徐傳芳，蔣 坤，劉承君，黃文靜

（陸軍炮兵防空兵學(xué)院，安徽 合肥 230000）

引言

工業(yè)領(lǐng)域中特別是過程控制領(lǐng)域，生產(chǎn)過程中能源消耗極大，同時(shí)能源利用率偏低。例如在鋼鐵冶煉、化工石油、合成氨、橡膠輪胎制造等行業(yè)及分布式能源諸多領(lǐng)域，生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生豐富的余熱資源，而多數(shù)過程控制生產(chǎn)線將產(chǎn)生的余熱直接排除或利用率極低。豐富的余熱資源得不到有效循環(huán)利用，使生產(chǎn)成本增加，并且造成能源浪費(fèi)。以合成氨、尿素合成過程中產(chǎn)生的反應(yīng)熱為例，根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求需大量循環(huán)水將熱量帶走以保證生產(chǎn)高效、連續(xù)運(yùn)行，此循環(huán)水出口溫度范圍一般在90～110 ℃之間，并且在此合成工藝系統(tǒng)中，許多工藝環(huán)節(jié)需要高品味的蒸汽進(jìn)行加熱，這部分蒸汽凝水（也稱為尿素凝結(jié)水）的余熱也可以為熱水型溴化鋰吸收式制冷機(jī)所利用，余熱通過有效驅(qū)動(dòng)制冷供部分生產(chǎn)環(huán)節(jié)再循環(huán)使用對(duì)于提高能源利用率、節(jié)約能耗、降低生產(chǎn)成本都具有十分重要的意義。

工業(yè)領(lǐng)域傳統(tǒng)壓縮機(jī)制冷技術(shù)是電能的轉(zhuǎn)換過程，壓縮機(jī)將蒸發(fā)器內(nèi)所產(chǎn)生的低壓低溫的制冷劑氣體（如氟利昂）吸入汽缸內(nèi)，經(jīng)壓縮后成為壓力、溫度較高的氣體被排入冷凝器，冷凝成液體，再經(jīng)調(diào)壓閥節(jié)流降壓進(jìn)人蒸發(fā)器，此時(shí)低壓制冷劑氣體汽化吸收蒸發(fā)器內(nèi)的熱量而降溫，達(dá)到制冷目的。傳統(tǒng)壓縮機(jī)制冷技術(shù)在壓縮制冷過程中需要消耗較大電能，如在尿素合成工藝系統(tǒng)中，采用傳統(tǒng)壓縮機(jī)制冷技術(shù)不僅無法有效利用余熱資源制冷，而且會(huì)增加額外電能成本。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于工業(yè)領(lǐng)域中余熱再循環(huán)利用研究在積極深入，并且取得較大成果。吸收式制冷工藝早在1842 年就被應(yīng)用在工程實(shí)驗(yàn)中[1]，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，該工藝越來越多被應(yīng)用在工程實(shí)踐中。基于TC 工質(zhì)的余熱制冷工藝是一種新型的余熱驅(qū)動(dòng)制冷技術(shù)，此技術(shù)在化工過程控制領(lǐng)域的廣泛使用，使其在節(jié)約生產(chǎn)成本，降低生產(chǎn)能耗，改善環(huán)境方面發(fā)揮重要作用。吸收式余熱驅(qū)動(dòng)制冷技術(shù)[2]可以利用富余熱量的高溫?zé)嵩粗苽?25 ℃左右的低溫冷源，此吸收式制冷工藝運(yùn)行效率高，系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制要求較低。本文基于吸收式余熱驅(qū)動(dòng)制冷技術(shù)工藝，根據(jù)控制系統(tǒng)參數(shù)要求，研究各項(xiàng)參數(shù)對(duì)余熱制冷系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)運(yùn)行穩(wěn)定性的影響規(guī)律，設(shè)計(jì)以PLC為核心控制器件的軟、硬件系統(tǒng)，采用INTOUCH 組態(tài)軟件開發(fā)實(shí)用、可靠、操作簡(jiǎn)捷的余熱制冷監(jiān)控系統(tǒng)。研究?jī)?nèi)容對(duì)于制冷工藝在工業(yè)領(lǐng)域中高效穩(wěn)定運(yùn)行具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)作用。

1 吸收式余熱驅(qū)動(dòng)制冷技術(shù)原理

本文介紹的吸收式余熱驅(qū)動(dòng)制冷技術(shù)主要應(yīng)用在化工領(lǐng)域生產(chǎn)乙二醇過程中，該技術(shù)能夠?qū)⒁叶忌a(chǎn)過程中產(chǎn)生的132 ℃高品位熱源作為驅(qū)動(dòng)源，驅(qū)動(dòng)制備乙二醇生產(chǎn)過程中所必備的-20.2 ℃的低溫冷源。此新型制冷工藝所采用的工質(zhì)主要以氨鹽溶液、催化劑等為主。吸收式制冷裝置由換熱器、吸收器、發(fā)生器、蒸發(fā)器、緩沖罐、溶液泵、循環(huán)泵、反沖洗泵、開關(guān)閥和調(diào)節(jié)閥等部件組成，工作介質(zhì)包括制取冷量的制冷劑和吸收、解吸制冷劑的吸收劑，二者組成TC 工質(zhì)對(duì)。液態(tài)冷劑經(jīng)過節(jié)流降壓，進(jìn)入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器內(nèi)吸熱蒸發(fā)，產(chǎn)生冷效應(yīng)，冷劑由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，再進(jìn)入吸收器中；另外，從發(fā)生器流出的貧溶液經(jīng)換熱器和節(jié)流降壓后進(jìn)入吸收器，吸收過程產(chǎn)生的富溶液由循環(huán)泵加壓，經(jīng)換熱器吸熱升溫后，重新進(jìn)入發(fā)生器，如此完成低溫冷源的循環(huán)制備。制冷工藝流程如下頁(yè)圖1 所示。

圖1 吸收式余熱制冷工藝流程

2 余熱驅(qū)動(dòng)制冷控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)制冷工藝工作原理、設(shè)備技術(shù)參數(shù)、現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)環(huán)境以及設(shè)備投入成本等綜合因素，為實(shí)現(xiàn)整個(gè)制冷設(shè)備的所有功能，本控制系統(tǒng)采用一個(gè)主站和三個(gè)子站布局方式，其中控制系統(tǒng)硬件包括：工作站、電氣控制柜、變頻器、電能測(cè)量表、電動(dòng)機(jī)保護(hù)器、輸入/輸出電抗器、中間繼電器、斷路器、開關(guān)電源、各類傳感器與變送器、電磁閥等執(zhí)行設(shè)備。

核心控制器PLC 硬件包括：數(shù)字量輸入/輸出模塊、模擬量輸入/輸出模塊、電源模塊、通訊模塊以及底板與機(jī)架等。控制系統(tǒng)主要完成對(duì)系統(tǒng)模擬量數(shù)據(jù)的輸入采集，上位機(jī)給定模擬量數(shù)據(jù)輸出，設(shè)備故障、報(bào)警信息等數(shù)字量信號(hào)輸入，上位機(jī)控制現(xiàn)場(chǎng)泵、閥門等設(shè)備的輸出量等工作。系統(tǒng)對(duì)設(shè)備中溶液溫度、液位、壓力、流量等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并根據(jù)溫度和液位對(duì)系統(tǒng)中溶液泵頻率、調(diào)節(jié)閥開度進(jìn)行PID 調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬量數(shù)據(jù)閉環(huán)控制。程序段主要包括：各類泵電流顯示，開關(guān)閥邏輯，設(shè)備中溶液溫度、液位、壓力、流量測(cè)量，PID 調(diào)節(jié)以及上位機(jī)對(duì)溶液泵進(jìn)行開關(guān)控制、頻率給定等操作。

3 余熱驅(qū)動(dòng)制冷監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)余熱驅(qū)動(dòng)制冷技術(shù)工作原理，為實(shí)現(xiàn)制冷技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中高效運(yùn)行，監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)設(shè)備參數(shù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程有效采集，以及上位機(jī)指令能夠有效操作設(shè)備動(dòng)作等系統(tǒng)功能，監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)采用IN TOUCH10.1 及以上版本組態(tài)軟件進(jìn)行監(jiān)控畫面的開發(fā)。

圖2 為設(shè)計(jì)的監(jiān)控主界面圖，主界面圖動(dòng)畫基本能夠反應(yīng)余熱驅(qū)動(dòng)制冷工藝流程的詳細(xì)情況，余熱驅(qū)動(dòng)制冷監(jiān)控系統(tǒng)窗口主要包括：A 套設(shè)備監(jiān)控主畫面_1 以及B 套設(shè)備監(jiān)控主畫面_2 窗口；蒸發(fā)冷風(fēng)機(jī)、泵系統(tǒng)監(jiān)控/操作窗口；電能數(shù)據(jù)顯示窗口；故障報(bào)警信息監(jiān)測(cè)窗口；用戶登錄窗口等。主畫面_1 與主畫面_2 窗口能夠?qū)崿F(xiàn)模擬量數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)顯示、溶液液位動(dòng)畫顯示以及泵、閥門等開關(guān)動(dòng)作顯示等功能。

圖2 吸收式余熱制冷監(jiān)控系統(tǒng)主界面

圖3 為蒸發(fā)冷風(fēng)機(jī)、泵系統(tǒng)監(jiān)控/操作界面，蒸發(fā)冷風(fēng)機(jī)操作窗口設(shè)計(jì)了手動(dòng)給定其轉(zhuǎn)速功能,TC工質(zhì)進(jìn)出口壓力和壓力差檢測(cè)顯示，其中風(fēng)機(jī)根據(jù)制冷工藝要求，其轉(zhuǎn)速給定是通過上位機(jī)頻率設(shè)定實(shí)現(xiàn)的。

圖3 蒸發(fā)冷風(fēng)機(jī)系統(tǒng)界面

余熱制冷監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)了利用腳本制作的報(bào)警彈出畫面，彈出畫面方便提醒操作員讀取和處理系統(tǒng)的緊急報(bào)警狀態(tài)；利用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)對(duì)電能數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，上位機(jī)監(jiān)控畫面實(shí)時(shí)顯示儀器儀表電能參數(shù)。現(xiàn)場(chǎng)多種設(shè)備中儀器儀表與上位機(jī)之間采用串口服務(wù)器通訊，數(shù)據(jù)通訊采用MODBUS 驅(qū)動(dòng)，使用RTU協(xié)議。圖4 為儀器儀表電能數(shù)據(jù)顯示畫面，主要顯示蒸發(fā)冷風(fēng)機(jī)/泵以及溶液泵等電機(jī)保護(hù)器的三相電流、三相電壓和總有功功率數(shù)據(jù)。其中INTOUCH 組態(tài)和PLC 軟件之間采用MBENET 驅(qū)動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。

圖4 儀器儀表數(shù)據(jù)顯示界面

4 監(jiān)控系統(tǒng)主要功能

為實(shí)現(xiàn)制冷工藝的高效、可靠運(yùn)行，設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)具有界面美觀、系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)便以及功能齊全等優(yōu)點(diǎn)，該監(jiān)控系統(tǒng)完成的主要功能包括：

1）換熱器、吸收器、發(fā)生器、蒸發(fā)器、緩沖罐等所有與制冷相關(guān)設(shè)備的內(nèi)部溶液流量、壓力、溫度、液位的模擬量數(shù)據(jù)采集。

2）溶液泵、循環(huán)泵、反沖洗泵等設(shè)備故障報(bào)警信號(hào)檢測(cè)，上位機(jī)對(duì)各種泵、開關(guān)閥門、調(diào)節(jié)閥門的開關(guān)操作和啟動(dòng)、停止顯示。

3）上位機(jī)對(duì)開關(guān)閥門、調(diào)節(jié)閥門的開度手/自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，閥門開度PI/PID 調(diào)節(jié)切換功能以及PI/PID參數(shù)手動(dòng)設(shè)定功能。

4）上位機(jī)對(duì)蒸發(fā)冷風(fēng)機(jī)的頻率手/自動(dòng)切換與設(shè)定功能。

5）變頻器、電能測(cè)量表、電動(dòng)機(jī)保護(hù)器、輸入/輸出電抗器等制冷系統(tǒng)有關(guān)設(shè)備電能數(shù)據(jù)監(jiān)視。

5 結(jié)語(yǔ)

余熱驅(qū)動(dòng)制冷技術(shù)可循環(huán)利用工業(yè)生產(chǎn)中的余熱、廢氣，其可以替代傳統(tǒng)電能壓縮式制冷機(jī)，制備低溫冷源以滿足工業(yè)生產(chǎn)需要，該技術(shù)能夠有效節(jié)約電能能耗，降低生產(chǎn)成本。本文主要基于TC 工質(zhì)的吸收式余熱驅(qū)動(dòng)制冷技術(shù)原理，通過分析設(shè)備技術(shù)參數(shù)，設(shè)計(jì)了具有操作便捷、可靠性高、系統(tǒng)監(jiān)控界面功能齊全等特點(diǎn)的監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)已經(jīng)在化工領(lǐng)域生產(chǎn)乙二醇過程控制中得到有效投放使用，實(shí)際使用中監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，在節(jié)約電能方面帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

吸收式制冷正在向著小型化、高效化的方向發(fā)展，各國(guó)對(duì)吸收式技術(shù)的開發(fā)研究主要集中在聯(lián)合循環(huán)、余熱利用、吸收式熱泵、吸收和發(fā)生過程的機(jī)理研究、機(jī)組優(yōu)化設(shè)計(jì)、系統(tǒng)的特性仿真等方面。本文針對(duì)解決小型化和高效化制冷控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及可靠運(yùn)行問題，將設(shè)計(jì)成果應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐當(dāng)中，檢驗(yàn)理論成果的可行性，為類似條件下余熱制冷控制提供設(shè)計(jì)依據(jù)。該監(jiān)控系統(tǒng)的可靠運(yùn)行對(duì)于余熱驅(qū)動(dòng)制冷技術(shù)等多方面應(yīng)用具有實(shí)際的參考價(jià)值。