（制冷及低温工程专业论文）燃气机热泵自动控制系统的研究.pdf

摘要 燃气机热泵是以燃气发动机为动力源，并充分利用发动机废热、工业余热以 及低品位环境热量，实现冬季采暖、夏季制冷的高效节能、经济环保的空调供热 装置。本课题主要研究了基于p l c 的燃气机热泵控制系统硬件的实现、部分软 件程序的编制及控制策略的分析。具体来说，主要包括以下内容： 在原有研究的基础上，对燃气机热泵及其控制系统的组成部分和工作原理进 行了分析与研究，并提出了控制程序的结构。根据热泵机组的控制要求，开发了 以p l c 为核心的燃气机热泵控制系统的硬件，并对其各个部分进行了理论仿真 和实验验证。经过实验证明，控制系统硬件的工作性能稳定，控制精度较高。利 用已开发的控制系统作为实验手段对热泵机组进行了实验研究，从而更深入地了 解了实验系统运行的内在规律，为控制程序的调试积累了经验。通过实验测取了 换热器出水温度的阶跃响应曲线，并利用系统辨识法建立了燃气机热泵机组的动 态模型，为控制系统的仿真和开机调试提供理论依据。针对本课题所研究的水 水燃气机热泵的实际情况，提出p i d 、模糊控制和模糊p i d 三种控制算法，并分 别对其进行了仿真。经过仿真，总结得出模糊p i d 算法具有出水温度超调量小、 响应速度较快、步进电机输入量的频率较低的特点，是一种比较适合热泵机组的 控制策略。另外，利用模糊p i d 算法对机组进行控制，不但p l c 梯形图编程简 单，而且能实现无差控制，能满足热泵机组的控制要求。 本文对燃气机热泵控制系统进行了较为系统的实验和理论研究，希望文中所 用到的理论知识和研究方法能为燃气机热泵控制系统的后续研究工作提供参考。 关键词：燃气机热泵，可编程序控制器，动态模型，控制算法，仿真 a b s t r a c t t h eg a se n g i n ed r i v e nh e a tp u m p ( g e h p ) i sah i g he f f i c i e n c y , e n e r g ys a v i n g ， e c o n o m ya n de n v i r o n m e n tp r o t e c t i o ne q u i p m e n tt h a tc a np r o v i d eh e a t i n gi nw i n t e r a n dc o o l i n gi ns u m m e r , w h i c hu s e sn a t u r eg a se n g i n ea ss o u r c eo fp o w e r , a n dm a k e s 向1 1 vu s eo fw a s t eh e a to fe n g i n ea n di n d u s t r y , a n de n v i r o n m e n te n e r g i e so fl o w q u a l i t y t h i sp a p e rm a i n l yr e s e a r c h e si n t or e a l i z i n gh a r d w a r e ，p r o g r a m m i n gp a r t l y , a n da n a l y z i n gc o n t r o ls t r a t e g yo fg e h pc o n t r o ls y s t e m b a s eo np l c t os a y c o n c r e t e l y , t h em a i nc o n t e n t st h a ta r ei n c l u d e di nt h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： t oa n a l y z ec o m p o n e n t sa n dw o r kp r i n c i p a l so fg e h pa n dc o n t r o ls y s t e m ，a n d b r i n gu pt h es t r u c t u r eo fc o n t r o lp r o g r a m m e rb a s eo np r e v i o u s l yr e s e a r c h a c c o r d i n g t oc o n t r o ld e m a n d st h ep a p e rd e v e l o p st h eh a r d w a r eo fg e h pb a s eo np l c ，a n d t h e o r e t i c a l l ys i m u l a t e da n dv a l i d a t e db ye x p e r i m e n tf o rc o m p o n e n t so f h a r d w a r e t h e e x p e r i m e n tp r o v e dt h a tt h eh a r d w a r eo fc o n t r o ls y s t e mw o r k s w e l la n dp r e c i s i o ni s h i g h e rt h a nw ee x p e c t e d i no r d e rt op r o f o u n d l yu n d e r s t a n dw o r kp e r f o r m a n c e sa n d a c c u m u l a t ee x p e r i e n c ef o rd e b u g g i n gl a d d e rp r o g r a m m e r , t h ep a p e re x p e r i m e n t a l l y r e s e a r c h e so ng e h pb yu t i l i z i n gc o n t r o ls y s t e mt h a th a db e e nd e v e l o p e d t h es t e p r e s p o n s ed i a g r a mo ft h eo u t l e tw a t e ro fh e a te x c h a n g e r ( e v a p o r a t o ra n dc o n d e n s e r ) w a sm e a s u r e db yc o n d u c t i n ge x p e r i m e n t s ，a n dd y n a m i cm o d e l o fg e h pw a s e s t a b l i s h e db ys y s t e m i cd i f f e r e n t i a t i o nm o d e l i n g ，w h i c hp r o v i d e st h e o r e t i c a lr e f e r e n c e f o rt h es i m u l a t i o na n da d j u s t m e n to fc o n t r o ls y s t e m i nv i e wo fp r a c t i c a l i t ys i t u a t i o n o fw a t e r t o w a t e rg e h pt h a tt h i ss u b je c th a sr e s e a r c h e d ，t h ep a p e rp u tf o r w a r d t h r e e c o n t r 0 1a r i t h m e t i ct h a ti n c l u d e sp i d ，f u z z ya n df u z z y p i d ，a n dr e s p e c t i v e l y s i m u l a l 哈dt h e m 。t h ec o n c l u s i o n s ，f u z z y p i da r i t h m e t i ch a ss t r o n gp o i n t st h a tp e r c e n t o v e r s h o ti ss m a l l ，r e s p o n s et i m ei sl i t t l ea n di n p u tf r e q u e n c yo fs t e pm o t o r1 sl o w , a r e a r r i v e da ta f t e rs i m u l a t i o nf i n i s h e d ，t h ec o n t r o la r i t h m e t i ci sf i tf o rt h eg e h r t h i sp a p e rc o n d u c t e dac o m p r e h e n s i v e l ye x p e r i m e n t a la n dt h e o r e t i c a li n v e s t i g a t i o n i n t oc o n t r o ls y s t e mo fg e h ra n dh o p et h a tt h et h e o r i e sa n dm e t h o d si nt h ep a p e rc a l l o f f e rr e f e r e n c e sf o rs u b s e q u e n ti n v e s t i g a t i o n 。 k e yw o r d s ：g e h p , p l c ，d y n a m i cm o d e l ，c o n t r o la r i t h m e t i c ，s i m u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：矧墨 签字日期：乃舢夕年 月矿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：才响埕 导师签名： 签字日期：现肋乡年，月于e t 签字日期：莎口嗲年f 月i _ f - e j 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 研究的前提 第一章绪论 随着人类生存环境的不断恶化和全球能源的日益枯竭，保护环境和节约能源 成为制约当今社会和经济发展的两大难题。合理利用地球上的有限资源和优化能 源结构是解决问题的有效方法之一。天然气是当今世界上公认的最清洁的能源。 燃烧后产生的二氧化碳和氮氧化合物仅为煤的5 0 和2 0 ，污染为石油的1 4 ， 煤的1 8 0 0 ，随着人类对生存环境质量和生活质量要求的提高，以及天然气利用 技术的进步，天然气必将成为人类首选的高质量能源。 有关方面预计，世界天然气最终储量可达3 0 0 , - - , 5 0 0 万亿立方米，国际燃气 联合会的研究人员认为，巨大的天然气储藏量可以满足今后7 0 年的天然气供应。 目前，地球上己探明的天然气地质储量超过1 4 0 万亿立方米，年开采量为2 万多 亿立方米，可供开采6 8 年。而我国天然气地质资源量估计超过3 8 万亿立方米， 可采储量前景看好，按国际通用口径，预计可采储量7 1 0 万亿立方米，可供开 采9 5 年，在世界上属资源比较丰富的国家。从表1 1 可以看出，我国在天然气利 用方面还存在很大的发展空间。截止到2 0 0 3 年我国的累计探明天然气可开采储 量为2 5 万亿立方米，可开采资源探明程度仅为1 8 ，正处于勘探的早期阶段， 待探明的可开采天然气资源达11 5 万亿立方米，资源开采的潜力巨大。由于资 源勘探后，未能有效利用，以及政策不配套，造成用气结构不合理，都在一定程 表1 1世界与中国一次能源比例关系 煤炭石油天然气水电和核电 世界平均水平2 7 4 0 2 3 1 0 世晃可采年限 2 3 0 4 86 8 中国 7 8 3 l 1 7 6 4 2 1 1 9 5 中国可采年限 9 02 29 5 注：根据中国电力九五规划和英国b p 公司1 9 9 7 年世界能源年鉴 第一章绪论 度上制约了我国天然气工业的健康发展。但是，随着我国的社会进步和经济发展， 天然气成为主要能源将是一个必然的趋势。 来自中国新闻网的消息称，中国目前正在加快构建跨区域天然气管网体系， 已基本形成华北、东北、中部、西部地区天然气管网，长江三角洲和中南地区管 网的主体框架以及西南地区天然气管网。有关方面专家指出，中国目前大规模地 建设天然气管网，原因就在于以四川、塔里木、鄂尔多斯和柴达木为代表的四大 盆地天然气储量巨大，能为我国东部地区的市场需求提供稳定的资源保障，而我 国东部地区的经济发展非常迅速，能源的需求量与日俱增。中国石油天然气股份 有限公司称，该公司将按照计划铺设树枝形的输气管道，将四个储量巨大的天然 气产区所富余的天然气，联合输往东部地区，以减轻西部产区气田难开、资金沉 淀的巨大压力，缓解东部地区能源紧缺局面，从而把西部资源与东部市场结合起 来，把资源优势转化成经济优势。 天然气作为一种清洁高效的能源，目前在我国能源结构中所占比例只有 2 5 左右。随着全国性输气管网的建成运行，我国的天然气利用率将大幅度提高， 从而为燃气机热泵( g e h p ) 的研制和推广提供了先决条件。 1 1 2 燃气机热泵的优势 顾名思义，燃气机热泵( g e h p ) 就是利用燃气( 主要是城市管道天然气) 发动机来驱动压缩机，同时回收发动机废热，并且通过热泵的循环，进行夏季制 冷或冬季制热的空调系统。燃气机热泵与电动热泵( e h p ) 的主要区别仅在于： 电动热泵使用电动机来驱动，而燃气机热泵使用燃气发动机来驱动。燃气机热泵 的室内机及其操作与电动热泵没有太大异同。但这种动力来源的不同，使得燃气 机热泵比电动热泵具有很多的优越性。 燃气机热泵与电动热泵相比较，其优越性主要表现在如下几个方面： 1 ) 燃气机热泵的供暖性能优 于电动热泵 电动热泵系统的不足之处 是设备运行性能受环境温度影 响大。空气源电动热泵对气候 的要求较高，一般不适于冬季 气温寒冷的城市采暖供热。众 所周知，热泵的供热能力随热 源温度的降低而降低，然而建筑 功 窒 贫 、 磊锄 力衡点 弋求。 0 室外温度( ) 图1 1 供暖需求与热泵供暖能力之间的关系 第一章绪论 物的供暖要求却随着室外温度的降低而增加。当室外空气为热泵热源时，热源温 度和室外温度是相同的。这意味着供暖需求增大时，热泵的输出热功率反而减小， 并且存在着某个“平衡点”( b a l a n c ep o i n t ) ，低于这个平衡点，热泵便不能保证 所要求的供暖i l j ，因此，往往需要辅助加热设备。图1 - 1 中给出了供暖需求和热 泵供暖能力之间的关系图。有关资料表明，当室外的温度降至2 。c 时，燃气机热 泵供暖能力将会提高1 0 ，提供了强劲的制热性能。即使在1 0 * c 也能保持这一 性能，为极度寒冷的季节和地区应用提供了保障。 空气源电动热泵可以在低至15 的环境温度下运转，但是在这样低的温度 下，它们的效率是很低的，基本不制热。并且，用空气作为热泵热源，在蒸发温 度降至o 。c 以下时，随着水从湿空气中冻结出来，在热交换器上将形成霜冻。霜 冻形成的速度将取决于空气温度和湿度、蒸发温度及盘管的设计 3 1 ，大量的霜冻 将使热阻增加。在空气盘管中的霜冻还增加了空气的压力降，使操作性能变坏【4 】， 若不采取措施除去霜冻，盘管将被完全堵塞【l 】。在制冷工业中虽然已经有一些成 熟的除霜方法【5 j ，但是除霜过程还是会造成大量电力能源的浪费。而空气源燃气 机热泵在冬季运行时，利用发动机排热除霜，可以减少或免除制冷剂逆向流动融 霜，提高机组的供热质量和运行可靠性，降低融霜损失，提高了供热季节性能系 数，并且能够在更低的环境温度下运行，空气源燃气机热泵在环境温度3 5 时 仍可使用，适合我国绝大部分地区，扩大了热泵机组的应用范围 2 】。 就本文研究的水源热泵机组而言，它是以水作为热源，水体的温度一年四季 相对稳定，其波动的范围远远小于空气的变动。水体温度较恒定的特性，使热泵 机组运行更可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性。而且用水作为热源也 不存在空气源热泵的冬季蒸发器表面结霜的问题。另外，水源热泵机组可一机多 用，既可以制冷，又可以供热，还可以提供生活用热水，一套设备可以代替原来 的锅炉加空调两套装置或系统，所以一次性投资较小。 和电动热泵相比，由于回收了燃气发动机排放的废热，使得燃气机热泵在冬 季运行时的启动时间缩短，并且使得低温环境下的制热能力增强，供热温度提高。 而电动热泵在冬季启动时需要预热，并且预热过程耗能大，所以启动时间会大大 延长。 2 ) 燃气机热泵的控制性能优于电动热泵 燃气机热泵采用室外机作为主要控制对象，室内机作为辅助控制对象，这种 控制方式精确，维修调试比较方便。随着负荷的波动变化，微电脑通过“变频” 调节压缩机转速来改变制冷量的大小；通过变频调节室外机风扇的转速来控制其 换热量，双重变频调节使室内温度相对稳定，减少了机组频繁启动和机组除霜带 来的能量损失和温度变化。由于燃气机热泵的一台室外机最多可以带几十台室内 第一章绪论 机，所以可根据建筑物的不同规模和功能灵活搭配燃气机热泵室外机和室内机， 按不同区域构成相互独立又相互联系的系统，满足不同的负荷要求。然而，电动 热泵与燃气机热泵的控制方式有显著的区别，对于电动热泵，它主要采用“交流 电压一直流电压一交流电压一变转速方式交流电机”或者“交流电压一直流电压 一变转速方式数字电机”的控制技术，实现变频压缩机转速的改变，从而达到改 变热泵机组制冷( 制热) 量的目的。尽管这种控制方式也能达到较高的控温精度， 但是必须将电流进行转换，才能达到要求。因此，和燃气机热泵相比，电动热泵 的能源转化效率较低。 3 ) 燃气机热泵的环境性能优于电动热泵 目前，我国火力发电量占总发电量的7 3 4 ，而世界平均数仅为3 7 5 ，水 力发电量比重为1 9 ，核能发电量占1 3 ，天然气发电量仅占0 。2 ，而世界平 均数为1 4 7 。2 0 0 2 年下半年以来，全国电力供应形势日趋紧张，促使各地电厂 建设迅速升温。据有关部门统计，仅2 0 0 4 年，国家批准新开工电站项目的发电 能力就达4 0 0 0 万千瓦，其中燃煤电厂占到9 0 以上。毋庸置疑，大量火力发电 厂的建设将会对环境造成污染，从表1 2 可以看出煤和石油燃烧后释放出的大量 的s o x 、n o x 和c 0 2 ，例如2 0 0 1 年，中国二氧化硫排放总量为1 9 4 8 万吨，其中 火力发电排放的二氧化硫为6 5 3 9 8 万吨。2 0 0 2 年，燃煤电厂二氧化硫排放量达 到6 6 6 万吨，占全国排放总量的3 4 6 ， 业已成为我国最大的污染排放产业之一， 洁能源。 是大气污染物的主要来源。所以电力工 因此，电力能源并不是真正意义上的清 表1 2 煤、石油、天然气燃烧后的污染物排放比较【2 】 燃料 s o 。n 0 xc 0 2 煤1 0 0 1 0 0 1 0 0 石油7 0 7 0 8 0 天然气o4 0 6 0 相比较而言，天然气燃烧后基本不产生s o x ，n o x 和c 0 2 排放量也较低。燃 气机热泵是以天然气为主要燃料，因此推广使用燃气机热泵有利于环境保护。 1 1 3 燃气机热泵的削峰填谷作用 当前，全球气温的持续增高和城市化进程加剧了对空调的需求。全国空调的 普及率近几年飞速增长，从1 9 9 6 年的平均每百户城镇家庭空调器拥有量1 1 6 台 增加到2 0 0 2 年的5 1 1 台。就北京市来看，1 9 9 1 年每百户城镇家庭的空调器拥有 量仅为0 1 台，2 0 0 0 年增长到6 9 6 台，而到2 0 0 3 年进一步激增到1 0 6 5 台。同 第章绪论 时，因为空调耗电是季节性的需求，导致夏季的电力高峰负荷加大。据北京电力 公司测算，北京夏季高峰期空调电负荷约为3 8 0 万千瓦，约占北京市用电负荷的 4 0 。为支援北京，内蒙古、山西、河北和京津唐地区已大幅度拉闸限电，限电 负荷达到地区总负荷的2 0 以上。到2 0 0 4 年，全国范围内已持续近两年的电力 供应短缺形势变得更加严峻，上半年出现拉闸限电的省市区已经达到2 4 个，其 中一些省( 自治区、直辖市) 拉闸限电的天数几乎接近九成。据统计，1 9 9 8 年 到2 0 0 2 年短短四年间，我国电力消耗增长率由2 6 激增至1 0 5 ，电力供应能 力增长则由1 9 9 8 年的8 4 下降到2 0 0 2 年的4 4 ，这就成为最近两年出现大面 积“电荒”的直接原因。 燃气负荷与电力负荷正好相反，燃气负荷在夏季处于全年的低谷，以上海为 例1 6 】，1 月份城市煤气平均最高日用量为6 2 9 万立方米，而用气量最低的8 月份， 平均日用气量仅4 7 0 万立方米，夏季用气只有冬季的6 8 左右。而天然气田、气 井的采气量一般是均匀的，要求冬季和夏季的最大波动量不超过2 0 t 引。有关人 士分析，如果用燃气空调替代电空调，解决上海2 0 0 4 年夏2 0 0 万千瓦的电力缺 口，只需要大约6 4 亿立方米的天然气，只占“西气东输”上海最高年份输送量 3 0 0 亿立方米的2 。显然，燃气机热泵对电力和天然气这两种资源是一种平衡。 从国民经济的角度考察，发展燃气空调进而“削峰填谷”，是双赢之举。 1 2 燃气机热泵的发展历程和研究现状 1 2 1 燃气机热泵的发展历程 1 9 3 0 年霍尔丹( h a l d a n c e ) 报导了他1 9 2 7 年在苏格兰安装与试验的家用热 泵，其工质为氨，用空气作热源，供室内、采暖及水加热之用。可以认为这一装 置是现代蒸汽压缩式热泵的真正原型l 6 j 。 燃气机热泵技术的研究始于2 0 世纪4 0 年代。前苏联的b a 兹辛在1 9 4 7 就 提出了用煤气机来驱动热泵的设想。安装在英国泰晤士河畔皇家庆典礼堂里的燃 气机热泵可能是有记载的最早应用的燃气机热泵1 7 1 2 1 。 7 0 年代初至9 0 年代末是燃气机热泵的快速发展时期。多特蒙德一惠灵霍芬 地区室外游泳池，于1 9 7 7 年4 月1 日设置了联邦德国第一台燃气机热泵瞵j 。该 台燃气机热泵使用活塞式压缩机，轴功率为8 3 k w ，转速1 5 0 0 r m i n 。以城市燃气 ( 含氢量4 5 的炼焦煤气，输送压力为3 2 m b a r ) 为燃料，发动机的单位耗热量 为1 3 3 m j ( k w m ，以外界空气作为热源。1 9 7 0 年燃气机热泵技术传入荷兰， 第一章绪论 时，因为空调耗电是季节性的需求，导致夏季的电力高峰负荷加大。据北京电力 公司测算，北京夏季高峰期空调电负荷约为3 8 0 万千瓦，约占北京市用电负荷的 4 0 。为支援北京，内蒙古、山西、河北和京津唐地区已大幅度拉闸限电，限黾 负荷达到地区总负荷的2 0 以上。到2 0 0 4 年全国范围内己持续近两年的电力 供应短缺形势变得更加严峻，上半年出现拉闸限电的省市区已经达到2 4 个，其 中一些省( 自治区、直辖市) 拉闸限电的天数几乎接近九成。据统计，1 9 9 8 年 到2 0 0 2 年短短四年问，我国电力消耗增长率由26 激增至1 0 5 ，电力供应能 力增长则由1 9 9 8 年的8 4 下降到2 0 0 2 年的44 ，这就成为最近两年出现大面 积“电荒”的直接原因。 燃气负荷与电力负荷正好相反，燃气负荷在夏季处于全年的低谷，以上海为 例1 6 j ，1 月份城市煤气平均最高r 用量为6 2 9 万立方米，而用气量最低的8 月份， 平均日用气量仅4 7 0 万立方米，夏季用气只有冬季的6 8 左右。而天然气田、气 井的采气量一般是均匀的，要求冬季和夏季的最大波动量不超过2 0 i ”。有关人 士分析，如果用燃气空调替代电空调，解决上海2 0 0 4 年夏2 0 0 万千瓦的电力缺 口，只需要大约64 亿立方米的天然气，只占“西气东输”上海最高年份输送量 3 0 0 亿立方米的2 。显然，燃气机热泵对电力和天然气这两种资源是一种平衡。 从国民经济的角度考察，发展燃气空调进而“削峰填谷”，是双赢之举。 1 2 燃气机热泵的发展历程和研究现状 1 2 1 燃气机热泵的发展历程 1 9 3 0 年霍尔丹( h a | d a n c e ) 报导了他1 9 2 7 年在苏格兰安装与试验的家用热 泵，其工质为氨，用空气作热源，供室内、采暖及水加热之用。可以认为这一装 置是现代蒸汽压缩式热泵的真正原型 6 1 。 燃气机热泵技术的研究始于2 0 世纪4 0 年代。前苏联的b a 兹辛在1 9 4 7 就 提出了用煤气机来驱动热泵的设想。安装在英周泰晤士河畔皇家庆典礼堂里的燃 气机热泵可能是有记载的最早应用的燃气机热泵【1 j 口j 。 7 0 年代初至9 0 年代术是燃气机热泵的快速发展时期。多特蒙德一惠灵霍芬 地区室外游泳池，于1 9 7 7 年4 月1 日设置了联邦德国第一台燃气机热泵j 。该 台燃气机热泵使用活塞式压缩机，轴功率为8 3 k w ，转速1 5 0 0 r m i n 。以城市燃气 ( 含氢量4 5 的炼焦煤气，输送压力为3 2 m b a r ) 为燃料，发动机的单位耗热量 为1 3 3 m j ( k w h ) ，以外界空气作为热源。1 9 7 0 年燃气机热泵技术传八荷兰， 为1 33 m j ( k w h ) ，以外界空气作为热源。1 9 7 0 年燃气机热泵技术传入荷兰， 笫一章绪论 在乌德勒支市的人造冰场，利用三台燃气发动机驱动无油的氨压缩机实现冰场制 冷。到8 0 年代末，联邦德国约有2 5 套住房用燃气机热泵在运转或者准备投入使 用，有众多的大型游泳池、体育场等建筑使用了燃气机热泵。1 9 8 7 年，日本率 先将燃气机热泵商业化，尤其是中央空调系统受到了大众的欢迎，虽然当时总的 装机容量只有3 5 m w ，但是到了1 9 9 5 年就达到了9 1 0 m w ，增长了2 6 倍。到1 9 9 6 年，全日本燃气机驱动式热泵占全部燃气制冷设备的2 9 ，总装机容量大约 1 g w 。美国也于1 9 9 4 年推出了燃气机热泵，到1 9 9 5 年其总装机容量占据了燃 气制冷设备的1 0 【9 j 。 进入2 1 世纪，燃气机热泵作为商业化产品在一些国家已经普遍应用。日本 的三洋、洋马已经大批量生产燃气机热泵，其商品已经向海外市场拓展。2 0 0 2 年北京市燃气工程设计公司与日本洋马株式会社合作进行的“北京g h p 试验项 目”( 北京市石景山区七星园小区) 获得良好的效果。中日合资企业大连三洋制 冷有限公司已经在2 0 0 3 年引进、开发并生产燃气机热泵( g e h p ) ，在国内率先 生产燃气机热泵。 1 2 2 燃气机热泵的研究现状 就国外现状来看，燃气机热泵技术在日本、美国以及德国等欧洲国家已经发 展的相当成熟，应用也非常普遍，由最初的以大型机组为主，发展到8 0 年代中 后期已经实现了中小型空气源机组的商业化大批量生产，并且得到燃气公司、电 力公司以及政府的鼓励与支持，发展非常迅速。 就国内现状来看，我国燃气机热泵技术的研究起步于2 0 世纪8 0 年代，天津 大学热能研究所率先开展了此方面的研究工作，并且取得了一定的研究成果。 1 9 9 9 年天津大学热能研究所在天津市科学技术发展计划攻关计划项目和天津大 学“2 1 l 工程”项目资助下，开始对燃气机热泵展开进一步的研究工作。2 0 0 1 年 成功建造了一台汽油机驱动的水水热泵试验装置，并配备了先进的测试仪表和 计算机数据采集系统【l0 1 。实验台中的发动机在2 0 0 2 年改为天然气汽油两用燃料 发动机( b i f u e le n g i n e ) ，其他部分亦作了相应的完善 2 】。 东南大学、日本三菱公司等单位也在研究利用天然气为能源的燃气空调机， 以解决用电量大而凸显的供电矛盾，并研发出适合我国各地气候条件的燃气空 调。 第一章绪论 1 3 本文研究的主要内容 1 ) 搭建水水燃气机热泵控制系统硬件部分的实验装置，对控制系统硬件进行理 论分析、设计、实现与调试； 2 ) 对燃气机热泵系统进行实验研究，摸清系统的运行规律，验证控制系统硬件 装置的可行性； 3 ) 在实验研究的基础上，利用实验所得数据建立燃气机热泵的控制模型，并初 步设计控制算法，以实现控制目标； 4 ) 运用实验数据得到的数学模型和初步设计的控制算法对系统进行仿真，得到 仿真曲线，确定其控制参数及控制规则，并对曲线进行分析； 5 ) 通过分析比较各种算法的仿真曲线及控制效果，最终确定控制算法，为开机 调试做理论指导。 1 4 本章小结 本章首先分析了我国目前的能源现状，为加快开发利用天然气资源所采取的 措施，与电动热泵相比较，燃气机热泵所具有的优势，以及燃气机热泵在当前电 力紧缺的情况下，可以起到削峰平谷、缓解电力紧张、调节能源结构的作用。然 后阐述了国内外燃气机热泵的发展历史和研究现状，国外的产品已经开始进入我 国市场，而我国还处于研究阶段，所以应加快研究步伐，早日开发出成熟的控制 系统。最后列出了本文研究的主要内容及研究重点。 第二章燃气机热泵系统结构简介 第二章燃气机热泵系统结构简介 2 1 燃气机热泵主体部分简介 中温度测量点9压力测量点 卜天然气发动机：2 一压缩机；3 一冷凝器；4 蒸发器1 ：5 一蒸发器2 ；6 一储液器；7 一 干燥过滤器；8 一蒸发器水箱；9 一冷凝器水箱；1 0 - 风机盘管；1 卜气缸套冷却水 换热器；1 2 一烟一水换热器；1 3 一天然气瓶；1 4 一汽油箱；1 5 - 转速扭矩仪；1 6 一电 磁离合器；1 7 一减压阀；1 8 - 冷凝器水泵；1 9 - 蒸发器水泵：2 0 - 天然气瓶阀门； 2 卜流量计；2 2 一水表；2 3 - 旋转阀门；2 4 一热力膨胀阀：2 5 - 球阀；2 6 - 视液镜 图2 1 燃气压缩式水一水热泵实验台主体部分系统示意图 天津大学热能研究所于2 0 0 1 年成功建造了一台汽油发动机驱动的水水热泵 系统主体部分，并于2 0 0 2 年4 完成了主体部分发动机的改造，由原来的汽油机 8 一 第二章燃气机热泵系统结构简介 改造成汽油天然气两用燃料发动机( b i f u e le n g i n e ) ( 如图2 1 所示) 。2 0 0 3 年初， 本所在以前研究的基础上对燃气机热泵的控制系统进行了研究开发，并成功搭建 了燃气机热泵控制系统实验台，控制系统的具体内容将在后面几节中讲述。 燃气机热泵的主体部分由燃气发动机系统、热泵系统、数据测量与采集系统 三部分组成。 1 ) 燃气发动机系统是燃气机热泵系统的动力源，它对热泵系统的温度控制 起着决定性的作用。燃气发动机的强劲动力以及废热的利用，使g e h p 可以快速 将室内温度调至设定温度；而发动机转速控制的无级调速，可使室内温度平稳地 维持在设定温度。本实验台的发动机选用天然气汽油两用燃料发动机，具有功 率大、重量轻、体积小、油耗低、转速高等特点。燃料供应系统采用压缩天然气 罐供气。 2 ) 热泵系统是燃气机热泵系统的核心部分，它主要包括压缩机、换热器、 冷热源系统、热力膨胀阀、储液器、视液镜、干燥过滤器等部件。压缩机选用高 效开启式活塞压缩机，冷凝器和蒸发器均采用钎焊板式换热器，排烟换热器采用 卧式管壳式换热器。 冷热源系统的作用就是为燃气机热泵创造一个所需要的外部运行环境。它主 要包括蒸发器水箱、冷凝器水箱、风机盘管、蒸发器水泵、冷凝器水泵以及连接 管路等。 3 ) 数据测量与采集系统是实验分析燃气机热泵系统的重要工具。它主要包 括美国吉时利数据采集系统、扭矩转速测量仪、镍锘镍硅铠装热电偶、压力传感 器、涡轮流量计、测量和控制天然气流量的质量流量控制器、噪声测量仪等。此 系统仅在实验研究中作为数据采集的手段，实验台调试完毕后，它将不会成为燃 气机热泵的组成部分。 实验台主体部分的具体结构及其详细说明在文献 2 、 9 、 1 0 、 1 1 中已 有详述，本文不再赘述。 2 2 燃气机热泵控制部分简介 燃气机热泵的控制部分是本文的研究重点，也是整个燃气机热泵系统研究的 难点。它由控制系统硬件和软件两部分组成，其中硬件部分包括上位机( 普通 p c 机) 、可编程序控制器( p l c ) 、步进电机及其驱动器( 控制发动机节气门用) 、 发动机测速装置、温度和压力测量电路、水泵控制电路、离合器控制电路等，软 件部分包括c x p r o g r a m m e r 、组态软件。燃气机热泵控制系统如图2 2 所示。 第二章燃气机热泵系统结构简介 上垃机 图2 2 燃气机热泵控制系统图 2 2 1 控制系统的硬件部分 一、上位机 上位机的主要作用是监视实验运行过程、记录实验数据、编制p l c 程序以及 发出系统操作命令等。 本实验台采用普通台式p c 机作为上位机，在室内环境中可以满足实验要求。 二、可编程序控制器( p l c ) 可编程序控制器( p r o g r a m m e rc o n t r o l l e r - - p c ) 早期称为可编程序逻辑控制 器( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r - - p l c ) ，为避免与个人计算机( p c ) 相混淆， 仍常用p l c 代表可编程序控制器。可编程序控制器是将逻辑运算、顺序控制、 时序、计数以及算术运算等控制程序，用一串指令形式存放到存储器中，然后根 据存储的控制内容，经过模拟、数字等输入输出部件，对生产设备与生产过程进 行控制的装置。从广义上讲，可编程控制器p l c 实质上也是种计算机控制系 统，只不过它具有比计算机更强的与工业过程相连的接口，具有更适用于控制要 求的编程语言 1 2 】。与其他工业控制机相比，它具有：1 ) 功能完善，性能可靠， 能适用于各种形式和性质的开关量和模拟量信号的输入输出；2 ) 采用模块化结 构，硬、软件开发方便，可以适应不同规模、不同功能复杂程度和现场环境的各 种控制要求；3 ) 操作方便，维护、改造容易，i o 系统可以直观的反映现场信号 的变化状态和系统的运行状态，采用梯形图编程通俗易懂：4 ) 性能稳定、可靠 性高，一般平均无故障时间可达几万小时以上。5 ) 性价比高等优点。 微电脑是整个控制系统的核心部件，它的工作状况直接决定着系统的稳定性 第二章燃气机热泵系统结构简介 与可靠性。本实验台采用p l c 作为微电脑对燃气机热泵系统进行控制，正是充 分考虑了p l c 编程方便、扩展容易、可靠性高等特点。系统采用了日本o m r o n ( 欧姆龙或立石) 公司的c 2 0 0 h q p l c 。c 2 0 0 hq 系列p l c 是0 m r o n 公司是继 c 2 0 0 h 和c 2 0 0 h s 系列之后推出的新一代系列产品。它能满足更高的控制要求， 同时在基本性能、通信和数据处理方面均有了大幅度的改进。实验台所用p l c 的 具体型号、功能及参数如表2 1 所示。 表2 1p l c 系统各模块型号、功能及参数表 模块名称型号系统功能备注 p l c 的核心部件，按照程序带有r s 2 3 2 通讯接口和一 c 2 0 0 hq c p u 单元 c 2 0 0 h e c p u 4 2 一e 完成各种功能。个外设口。 为各模块提供电气和机械安 c 2 0 0 h q c p u 底板 c 2 0 0 h 、- b c 0 8l装接口，支持p l c 的8 槽 s y s b u s 安装结构。 c 2 0 0 hd 模拟输入单元c 2 0 0 h a d 0 0 3采集系统的模拟信号。8 点输入转换数据1 2 位 c 2 0 0 hq 数字输入单元c 2 0 0 h - i d 212采集系统的数字信号。 d c 输入1 6 点( 2 4 v ) 1 6 点晶体管输出o 3 a 点 c 2 0 0 hc 1 数字输出单元c 2 0 0 h o d 212输出系统的数字信号。 4 8 a 1 6 点 为p l c 各模块的正常运行提电源电压2 0 0 2 4 0 v a c 带 c 2 0 0 hq 电源单元c 2 0 0 h w o p a 2 0 4 s 供稳定可靠的电源。 2 4 v d c 使用电源 p l c 编程通讯电缆 x w 2 z 2 0 0 s 下传程序和p l c 数据监视。r s 2 3 2 瓜s 2 3 2 接口，2 米 三、步进电机及其驱动器 步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的电磁机械装 置，是一种输出位移与输入数字脉冲对应的增量驱动器件，具有启停过程短和定 位精确的能力。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势， 频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率( 或速度) 的增大而相 电流减小，从而导致转矩下降( 如图2 - 3 所示) 。因此，只要脉冲输入频率所对 应的步进电机动态转矩值大于负载转矩时，它就能在短时间内实现准确定位。它 的步矩角不受电压波动、负载变化和环境条件( 如温度、振动等) 的影响，它的转 速仅与输入脉冲频率有关，在不丢步的情况下运行，其步距误差也不会长期积累。 正是因为步进电机具备上述优点，它已经被广泛地用于自动控制系统中作为执行 元件。 第二章燃气机热泵系统结构简介 本实验台采用两相混合式步进电动机及其驱动器作为控制系统的执行机构， 利用步进电机的伺服特性来控制发动机输出功率。步进电机外观结构及其矩频特 性曲线如图2 3 所示。 图2 3 步进电机外观结构及其矩频特性曲线 四、其他的硬件设备 温度和压力测量电路、水泵控制电路、离合器控制电路等将在第三章中详细 阐述。 2 2 2 控制系统的软件部分 一、c x p r o g r a m m e r 软件 p l c 编程软件c x p r o g r a m m e r 是欧姆龙公司的新编程软件，该软件具有如下 特剧1 2 】。 ( 1 ) 统一的w i n d o w s 开发易于操作。 使用w i n d o w s 环境下的各种工具可同时在不同程序之间剪切或粘贴程序语 句或其他数据。使用统一的w i n d o w s 工具能够毫不费力地开始设计和开发工作。 ( 2 ) 符号化编程功能使编程标准化。 符号编程功能使在编程时使用i o 名称而不必考虑其位和地址的分配成为可 能。带有i o 名称的程序只需在c x p r o g r a m m e r 软件上移动就可用于其他的系统。 ( 3 ) 用索引寄存器和数据处理指令使信息处理更好。 循环运行，( f o r n e x t ) 索引寄存器，数据寄存器，文本串指令( 如：l e n s ， l e f t s ，m i d $ ) ，记录处理和表数据操作以及其众多的指令使人们处理和掌握工 厂自动化信息更有效率。 第二章燃气机热泵系统结构简介 ( 4 ) 从同一个h o s tl i n k 连接点可调试c p u 单元和特殊i o 单元。 只需将个人计算机与c p u 单元、串行通信单元或串行通信板相连，就可使 用w i n d o w s 工具( c x - p r o g r a m m e r 软件，c x p 协议等) 提升整个系统的设计水平 和减少开发时间。 ( 5 ) 结构化编程极大地提高了设计效率。 以前的程序只能是一个单一的长程序，而c s l 系列p l c 提供了单独控制的 任务程序。单独的程序( 任务) 使得不止一个编程者能在同一时间开发和调试程序 以适应不同的处理。 ( 6 ) 强大的监控和调试功能使程序开发更为简单。 a 、用w i n d o w sg u i 接口的简单操作：工程数据用易于理解的树状目录显示。 b 、在梯形图内的状态类中，以助记符形式输入指令需要的时候转换成梯形 图。 c 、预览、细览、屏幕分害- s j ( 4 屏、2 屏) 和滚动条：用户可使用这此和其他的 功能显示和监控同一程序中的多个位置。 d 、输入i o 位和指令更为简单：能直接输入指令或使用符号。能预搜索符 号、文本串和输入的指令。可显示存储区的操作数或输入范围。 e 、交互参考弹出框：将鼠标置于某一地址弹出框，会告知在同一程序中使 用同一地址的其他指令。 f 、观察窗：当前值的数据形式的地址可被监控，同时在网络上的p l c 上的 存储地址亦可被监控。 g 、输出窗：一个输出窗可显示程序检查的结果。搜索结果及其他有用的信 息，也能直接跳转到任何出错的地方并显示。 纯3 2 位软件，支持欧姆龙公司全系列p l c 。 二、组态软件 组态软件( c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ) 是指用于数据采集与过程控制的专用软件， 它们在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境中，能以灵活多样的组态 方式( 非编程方式) 提供良好的用户开发界面和简捷的使用方式，其预设置的各种 模块可以非常容易地实现和完成监控层的各项功能，并能向控制层和管理层提供 软、硬件的全部接口，进行系统集成。目前组态软件的发展迅猛，已经扩展到企 业信息管理系统，管理和控制一体化，远程诊断和维护以及在互联网上的一系列 的数据整合。 组态软件的一般英文称法有两种，分别为h u m a na n dm