（制冷及低温工程专业论文）冷库制冷系统流程与运行参数优化.pdf

上海海洋大学硕士学位论文 冷库制冷系统流程与运行参数优化 摘要 能源紧缺是长期性的国际问题，提高能源的利用率尤为重要。因此，通过对 冷库制冷系统的研究，对其流程以及运行参数进行优化，挖掘制冷系统的节能潜 力，对节能降耗，减少企业的生产经营成本，以及提高能源利用率具有重要的意 义。 本文通过理论计算，比较了典型制冷循环单级或双级压缩的特性。同时，从 工程实用的角度，对采用单级压缩还是双级压缩两种方案进行技术经济分析。通 过对厦门地区典型冷库制冷系统实地调研，采集历年制冷系统运行数据。本文以 商业冷冻公司蒸发温度为- 3 0 的制冷系统为重点研究对象。针对该制冷系统的运 行记录数据量大，实际记录有一些缺损等现象，总结出数据筛选和处理的方法。 利用粗集理论分析气象参数和压缩机各性能参数对压缩机能耗的影响。根据采集 的压缩机实际运行参数，计算得到理论制冷系数和实际制冷系数，接着分析了运 行参数和气象参数对制冷系统c o p 的影响。研究结果如下： ( 1 ) 在压缩比小于8 ( 4 3 9 压缩比 6 2 3 ) 的工况下，与单级压缩制冷比较， 采用双级压缩时理论循环制冷系数提高了4 1 6 - 7 0 8 。在压缩比大于8 ( 8 1 5 压缩比 1 0 1 9 ) 的工况下，采用双级压缩时理论制冷系数比单级提高了9 0 1 1 0 8 5 ，排气温度可降低3 3 0 c 4 4 0 c 。 ( 2 ) 从工程应用的角度，在蒸发温度为1 5 0 c 、冷凝温度为3 5 0 c ( 压缩比小 于8 ) 工况下，由于采用双级压缩节能显著，经济效益可观，在低压缩比下人们可 以考虑采用双级压缩的方案。在蒸发温度为2 8 0 c 、冷凝温度为3 5 0 c ( 压缩比大于 8 ) 的工况下，压缩机满负荷运行，双级压缩比单级压缩实际节能率可达3 7 7 ， 并且采用双级压缩压缩机的投资少。因此，高压缩比时不应该采用单级压缩。 ( 3 ) 对采集的历年制冷系统运行记录进行筛选与整理，得出最佳数据筛选规 律，具体规律如下：a ) 仅挑选完整的数据组录入，对于缺损的数据组，没有录入； b ) 由于6 柳硝压缩机型号相同，并且交替运行供新冷藏库使用，故将这两个压缩 机的运行参数合并处理，处理时各性能参数取平均值；c ) 对采集的历史数据，比 较当天前后记录的数据，剔除明显误差的数据；d ) 采用历年( 2 0 0 2 2 0 0 7 年) 同期 数据的比对方法，并且辅以工作日记记录，进行综合分析，由此来剔除可疑的误 上海海洋大学硕士学位论文 差数据；e ) 忽略管道阻力损失，高压级排气压力近似当作冷凝压力，低压级吸气 压力近似当作蒸发压力。 ( 4 ) 利用粗集理论分析气象参数和压缩机各性能参数对压缩机能耗的影响， 得到最佳约简属性集【干球温度，湿球温度，低压吸压，低压排压，高压排压，油 温 ，将属性由原先的1 4 组，约简n 6 组，为制冷系统能耗的深入研究提供了便利。 ( 5 ) 对于典型的制冷系统的c o p 随着中间温度变化比较平缓，当中间温度上 下变化5 时，实际c o p 的变化为2 6 7 ；制冷系统的c o p 随着低压级吸气压力的 升高而增大。当低压级的吸气压力处在0 1 5 o 2 0 m p a 时，其实际c o p 和理论c o p 的变化均超过了2 0 ；制冷系统的c o p 随着高压级排气压力的升高而降低。当高压 级的排气压力处在0 8 0 - - - 1 2 0 m p a 时，制冷系统的理论c o p 变化为2 1 7 ，其实际 c o p 的变化为5 4 0 。低压级的吸气压力和高压级的排气压力必须严格控制，尽量 提高压缩机的低压级吸气压力，降低高压级的排气压力，从而提高制冷系统的性 能。 ( 6 ) 制冷系统的c o p 不仅随着干球温度的升高而减小，也随着湿球温度的升 高而减小。在保证产品质量要求的情况下，尽量增加制冷系统的夜间运行时间， 这样不仅能够提高制冷系统的性能，带来经济效益，还有利于电网的削峰填谷， 提高电力生产效益。 关键词：冷库，制冷系统，流程，参数优化，节能 上海海洋大学硕士学位论文 o p t i m i z a t i o no f p r o c e s s e sa n do p e r a t i n gp a r a m e t e r si nc o l d s t o r a g er e f r i g e r a t i o ns y s t e m i t i si m p o r t a n tt oi m p r o v ee n e r g ye f f i c i e n c ya st h ee n e r g ys h o r t a g ei sa l o n g - t e r m i n t e r n a t i o n a li s s u e t h e r e f o r e ，i th a sg r e a ts i g n i f i c a n c et os t u d yo nt h er e f r i g e r a t i n g s y s t e ma n dt oo p t i m i z et h ep r o c e s s e sa n do p e r a t i n gp a r a m e t e r ss oa st or e d u c ee n e r g y c o n s u m p t i o n t h ep a p e rc o m p a r e st h ep e r f o r m a n c eo fs i n g l e - - s t a g ea n dt w o s t a g ec o m p r e s s i o n r e f r i g e r a t i o nc y c l eb a s e do nt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n f r o mt h ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n v i e w ，t h ep e r f o r m a n c e so ft w os c h e m e sa r ec a l c u l a t e da n da n a l y z e d t h r o u g hf i e l d i n v e s t i g a t i o nt o t h er e f r i g e r a t i o ns y s t e m so fw a r e h o u s e si nx i a m e n , t h eo p e r a t i n g p a r a m e t e r sw e r ec o l l e c t e do v e rt h ey e a r s i nt h i sp a p e r , t h eo b s e r v e do b j e c ti st h e r e f r i g e r a t i o ns y s t e mu n d e r - 3 0 c e v a p o r a t i o nt e m p e r a t u r ei nx i a m e nc o m m e r c i a l r e f r i g e r a t i o np l a n t t h em e t h o d so fd a t af i l t e r i n ga n dp r o c e s s i n gi ss u m m a r i z e ds i n c e t h en u m b e ro fo p e r a t i n gd a t ai sv e r yl a r g ea n ds o m er e c o r d e dd a t aw a sl o s t t h ee n e r g yc o n s u m p t i o no fc o m p r e s s o ri sa n a l y z e d , c o m b i n i n gm e t e o r o l o g i c a l p a r a m e t e r sa n dp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so ft h ec o m p r e s s o rb a s e do nr o u g hs e tt h e o r y a c c o r d i n gt ot h ea c t u a lo p e r a t i n gp a r a m e t e r so fc o m p r e s s o r , t h et h e o r e t i c a lc o pa n d t h ea c t u a lc o pw e r ec a l c u l a t e d ，a n dt h ec o po fr e f r i g e r a t i o ns y s t e mw a sa n a l y z e d ， c o m b i n i n gt h eo p e r a t i n gp a r a m e t e r sa n dm e t e o r o l o g i c a lp a r a m e t e r s t h er e s u l t sa r ea s f o l l o w s ： ( 1 ) w h e nt h ec o m p r e s s i o nr a t i oi sl e s st h a n8 ( 4 3 9 c o m p r e s s i o nr a t i o 6 2 3 ) ，t h e t h e o r e t i c a lc o po ft w o s t a g ec o m p r e s s i o nc y c l ew i l li n c r e a s e4 1 6 - 7 0 8 c o m p a r e d w i t ht h a to fs i n g l e s t a g ec o m p r e s s i o nc y c l e w h e nt h ec o m p r e s s i o nr a t i oi so v e r8 ( 8 1 5 c o m p r e s s i o nr a t i o 1 0 1 9 ) ，t h e o r e t i c a lc o po ft w o - s t a g ec o m p r e s s i o nw i l li n c r e a s e 9 0 1 , - - 。1 0 8 5 c o m p a r e dw i t hs i n g l e - s t a g ec o m p r e s s i o n t h ee x h a u s tt e m p e r a t u r e so f t w o s t a g ec o m p r e s s i o nw i l lr e d u c e3 3 ( 2 4 4 ( 2 ) f r o mt h ep o i n tv i e wo fe n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n ，w h e nt h ee v a p o r a t i o n t e m p e r a t u r ei s 1 5 ( 2 ，c o n d e n s i n gt e m p e r a t u r ei s3 5 c ( t h ec o m p r e s s i o nr a t i o l e s st h a n 8 ) ，t w o - s t a g ec o m p r e s s i o nc a ns a v ee n e r g ys i g n i f i c a n t l ya n db r i n gs u b s t a n t i a le c o n o m i c b e n e f i t s s ot h et w o - s t a g ec o m p r e s s i o nc y c l es h o u l d b ec o n s i d e r e du n d e rl o w c o m p r e s s i o nr a t i o w h e nt h ee v a p o r a t i o nt e m p e r a t u r ei s - 2 8 c ，c o n d e n s i n gt e m p e r a t u r e 砌 上海海洋大学硕士学位论文 i s3 5 c ( t h ec o m p r e s s i o nr a t i ob i g g e rt h a n8 ) u n d e rf u l lc a p a c i t y , t h ea c t u a le n e r g y s a v i n g o f t w o s t a g ec o m p r e s s i o nw i l l b e 3 7 7 c o m p a r e d w i t h s i n g l e - s t a g e c o m p r e s s i o n a n dt h ei n v e s t m e n to ft w o - s t a g ec o m p r e s s i o ni sl e s s t h e r e f o r e ，w h e nt h e c o m p r e s s i o nr a t i oi sh i g h ，t h es i n g l e - s t a g ec o m p r e s s i o ns h o u l dn o tb eu s e d ( 3 ) a f t e rt h eo p e r a t i o nr e c o r d so fr e f r i g e r a t i o ns y s t e mi np a s ty e a r sw e r ec o l l e c t e d ， s o m ef i l t e rr u l e st ot h ed a t aw e r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ：( a ) i n c o m p l e t ed a t ag r o u p w e r eo m i t t e d c o ) b e c a u s e6 舞a n d7 挣c o m p r e s s o ra r et h es a m em o d e la n do p e r a t e d a l t e r n a t e l yf o rt h es a m ew a r e h o u s e ，t h eo p e r a t i n gp a r a m e t e r so ft h et w oc o m p r e s s o r s c a nb ec o m b i n e da n dt h ea v e r a g ev a l u e so fp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sw e r ec h o s e ( c ) o b v i o u se r r o rd a t aw e r ee l i m i n a t e db yc o m p a r i n gt h ed a t af r o mt h es a m ed a y ( d ) s u s p i c i o u se r r o rd a t aw e r ew e e d e do u tb yd a t ac o m p a r i s o n ( 2 0 0 2 2 0 0 7 ) d u r i n gt h e s a m ep e r i o da n dw o r kd i a r y ( c ) t h ep i p e l i n er e s i s t a n c el o s s e sw e r ei g n o r e d , h i g h - l e v e l e x h a u s tp r e s s u r ew a st r e a t e da sc o n d e n s i n gp r e s s u r e ，a n dl o w - l e v e ls u c t i o np r e s s u r ew a s t r e a t e da sv a p o rp r e s s u r e ( 4 ) e n e r g yc o n s u m p t i o no fc o m p r e s s o ri sa n a l y z e db a s e do nr o u g hs e tt h e o r y , c o m b i n i n gm e t e o r o l o g i c a lp a r a m e t e r sa n dp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so ft h ec o m p r e s s o r t h em i n i m a la t t r i b u t es e tw a sc o l l e c t e d s i n c ep r o p e r t i e sw e r er e d u c e sf r o mt h eo r i g i n a l 1 4g r o u p st o6g r o u p s ，i tw i l lb ee a s yt oa n a l y z et h ee n e r g yc o n s u m p t i o no ft h e r e f r i g e r a t i o ns y s t e mf u r t h e r ( 5 ) i ti sf o u n dt h a tc o pc h a n g e ss l o w l yw i t ht h ec h a n g eo fm i d d l et e m p e r a t u r ei n t y p i c a lr e f r i g e r a t i o ns y s t e m w h e nm i d d l et e m p e r a t u r ec h a n g e da b o u t5 ，t h ec h a n g e o fa c t u a lc o pw a s2 6 7 c o po fr e f r i g e r a t i o ns y s t e mw i l li n c r e a s ew h e nt h el o w s u c t i o np r e s s u r ei n c r e a s e s w h e nt h el o ws u c t i o np r e s s u r ew a sa t0 1 5 0 2 0 m p a , t h e c h a n g e so fa c t u a lc o pa n dt h e o r e t i c a lc o pw e r em o r et h a n2 0 t h ec o pd e c r e a s e d w h e nt h eh i g he x h a u s tp r e s s u r ei n c r e a s e d w h e nt h eh i g he x h a u s tpr e s s u r ew a sa t 0 8 0 1 2 0 m p a , t h et h e o r e t i c a lc o pc h a n g e s2 1 7 ，a n dt h ea c t u a lc o pc h a n g e d5 4 t h el o ws u c t i o np r e s s u r ea n dt h eh i g he x h a u s tp r e s s u r em u s tb es t r i c t l yc o n t r o l l e d t h e p e r f o r m a n c eo fr e f r i g e r a t i o ns y s t e mw i l lb ei m p r o v e di f t h el o ws u c t i o np r e s s u r e i n c r e a s e so rt h eh i 【g he x h a u s tp r e s s u r ed e c r e a s e s ( 6 ) c o p w i l ld e c r e a s en o to n l yw i t ht h ei n c r e a s eo ft h ed r yb u l bt e m p e r a t u r e ，b u t a l s ow i t ht h ei n c r e a s eo ft h ew e tb u l bt e m p e r a t u r e i ft h er u n n i n gt i m ea tn i g h ti s i n c r e a s e du n d e rt h es a m eq u a l i t yo fp r o d u c t s ，t h er e f r i g e r a t i o ns y s t e mp e r f o r m a n c ew i l l b ee n h a n c e da n de c o n o m i cb e n e f i t sw i l lb eo b t a i n e d i tw a sa l s og o o dt oi m p r o v et h e e f f i c i e n c yo f e l e c t r i cp o w e r s y s t e m k e yw o r d ：c o l d s t o r a g e ，r e f r i g e r a t i o ns y s t e m ，p r o c e s s e s ， p a r a m e t e r so p t i m i z a t i o n ，e n e r g ys a v i n g i v 答辩委员会成员名单 姓名工作单位职称备注 卢世勋上海海事大学教授主席 陈天及上海海洋大学教授委员 谢晶上海海洋大学教授委员 万金庆上海海洋大学教授委员 张敏上海海洋大学教授委员 刘艳玲上海海洋大学讲师秘书 答辩地点上海海洋大学答辩日期1 月12 日 上海海洋大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 课题的研究背景及意义 能源是人类赖以生存，社会得以发展的物质基础，是全球性焦点问题。能源 紧缺是长期性的国际问题，提高能源的利用率尤为重要。在西欧的发达国家，能 源有效利用率多为4 0 以上，日本的能源有效利用率5 0 以上，而我国的能源利用 率约为3 0 1 。针对这一现状，在2 0 世纪8 0 年代我国制定了“开发与节约并重，近 期将节约放在首要位置”的能源发展方针，颁布了各种节能法规政策。1 9 9 7 年1 1 月，第八届人大通过了 中华人民共和国节约能源法，并从1 9 9 8 年1 月开始生效。 2 0 0 7 年又颁布了新的中华人民共和国节约能源法，进一步明确节能是我国的 基本国策，于2 0 0 8 年4 月1 日正式实施。同时我国“十一五”规划提出：单位g d p 的能源消耗比“十五 期间降低2 0 。国家发展和改革委员会发布的能源发展“十 一五”规划提出，到2 0 1 0 年中国能源消费总量控制在2 7 亿吨标准煤左右，年均 增长4 。 根据联合国环境署( u n e p ) 报告，制冷业已经是世界上2 2 个大规模工业领域之 一。国际制冷学会的专家提出，在未来2 0 年内，应使每个制冷设备耗能减少 3 0 5 0 嘲。在我国，制冷设备能耗已占全国耗电量的1 5 左右嘲。相对于发达国 家，我国的制冷行业发展起步较晚，能源利用率也较低，有巨大的节能空间。 冷库作为一种特殊的建筑，多年来一直是耗能大户。2 0 0 0 年中国的冷库总容 量约5 0 0 万吨，制冷设备耗电量已达5 亿k w h 以上。至2 0 0 9 年底，我国的冷库总 容量达至1 j 6 1 3 7 3 9 万立方米( 参考贮存量1 4 0 4 7 6 万吨) 嘲。据国际冷藏仓库协会的 报告，中国冷库贮货量在不断的增长。 本课题主要对冷库制冷系统的进行研究，优化制冷循环流程，挖掘制冷系统的 节能潜力。本课题以冷库实际制冷装置为研究对象，通过现场调研，采集运行数 据，进行深入分析，并结合数据挖掘技术等，研究制冷系统节能调节控制的一般 规律。目的是挖掘出冷库制冷系统的节能潜力，寻找流程优化的途径，降低制冷 系统的能耗，从而提高能量利用率。 1 2 国内外的研究现状 上海海洋大学硕士学位论文 1 2 1 冷库的典型制冷系统简介 将制冷设备用阀门、管道连接成的封闭循环系统称为制冷系统。按循环方式， 冷库制冷系统分为单级蒸气压缩式制冷循环和双级蒸气压缩式制冷循环；按冷却 方式，制冷系统分为直接冷却系统和间接冷却系统。按制冷机的配备方式，制冷 系统又可分为集中式制冷系统和分散式制冷系统旧。 氨制冷系统在食品冷冻冷藏领域多为直接制冷系统，但也有少量间接制冷系 统。我国在2 0 世纪5 0 年代以前，冷库氨制冷系统多为直接膨胀供液；从7 0 年代开 始，重力供液和氨泵强制供液逐步取代了直接膨胀供液盯1 ；8 0 年代后，国内出现了 以可编程序控制器( p 旧及用p l c 组成的集散式控制系统( d c s 控制系统) 控制的采 用氨泵强制供液方式的全自动或半自动氨制冷系统。2 0 0 0 年，我国在大连的一座 水产品加工厂的氨制冷系统中第一次采用了d a n f o s s 公司的氨电子膨胀阀，从而 再次实现了直接膨胀供液。在国外，氨制冷系统的供液方式多为直接膨胀供液、 重力供液和氨泵强制供液，且系统自控能力较强嘲。 1 9 3 2 年w r k i t z m i l l e r 提出n h 抓：0 2 复叠式制冷系统嘲；1 9 9 2 年，英国的一家 超市安装了世界上第一套n h 3 c 0 2 复叠式制冷系统n 们。近年来，欧洲和美国已开始 应用n h 3 和c 0 2 的复叠式制冷系统。 国内外不少研究者在对n h 3 c 0 2 复叠式制冷系统进行热力计算的基础上，深入 研究了其c o p 。t z o n g - s h i n gl e e 等n 。1 运用能量、质量、熵平衡方程，将压缩机的等 熵效率与容积效率看作压缩比的函数，得到了最佳中间温度及最优c o p 的表达式； 刘红娟等u 刁在热力学模拟的基础上，分析了系统各部件的d 损失情况与整个系统 的效率在中间温度和冷凝温度改变时的变化规律。 还有一些研究人员对以多种工质对制冷剂的复叠系统在理论上进行了性能系 数比较。查世彤等n 钉运用膨胀机来代替其中的节流阀，在冷凝温度3 00 0 ，蒸发温 度4 0 ，压缩机效率0 7 5 的条件下，对系统的c o p 进行了理论研究，结果发现系 统的性能有了很大的改善。王炳明等n 4 1 设计了用于低温系统的c 0 2 螺杆式压缩机， 在冷凝温度4 0 ，蒸发温度4 0 的条件下，对系统的c o p 进行试验与理论计算， 以及对n h 3 n i - 1 3 复叠系统c o p 进行了理论计算，结果发现n h 3 c 0 2 理论计算的c o p 高于试验结果，二者相差2 5 左右，n h 3 c 0 2 理论计算的c o p 比n h 3 n h 3 理论计算 的c o p 低5 左右。 1 2 2 冷库制冷系统自动控制的研究现状 2 上海海洋大学硕士学位论文 制冷系统的自动控制是节能和提高制冷品质的最有效手段之一。通过3 0 多年 国内外的冷库自动化实践表明，冷库制冷自动控制系统具有不容置疑的优越性。 传统的冷库制冷控制系统一般以经典控制理论为基础，针对组成系统的主要 构成部件如压缩机、冷凝器、蒸发器、膨胀阀等逐个作为单独对象分别建立数学 模型，并对其运行中的有关参数分别作必要的调节，构成单闭环并联控制系统。 由于自动控制在制冷系统节能和优化调节中的重要意义，因此制冷系统的控 制方法研究一直是制冷领域的研究热点。伴随着现代社会对冷库制冷系统的制冷 品质和节能要求不断提高，经典的单闭环并联控制方法已经越来越显得力不从心。 因此，制冷系统各部件联合控制策略和智能控制算法的引入成为制冷控制系统发 展的一种必然趋势。 在系统建模方面，目前学术界已经对制冷系统计算机仿真模型进行了大量的 研究，并取得了一定的成果。日本的松冈1 9 8 7 年率先将基于人工神经网络的智能 模糊控制技术应用于空调器中n 田，随后智能模糊控制在制冷系统中的应用得到迅 速发展。 邵双全等n 叼提出利用两个模糊推理规则表分别调节电子膨胀阀和压缩机，以 实现对蒸发器过热度和冷库温度联合控制。李界家等n 刀针对温度控制的大惯性、 大滞后、非线性特点，提出采用基于小波神经网络辨识器的模糊神经自适应控制 的中央空调房间温度控制器的设计方案，控制器可随着系统动态特性的改变在线 改变其控制规则，从而进行客观准确的控制。 周永明等u 阳采用仿真的方法研究了控制参数和干扰参数对制冷系统性能的影 响，为多变量控制器的设计提供依据，但未对具体的控制算法进行研究。谢家泽n 9 1 研究了制冷系统数学模型线性化后的多变量解耦控制算法，并用实验平台作了可 行性验证。田健等例在分析模糊控制和神经网络控制方法的基础上，提出一种针 对制冷系统的具有结构和参数学习能力的多变量模糊神经网络控制算法，取得了 较好的仿真效果。 1 2 3 冷库制冷装置的应用现状 目前，我国大型冷藏库较广泛地使用螺杆式压缩机或活塞式压缩机并联组成 的制冷系统；中小型冷库则多采用活塞式制冷压缩机；微型冷库普遍使用全封闭 和半封闭压缩机。新型的国产系列螺杆制冷压缩机组c o p 值已高于活塞式压缩机， 并已实现2 0 。1 0 0 范围内无级能量调节和内容积比可调，有利于节能汹1 。美国、 加拿大的大型冷藏库制冷压缩机采用氨液冷却带微电脑控制的大型螺杆式制冷压 3 上海海洋大学硕士学位论文 缩机矧i 在日本大型冷库中主要采用螺杆式制冷压缩机剀。在大型冷库，氨液冷 却的螺杆制冷压缩机已有取代活塞式压缩机的趋势。 从2 0 世纪8 0 年代中期起，我国一些冷库开始采用蒸发式冷凝器代替水冷式冷 凝器。根据上海市商业设计研究院对其所承接的2 3 项冷冻食品厂和冷藏库工程 统计，设计采用的冷凝器也以蒸发式为主。美国、加拿大、日本等国，从2 0 世纪 7 0 年代起，在冷库中已普遍采用蒸发式冷凝器乜司。根据张建一对美国和加拿大 6 2 家公用冷库制冷装置的调查，发现蒸发式冷凝器的应用约占8 1 。我国冷库冷却 设备大多采用光滑排管，在国外基本上采用冷风机。 1 2 4 制冷压缩机性能研究进展 国内外已有许多学者在对大中型制冷系统制冷压缩机的性能进行研究。赵国 山等断1 重点介绍了活塞式压缩机的流量调节方法和p l c 节能控制方法。王明礼等嘲】 以采集的蒸发压力信号作为控制基准，应用p l c 控制器控制负荷的加载与减载，解 决螺杆压缩机普遍存在的负荷自动加载问题。 唐景春等洲采用人工神经网络与传统理论计算模型相结合的方式，建立了智 能型的制冷压缩机热力性能计算模型，利用人工神经网络的自学和泛化能力提高 了制冷压缩机容积效率和电效率的计算模型精度。王子彪等洲采用数值计算及试 验的方法对压缩机的性能进行分析研究，优化气阀结构，用有限元法进行结构强 度设计，提高中小型活塞式单级制冷压缩机在大压比工况下的单位功率制冷量k e 值等综合性能指标。 张甫仁等1 基于灰色关联分析理论，从制冷压缩机的能效性、经济性、安全 可靠性、结构及操作、二次开发等方面建立了制冷压缩机综合评价的灰色评价模 型和方法，更科学、直观、合理地反映出制冷压缩机的综合性能状况。张建一等嘲 基于粗集理论对一个实际工业制冷装置的运行参数进行了实例分析，挖掘出运行 数据中的潜在规律，将制冷压缩机能耗的影响因素由9 个降至4 个。 意大利c a p r e a 等棚硼1 采用一种模糊控制器来改变螺杆式压缩机的转速， 进而调控系统制冷量。加拿大b a b a ks o l a t i 啪1 利用北美地区常用的d o e 一2 软件分析 了大中型制冷系统中螺杆式制冷压缩机的性能。 伊朗i lg h o r b a n i a n 等姗利用径向基函数和多层感知器两种不同类型的神经网 络对制冷压缩机性能进行预测，通过与试验数据进行比较，结果表明径向基函数 神经网络与试验数据比较吻合，最小平均误差较小，而多层感知器神经网络是预 测压缩机性能的最佳工具。墨西哥0 c o 形s 等侧基于热力学模型和实验测量值，利 4 上海海洋大学硕士学位论文 用人工神经网络技术和n e l d e r m e a d 单纯优化法，优化制冷压缩机性能的操作条 件。 1 3 课题主要研究内容 本课题以国内典型冷库制冷系统为研究对象，重点对厦门地区的典型冷库进行 现场调研，采用理论分析和粗集理论相结合的方法，对冷库制冷系统的流程和历 史运行记录数据进行研究，主要研究内容有如下几个方面： ( 1 ) 通过理论计算，比较典型制冷循环单级或双级压缩的特性。同时，从工 程实用的角度，对采用单级压缩还是双级压缩两种方案进行技术经济分析。 ( 2 ) 对厦门地区的典型冷库进行现场调研，采集并整理厦门商业冷冻公司 2 0 0 0 - 2 0 0 7 年的历史运行记录数据，和厦门水产集团2 0 0 9 - - - 2 0 1 0 年的历史数据； 结合厦门市气象数据，对制冷装置的运行参数进行统计分析。 ( 3 ) 应用粗集理论，对这些运行数据进行识别和分类处理，如消除冷库制冷 系统的仪表误差、记录误差等对参数影响的冗余信息，获取可用于归纳隐含规律 的有用真实信息。 ( 4 ) 根据采集的实际运行数据，对典型冷库制冷系统的理论c o p 与实际c o p 进行计算与分析，对系统的综合性能进行评价，寻找节能途径。 5 上海海洋大学硕士学位论文 第二章单级压缩或双级压缩制冷的技术经济分析 2 1 引言 冷库制冷系统中，采用单级压缩还是双级压缩循环，传统上按照压缩比是否大 于8 来确定。近年来出现了一些新的观点研究。文献侧经过计算分析，提出中型 低温库采用氨单级压缩可行的结论。文献经过计算分析，提出1 5 。c 蒸发温度下， 冷凝温度大于2 3 。c 时，采用双级压缩更节能。这些结论能否应用于实际工程昵? 本文从理论计算和工程实用的角度，进行了深入的计算分析。 2 2 低压缩比下单级或双级压缩制冷循环的效率分析 在低压缩比( 即压缩比小于8 ) 时，制冷系统一般采用单级压缩制冷循环。文 献【4 0 】提出1 5 0 c 蒸发温度下，采用双级压缩节能可达1 0 。1 5 0 c 蒸发温度是冷 库常用的，本文将通过具体的理论计算比较单级或双级压缩制冷循环的效率。 图2 - 1 为氨单级压缩制冷循环p h 图。国内氨双级压缩制冷多采用一次节流中 间完全冷却形式，图2 2 为该双级压缩制冷循环的压焓示意图。式( 2 1 ) 和式( 2 2 ) 分别为单级和双级压缩制冷循环的理论制冷系数的计算公式，式( 2 3 ) 为理论最 佳中间压力的计算公式。 p 2 h 图2 - 1 氨单级压缩制冷循环p - h 图 f i g u r e2 - 1p - hd i a g r a mo fas i n g l e - s t a g ea m m o n i ac o m p r e s s i o nr e f r i g e r a t i o nc y c l e 6 上海海洋大学硕士学位论文 p 图2 - 2 一次节流完全中间冷却双级压缩循环的p _ h 图 靠。h 1 - h 4 ( 2 1 ) 。再 屹。1 ， ，z ，一，1 式中：h _ - 各状态点的焓值，k j k g 。 “= 丽甚雨 ) 魄一j i l l ) + 半鸭一吃) 式中：h 一一各状态点的焓值，u k g 。 己- 伊以 ( 2 - 3 ) 式中：p c _ 冷凝压力，m p a ： k 蒸发压力，m p a ； 妒修正系数，对氨取0 9 5 1 0 。 选择以下工况进行热力计算：冷凝温度讧3 8 。c ，p c = 1 4 7 m p a ；协1 5 0 c ，p 。= 0 2 3 6 m p a ；p dp c = 6 2 3 8 。查有关制冷手册压焓图h 嵋对单级和双级压缩进行热力 计算，结果如表2 - 1 所示。 计算表明，当t c = 3 8 0 c 、讧1 5 。c 时，与采用单级压缩制冷系统相比较，双级 压缩制冷系统的制冷系数提高了7 0 8 。单级压缩排气温度为1 1 8 0 c ，而双级压缩 高压级排气温度为7 4 0 c 。 下面计算舻1 5 。c 不变，t c 取2 6 。c 至3 8 。c ，分别进行热力计算，结果列入表 7 上海海洋大学硕士学位论文 表2 - 1 单级和双级压缩制冷循环热力计算 t a b l e 2 - 1t h e r m o d y n a m i cc a l c u l a t i o no fs i n g l e s t a g ea n dt w o - s t a g ec o m p r e s s i o nr e 笳g e r a t i o nc y c l e 冷凝温度c l 图2 - 3 不同冷凝温度下单级和双级压缩制冷循环的制冷系数 f i g u r e2 - 3 c o p so fs i n g l e s t a g ea n dt w o - s t a g ec o m p r e s s i o nr e f r i g e r a t i o nc y c l ei nd i f f e r e n t c o n d e n s a t i o nt e m p e r a t u r e s 由表2 - 1 可知，在同一冷凝温度下，双级压缩制冷循环的制冷系数始终高于单 级压缩制冷循环的制冷系数，与采用单级压缩制冷系统相比较，双级压缩制冷循 环的制冷系数提高了4 1 6 7 0 8 。由图2 3 可见，双级压缩的能效优势( 节能 效果) 随着冷凝温度的升高而增加。 8 上海海洋大学硕士学位论文 2 3 高压缩比时采用单级压缩制冷的效果分析 在制冷循环中，当压缩比大于8 时通常称为高压缩比工况。一般规定，当采 用氨和r 2 2 时，压缩比大于8 应该采用双级压缩。文献【3 9 】根据计算分析，得出中 型低温库在制冷工艺上采用氨单级压缩系统是可行的结论。其主要论点是，压缩 比以8 为单、双级压缩之界限，是2 0 世纪6 0 年代沿袭前苏联的机械制造技术、 材质性能、制冷机效率等规定的极限值。9 0 年代以来，我国的材料加工、机械制 造等各方面技术已日趋完善。 文献【3 9 】认为，目前我国各冷冻机厂生产活塞式制冷压缩机的性能明显提高， 工作范围的压缩比可增大到1 0 左右。当t c - 3 7 、t c = 6 时，压缩比p p e = 9 8 9 ， 排气温度t 2 - - 1 4 6 。c 。氨制冷压缩机在排气温度不超过1 5 0 ( 2 的情况下，能长期可靠 地工作。采用单级压缩，省去了中间冷却器及相应管道阀门、电控装置等，减少 了一次投资及施工量。同时，采用单级压缩大幅度简化了制冷系统，操作简便安 全，并且减少日常维护量。 但是文献【3 9 】未考虑在高压缩比时，单级压缩的制冷效率和故障率等因素。根 据文献【3 9 】确定的参数：t c = 3 5 0 c 、忙2 6 0 c 、冷间温度t n = 1 8 0 c ，通过相关计算， 得到单级压缩的压缩比啪。= 9 3 4 ，排气温度为1 3 7 0 c ，单级压缩的理论制冷系数 m = q o w o = 3 1 6 。 同一工况下，若采用一次节流完全中间冷却的双级压缩循环( 图2 2 ) ，对其 进行效率分析。查有关制冷手册压焓图h 门计算，得到理论制冷系数e - 3 4 3 ，低压 级和高压级的压缩比均为3 1 。与采用单级压缩制冷系统相比较，双级压缩制冷系 统的制冷系数提高了8 5 。同时，双级压缩高压级排气温度为踟o c ，比单级压缩 终了排气温度降低了5 7 0 c 。当t c = 3 5 0 c ，t c 取2 2 0 c 至。2 8 0 c ，分别采用单级和双级 压缩，其循环特性的计算结果见表2 2 。 由表2 2 可见，双级压缩的制冷系数始终高于单级压缩的制冷系数。与采用单 级压缩制冷系统相比较，双级压缩的制冷系数提高了9 0 1 1 0 8 5 。当t c - 3 5 0 c ， t e - - 2 8 0 c ，单级压缩的排气温度达到1 4 3 0 c ，已经接近安全运行温度的最高限。图 2 4 反映了相同工况下分别采用单级和双级压缩时的制冷系数变化趋势。由图2 - 4 可知：双级压缩的能效优势( 节能效果) 随着蒸发温度的降低而增加，但增加的 幅度不突出。 9 上海海洋大学硕士学位论文 表2 - 2 单级和双级压缩制冷循环热力计算值 t a b l e2 - 2t h e r m o d y n a m i cc a l c u l a t i o no fs i n g l e - s t a g ea n dt w o - s t a g ec o m p r e s s i o n r e f r i g