一种跨临界制冰系统最优排气压力的控制方法

本发明涉及跨临界制冷技术，具体涉及一种用于跨临界制冰系统最优排气压力的控制方法。

背景技术：

1、利用天然环保工质制冷实现能源高效利用是实现“双碳”目标的重要途径，跨临界二氧化碳制冷以其独特的热力学优势成为最具前景的制冷技术之一，而北京冬奥会的成功举办彰显了二氧化碳制冷技术的可靠性，同时也鼓舞了后冬奥时代这一新兴制冷技术的进一步发展。

2、跨临界制冷循环是指蒸发压力在临界压力之下、冷却压力在临界压力之上的蒸气压缩循环，虽然运行压力较传统制冷剂更高，但压缩比并不高，因此有利于提升压缩机效率。区别于传统制冷剂亚临界循环，其蒸发冷凝均主要发生在两相区，跨临界循环的冷却过程与二次流体传热过程更匹配，热力学不可逆损失更小，带热回收时性能则更加优异。此外，高压下制冷剂密度大，制冷循环的部件体积减小，机组更加紧凑。基于上述优势，跨临界制冷循环在超市冷藏储备、交通设备运输及人造冰雪设施中应用前景广泛。

3、跨临界制冰系统在2010年于加拿大被首次使用，与间接制冰相比，性能更佳、能耗更小、热回收潜力更大，同时寿命周期成本更低，但初次投资更大、技术复杂，与间接制冰技术更适用于改建冰场相比，直冷制冰更加适合应用于新建冰场。作为跨临界制冷应用的新兴领域，如何保证系统在变化环境参数下维持稳定高效运行是亟待考虑的问题。

4、由于跨临界制冷循环放热过程在超临界区，温度与压力为相互独立的作用参量，排气压力和气冷器出口温度共同作用于机组的运行性能，研究表明高压排气压力是影响跨临界制冷循环最重要的调控参数之一，且存在最佳排气压力使得循环cope(制冷性能系数)最高。现有排气压力计算关联式所提出和适用场景与直冷制冰场景差异较大，传统运行策略及最优参数关联式有待进一步修正，因此需要根据直冷制冰系统特征提出新的最优排气压力关联式及其调控方法。

技术实现思路

1、针对以上现有技术存在的问题，本发明提出了一种跨临界制冰系统最优排气压力的控制方法。

2、跨临界制冰系统包括：压缩机、气液分离器、气冷器、制冷剂泵、冰场制冰管路和控制器；气液分离器的气态出口通过管路连接至压缩机的入口，压缩机的出口通过管路连接至气冷器的入口，气冷器的出口通过管路连接至节流阀，节流阀通过管路连接至气液分离器的气液两相入口；气液分离器的液态出口通过管路连接至制冷剂泵，制冷剂泵通过管路连接至冰场制冰管路的入口，冰场制冰管路的出口通过管路连接至气液分离器的气态入口；热回收流体通过热回收流体管路至气冷器，气液分离器中盛放有制冷剂流体，气液分离器将制冷剂流体进行气液分离成制冷剂气体和制冷剂液体；制冷剂气体通过气液分离器的气态出口至压缩机，经压缩机压缩为超临界制冷剂流体，进入气冷器中被热回收流体降温为具有超临界压力的液体，经节流阀形成气液混合状态流体，通过气液分离器的气液两相入口流回至气液分离器，制冷剂液体通过气液分离器的液态出口并经制冷剂泵送至冰场制冰管道中，维持冰面所需的低温，流经冰场制冰管路的制冷剂液体蒸发为气体，从气液分离器的气态入口流回至气液分离器中。

3、本发明的跨临界制冰系统最优排气压力的控制方法，包括以下步骤：

4、1)在连接压缩机的出口与气冷器的管路上设置压力传感器，在连接气冷器的出口与节流阀的管路上设置第一温度传感器，在连接制冷剂泵与冰场制冰管路的入口的管路上设置第二温度传感器和制冷剂流量计，在热回收流体管路上设置热回收流体流量计；压缩机的功率计、压缩机的电源变频器、制冷剂泵的功率计、第一和第二传感器、压力传感器、制冷剂流量计以及热回收流体流量计分别连接至控制器；

5、实时通过压力传感器采集压缩机出口处排气压力pd，通过第一温度传感器采集气冷器出口温度tgc，通过第二温度传感器采集制冷剂泵出口温度te，通过制冷剂流量计采集制冷剂泵流量mc，通过热回收流体流量计采集热回收流体流量mr，以及通过控制器得到压缩机和制冷剂泵的耗电设备总功耗参数w；

6、2)根据压缩机和制冷剂泵的耗电设备总功耗参数w和制冷剂泵出口温度te，实时计算获得系统制冷性能系数cope：

7、cope＝mc×δh(te)/w

8、其中，δh为潜热，δh(te)表示潜热δh为制冷剂泵出口温度te的函数；

9、3)根据热力学焓值分析方法建立跨临界制冰系统的数学模型；根据数学模型设置拟合系数，从而得到最优排气压力pd,opt计算关联式：

10、pd,pot＝(a×te+b)×tgc+c×te+d

11、其中，a、b、c和d分别为拟合系数；

12、4)设定气冷器出口温度的定值为和制冷剂泵出口温度的定值为从而得到最优排气压力初始值

13、

14、5)通过第一温度传感器和第二温度传感器实时监测气冷器出口温度tgc和制冷剂泵出口温度te，控制器通过控制气冷器的热回收流体流量mr，使得气冷器出口温度tgc维持在设定的定值并且同时通过控制节流阀的开度，使得制冷剂泵出口温度te维持在设定的定值将最优排气压力初始值设置为控制器的设定参数，此时控制器采用等步长的粗调调节压缩机的频率，通过等步长控制压缩机的频率，使得实时的压缩机出口处排气压力pd与设定值的误差在误差阈值θ1以内；

15、6)待跨临界制冰系统稳定后，控制器采用等步长的细调调节压缩机的频率，细调调节的步长小于粗调调节的步长，直至系统制冷性能系数cope在相邻两次调节过程中差值小于差值阈值θ2，则停止调节，此时的压缩机出口处排气压力为适合当前跨临界制冰系统的最优排气压力，此时的压缩机的频率为最优压缩机频率，将最优排气压力和最优压缩机频率储存在数据库中；若在调节过程中系统制冷性能系数cope的差值逐渐变大，则向相反方向压缩机的频率；

16、7)改变气冷器出口温度的定值和制冷剂泵出口温度的定值重复步骤4)～6)，获得各个不同的气冷器出口温度和制冷剂泵出口温度下的最优排气压力和最优压缩机频率，并存储在数据库中；

17、8)跨临界制冰系统运行时，根据第一温度传感器实时采集的气冷器出口温度tgc和第二温度传感器实时采集的制冷剂泵出口温度te，调用数据库中最优压缩机频率，通过控制器控制压缩机的频率处于最优压缩机频率，使得压缩机出口处排气压力处在最优排气压力。

18、进一步，每过一至三年，重复上述步骤1)～8)，根据当前跨临界制冰系统的运行状况，更新数据库，从而维持最优运行状态。

19、其中，在步骤3)中，根据热力学焓值分析方法建立跨临界制冰系统的数学模型，包括以下步骤：首先对数学模型作出以下设定：跨临界制冰系统循环均处于稳态，各部件热损失忽略不计，气冷器中压降忽略不计，压缩机的等熵效率均设定为常数；冰场制冰管路入口为液态，出口为饱和气体；制冷剂泵内为等焓过程；接着确定环境参数范围：根据当地气候数据得到环境温度，根据制冰场地要求确定冰场内环境温度、风速、冰面面积、冰面温度和容纳人数设计参数，进一步计算获得冰面冷负荷qe，在计算冰面冷负荷的过程中，需抵消包括对流换热热负荷、对流传质热负荷、人发热热负荷和建筑外墙保温的热负荷在内的所有热负荷；进一步根据环境参数确定跨临界制冰系统操作参数范围，操作参数包括制冷剂泵出口温度te、气冷器出口温度tgc以及压缩机出口处排气压力pd；最后分别对冰场制冰管路、气液分离器、压缩机、气冷器和节流阀的出入口进行焓值求解，根据各个出入口温度压力状态参数获得对应焓值，利用出入口焓值变化结合能量守恒定律获得反映各部件能量变化的数学模型，具体地，各部件数学模型表达式如下：

20、冰场制冰管路：

21、qe＝mc×δh(te)

22、气液分离器：

23、mg×h气液两相入口+mc×h气态入口＝mg×h气态出口+mc×h液态出口

24、压缩机：

25、

26、s压缩机入口＝s压缩机出口,i

27、w＝mg×(h压缩机出口(pd)-h压缩机入口)

28、气冷器：

29、qgc＝mg×(h(tgc)-h压缩机出口)

30、节流阀：

31、h节流阀出口＝h节流阀入口

32、上面，各式中，mg表示气冷器内二氧化碳流量，h气液两相入口、h气态入口、h气态出口、h液态出口、h压缩机出口、h压缩机入口、h节流阀出口和h节流阀入口分别表示气液两相入口处焓值、气态入口处焓值、气态出口处焓值、液态出口处焓值、压缩机出口处焓值、压缩机入口处焓值、节流阀出口处焓值和节流阀入口处焓值，下标i表示等熵点，h压缩机出口，i表示压缩机出口等熵状态点处焓值，s表示比熵，s压缩机入口表示压缩机入口比熵，s压缩机出口,i表示压缩机出口等熵状态点处比熵，qgc为气冷器热负荷，ηi为等效熵效率，一般取常数，范围为0.65～0.95。在步骤3)中，根据数学模型设置拟合系数，包括以下步骤：基于数学模型，通过遍历不同操作参数下制冷性能系数cope，获得制冷性能系数cope最大时的操作参数取值，操作参数包括制冷剂泵出口温度te、气冷器出口温度tgc以及压缩机出口处排气压力pd，求解上数学模型方程，根据该数学模型计算制冷性能系数cope：

33、cope＝qe(te)/w(pd,tgc)

34、此时的压缩机出口处排气压力pd取值称为最优排气压力pd,pot；最后利用非线性拟合方法获得以最优排气压力pd,pot为因变量，制冷剂泵出口温度te和气冷器出口温度tgc为自变量的关联式，其中非线性拟合过程描述如下：首先针对每一给定的制冷剂泵出口温度te，线性拟合最优排气压力pd,pot和气冷器出口温度tgc获得如下式的关联式：

35、pd,pot＝k×tgc+b

36、其中，k为最优排气压力和气冷器出口温度线性拟合关联式的斜率，b为最优排气压力和气冷器出口温度线性拟合关联式的截距，接着分别以k和b为因变量，制冷剂泵出口温度te为自变量，线性拟合获得如下式的关联式：

37、k＝a×te+b

38、b＝c×te+d

39、从而通过线性拟合分别得到拟合系数a、b、c和d。

40、在步骤5)中，粗调调节的步长为2～5hz；误差阈值θ1为5～10％。

41、在步骤6)中，细调调节的步长为0.5～1.5hz；差值阈值θ2为1～5％。

42、本发明的优点：

43、本发明在相应数学模型发展出的最优排气压力关联式基础上进行控制，能够迅速可靠的确定最优排气压力初始值，保证系统一直处于较优运行状态，提高优化控制的效率；获得的数据库能够保证系统在不同折旧程度下均处于适合该系统的最优排气压力工况，实现系统维持最优运行状态；能够实现跨临界制冰系统的最优排气压力控制，整个控制过程中系统一直处于较优运行状态，优化控制效率高，且能够保证系统在不同工况下均处于最优运行状态；本发明适用于跨临界制冰系统，能够实现跨临界制冰系统的最优排气压力控制，整个控制过程中系统一直处于较优运行状态，优化控制效率高，且能够保证系统在不同工况下均处于最优运行状态。