一种离心式蒸汽热泵气液分离器控制系统

技术领域

本发明涉及蒸汽热泵领域，尤其涉及一种离心式蒸汽热泵气液分离器控制系统。

背景技术

离心式热泵机组能够直接制取100℃-130℃的蒸汽，冷凝器是蒸汽发生的场所，高温高压的气态冷媒与水换热，将水加热成汽液两态，在冷凝器上设置气液分离器将汽液两态分离产生蒸汽。现有的蒸汽热泵系统中，维持气液分离器的液位平稳是保证蒸汽热泵输出蒸汽的压力和流量保持平稳的重要手段。目前通常采用三通阀或电磁阀给气液分离器断续补水，断续补水使得气液分离器的液位在多个电极板之间波动，液位的波动导致气液分离器内的压力及产气量也会波动。现有的气液分离器液位控制包括如下方式进行补水：

1、通过多个电极板来采集液位，再控制三通阀或电磁阀给气液分离器断续补水，从而维持液位在低液位与高液位之间波动，保证冷凝器内始终有水；

2、通过控制补水泵出口的阀门开度来控制补水量，从而维持液位平稳。

但上述补水方式的补水水源采用用户现场的水源，不同的用户现场水温不同，存在补水水温和冷凝器以及气液分离器的水温温差大小不一的情况。当补水水温和冷凝器及气液分离器的水温温差大时，容易导致冷凝器或气液分离器内的水停止沸腾，当气液分离器液位低，需要大量补水时，由于热水凝缩反而会导致气液分离器液位更低，当气液分离器内的水沸腾时，大量蒸汽泡挤占液态水的位置，从而导致液位升高，均会导致气液分离器的液位波动较大，而较大的液位波动会使气液分离器和冷凝器的工况波动，不利于产出稳定的蒸汽。

其次，通过补水泵出口的阀门开度来控制补水，容易出现补水压力不稳，使得补水量难以控制，导致液位波动甚至导致气液分离器内的压力及产气量的波动的情况。

综上所述，基于目前的蒸汽热泵气液分离器的补水均是采用用户现场的水源，不同的用户现场水温不一，以上因素的叠加导致气液分离器的液位波动和压力波动均较大，进而导致运行不可靠。

因此，就需要一种能够控制气液分离器液位平稳、压力波动小、产生的蒸汽平稳、可靠性高的离心式蒸汽热泵气液分离器控制系统。

发明内容

本发明为了解决现有气液分离器的液位控制方法会产生液位波动和压力波动、运行不可靠的缺陷，提供了一种能够维持液位稳定、压力波动小、运行可靠的离心式蒸汽热泵气液分离器控制系统。

本发明所述的一种离心式蒸汽热泵气液分离器控制系统，所述离心式蒸汽热泵包括蒸发器、压缩机、冷凝器和经济器，所述蒸发器的入水口与热源水连通，所述蒸发器的制冷剂出口与压缩机的吸气口连通，所述压缩机的排气口与冷凝器的气态制冷剂入口连通，所述冷凝器的液态制冷剂出口与蒸发器的液态制冷剂入口连通；所述经济器的出气口与压缩机的补气口连通，所述经济器的出液口与蒸发器的制冷剂入口连通；

还包括气液分离器、补水装置、过冷器、液位计、泄压装置和泄水装置；所述气液分离器的气液两相入口与冷凝器的气液两相出口连通，所述气液分离器的出水口连接到冷凝器的入水口；所述过冷器设置于冷凝器内部的底部，所述过冷器的入水口与补水装置的出水口连通，所述过冷器的出水口与冷凝器的入水口连通；所述过冷器的制冷剂入口与冷凝器的液态制冷剂出口连通，所述过冷器的制冷剂出口与所述经济器的制冷剂入口连通，所述过冷器用于加热补水管道内的水，同时使冷凝器流往经济器的制冷剂过冷，提高系统效率。

所述液位计用于测量气液分离器内的液位；所述泄压装置设置于气液分离器上端，用于在气液分离器超压时释放压力；所述泄水装置设置于气液分离器下端，用于在气液分离器内液位超高时进行泄水；所述补水装置包括控制器；所述液位计、泄压装置和泄水装置的执行部件均与控制器通信连接；

所述离心式蒸汽热泵气液分离器控制系统的控制方法如下：

S1：预设液位参数、压力参数、补水参数和报警参数；

S2：实时监测液位计的液位信息、泄压装置和泄水装置的运行状态；

S3：控制器根据气液分离器的蒸汽排放阀的开度预测液位的变化趋势；

S4：控制器根据预测的液位的变化趋势、当前液位高度L、补水参数、当前泄压装置和泄水装置运行状态和运行时间生成补水指令、泄压装置的开闭指令和泄水装置的开闭指令。

进一步地：所述离心式蒸汽热泵还包括压力控制阀和压力传感器，所述压力控制阀与控制器通信连接，用于根据控制器的指令调控蒸汽出口管路的压力，从而使蒸汽出口的蒸汽压力保持稳定；所述压力传感器用于感知蒸汽出口管路内的压力，所述压力传感器与压力控制阀通信连接，所述补水装置包括补水泵，所述补水泵的一侧与给水入口连通，所述补水泵的另一侧与过冷器的入水口连通。

进一步地：所述液位参数包括当前液位高度L、泄水液位L1、控制高液位L2、控制低液位L3和报警低液位L4，且L1＞L2＞L3＞L4；所述压力参数包括压力控制阀的开度PCV；所述补水参数包括补水泵的输出频率V、补水泵的最大频率V1、补水泵的最小频率V2、补水泵的计算频率V3、高液位补水系数K1和低液位补水系数K2；

所述补水指令即为补水泵的输出频率V，计算方法具体为：

V=V3*K；

V3=（V1-V2）*PCV+V2；

K=（K1-K2）*（L-L3）/（L2-L3）+K2。

进一步地：所述泄压装置包括泄压阀和安全阀，所述泄压阀设置于气液分离器的蒸汽出口管路上，所述安全阀设置在泄压阀远离气液分离器的一侧，所述泄压阀与控制器通信连接；所述泄水装置包括泄水阀，所述泄水阀与控制器通信连接。

进一步地：还包括高温循环水泵和回水温度传感器，所述高温循环水泵设置于所述气液分离器与冷凝器之间的回水管路上，所述回水温度传感器设置于高温循环水泵与气液分离器之间的管路上。

进一步地：所述冷凝器与蒸发器之间设置有气态冷剂回流通道和液态冷剂回流通道两条通道，其中，两条通道上均设置有用于降压的节流装置。

进一步地：所述压力参数还包括补水开度PCV1、停水开度PCV2、泄水阀运行时间T2；

在S4中，所述控制器根据液位计的当前液位高度L、补水参数、当前泄压阀、泄水阀的运行状态和运行时间T2生成补水指令、泄压阀和泄水阀的开闭指令的具体过程包括如下步骤：

S41：停机时：

当L＜L3时，补水泵开始运转；

当L≥L3+Diff1时，补水泵停止运转；

当L＞L2时，打开泄水阀，当L＜L3+Diff2时，关闭泄水阀；

S42：开机时：

当L≤L2，且PCV≥PCV1时，补水泵根据补水泵输出频率V开始运转；当L＞L2，且PCV＜PCV2时，补水泵停止运转；

当L≥L1时，打开泄水阀；当L＜L3+Diff2时，关闭泄水阀。

进一步地：所述报警参数包括补水泵运行时间T1、补水泵故障信号、泄水故障信号、补水泵延时阈值T3、泄水阀延时阈值T4；在S4中，还包括如下故障指令：

S41：停机时：

补水泵开始运转后，当T1＞T3时，补水泵故障报警，补水泵停止运转；

泄水阀打开后，当T2＞T4时，泄水装置故障报警，控制器发出指令控制泄水阀关闭；

S42：开机时：

补水泵开始运转后，当L≤L4时，泄水装置故障报警停机；

泄水阀打开后，当T2＞T4时，泄水系统故障报警停机。

本发明的有益效果是：

本发明通过监测气液分离器蒸汽出口上的压力控制阀开度预测液位下降的速度，通过计算得到适配的补水泵输出频率，使得补水泵的补水量与蒸汽的排放量达到平衡，气液分离器内的液位得以始终稳定在很小的波动范围内，从而使气液分离器的液位和压力稳定，提高平稳产生蒸汽的可靠性。补水泵频率的输出关联液位系数可以防止过调节，提高液位控制和压力控制的稳态性。

在停机阶段也持续监测液位，将气液分离器控制在一定的高度，可以使下次开机时无需单独补水或泄水，缩短开机前的准备时间，提高机组开机速度。

附图说明

图1是离心式蒸汽热泵气液分离器控制系统示意图；

图2是离心式蒸汽热泵气液分离器冷凝器部分局部结构示意图；

图3是图2中A-A向剖视图；

图4是停机状态下气液分离器的控制流程示意图；

图5是开机状态下气液分离器的控制流程示意图。

图中，1、冷凝器；2、压缩机；3、蒸发器；4、经济器；5、气液分离器；6、补水泵；7、止回阀；8、补水温度传感器；9、高温循环水泵；10、泄水阀；11、液位计；12、泄压阀；13、安全阀；14、压力传感器；15、压力控制阀；16、回水温度传感器；17、补水集束管；18、隔板。

具体实施方式

以下仅为本发明较佳的具体实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。以下所述实施例仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。下面详细描述本发明的实施例，为了便于描述本发明和简化描述，本发明的说明书中使用的技术术语应当做广义解读，包括但不限于本申请未提及的常规替换方案，同时包括直接实现方式和间接实现方式。

另外，附图为示意图，主要展现了与本发明方案相关的技术特征，故未绘制现实设备中所有的结构细节。

实施例1

结合图1说明本实施例，本实施例公开的一种离心式蒸汽热泵气液分离器控制系统，所述离心式蒸汽热泵包括冷凝器1、压缩机2、蒸发器3、经济器4，所述蒸发器3的入水口与热源水连通，所述蒸发器3的制冷剂出口与压缩机2的吸气口连通，所述压缩机2的排气口与冷凝器1的制冷剂入口连通，所述冷凝器1的液态制冷剂出口与蒸发器3的液态制冷剂入口连通；所述经济器4的制冷剂入口与过冷器的液态制冷剂出口连通，所述经济器4的出气口与压缩机2的补气口连通，所述经济器4的出液口与蒸发器3的制冷剂入口连通；所述压缩机2是离心式压缩机。

所述蒸发器3用于将内部的液态制冷剂加热生成气态制冷剂，并将气态制冷剂输送到压缩机2中；所述蒸发器3汽化液态制冷剂是通过吸取流经蒸发器3内部热源水的热量，从而降低热源水的温度。

所述压缩机2用于将从蒸发器3来的低温低压的气态制冷剂和经济器4中闪发的气态制冷剂压缩成高温高压气态制冷剂后输送到冷凝器1中。

所述冷凝器1用于将所述高温高压气态制冷剂冷凝成液态制冷剂，并将液态制冷剂流回蒸发器3进行循环；同时，所述冷凝器1将过冷器输出的水进一步加热后形成高温蒸汽输送到气液分离器5中；冷凝器1中气液两态的水汽进入到气液分离器5中，气态的蒸汽从蒸汽出口输出，未汽化的液态水回流到冷凝器1被继续加热，即所述冷凝器1就是水蒸气发生器。

所述控制系统还包括气液分离器5、补水装置、过冷器、液位计11、泄压装置和泄水装置；所述气液分离器5的气液两相入口与冷凝器1的气液两相出口连通，所述气液分离器5的出水口连接到冷凝器1的入水口；气液分离器5中未汽化的热水返回冷凝器1中继续吸收热并被加热成蒸汽。

所述过冷器设置于冷凝器1内部的底部且和冷凝器1为一体，冷凝器1内冷凝的制冷剂汇集后，再次流经过冷器，与补水管道内的冷水进行换热，提升补水管道内的水的温度，同时使制冷剂自身过冷；更具体来说，如图1、图2、图3所示，上方冷凝器1和下方过冷器以隔板18隔离开来，隔离冷凝器1和过冷器的隔板18的两端设有液态制冷剂入口，过冷器内设有若干隔离板，进一步参考图3，过冷器内设有若干补水集束管17，补充的水分从补水集束管17内流过，液态制冷剂从补水集束管17的外部流过，两者实现热量交换，过冷器内的隔离板用于引导液态制冷剂在过冷器内走曲线运动，提高液态制冷剂与补水集束管17的接触行程，提高换热效果，所述过冷器的入水口与补水装置的出水口连通，所述过冷器的出水口与冷凝器1的入水口连通，所述过冷器的制冷剂入口与冷凝器1的液态制冷剂出口连通，所述过冷器的制冷剂出口与所述经济器4的制冷剂入口连通，同时，所述过冷器将补水装置补充的水进行加热形成热水后流入冷凝器1中。

所述液位计11用于测量气液分离器5内的液位，并将其传输给补水装置；所述泄压装置设置于气液分离器5上端，用于在气液分离器5超压时释放压力，所述泄水装置设置于气液分离器5下端，用于在气液分离器5内液位超高时进行泄水；所述补水装置包括控制器；所述控制器用于计算补水频率；所述液位计11、泄压装置和泄水装置的执行部件均与控制器通信连接。

所述离心式蒸汽热泵气液分离器控制系统的控制方法如下：

S1：预设液位参数、压力参数、补水参数和报警参数；

S2：实时监测液位计11的液位信息、泄压装置和泄水装置的运行状态和运行时间；

S3：控制器根据气液分离器5的蒸汽排放阀的开度预测液位的变化趋势；

S4：控制器根据预测的液位的变化趋势、当前液位高度L、补水参数、当前泄压装置和泄水装置运行状态和运行时间生成补水指令、泄压装置的开闭指令和泄水装置的开闭指令。

所述补水装置包括补水泵6、止回阀7和补水温度传感器8，所述补水泵6的一侧与给水入口连通，所述补水泵6的另一侧通过止回阀7与过冷器的入水口连通，所述补水温度传感器8的感应端接入到止回阀7与过冷器之间的管路上。

所述控制系统还包括压力控制阀15和压力传感器14，所述压力控制阀15设于气液分离器5的蒸汽出口管道上，且与控制器通信连接，用于根据控制器的指令调控蒸汽出口管路的压力，从而使蒸汽出口的蒸汽压力保持稳定。所述压力传感器14设置于气液分离器5与压力控制阀15之间的管路上，所述压力传感器14用于采集蒸汽压力。所述压力传感器14与压力控制阀15通信连接。

所述泄压装置包括泄压阀12和安全阀13，所述泄压阀12设置于气液分离器5的蒸汽出口管路上，泄压阀12用于防止气液分离器5中的压力过高，所述安全阀13设置在泄压阀12远离气液分离器5的一侧，所述泄压阀12与控制器通信连接，安全阀13为纯机械式安全阀，在气液分离器5的压力超过设定值时无需任何控制指令即可自动开启泄压。所述泄水装置包括泄水阀10，所述泄水阀10与控制器通信连接。

所述控制系统还包括高温循环水泵9和回水温度传感器16，所述高温循环水泵9设置于所述气液分离器5与冷凝器1之间的回水管路上，所述回水温度传感器16设置于高温循环水泵9与气液分离器5之间的管路上。

所述冷凝器1与蒸发器3之间上部设置有气态冷剂管路和下部设置液态冷剂管路两条管路，分别用于流经冷凝器1和蒸发器3之间的气态制冷剂和液态制冷剂（增加蒸发器3供液量），气态制冷剂回流管路上设置气态降压控制阀HG，液态制冷剂回流管路上设置液态降压阀BP。所述压缩机2的吸气口设置有进气导叶阀IGV，气态制冷剂属于热气旁通管道，在机组运行在低负荷模式下时，需要对外供应的热量很小，甚至将压缩机2的功率降到最小都超过外界所需，此时通过将冷凝器1内的高温蒸汽经热气旁通引入蒸发器内，提升了蒸发器3内制冷剂的温度，降低蒸发器3内制冷剂的吸热量，随后再经压缩机2返回冷凝器1，由于降低了蒸发器3内吸收的热量，所以压缩机2可以继续工作在较高的工况下，即其进气导叶的开度可以维持在较大的开度，避免为了适应现场低负荷要求，将导叶开度设置在过低的位置，使系统处于不稳定的状态，且低导叶开度还可能会带来额外的震动、甚至导致机组发生喘振。

实施例2

结合图4、图5和实施例1说明本实施例，本实施例公开的一种离心式蒸汽热泵气液分离器控制系统，其控制方法如下：

S1：预设液位参数、压力参数、补水参数、报警参数和延时阈值；所述液位参数包括当前液位高度L、泄水液位L1、控制高液位L2、控制低液位L3、报警低液位L4，所述压力参数包括压力控制阀15的开度PCV、压力控制阀15的补水开度PCV1、压力控制阀15的停水开度PCV2、泄水阀10运行时间T2，所述报警参数包括补水泵6运行时间T1、补水泵6故障信号、泄水故障信号，所述补水参数包括补水泵6的输出频率V、补水泵6最大频率V1、补水泵6最小频率V2、补水泵6计算频率V3、高液位补水系数K1、低液位补水系数K2，所述延时阈值包括补水泵6延时阈值T3、泄水阀10延时阈值T4；

S2：实时监测液位计11的当前液位高度、泄压阀12、泄水阀10运行状态和运行时间；液位计11采用磁致伸缩浮子液位计11，通过磁致伸缩液位计11输出模拟信号，可采集当前液位高度L，并在控制器内设置泄水液位L1、控制高液L2、控制低液位L3、报警低液位L4，其中L1＞L2＞L3＞L4；

S3：控制器根据气液分离器5的蒸汽排放阀的开度预测液位的变化趋势；

S4：控制器根据预测的液位的变化趋势、当前液位高度L、补水参数、当前泄压阀12、泄水阀10运行状态和运行时间T2生成补水指令、泄压阀12的开闭指令、泄水阀10的开闭指令。

在S4中，所述控制器根据液位计11的当前液位高度L、补水参数、当前泄压阀12、泄水阀10的运行状态和运行时间T2生成补水指令、泄压阀12和泄水阀10的开闭指令的具体过程包括如下步骤：

S41：停机时：

停机中将气液分离器5中的液位控制在一定的高度，防止下次开机后液位过高导致蒸汽带液，液位过低导致冷凝器1干烧，或者在机组开机时需要长时间补水或泄水，导致机组不能快速投入使用。

当L＜L3时，即气液分离器5的当前液位高度L小于控制低液位L3，补水泵6开始运转；例如，补水泵6的频率按照补水泵6的最大频率的80%（可设定）运转。

当L≥L3+Diff 1时，即气液分离器5的当前液位高度L大于等于控制低液位L3+一定的高度Diff 1，补水泵6停止运转；当T1＞T3时，即补水泵6的实际运行时间T1大于补水泵6延时阈值T3，意味着补水泵6的运行没有达到预测的液位上升的效果，极有可能补水泵6有故障，故此时将补水泵6设置为故障报警并停止运转；例如设置T3为600s，理论上补水泵6持续在80%频率上运行600s，应该能够将液位补充到L≥L3+Diff 1，但是如果运行600s后仍然没有检测到L≥L3+Diff 1，则认为补水泵6可能有故障，所以补水泵6运转超过600s（可设定）时，默认补水有异常问题，报警并停止补水泵6运转。

当L＞L2时，即气液分离器5的当前液位高度L大于控制高液位L2，说明液位过高，打开泄水阀10放水，当水位L＜L3+Diff 2时，即当前液位高度L小于控制低液位L3+一定的高度Diff 2（可设定），说明已经将水放到合理液位，关闭泄水阀10；当T2＞T4时，即泄水阀10运行时间T2大于泄水阀10延时阈值T4，则默认泄水装置故障，设置故障报警，泄水阀10关闭；例如T4为600s时，意味着，开启泄水阀10后600s，理论上液位一定可以降到L＜L3+Diff2，倘若泄水阀10保持开启状态超过600s（可设），液位仍然没有低于L3+Diff 2，泄水装置可能存在故障，控制器发出指令让泄水阀10关闭，并发出报警。

其中，Diff 1、Diff 2的设置避免了设备频繁的启停。

S42：开机时：

开机后气液分离器5中的液位也会逐渐升高，当L≤L2，且PCV≥PCV1时，即气液分离器5的当前液位高度L小于等于控制高液位L2，且压力控制阀15的开度PCV大于补水开度PCV1时，说明系统正在正常向外供应蒸汽，必然会持续失水，此时补水泵6根据补水泵6的输出频率V开始运转进行补水；例如当PCV1设置为压力控制阀15总开度的10%时，气液分离器5中的液位L≤控制高液位L2，且压力控制阀15的开度PCV≥10%时，补水泵6根据当前的输出频率V开始运转进行补水；

当L≤L4时，即气液分离器5的当前液位高度L小于等于报警低液位L4，说明当前液位过低，补水泵6先以最大频率V1（可设定）运行60s，以便尽快补充液位，随后再次判断气液分离器5的当前液位高度L是否超过了报警低液位L4，若超过了，说明系统进入安全状态，继续按计划补水即可，否则，即在补水泵6以最大频率V1持续运行60s后，液位仍然小于等于报警低液位L4时，说明系统可能存在漏水问题，系统报故障后强制停机，避免故障扩大化。

上述方法通过确保气液分离器5的液位从而确保冷凝器1内始终有一定的的液位，防止冷凝器1内的液位过低导致加热管温度升高过快，引发加热管烧毁、爆管等严重事故；液位过低还可能导致冷凝器1内部水垢增多，影响传热效果，降低设备效率；液位过低时可能导致冷凝器1中的热水急剧汽化，压力突增，进而导致蒸汽管道内的蒸汽流速加快形成气锤，影响设备安全。

当L＞L2，且PCV＜PCV2时，即气液分离器5的当前液位高度L大于控制高液位L2，且压力控制阀15的开度PCV小于停水开度PCV2，说明现在对外供应的蒸汽很小，系统很可能处于停机过程，此时补水泵6停止运转；例如停水开度PCV2为5%时，即压力控制阀15的开度PCV小于5%，补水泵6停止运转。

补水泵6停止运转后经过60s（可设定），判断气液分离器5的当前液位L是否大于等于L1泄水液位，若是，则打开泄水阀10进行泄水，防止液位过高气液分离器5排出的蒸汽带液，蒸汽带水会增加管道内的水分，水分过多可能会在管道内形成水锤，对管道和设备造成冲击损伤；蒸汽带水可能会导致管道内部温度不均，从而影响后续设备的工作效率和使用寿命；蒸汽带水会增加设备的能耗，因为需要额外的能量来将水蒸发为蒸汽；蒸汽带水可能会导致设备内部压力过高，从而对设备和人员造成安全隐患。

当L＜L3+Diff2时，即当气液分离器5的当前液位L小于控制低液位L3+一定的高度Diff2（可设定）时，说明水位进入到了安全范围，关闭泄水阀10。当T2＞T4时，即泄水阀10运行时间T2大于泄水阀10延时阈值T4，说明泄水阀10开启很长时间，但是水位没有达到预期的下降，很可能是泄水系统故障，所以泄水系统报故障报警停机。例如T4=600s时，泄水阀10运行时间T2大于600s（可设），泄水系统故障报警停机。

在S4中，所述补水泵6的输出频率V的计算方法具体为：

V=V3*K；

V3=（V1-V2）*PCV+V2；

K=（K1-K2）*（L-L3）/（L2-L3）+K2。

补水泵6的输出频率V根据补水泵6的最大频率V1（可设定）、补水泵6最小频率V2（可设定）、补水泵6计算频率V3、压力控制阀15开度PCV、高液位补水系数K1（可设定）、低液位补水系数K2（可设定）进行频率输出。

本实施例中，补水泵6的工作频率关联到气液分离器5的开度，根据气液分离器5的开度提前预见液位变化趋势，从而使补水量具有预见性，气液分离器5内的液位能够始终保持在很小的波动范围内，实现气液分离器5液位的精准控制，避免了传统的液位控制中，液位在低液位和高液位之间频繁波动的情况，提高了液位控制和压力控制的稳定性。