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 (R744) 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.

гахоохладитель тепловой насос диоксид углерод

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.

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 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:

(1)

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.

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.

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 , , соответственно до температур .

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.

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 30 м.) для наружной температуры воздуха равной .

Рис.6. Распределение температур газа и воды по длине трубок газоохладителя

Выводы