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寒地GHP燃气热泵控制系统解析

发布日期:2018-06-07   来源:《智慧工厂》3期   作者: 王立群 董礼军 鞠英文 张炜   浏览次数:478
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【摘   要】:综合介绍了在寒冷地区使用的GHP燃气热泵的工作原理、控制特点。

 关键词: 燃气热泵   寒冷地区

Abstract: The work principle and control characteristics for GHP used in cold areas are introduced in this paper

Key words: Gas engine heat pump   Cold areas

【中图分类号】TM314+.3 【文献标识码】文章编号1606-5123201803-0000-00


1 引言

燃气热泵空调(Gas Engine Heat Pump ,简称GHP)是用燃气发动机驱动室外机压缩机是用燃气发动机驱动室外机压缩机,通过热泵运转,进行制冷制热的空调系统。GHP技术源于汽车空调,最初由日本三洋电机株式会社(现已并入日本松下电机株式会社)于上世纪80年代发明,经过近30年的发展GHP已是日本空调市场的重要组成部分,并在平衡能源消费结构,节省能源和改善环境方面做出了突出贡献。随着我国能源消费结构的调整和环境改善力度的加大,以天然气、液化石油气为代表的清洁型能源的消费比例正逐年提高,这就为GHP的应用推广创造了条件,正是在这一背景下,松下制冷(大连)有限公司率先引进了GHP技术,并建立了国内唯一、最大的GHP生产线,并取得了良好的业绩,产品市场占有率在90%以上。

2 开发背景

我国北方大部分区域冬季都处于严寒地区,其冬季气温较低。而目前市场上销售的电力空调在低温制热运转时能力衰减明显,甚至无法进行有效的制热运转,GHP燃气热泵机组虽然低温制热运转时能力无明显衰减,但受气温限制,最低允许的使用环境温度为-21DB,低温限制影响机组发动机系(润滑油系统、冷却水系统等)的使用条件,所以均无法全面对应我国北方地区的空调需求。为解决这个问题,松下制冷(大连)有限公司开发出S1系列严寒型GHP燃气热泵。该机组制热允许的环境温度范围大(-31~43DB),适用于我国北方大部分地区,与传统的电力空调相比,严寒型GHP燃气热泵的制热能力更大、制热速率更快,且供热能力受环境温度影响小,最低允许的使用环境温度为-31DB。能满足我国北方大部分严寒区域的使用要求。以下,对其控制特点进行介绍。

3 流程原理

GHP燃气热泵(以下称GHP(是通过燃气发动机驱动冷媒压缩机,如图1流程所示,冷媒经压缩机压缩后压力、温度升高,排至冷凝器,在冷凝器散热凝结,获得液态冷媒。液态冷媒经膨胀阀减压后,进入蒸发器,在蒸发器吸收外界热量后冷媒气化,气化的冷媒又被吸入压缩机,如此循环完成制冷(制热)循环。当制冷工况时,可通过回收发动机冷却水的热量免费获得生活热水,进一步提高了能源效率;当制热工况时,可回收发动机的冷却水和排气废热用来加大供热能力和改善机组性能,特别是在低温工况下,优势更加突出。


1 GHP燃气热泵流程图

严寒式样 GHP燃气热泵在标准机组的基础上,增加防冻措施,并变更相应的控制逻辑,确保机组在低温工况下能够正常待机、运转。当环境温温度低于设定温度时,机组内部的防冻设备进行运转,使机组内部部件、电器元件保持正常的环境温度。当机组长时间停止时,发动机会进行单独的防冻运转,保持发动机系统、冷却水系统等的温度,防止低温损坏。

4 控制要点

和标准的GHP机组相比,严寒式样的GHP机组增加了内部加热器、油底盘加热器、凝水过滤器加热器、机组罩板增加保温棉等措施对电器元件、发动机系的冷却水系统、排水系统、润滑油系统进行保护。除了增加必要的加热器以外,控制系统也进行变更,开发了发动机防冻运转、室外机冷媒回收控制等。

4.1 发动机防冻单独启动控制

运转许可条件=A*B*C*D,参见图2所示。

(1)外气温度外气温度设定值;

(2)冷却水温度冷却水温度设定值;

(3)室内机启动台数<1

(4)单独运转的设定时间。


当外气温度外气温度设定值(标准设置为-20DB),同时冷却水温度冷却水温度设定值(标准设置为-15),没有室内机发出启动信号,并且单独运转设定的时间(防止频繁启动)到了以后,机组进入发动机防冻启动程序。

4.2 发动机防冻运转控制特点

在发动机进行防冻运转时,有以下控制特点:

(1)发动机转速上限受到限制,设定转速上限=1500+单独运转的上限转速,避免造成过多的燃料浪费。

(2)电动冷却水三通阀的控制:阀固定为全开,冷却水系统进行循环运转。

(3)压缩机离合器的控制:离合器12全部关闭,不进行冷媒系统运转,避免冷媒压力上升。

(4)发动机防冻运转时,控制系统不进行以下异常检测:风扇转速判断、压缩机离合器异常、冷媒回路压力判断、四方向阀线圈的检测。

4.3 防冻运转修正值



    发动机防冻运转修正曲线参见图3所示。

由于机组在运转时,外气温度传感器会受到机组运转温度的干扰,为保证机组运转的平稳性,在发动机进行防冻运转时,软件计算的外气温度会根据实际温度进行修正,修正值随着机组运转、停止而进行变化,当防冻运转程序结束后,外气温度修正停止,修正值根据长期实验结果所得,具体描述如下。

(1)发动机停止时:

·发动机停止时间2小时以内时,软件计算的外气温度=发动机停止前的温度传感器读取值。

·发动机停止时间2小时以上时,软件计算的外气温度=温度传感器读取值。

(2)发动机完爆运转时:

·发动机完爆运转时间10分钟以内:软件计算的外气温度=发动机启动前的温度传感器读取值

·发动机完爆运转时间10分钟以上:

·外气温度传感器读取值<0时,软件计算的外气温度=传感器读取值+(-5)

·外气温度传感器读取值020时,软件计算的外气温度=传感器读取值+(A)

·外气温度传感器读取值>20时,软件计算的外气温度=传感器读取值+(0)

4.4 发动机防冻停机控制

发动机防冻停机控制流程参见图4所示。

停止许可条件=A*B+C+D+E+F

(1)发动机单独运转的完爆时间设定的最低运转时间;

(2)冷却水温度冷却水温度设定值;

(3)发动机单独运转的完爆时间设定的最大运转时间;

(4)室内机有启动信号;

(5)有警报发生;

(6)中途发动机停止发动机&单独运转的完爆时间设定的最大运转时间的80%

(7)T1:发动机单独运转的完爆时间;

(8)T2:发动机最低运转时间;

(9)T3:发动机最大运转时间。

T1≥T2冷却水温度冷却水温度设定值(标准设置为-15) T1≥T3室内机发出启动信号,有报警发生,中途发动机停机(没有报警的情况)T1≥T380%同时满足, 满足任意一个条件时,机组结束发动机防冻运转程序。

4.5 室外机热交冷媒回收启动控制

机组在环境温度低(≤15DB)的制热启动时,为保证制热运转的效果,先进行冷媒回收运转,将室外热交换器中残留的冷媒流回到冷媒系统中。室外机热交冷媒回收启动控制流程如图5所示。


OUT启动条件=A*B*C*D

(1)制热启动准备;

(2)启动前的高压≤0.3MPa

(3)外气温度-15DB

(4)冷媒回收控制功能许可

当机组制热运转信号ON时,启动前的高压≤0.3MPa,当外气温度≤-15DB,制热泵OUT启动控制取消时,机组进行冷媒回收运转。冷媒回收控制时,将室外机的电子膨胀阀开度全闭,以保证冷媒循环量。

4.6 冷媒回收控制停止控制

    冷媒回收控制停止控制流程参见图6所示。

 

冷媒回收控制条件=A+B

(1)压缩机吸入SH3

(2)完爆时间>90s

当压缩机吸入SH(过热度)3,机组发动机完爆时间≥90S以后,机组冷媒回收控制终止。冷媒回收控制终止后,机组进行正常的制热运转。

5 结束语

严寒式样的GHP机组通过增加防冻设备、保温系统、防冻控制系统、冷媒回收控制系统等,可以保证机组在低温环境下(最低-31DB)安全运行、待机,满足严寒地区冬季空调制热、集中供暖的使用要求,冬季制热可以不再依赖集中供热管网。

近几年,我国与俄罗斯签署天然气长期进口协议,并在北方地区推广使用天然气,严寒型GHP燃气热泵驱动能源使用天然气,具有能源高效利用、运行费用低、应用范围广等特点,满足我国北方大部分地区的使用要求,并且更舒适、更经济、更环保。

参考文献(略)





 
 
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