熱泵最優壓力的控制方法
【技術領域】
[0001]本發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]隨著經濟的發展，能源成為人類賴以生存和發展的主要物質基礎，而在世界各國，能源短缺問題日益明顯，成為經濟快速發展的障礙。節能、低碳作為當今社會發展的主流方向，指引著各行各業技術應用的發展方向。其次，環境問題同樣制約著人類社會的快速發展，傳統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。跨臨界CO2熱栗系統在提供高溫熱水的同時，不僅環境友好，而且具有節約能源的特性，作為能源領域的發展方向，具有廣闊的發展前景。
[0003]而在跨臨界CO2熱栗系統中，如何確保系統在最優工況下運行，對節能具有重大意義。跨臨界CO2熱栗系統COP隨著排氣壓力的變化，存在一個最優值，對應的排氣壓力為最優壓力。目前對最優壓力的研究多為理論研究及半經驗關聯公式，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熱栗系統的最優壓力，從而指導熱栗的實際運行;此外，通過對熱栗模型建立數學模型，以系統仿真迭代計算的方式數值計算各個工況下系統對應最優壓力。一方面，當熱栗模型有變，擬合關系式適用性會變差，數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壓力，在實際熱栗運行時，根據計算或擬合關系調整實際工況的最優壓力。然而，在熱栗的實際運行過程中，受外界因素干擾，環境溫度、出水溫度等參數是隨時變化著的，這樣，系統的最優壓力也是瞬態變化著的，傳統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壓力、最優C0P。
[0004]為了保證跨臨界⑶2熱栗系統在實際運行時一直處于最優壓力對應的最優⑶P工況，那么對最優壓力的動態控制是非常有必要的。環境溫度和出水溫度等參數的實時變化，以及隨著熱栗運行損耗導致其他各項參數的變化，使用一個動態的控制過程動態控制受干擾工況的跨臨界CO2熱栗系統，確保系統一直處于高效的運行狀態，在整個節約能源的社會背景下就顯得非常有意義。
【發明內容】
[0005]本發明目的在于提供一種跨臨界CO2熱栗最優壓力的控制方法，可自適應外界干擾及不同熱栗類型，確保系統實際運行于最優狀態。
[0006]為了達到上述目的，本發明采取如下技術方案:
[0007]—種跨臨界CO2熱栗最優壓力的控制方法，包括以下步驟:
[0008]第一步:根據環境溫度最小值Tairl、環境溫度最大值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，建立一個離散的數據庫；
[0009]第二步:對數據庫中已有的工況點采取極值搜索方法尋找最優值，搜索的初始值為數據庫中已有的原始值；
[0010]第三步:根據極值搜索獲得的最優壓力值，提取壓縮機排氣溫度自動獲得壓縮機排氣狀態焓值h2，同時依據測量參數依次獲得吸氣狀態焓值匕和氣體冷卻器出口焓值h3，⑶卩挪尸加-七)/^-^);此外，原始數據庫的最優壓力對應的壓縮機排氣狀態焓值ho2，同時依據測量參數依次獲得吸氣狀態焓值hQ1和氣體冷卻器出口焓值hQ3，則⑶P(。) = (ho2-hod/^horhtn);最優性能系數COP(max)=max{COP(ESo，COP(。)}，將 COP(max)對應的壓力值和COP值寫入數據庫;覆蓋原始數據庫，逐步將步驟一中對應溫度區間內以AT步長所建立的所有溫度點對應最優壓力及COP寫入原始數據庫，獲得一個新的數據庫；
[0011]在熱栗實際運行時，根據實際工況的環境溫度和出水溫度，提取數據庫中的最優壓力值，使得跨臨界CO2熱栗動態運行于最優工況。
[0012]進一步的，第一步中建立離散的數據庫后根據經驗關聯式Pcipt,w= 54.6-0.53Tair+0.31Tout,w+0.006Tair2+0.018Tair X Tcmt,4十算所有數據庫中環境溫度和出水溫度對應的跨臨界CO2熱栗最優壓力Pcipt, W，建立一個以[Tairl，Tair2 ]、[ Tout.wl，Tout1W2 ]為區間，Δ T為溫度間隔的初始最優壓力數據庫，該數據庫作為原始數據庫；其中:Tair為環境溫度，TciutiwS出水溫S ；-20 0C < Tair < 30 0C O
[0013]進一步的，在熱栗實際運行時，若數據庫中沒有實際工況點，則進行第四步:
[0014]第四步:在數據庫中獲得實際工況點(環境溫度為Tair,act，出水溫度為Tciu^act)附近的四個工況數據，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壓力后，提取排氣溫度、排氣焓值hac；t,2、吸氣狀態焓值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COPact = (hact, 2—hact, 3 ) / (hact, 2-hact, I );并將環境溫度為Tair, act，出水溫度為Tout, w, act的最優壓力值PactuaIly和COPact對應補充寫入數據庫；同時，本局計算的最優壓力值PWlly使跨臨界CO2熱栗運行于最優工況。
[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，以當前數據庫為原始數據庫，重復第二步和第三步，再次進行極值搜索，更新數據庫;彌補機組老化影響產生的最優工況偏離的情況。
[0017]本發明建立一個具有自學習功能的動態數據庫(見附圖1)，通過給定初始最優值、尋找實際最優值、數據庫自我完善的方法動態控制跨臨界CO2熱栗系統的實時最優排氣壓力。給定系統運行工況范圍:環境溫度最小值!^^、環境溫度最大值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。根據最優壓力經驗關聯式: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 ]為區間，Δ T為溫度間隔的一個初始最優壓力數據庫，該數據庫作為原始數據庫。
[0018]其次，在待選優的目標值(即最優壓力)上疊加一個幅值小于待優目標的正弦周期激勵信號，使得被控制對象的性能指標發生變化，再通過一個高通濾波器和解調的過程不斷的對性能指標變化的導數進行估值，再通過低通濾波器以后就認為該值為目標值變化的導數，通過找到導數為零的點找到目標值的最優值。且該極值搜索過程的初始值選取為原始數據庫內的最優壓力值，加快極值搜索的效率。
[0019]依據極值搜索尋找得到的最優壓力值及壓縮機排氣溫度自動獲得壓縮機排氣狀態焓值(h2)，同時依據測量參數依次獲得吸氣狀態焓值(hO和氣體冷卻器出口焓值(h3)，那么0)Ρ(Ε5ο = (1ι2--1ι3)/(1ι2-1η);此外，原始數據庫的最優壓力對應的壓縮機排氣狀態焓值(K2)，同時依據測量參數依次獲得吸氣狀態焓值(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值寫入數據庫。覆蓋原始數據庫，逐步將所有環境溫度和出水溫度的對應最優壓力及COP寫入原始數據庫，獲得一個新的數據庫。
[0020]在熱栗實際運行時，若對應的數據庫中存在相同的環境溫度和出水溫度對應的工況點，則直接從數據庫中提取最優壓力，傳遞給控制器，使得熱栗實時運行在最優壓力對應的最優工況。若對應的數據庫中不存在實際工況點及最優壓力值，則尋找對應工況點附近的四個數據點，假設實際工況點在數據庫中的投影位置為附圖2所示(即環境溫度為
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壓力值，即:P(i，j)，P(i + l，j)，P(i，j-1)，?(1 + 1，^)。根據一階神經元擬合方法，獲得實際工況點的最優壓力值，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 ；
并根據獲得最優壓力，獲得壓縮機排氣狀態參數，計算COP，將對應的環境溫度、出水溫度及其最優壓力及COP補充寫入數據庫，同時實時控制系統處于最優狀態。
[0021]熱栗運行tyear(可根據用戶需求及機組運行工況、老化程度設置年限)年后，以當前數據庫為原始數據庫，再次根據極值搜索濾波解調的方法尋找最優值，依次獲得各個工況最優壓力，更新數據庫，確保機組實時運行在最優工況下。
[0022]與現有技術相比，本發明的優點是:
[0023]現有技術對跨臨界CO2熱栗最優壓力的選取往往采取經驗關聯式或大量實驗數據分析獲得某一固定工況的最優壓力。而熱栗的實際運行工況往往是動態變化著的，且針對不同的熱栗模型，經驗關聯式所獲得的最優壓力往往與實際最優工況具有一定差距;其次不同的熱栗機組其最優壓力也有所不同，大量實驗獲得的數據實際上也無法確保所有機組穩定運行在最優工況。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]本發明通過建立數據庫