冰蓄冷空调系统测控及性能优化研究

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3.0 侯斌 2024-11-19 4 4 2.24MB 78 页 15积分
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摘 要
冰蓄冷空调是利用夜间低谷时段电力制冰并蓄存起来，在白天用电高峰时段
不开或少开制冷主机，利用夜间蓄存的冰来满足空调冷负荷。由于充分利用夜间
低谷廉价电力，从而大大降低了空调系统的运行费用，并把白天高峰时段电力需
求大量转移到夜间低谷时段，实现电网移峰填谷、平衡峰谷矛盾，因而从宏观上
大大降低峰谷差带来的能源损失。
本论文主要侧重对冰蓄冷系统的测控技术进行研究，开发研制了一套冰蓄冷
空调系统的自动控制与测试系统。在测试与控制系统研制过程中充分考虑系统运
行的稳定性，数据测量的精确性以及实验操作的简便性，整个系统基于触摸屏、
PLC(Programmable Logical Controller)和LabView 的软硬件平台，主要参数采用
PID 及PID 自整定技术控制，并且对实验数据进行自动采集与计算。该测控系统
通过人机界面进行友好的交互操作，具有实验操作向导、组态操作界面、实验过
程实时监控、实验系统故障报警与诊断等功能，是一套性能可靠、功能完备的实
验测控系统，通过空调系统的实际运行证明该测控系统很好地完成了冰蓄冷空调
系统要求的控制及数据采集任务，很好的完成了对冰蓄冷空调系统的性能研究。
本文所做的工作主要是如下两个方面：
（1） 提出了冰蓄冷空调系统的测控方案，开发了测控系统的软硬件平台
针对实验型冰蓄冷空调系统运行工况多，需要测量参数多，产生的数据量大
等要求，开发了基于 PLC 和触摸屏的下位现场管理工作站与基于 LabView 软件平
台的上位中央管理工作站的测控系统。各个工况实现无人值守一键式启闭自动运
行，人机界面友好；上位机实时显示系统运行状态和参数，自动保存和处理测试
数据，并能通过计算机执行打印任务。
（2） 系统调试和实验
利用研发的测控系统对冰蓄冷实验台进行了调试与实验，分析了测控系统的
准确度和可靠性。实验表明，该测控系统通过采用 PID 控制与参数自整定控制分
别用来控制系统的各关键温度控制点取得了比较好的控制效果，冰蓄冷空调系统
的各个参数都能在各自要求的范围之内稳定，并且能够按照实验的要求进行自动
调节，为今后对冰蓄冷空调系统单体和整体性能的研究提供了极大的便利。
关键词：测控系统 冰蓄冷空调系统 PLC PID 控制 数据采集
ABSTRACT
The ice-storage air conditioning system satisfied the cold load from ice whose
cooling energy stored by the power supply .It turns water into ice by using the cheap
power in valley periods at night. Which makes none or less refrigerator running. The
running cost remarkably reduced due to the much more cheaper power price at valley
night times we use for ice-storage. It also balanced the contradictions of demand and
supply of the power in peak and valley periods by transferring big demands of power
supply in daytimes to nighttimes. So it greatly reduces the energy losses carried out by
the difference of the power supply between the peak and valley periods On the view of
macroscopic.
In this paper, an automatic measure and control system is developed according to
the requirements of ice-storage air-conditioning’s performance test. This paper has
mainly studied testing and control technology in ice-storage air-conditioning system.
The stability, accuracy and convenience of the system are considered during the
developing process. The operating control of the system carries out on human-machine
interface, which communicates with PLC directly and parameters of PID are obtained
based on fuzzy self-tuning control technique. The system also has experimental
operation instruction, configuration operation interface, simulation and real time
display of the experimental process, failure alarm and diagnosis of the system.
Experiments show that the measure and control system meets the demand of research
on ice-storage air-conditioning performance. All parameters could retain stability at
certain range, and also be adjusted according to requirement of the experiment. Thus it
will be much more convenient to do research on respective and whole performance of
ice-storage air conditioning system.
This paper has reached the following achievements:
1. An automatic measure and control ice-storage air-conditioning system was
given and the software & hardware platform of it was established.
The automatic measure and control system ,Local management workstation based
on PLC and Touching Screen and Central management workstation based on
LabVIEW software platform, was designed according to the demand cased by more
influencing factors and electrical appliances , more operation modes and the high
demand in control precision of the system. It has a friendly human and machine
interface .Every running condition can open and shut down by one button without
operator attended.
2. System testing and experiment.
With the help of the automatic and measure system, the accuracy and reliability of
the system was analyzed. Experiments show that the control system through the use of
PID control and parameter self-tuning control system were used to control the
temperature of all critical control points to obtain a relatively good control effect, the
ice-storage air-conditioning system in their respective requirements of each parameter
can be within the scope of stability, and in accordance with the requirements of
experiments automatically adjust for the future of the ice-storage air-conditioning
system and overall performance of single study provides a great convenience.
Key Words: Measure and Control System, Ice-storage Air
Conditioning System, PLC, PID Control, Data Acquisition
目录
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 .......................................................... 8
§1.1 课题研究的背景及意义 ......................................... 1
§1.2 冰蓄冷技术的发展历史及现状 ................................... 2
§1.3 冰蓄冷测控技术的发展趋势 ..................................... 4
§1.4 本文主要研究的内容 ........................................... 5
第二章 冰蓄冷技术概况及实验装置介绍 .............................. 6
§2.1 冰蓄冷技术的基本概念 ......................................... 6
§2.1.1 冰蓄冷的特点 ........................................... 6
§2.1.2 制冰率与融冰率 ......................................... 6
§2.1.3 蓄冷特性与释冷特性 ..................................... 7
§2.1.4 蓄冷量的确定方法 ....................................... 7
§2.2 冰蓄冷技术的分类及其基本特征 ................................ 7
§2.2.1 冰蓄冷空调系统分类 ..................................... 7
§2.2.2 冰蓄冷系统与常规系统的比较 ............................. 8
§2.3 冰蓄冷实验装置 .............................................. 8
§2.3.1 概述 ................................................... 8
§2.3.2 制冷剂循环回路 ........................................ 10
§2.3.3 冷媒水循环回路 ........................................ 11
§2.3.4 冷冻水循环回路 ........................................ 13
§2.3.5 空气循环回路 .......................................... 13
第三章 冰蓄冷空调测控系统设计 ....................................... 15
§3.1 概述 ....................................................... 15
§3.2 冰蓄冷空调系统测控系统设计 ................................. 15
§3.2.1 测控目标 .............................................. 15
§3.2.2 冰蓄冷空调测控系统的总体方案 .......................... 16
§3.3 冰蓄冷空调控制子系统设计 ................................... 19
§3.3.1 制冷机组控制 .......................................... 19
§3.3.2 蓄冷装置控制 .......................................... 23
§3.3.3 风系统控制 ............................................. 25
§3.4 数据采集与监测子系统的设计与安装 ........................... 25
§3.4.1 数据采集 .............................................. 27
§3.4.2 信号采集与传输 ........................................ 28
§3.5 实验数据的处理子系统设计 .................................... 30
§3.6 安全与报警处理子系统的设计与安装 ............................ 30
第四章 测控系统硬件组成和软件编程 .................................. 31
§4.1 测控系统硬件组成 ........................................... 31
§4.1.1 测控系统硬件组成 ...................................... 31
§4.1.2 数据采集、监测与处理系统硬件组成 ...................... 37
§4.2 测控系统软件编程 ............................................ 45
§4.2.1 控制子系统软件设计 .................................... 45
§4.2.2 数据采集、处理软件编程 ................................ 52
第五章 冰蓄冷空调测控系统调试与实验分析 ............................. 57
§5.1 测控系统的调试与运行 ........................................ 57
§5.2 冰蓄冷空调控制子系统的调试 .................................. 57
§5.3 数据采集与监测子系统的调试 ................................. 63
§5.3.1 数据采集与监测子系统硬件调试 .......................... 63
§5.3.2 数据采集与监测子系统软件调试 .......................... 64
§5.3.3 数据采集与监测子系统联合调试 .......................... 64
§5.4 实验数据的处理子系统调试 .................................... 65
§5.5 安全与报警处理子系统的调试 .................................. 65
§5.6 实验研究及分析 .............................................. 65
§5.6.1 性能测试实验 .......................................... 66
§5.6.2 蓄冷工况蓄冰温度控制结果及分析 ........................ 66
§5.6.3 融冰过程温度控制及分析 ................................ 67
§5.6.4 制冷主机单独供冷温度控制及分析 ........................ 69
第六章 结论与展望 ................................................... 70
参考文献 ............................................................ 72
致 谢 ........................................................... 75
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 课题研究的背景及意义
20 世纪 70 年代，由于中东战争引发了世界第一次能源危机，造成油价暴涨
和石油短缺，严重影响了西方发达国家的经济发展，从而促使了美国及其他西方
工业国开始重视节能节电，重视能源问题，以提高能源的综合利用效益。
近些年来,由于我国经济迅猛发展, 各地用电构成发生了很大的变化，电力供
应较为紧张, 尤其是上海等东部较发达地区在用电较高的季节和用电高峰时段这
个问题显得尤为突出,有的电网峰、谷负荷之差达 30%[1]以上, 出现白天拉闸限电,
夜间有电送不出去的现象, 电网运行日趋困难，资源利用不合理。上海作为中国
的金融中心，这个问题尤为突出， 2004 年统计数据显示[2]，在上海市最高电力负
荷构成中，占第一位的工业用电耗电比率为 45.2％，而空调用电以 43.8％的比例
居第二位，耗电量仅比上海庞大的工业系统低不到 1.5 个百分点，更是远远超过
照明和家电 11％的用电比率 30 多个百分点。空调负荷是拉大电网峰谷荷差的主
要原因。以 2008 年为例，上海市用电负荷达到了 2243.2 万千瓦，其中制冷电空
调负荷 900 万千瓦，占夏季最高负荷的 40%。
如何解决这一问题？电力需求侧管理作为一种先进的资源规划方法和管理技
术，能够促进经济，资源和环境的协调发展，对缓解电力短缺，提高用电效率和
提高效益等方面具有十分重要的作用[3]，在这种大背景下应运而生。其技术手段
涉及改变电力客户用电方式和提高终端用电效率两个方面。主要的具体措施有：
(1)削峰技术。从电力系统的安全，可靠和经济性出发。当电力系统的总负荷
大于或等于供电负荷时“削峰技术”就成为必须。削峰是指在电网高峰负荷期减
少客户的电力需求，避免增设边际成本高于平均成本的装机容量，平稳了系统负
荷，提高了电力系统运行的可靠性和经济性。
(2)填谷技术。填谷技术主要是从经济性角度出发提出的一种电力负荷管理技
术。填谷是指在电网负荷的低谷期增加客户的电力需求，有利于启动电力系统空
闲的发电容量，并使电网负荷趋于平稳，提高电力系统运行的经济性的一种方法。
填谷技术中主要包括增加季节性客户负荷，增加低谷用电设备和增加蓄能用电等。
(3)移峰填谷技术。移峰填谷是指将电网高峰负荷的用电需求移到低谷负荷时
段，同时起到削峰和填谷的双重作用。它可以充分利用现有装机容量，改善负荷
特性，尽可能地减少新电厂或机组上马，缓解电力建设资金不足和电煤问题的矛
盾。在缺电状态下是一种较好的手段。移峰填谷的个体措施有采用蓄冷蓄热技术，
能源替代运行等。
摘要：

摘要冰蓄冷空调是利用夜间低谷时段电力制冰并蓄存起来，在白天用电高峰时段不开或少开制冷主机，利用夜间蓄存的冰来满足空调冷负荷。由于充分利用夜间低谷廉价电力，从而大大降低了空调系统的运行费用，并把白天高峰时段电力需求大量转移到夜间低谷时段，实现电网移峰填谷、平衡峰谷矛盾，因而从宏观上大大降低峰谷差带来的能源损失。本论文主要侧重对冰蓄冷系统的测控技术进行研究，开发研制了一套冰蓄冷空调系统的自动控制与测试系统。在测试与控制系统研制过程中充分考虑系统运行的稳定性，数据测量的精确性以及实验操作的简便性，整个系统基于触摸屏、PLC(ProgrammableLogicalController)和LabView...

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