷由高溫?zé)岜枚味藷崴畵Q熱器的出口控制閥13按用熱量需求控制，冷負(fù)荷由制冷工質(zhì)進(jìn)入冷庫(kù)的電磁閥6控制流量，最終實(shí)現(xiàn)冷熱聯(lián)供系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的平衡。

3 以屠宰場(chǎng)為例的應(yīng)用分析

江蘇必領(lǐng)能源科技有限公司將以上設(shè)計(jì)應(yīng)用于江蘇益客食品集團(tuán)某屠宰廠(chǎng)。該工廠(chǎng)日均家禽屠宰量10萬(wàn)只，供水溫度為60 ℃，供熱水量為200 t/d，有冷藏庫(kù)、冷凍庫(kù)和保鮮庫(kù)，制冷量為1 023.5 kW；采用6臺(tái)活塞式壓縮機(jī)(含備用)，制冷劑為氨R717，壓縮機(jī)冷凝壓力為8～12 bar。壓縮機(jī)排氣溫度≤150 ℃，高壓系統(tǒng)由兩級(jí)壓縮機(jī)串聯(lián)：一級(jí)吸氣溫度+5～-25 ℃；二級(jí)吸氣溫度為-25～-45 ℃，供速凍車(chē)間鼓風(fēng)通道和成品冷庫(kù)排管。

3.1 熱泵供熱水系統(tǒng)組成

為最大限度回收冷凝熱[18]，采用圖5所示熱泵供水系統(tǒng)。白天熱泵蒸發(fā)器從熱回收換熱器3吸收熱量(過(guò)熱氨蒸汽冷卻)，一次端工質(zhì)由30 ℃升溫至35 ℃，熱泵3出水45 ℃；熱泵2采用EPRC0600螺桿式機(jī)組(30～100無(wú)級(jí)調(diào)速，制冷劑R134a)，將工藝熱水升溫至56 ℃；晚上利用谷電時(shí)間啟動(dòng)超高溫?zé)岜脵C(jī)組1(制冷劑R245fa)，水源側(cè)進(jìn)出水溫度30～35 ℃，二次端出水90 ℃，儲(chǔ)存在保溫水箱中，以滿(mǎn)足殺菌和白天工藝需求。

圖5 熱泵供水系統(tǒng)示意圖

由于熱泵1采用了谷電期間蓄熱運(yùn)行，大幅降低白天熱泵負(fù)荷，根據(jù)冬季運(yùn)行參數(shù)繪制工作曲線(xiàn)，圖6可見(jiàn)熱泵制熱量在9：00前后略大于冷凝放熱，冷凝器9需補(bǔ)充排冷，其他時(shí)間均為冷卻散熱狀態(tài)。同時(shí)由圖7可見(jiàn)，熱泵冬季白天COP略高于晚上，全天能保持在4.23的高性能區(qū)工作；制冷壓縮機(jī)保持平穩(wěn)運(yùn)行在能效比2.5左右，其晚上效率更高些。 從系統(tǒng)運(yùn)行的負(fù)荷參數(shù)和機(jī)組的能效比數(shù)據(jù)反映，該自適應(yīng)控制系統(tǒng)能按預(yù)期管理閥門(mén)運(yùn)行，保持系統(tǒng)在穩(wěn)定狀態(tài)連續(xù)運(yùn)行，達(dá)到冷熱聯(lián)供的要求。

圖6 系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行冷熱負(fù)荷

圖7 熱泵與制冷壓縮機(jī)實(shí)際運(yùn)行能效

3.2 冷熱聯(lián)供系統(tǒng)節(jié)能分析

由表1制冷壓縮機(jī)運(yùn)行參數(shù)可知，當(dāng)6臺(tái)活塞式壓縮機(jī)全部滿(mǎn)載運(yùn)行時(shí)，制冷負(fù)荷為1 900 kW，最大可回收冷凝熱795.9 kW,在日常運(yùn)行中只開(kāi)JZY8AS17、JZY812.5和JZY612.5各一臺(tái)，回收余熱397.95 kW。

表1 制冷壓縮機(jī)運(yùn)行參數(shù)

表2為江蘇必領(lǐng)EPR系列高溫?zé)岜眠\(yùn)行參數(shù)，額定出水溫度60 ℃，冬季設(shè)備平均冷凝溫度25 ℃，夏季平均冷凝熱溫度35 ℃，熱泵機(jī)組冬季COP為4.23，夏季COP為5.6。企業(yè)采用峰谷電價(jià)，谷電價(jià)0.322元/(kW·h),平電價(jià)0.667元/(kW·h)，生產(chǎn)期避開(kāi)峰值電價(jià)，冬季平均每噸水耗電為12.8 kW·h，折6.32元/m3，夏季熱水折4.36元/m3，供水量滿(mǎn)足企業(yè)用熱需求。

綜合耗能比對(duì)可見(jiàn)表3，該熱回收控制系統(tǒng)運(yùn)行達(dá)到較好節(jié)能效果：

1)冷熱聯(lián)供雙效系統(tǒng)綜合能效保持在較高水平。從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)表2可見(jiàn)，夏季高溫?zé)岜脵C(jī)組的運(yùn)行綜合能效，高于冬季機(jī)組運(yùn)行效果，其總制熱量高于冬季33.94%，蒸發(fā)冷節(jié)能效率高出冬季工況43.3%；但制冷壓縮機(jī)的耗能量和運(yùn)行效果正相反。在額定工況下，冷、熱機(jī)組均能保持較高COP值，冬夏總能耗基本相同。

表2 EPRC0600型熱泵機(jī)組運(yùn)行參數(shù)

2)生產(chǎn)成本大幅降低。按照燃料價(jià)格和綜合能效計(jì)算，由表3可見(jiàn)，熱泵制熱費(fèi)用，略高于燃煤鍋爐，但比燃油、燃?xì)忮仩t成本降低60%，是最佳的燃煤鍋爐替代設(shè)備。

表3 不同制熱方案耗能

4 高溫?zé)岜美錈崧?lián)供的節(jié)能控制系統(tǒng)應(yīng)用前景

通過(guò)實(shí)踐證明，本設(shè)計(jì)高溫?zé)岜门c制冷機(jī)組串聯(lián)式冷熱聯(lián)供系統(tǒng)，在自適應(yīng)控制下能滿(mǎn)足冷熱負(fù)荷需求，使熱泵工作在高效段，壓縮機(jī)達(dá)到節(jié)能穩(wěn)定運(yùn)行，其解決了企業(yè)熱水需求及低溫制冷節(jié)能問(wèn)題。通過(guò)合理控制閥門(mén)和水泵運(yùn)行制取熱水，回收低溫制冷的冷凝熱，達(dá)到提高經(jīng)濟(jì)效益目的。

2011—2020年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，國(guó)內(nèi)糧食烘干、屠宰企業(yè)數(shù)量以每年0.8%～1.2%的速度增長(zhǎng)，企業(yè)利潤(rùn)受能源價(jià)格上升影響，利潤(rùn)率以0.2%～0.4%逐年遞減[19]。隨著“碳達(dá)峰”臨近，國(guó)家提出“碳中和”，燃料價(jià)格持續(xù)上升，企業(yè)運(yùn)行成本還將增加。合理配置冷熱聯(lián)供系統(tǒng)制備熱水，將大幅降低生產(chǎn)成本，屠宰企業(yè)利潤(rùn)可由5.4%提升到5.8%。因此冷熱聯(lián)供系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)適應(yīng)中國(guó)現(xiàn)階段企業(yè)制熱制冷需求，響應(yīng)節(jié)能降耗發(fā)展的主題，節(jié)能效果明顯，可復(fù)現(xiàn)性強(qiáng)，應(yīng)用前景廣泛。