熱泵最優(yōu)壓力的控制方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及熱栗技術領域，特別涉及一種跨臨界CO2熱栗壓力控制方法。
【背景技術】
[0002]隨著經(jīng)濟的發(fā)展，能源成為人類賴以生存和發(fā)展的主要物質(zhì)基礎，而在世界各國，能源短缺問題日益明顯，成為經(jīng)濟快速發(fā)展的障礙。節(jié)能、低碳作為當今社會發(fā)展的主流方向，指引著各行各業(yè)技術應用的發(fā)展方向。其次，環(huán)境問題同樣制約著人類社會的快速發(fā)展，傳統(tǒng)制冷劑對臭氧層的破壞和對全球氣溫別暖的影響備受關注?？缗R界CO2熱栗系統(tǒng)在提供高溫熱水的同時，不僅環(huán)境友好，而且具有節(jié)約能源的特性，作為能源領域的發(fā)展方向，具有廣闊的發(fā)展前景。
[0003]而在跨臨界CO2熱栗系統(tǒng)中，如何確保系統(tǒng)在最優(yōu)工況下運行，對節(jié)能具有重大意義?？缗R界CO2熱栗系統(tǒng)COP隨著排氣壓力的變化，存在一個最優(yōu)值，對應的排氣壓力為最優(yōu)壓力。目前對最優(yōu)壓力的研究多為理論研究及半經(jīng)驗關聯(lián)公式，即對一臺已有或新開放的熱栗模型，通過大量實驗測試，尋找最優(yōu)壓力的影響因素，通過擬合關系式的方式給出不同工況下跨臨界CO2熱栗系統(tǒng)的最優(yōu)壓力，從而指導熱栗的實際運行;此外，通過對熱栗模型建立數(shù)學模型，以系統(tǒng)仿真迭代計算的方式數(shù)值計算各個工況下系統(tǒng)對應最優(yōu)壓力。一方面，當熱栗模型有變，擬合關系式適用性會變差，數(shù)值建模計算需要重新進行，增加了工作難度和設計成本。另一方面，這些方法都在實際熱栗應用之前給出可能工況下的最優(yōu)壓力，在實際熱栗運行時，根據(jù)計算或擬合關系調(diào)整實際工況的最優(yōu)壓力。然而，在熱栗的實際運行過程中，受外界因素干擾，環(huán)境溫度、出水溫度等參數(shù)是隨時變化著的，這樣，系統(tǒng)的最優(yōu)壓力也是瞬態(tài)變化著的，傳統(tǒng)的方法將造成跨臨界CO2熱栗無法在實際應用中一直保持最優(yōu)壓力、最優(yōu)C0P。
[0004]為了保證跨臨界⑶2熱栗系統(tǒng)在實際運行時一直處于最優(yōu)壓力對應的最優(yōu)⑶P工況，那么對最優(yōu)壓力的動態(tài)控制是非常有必要的。環(huán)境溫度和出水溫度等參數(shù)的實時變化，以及隨著熱栗運行損耗導致其他各項參數(shù)的變化，使用一個動態(tài)的控制過程動態(tài)控制受干擾工況的跨臨界CO2熱栗系統(tǒng)，確保系統(tǒng)一直處于高效的運行狀態(tài)，在整個節(jié)約能源的社會背景下就顯得非常有意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明目的在于提供一種跨臨界CO2熱栗最優(yōu)壓力的控制方法，可自適應外界干擾及不同熱栗類型，確保系統(tǒng)實際運行于最優(yōu)狀態(tài)。
[0006]為了達到上述目的，本發(fā)明采取如下技術方案:
[0007]—種跨臨界CO2熱栗最優(yōu)壓力的控制方法，包括以下步驟:
[0008]第一步:根據(jù)環(huán)境溫度最小值Tairl、環(huán)境溫度最大值Tair2、出水溫度最小值Tciutiwl、出水溫度最大值Tciut,w2以及溫度測量精度△ T，建立一個離散的數(shù)據(jù)庫；
[0009]第二步:對數(shù)據(jù)庫中已有的工況點采取極值搜索方法尋找最優(yōu)值，搜索的初始值為數(shù)據(jù)庫中已有的原始值；
[0010]第三步:根據(jù)極值搜索獲得的最優(yōu)壓力值，提取壓縮機排氣溫度自動獲得壓縮機排氣狀態(tài)焓值h2，同時依據(jù)測量參數(shù)依次獲得吸氣狀態(tài)焓值匕和氣體冷卻器出口焓值h3，⑶卩挪尸加-七)/^-^);此外，原始數(shù)據(jù)庫的最優(yōu)壓力對應的壓縮機排氣狀態(tài)焓值ho2，同時依據(jù)測量參數(shù)依次獲得吸氣狀態(tài)焓值hQ1和氣體冷卻器出口焓值hQ3，則⑶P(。) = (ho2-hod/^horhtn);最優(yōu)性能系數(shù)COP(max)=max{COP(ESo，COP(。)}，將 COP(max)對應的壓力值和COP值寫入數(shù)據(jù)庫;覆蓋原始數(shù)據(jù)庫，逐步將步驟一中對應溫度區(qū)間內(nèi)以AT步長所建立的所有溫度點對應最優(yōu)壓力及COP寫入原始數(shù)據(jù)庫，獲得一個新的數(shù)據(jù)庫；
[0011]在熱栗實際運行時，根據(jù)實際工況的環(huán)境溫度和出水溫度，提取數(shù)據(jù)庫中的最優(yōu)壓力值，使得跨臨界CO2熱栗動態(tài)運行于最優(yōu)工況。
[0012]進一步的，第一步中建立離散的數(shù)據(jù)庫后根據(jù)經(jīng)驗關聯(lián)式Pcipt,w= 54.6-0.53Tair+0.31Tout,w+0.006Tair2+0.018Tair X Tcmt,4十算所有數(shù)據(jù)庫中環(huán)境溫度和出水溫度對應的跨臨界CO2熱栗最優(yōu)壓力Pcipt, W，建立一個以[Tairl，Tair2 ]、[ Tout.wl，Tout1W2 ]為區(qū)間，Δ T為溫度間隔的初始最優(yōu)壓力數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫作為原始數(shù)據(jù)庫；其中:Tair為環(huán)境溫度，TciutiwS出水溫S ；-20 0C < Tair < 30 0C O
[0013]進一步的，在熱栗實際運行時，若數(shù)據(jù)庫中沒有實際工況點，則進行第四步:
[0014]第四步:在數(shù)據(jù)庫中獲得實際工況點(環(huán)境溫度為Tair,act，出水溫度為Tciu^act)附近的四個工況數(shù)據(jù)，分力U為:(Tair, i , Tout,w, j )，(Tair, i+1 , Tout,w, j )，(Tair, i , Tout,w, j-1 )，(Tair, i+1,Tout’w’j-1)，其對應的最優(yōu)壓力值分別為P(i,j)，P(i+l,j)，P(i,j-1)，P(i+l,j-1);利用一階擬合公式，頭際工況點的取優(yōu)壓力值為:Pactually — [ (Tair,act_Tair,i)*P(i,j) / Δ T+(Tair,i + l_Tair,act)*P(i+1, j)/ A T ] * ( Tout, w, j_Tout, w, act ) / Δ T+[ (Tair,ac t—Tair,i)5l<P(i,j-1)/ Δ T+( Tair, i+l—Tair, act)
p(i+1,j-D/ATWTcmt.w^t-TcmHj—0/ΔΤ;獲得實際工況點的最優(yōu)壓力后，提取排氣溫度、排氣焓值hac；t,2、吸氣狀態(tài)焓值hac；t,dP氣體冷卻器出口焓值hac；t,3，計算實際工況點性能系數(shù)COPact = (hact, 2—hact, 3 ) / (hact, 2-hact, I );并將環(huán)境溫度為Tair, act，出水溫度為Tout, w, act的最優(yōu)壓力值PactuaIly和COPact對應補充寫入數(shù)據(jù)庫；同時，本局計算的最優(yōu)壓力值PWlly使跨臨界CO2熱栗運行于最優(yōu)工況。
[0015]進一步的，還包括以下步驟:
[0016]跨臨界CO2熱栗機組運行至用戶設定的年限后，以當前數(shù)據(jù)庫為原始數(shù)據(jù)庫，重復第二步和第三步，再次進行極值搜索，更新數(shù)據(jù)庫;彌補機組老化影響產(chǎn)生的最優(yōu)工況偏離的情況。
[0017]本發(fā)明建立一個具有自學習功能的動態(tài)數(shù)據(jù)庫(見附圖1)，通過給定初始最優(yōu)值、尋找實際最優(yōu)值、數(shù)據(jù)庫自我完善的方法動態(tài)控制跨臨界CO2熱栗系統(tǒng)的實時最優(yōu)排氣壓力。給定系統(tǒng)運行工況范圍:環(huán)境溫度最小值!^^、環(huán)境溫度最大值1^2、出水溫度最小值Tcmt,wl、出水溫度最大值Tciutiw2;以及溫度測量精度Δ T。根據(jù)最優(yōu)壓力經(jīng)驗關聯(lián)式:Pcipt, W =54.6-0.53Tair+0.31Tout,w+0.006Tair2+0.018Tair*Tcmt,w(其中。-20Γ < Tair <30°C),建立一個以[Tairl，Tair2 ]、[ Tout.wl，Tout, W2 ]為區(qū)間，Δ T為溫度間隔的一個初始最優(yōu)壓力數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫作為原始數(shù)據(jù)庫。
[0018]其次，在待選優(yōu)的目標值(即最優(yōu)壓力)上疊加一個幅值小于待優(yōu)目標的正弦周期激勵信號，使得被控制對象的性能指標發(fā)生變化，再通過一個高通濾波器和解調(diào)的過程不斷的對性能指標變化的導數(shù)進行估值，再通過低通濾波器以后就認為該值為目標值變化的導數(shù)，通過找到導數(shù)為零的點找到目標值的最優(yōu)值。且該極值搜索過程的初始值選取為原始數(shù)據(jù)庫內(nèi)的最優(yōu)壓力值，加快極值搜索的效率。
[0019]依據(jù)極值搜索尋找得到的最優(yōu)壓力值及壓縮機排氣溫度自動獲得壓縮機排氣狀態(tài)焓值(h2)，同時依據(jù)測量參數(shù)依次獲得吸氣狀態(tài)焓值(hO和氣體冷卻器出口焓值(h3)，那么0)Ρ(Ε5ο = (1ι2--1ι3)/(1ι2-1η);此外，原始數(shù)據(jù)庫的最優(yōu)壓力對應的壓縮機排氣狀態(tài)焓值(K2)，同時依據(jù)測量參數(shù)依次獲得吸氣狀態(tài)焓值(hQ1)和氣體冷卻器出口焓值(hQ3)，則COP(o) = (ho2-ho3)/(ho2-hoi) oCOP(max) =max{C0P(Esc) ,C0P(o)}，將COP(max)對應的壓力值和COP值寫入數(shù)據(jù)庫。覆蓋原始數(shù)據(jù)庫，逐步將所有環(huán)境溫度和出水溫度的對應最優(yōu)壓力及COP寫入原始數(shù)據(jù)庫，獲得一個新的數(shù)據(jù)庫。
[0020]在熱栗實際運行時，若對應的數(shù)據(jù)庫中存在相同的環(huán)境溫度和出水溫度對應的工況點，則直接從數(shù)據(jù)庫中提取最優(yōu)壓力，傳遞給控制器，使得熱栗實時運行在最優(yōu)壓力對應的最優(yōu)工況。若對應的數(shù)據(jù)庫中不存在實際工況點及最優(yōu)壓力值，則尋找對應工況點附近的四個數(shù)據(jù)點，假設實際工況點在數(shù)據(jù)庫中的投影位置為附圖2所示(即環(huán)境溫度為
Tair, act，出水溫度為Tout，w，act )，那么依次提取(Tair, i，Tout，w，j )，(Tair, i + 1，Tout，w，j )，(Tair, i ,Tout, w，j-1)，(Tair, i + 1，Tout, w，j —I )四個工況點對應的取優(yōu)壓力值，即:P(i，j)，P(i + l，j)，P(i，j-1)，?(1 + 1，^)。根據(jù)一階神經(jīng)元擬合方法，獲得實際工況點的最優(yōu)壓力值，為4^^^ =
[(Tair,act —Tair,i)5i<p(i,j)/ AT+(Tair,i + l —Tair,act)5i<p(i + l,j) / Δ T ] ( Tout, w, j —Tout, w, act ) / Λ T +[(Tair, act-Tair, i)*P(i,j-l)/ A T+( Tair, i + l_Tair, act )*P(i + l,j-l)/ A T ] * ( Tout, w, acfTout, w, j-1 ) / A T ；
并根據(jù)獲得最優(yōu)壓力，獲得壓縮機排氣狀態(tài)參數(shù)，計算COP，將對應的環(huán)境溫度、出水溫度及其最優(yōu)壓力及COP補充寫入數(shù)據(jù)庫，同時實時控制系統(tǒng)處于最優(yōu)狀態(tài)。
[0021]熱栗運行tyear(可根據(jù)用戶需求及機組運行工況、老化程度設置年限)年后，以當前數(shù)據(jù)庫為原始數(shù)據(jù)庫，再次根據(jù)極值搜索濾波解調(diào)的方法尋找最優(yōu)值，依次獲得各個工況最優(yōu)壓力，更新數(shù)據(jù)庫，確保機組實時運行在最優(yōu)工況下。
[0022]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點是:
[0023]現(xiàn)有技術對跨臨界CO2熱栗最優(yōu)壓力的選取往往采取經(jīng)驗關聯(lián)式或大量實驗數(shù)據(jù)分析獲得某一固定工況的最優(yōu)壓力。而熱栗的實際運行工況往往是動態(tài)變化著的，且針對不同的熱栗模型，經(jīng)驗關聯(lián)式所獲得的最優(yōu)壓力往往與實際最優(yōu)工況具有一定差距;其次不同的熱栗機組其最優(yōu)壓力也有所不同，大量實驗獲得的數(shù)據(jù)實際上也無法確保所有機組穩(wěn)定運行在最優(yōu)工況。對所有待運行熱栗都采取重新建模實驗測量的方法勢必是耗時耗力的。
[0024]本發(fā)明通過建立數(shù)據(jù)庫