CC BY
122
СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ ГАЗООХЛАДИТЕЛЯ ТЕПЛОНАСОСНОЙ УСТАНОВКИ В КОМБИНИРОВАННОЙ СИСТЕМЕ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ В ШИРОКОМ ДИАПАЗОНЕ ИЗМЕНЕНИЯ ТЕПЛОВОЙ НАГРУЗКИ
Журавлев А.А., Шит М.Л., Шит Б.М., Попонова О.Б., A-Л. Зубатый
Институт Энергетики Академии Наук Молдовы
Аннотация: Рассмотрена структура системы управления газоохладителем теплового насоса на диоксиде углерода в сверхкритическом цикле.
Рассмотрена структура системы управления, комплексом «тепловой насос -центральный тепловой пункт» с учетом критериев максимального СОР теплонасосной установки и минимума избытков расхода теплоты на отопление.
Ключевые слова. Теплонасосная установка, система управления.
SISTEMUL DE DIRIJARE AL RACITORULUI DE GAZE A INSTALATIEI CU POMPA DE CALDURA iN SISTEMUL COMBINaT DE TERMOFICARE iN DIAPAZONUL LARG A VARIATIEI A SARCINII TERMICE Juravliov A.A., §it M.L., §it B.M., Olga Poponova, A.Zubatii Institutul de Energetica al Academiei de §tirnte a Moldovei Rezumat: Este examinata strnctura sistemului de dirijare al racitorului de gaze la bioxidul de carbon, care functioneaza in ciclul termodinamic transcritic. Este examinata structura sistemului de dirijare a complexului „punct termic de repartizare a energiei termice - instalatia cu pompa de caldura ”, tinind cont de criteriile maximumului de COP al instaltiei cu pompa de caldura §i minimumului al surplusurilor ale comsumului de caldura la incalzire.
Cuvinte cheie: instalatie cu pompa de caldura, sistemul de dirijare.
AUTOMATIC CONTROL SYSTEM OF HEAT PUMP STATION GAS COOLER AT THE WIDE RANGE OF HEAT
LOAD
FOR THE COMBINED DISTRICT HEATING SYSTEM
Juravleov A.A., Sit M.L., Sit B.M., Olga Poponova, A. Zubatii Istitute of Power Engineering of the Academy of Sciences of Republic of Moldova Abstract: There is examined the structure the of control system of gas cooler of heat pump station, which uses the carbon dioxide as the working fluid in the transctitical thermodynamical cycle. It is analiyed the structure of the complex: heat pump station - district heating system.
Key words: heat pump station, automatic control system.
1. Введение.
Рассматривается комплекс «теплонасосная установка (ТНУ) - центральный тепловой пункт» системы теплоснабжения района. Для этого комплекса критерием качества является поддержание выходной величины в заданной «полосе», причем, при обязательном обеспечении максимального коэффициента использования теплоты (СОР) ТНУ. Одновременно должно быть выработано такое задание по выходному параметру ТНУ, при котором обеспечивался бы минимум избытка теплоты на отопление.
Применение тепловых насосов в комбинированных системах теплоснабжения, включающих в себя ТЭЦ в качестве основных источников теплоты и ТНУ в качестве распределенных источников теплоты и использующих теплоту обратной сетевой воды
в качестве низкопотенциального источника теплоты, приводит к снижению расхода топлива на ТЭЦ и платы за тепловую энергию у потребителя [1 -5]. Данная работа является развитием работ авторов [4,5], в которых рассмотрена комбинированная система теплоснабжения, включающая в себя ТЭЦ, центральные тепловые пункты с установленными на них теплонасосными установками и потребителей, получающих тепло по качественному графику теплоснабжения. Вопросам исследования систем управления теплонасосных установок, использующих диоксид углерода ^744) в качестве рабочего тела посвящен ряд работ [2,7,8]. В этих работах рассмотрены структуры систем управления ТНУ, в основном, для кондиционеров и теплонасосных нагревателей воды для целей горячего водоснабжения потребителей. Задача, связанная с регулированием ТНУ при переменной тепловой мощности нагрузки и переменной температуре воды после ТНУ до настоящего времени не исследовалась. Нами рассматривается первая из ряда задач по проектированию систем управления такими ТНУ - задача создания системы управления газоохладителем ТНУ.
Газоохладитель (ГО) ТНУ представляет собой газожидкостный кожухозмеевиковый теплообменник, тепловой расчет которого рассмотрен в [9].
Целью данной работы является построение структуры системы управления ГО, которая должна обеспечить возможность максимизации коэффициента тепловой эффективности ТНУ (СОР) при переменной тепловой нагрузке и переменной температуре воды на выходе ГО.
2. Описание объекта управления.
Структурная схема комбинированной системы теплоснабжения приведена на рис. 1.
ПРЯМАЯ СЕТЕВАЯ ВОДА -►*
-*й—і
ОБРАТНАЯ СЕТЕВАЯ ВОДА
■
7 9
© *(
©
10
Рис. 1. Структурная схема ЦТП с ТНУ
Система включает в себя нагрузку теплового пункта 1 (отапливаемые здания), насос подмешивания обратной сетевой воды 2, смесительный клапан 3, клапан
3
6
1
5
2
регулирования суммарного расхода подмешиваемой воды 4 и теплонасосную установку (приведена упрощенная схема), которая состоит из компрессора 5, газоохладителя 6, охладителя газа после газоохладителя 7, клапана, регулирующего клапана 8, испарителя 9, перегревателя рабочего тела после испарителя 10, регулирующих клапанов 10 и 11. Система работает следующим образом. Подмешиваемая насосом 2 обратная сетевая вода, поступает на узел смешения квартальной тепловой сети. Расход этой воды регулируется регулирующим клапаном 4, а температура корректируется смесительным клапаном 3.
Теплонасосная установка, отбирает теплоту обратной сетевой воды и поднимает ее на более высокий температурный уровень. При этом появляется возможность работы ТЭЦ на пониженном температурном графике. В состав ТНУ входит компрессор 5, который компримирует газ из испарителя 9. В испарителе 9 происходит отбор теплоты обратной сетевой воды. В перегревателе газа 10 происходит удаление испарение капель газа после испарителя. Его роль заключается в повышении безопасности системы (недопущения попадания жидкого СО2 в компрессор). Для переохлаждения газа после газоохладителя служит теплообменник 7, который обеспечивает охлаждение газа за счет обратной сетевой воды. Этот теплообменник обеспечивает также повышение тепловой мощности испарителя. Пример термодинамического цикла ТНУ приведен на рис.2.
Рис.2 Термодинамический цикл ТНУ в диаграмме «энтальпия-давление»
Точка 6 на диаграмме соответствует состоянию газа после испарителя, т.6 -состоянию газа после перегревателя, т.2 - то же после компрессора (на входе в ГО), т.3 - то же, но на выходе из ГО, т.4. - то же, но после переохладителя газа.
Отметим, что ГО ТНУ работает в данной системе в сверхкритическом цикле, т.е., при давлениях СО2, больших чем 7,34 МПа. При давлениях газа выше критического плотность, вязкость, теплоемкость газа меняются значительно. Нами при моделировании теплофизических и транспортных свойств СО2 использовалась модель
Шпана - Вагнера [10]. В Институте энергетики создан программный комплекс, который позволяет моделировать зависимость теплофизических свойств СО2 в зависимости от температуры и давления газа и строить термодинамические циклы работы ТНУ (рис.2). Статические и динамические модели теплообменных аппаратов при переменных значениях плотности, теплоемкости газа, теплопроводности и т.д. разработаны в [9-12].
СОР ТНУ может быть представлен следующей формулой:
СОР = *Ъ-к (1)
к-к
где, /? -энтальпии в точках 1-3 системы.
3. Система управления газоохладителем.
Система включает в себя: подсистему управления давлением компрессора, подсистему управления температурой перегрева газа после испарителя, подсистему управления температурой воды после узла смешивания, координирующую подсистему.
Основной отличительной особенностью системы управления является ее двухуровневая структура, где во внешнем контуре управления координирующим регулятором выполняется оптимизация параметров термодинамического цикла, т.е., динамических заданий для конкретных систем управления ТНУ. В самих подсистемах управления производится оптимизация по критериям минимума среднеквадратической ошибки, быстродействия и других (с учетом работы этой подсистемы в многосвязной системе управления) при приложении к подсистеме возмущающих и задающих воздействий.
Рассмотрим структуру системы регулирования давления нагнетания компрессора.
Сухость рабочего тела _______после клапана
Расход рабочего тела
COP для оптимизации цикла
Управление - степень открытия регулирующего клапана
Д
Давление нагнетания компрессора
Рис.3. Блок-схема системы регулирования давления нагнетания компрессора
Структура системы управления температурой воды на выходе из газоохладителя системы отопления представлена на рис. 4.
Принцип работы рассматриваемой комбинированной следящей системы заключается в формировании сигнала задания в зависимости от внешних факторов:
• температуры окружающего воздуха и скорости ветра,
• температуры прямой сетевой воды, расходов воды через газоохладитель,
• расходов на входе и выходе из узла смешения и внутренних факторов:
• давления после газоохладителя,
• коэффициента теплопередачи от газа к воде в газоохладителе,
• коэффициента усиления регулирующего клапана как функции расхода газа через него самого.
Температура наружного воздуха С Температура воды после газоохладителя
Скорость ветра
Температура прямой сетевой воды
Расходы воды в узле смешения
Управление - расход газа через
газоохладитель и мощность компрессора і <
Рис.4. Блок схемы системы регулирования температуры после газоохладителя.
Критерий качества работы этой подсистемы - минимум среднеквадратического значения ошибки системы.
На эту систему воздействует оптимизирующий регулятор путем передачи данных о задаваемых параметрах цикла и коррекции производительности компрессора в зависимости от работы других подсистем (например, от нагрузки системы ГВС).
Из рассмотрения уравнения можно видеть, что изменить мощность компрессора можно, используя следующие стратегии:
Рис. 5. Структурная схема САУ температурой подмешиваемой сетевой воды
В зависимости от отклонения температуры (или расхода) обратной воды здания от расчетной (в случае увеличения температуры обратной воды, относительно температурного графика), изменить массовый расход хладагента и, соответственно,
мощность компрессора.
Для обеспечения минимума расхода электрической энергии в переходном процессе в этой системе необходимо соответствующим образом выбрать закон регулятора и его параметры настройки.
Так как давление нагнетания компрессора не является независимой переменной, то компрессор и газоохладитель вместе необходимо рассматривать как один узел.
Рассмотрим статические характеристики газоохладителя теплового насоса для центрального теплового пункта, нагревающего 5,84 кг/с воды с начальными температурами 31 °С, 30°С, 27°С соответственно до температур 73°С, 57°С, 45,5°С.
Для газоохладителя в виде кожухозмеевикового теплообменника [7,9] определено количество секций (всего 7), состоящих из навитой на трубу диаметра 0,3 м., трубки диаметром 0,012 м., толщиной стенки 0,001 м., шаг навивки был принят 0,013м. Длина трубки составила 30 м. При этом параметры работы газоохладителя оказались следующими (см. таблицу).
_________________________________Таблица 1. Параметры работы газоохладителя.
Темпера тура наружного воздуха, °С Расход газа через ГО, кг/с /давление газа, МПа Температур а газа на входе в ГО, °С Температур а газа на выходе из ГО, °С
-9 8/9 115 37
0 8/8 74 34,15
6 5/8 62 28,4
Из рассмотрения таблицы следует, что добиться управляемости данного газоохладителя на диоксиде углерода вполне возможно, изменяя давление его давление, а также его расход, температуру и давление газа на входе в компрессор.
На рис. 6 приведен график изменения температуры газа и воды по длине трубок газоохладителя (длина трубок 30м.) для наружной температуры воздуха равной 0°С .
Рис. 6. Распределение температур газа и воды по длине трубок газоохладителя
Выводы.
1. Структура системы управления газоохладителем ТНУ, как объекта управления температурой воды на его выходе должна включать в себя сигналы давления и температуры газа перед ГО, сигнал о производительности компрессора, сигналы о температуре и давлении газа перед компрессором после перегревателя газа.
2. Система управления газоохладителем ТНУ должна быть выполнена двухуровневой, где на верхнем уровне формируются задания по расходу газа и температуре газа на входе в газоохладитель и выполнена в виде системы с моделью объекта, а также учитывать кроме динамики самого газоохладителя, динамику отапливаемых зданий и их систем отопления.
Литература
1. Яровой Ю.В., Лебедев О.В. «О Конгрессе Ассоциации Euroheat and Power “Тенденции и реалии теплоснабжения в ЕС”», Новости теплоснабжения, №9, 2007, с.15.. .18.
2. Stene J0rn. “Residential CO2 heat pump system for combined space heating and hot water heating”, International Journal of Réfrigération 28(2007), p. 1259-1265.
3. Журавлев Л.Л.,Шит М.Л., Шит Б.М., Попонова О.Б., Тимченко Д.В. «Техникоэкономическая эффективность использования тепловых насосов на ТЭЦ»/ Проблемы региональной энергетики. Кишинев, 2007. №1. С. 70-73.
4. A.Juravleov, M.Sit, B.Sit, O.Poponova, Timcenco D. The use of heat pump systems in district heating. Analele Universitatii din Craiova, Seria: Inginerie Electrica, nr.31, 2007, Vol.II, p.229-232.
5. Шит М.Л., Журавлев А.А., Попонова О.Б., Шит Б.М., Тимченко Д.В. «Применение теплонасосных установок в квартальных тепловых сетях». - Третья Международная научно-техническая конференция «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке». 13-15 ноября 2007 г., СПбГУНиПТ. С.117-124.
6. Шевяков А.А., Яковлева Управление тепловыми объектами с распределенными параметрами. М., 1986 г., 206 с.
7. Калнинь И.М., Деревич И.В., Пустовалов С.Б. Исследование газоохладителей тепловых насосов на R744. Холодильная техника, №11, 2004, с. 10-15.
8. Jian Min Yin, C.W. Bullard, P. S. Hrnjak “R-744 gas cooler model and validation:. International Journal of Refrigeration v. 24 (2001),h.692-701.
9. Деревич И.В., Смирнова Е.Г. «Метод расчета теплообмена при противоточном движении теплоносителей с переменными теплофизическими свойствами». Теоретические основы химической технологии. 2002, т.36, №4, с.376-380.
10. R. Span and W. Wagner “A New Equation of State for Carbon Dioxide Covering the Fluid Region from the Triple-Point Temperature to 1100 K at Pressures up to 800 MPa”. Journal of Physical and Chemical Data, 1996, No6, pp.1509-1596.
11. R. Span and W. Wagner “Equations of State for Technical Applications. III. Results for Polar Fluids” International Journal of Thermophysics, Vol. 24, No. 1, January 2003 (© 2003), pp.111-162.
Сведения об авторах.
А.А.Журавлев - к.т.н, заведующий лабораторией микропроцессорных систем управления Института энергетики АНМ, область научных интересов: применение современных методов разработки и исследования микропроцессорных систем управления технологических процессов, автоматизированный учет и распределение энергоресурсов, e-mail: [email protected] Шит М.Л. - к.т.н, ведущий научный сотрудник лаборатории микропроцессорных систем управления Института энергетики АНМ, область научных интересов: системы управления в энергетике,
промышленности, сельском хозяйстве, системы управления мобильными объектами, e-mail: [email protected].
