自適應(yīng)變?nèi)萘繅嚎s冷凝系統(tǒng)的控制策略研究

蔡松素，張偉，昝世超，張澤國(guó)，汪揚(yáng)帆，張誠(chéng)，張進(jìn)

（合肥通用機(jī)械研究院壓縮機(jī)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥 230088）

自適應(yīng)變?nèi)萘繅嚎s冷凝系統(tǒng)的控制策略研究

蔡松素*，張偉，昝世超，張澤國(guó)，汪揚(yáng)帆，張誠(chéng)，張進(jìn)

（合肥通用機(jī)械研究院壓縮機(jī)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥 230088）

自適應(yīng)變?nèi)萘繅嚎s冷凝系統(tǒng)能在0～100%之間平滑的調(diào)節(jié)系統(tǒng)的制冷劑流量，從而間接實(shí)現(xiàn)制冷量的無級(jí)調(diào)節(jié)，該系統(tǒng)在制冷產(chǎn)品性能試驗(yàn)裝置及類似用途的場(chǎng)合中有著廣闊的應(yīng)用前景。針對(duì)該系統(tǒng)中關(guān)鍵點(diǎn)的控制策略進(jìn)行研究，找到解決的方法，并在實(shí)際應(yīng)用中加以驗(yàn)證，并對(duì)系統(tǒng)應(yīng)用的節(jié)能優(yōu)勢(shì)進(jìn)行分析。

自適應(yīng)；壓縮冷凝系統(tǒng)；變?nèi)萘浚豢刂撇呗裕还?jié)能

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，為了提升競(jìng)爭(zhēng)力，制冷空調(diào)行業(yè)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的要求也逐年提高，對(duì)產(chǎn)品性能進(jìn)行檢測(cè)的試驗(yàn)裝置也要與時(shí)俱進(jìn)，進(jìn)行升級(jí)換代，傳統(tǒng)的制冷空調(diào)產(chǎn)品性能試驗(yàn)裝置，通常采用固定容量的壓縮機(jī)，然后用可調(diào)容量的電加熱對(duì)冷量進(jìn)行對(duì)沖，以期達(dá)到試驗(yàn)環(huán)境間的溫度恒定。這種做法由于要使用電加熱對(duì)壓縮機(jī)的制冷量進(jìn)行抵消，勢(shì)必造成能量的浪費(fèi)[1]。為了解決這個(gè)問題，最好的做法是能分別實(shí)現(xiàn)環(huán)境間所需的冷負(fù)荷和熱負(fù)荷的無級(jí)調(diào)節(jié)，在環(huán)境間是冷負(fù)荷的時(shí)候只需投入電加熱即可，對(duì)冷負(fù)荷的平衡只需用功率調(diào)整器驅(qū)動(dòng)電加熱即可解決，該方案難點(diǎn)是對(duì)熱負(fù)荷的平衡，需要對(duì)系統(tǒng)的制冷量進(jìn)行無級(jí)的調(diào)節(jié)。

目前國(guó)內(nèi)外在變?nèi)萘空{(diào)節(jié)方面主要有變頻調(diào)節(jié)技術(shù)，多機(jī)并聯(lián)變?nèi)菁夹g(shù)，液體制冷劑儲(chǔ)存變?nèi)菁夹g(shù)[2]，后兩種方式由于控制精度差，不適合在制冷空調(diào)試驗(yàn)裝置中推廣，變頻調(diào)節(jié)技術(shù)控制精度雖高，但其成本較高，控制較為復(fù)雜，也不利于大規(guī)模推廣[3]，為此，本文開發(fā)出一種壓縮冷凝系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)制冷量從零到滿負(fù)荷的無級(jí)調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)引入熱氣旁通閥、吸氣冷卻膨脹閥和電子膨脹閥以及其他一些輔助的閥件，通過自動(dòng)控制系統(tǒng)來完成對(duì)電子膨脹閥和相關(guān)參數(shù)的控制，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)制冷量的無級(jí)可調(diào)。

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

該系統(tǒng)原理圖如圖1所示，在該系統(tǒng)中，壓縮機(jī)排出的高壓氣體分流為兩部分，一部分經(jīng)冷凝器冷凝后液相節(jié)流蒸發(fā)制冷，另一部分經(jīng)熱氣調(diào)節(jié)閥氣相等焓節(jié)流至液相同一壓力，而后將兩股流體混合至壓縮機(jī)吸氣狀態(tài)。關(guān)鍵閥件的耦合作用既能保證壓縮機(jī)運(yùn)行在舒適狀態(tài)，又能結(jié)合對(duì)電子膨脹閥的控制完成冷量的精確無級(jí)調(diào)節(jié)。

圖1 系統(tǒng)原理圖

將該系統(tǒng)主要包括吸氣冷卻閥、熱氣旁通閥、電子膨脹閥和蒸發(fā)壓力調(diào)節(jié)閥，以及回油電磁閥等輔助的閥件，其中吸氣冷卻閥和熱氣旁通閥是為了配合調(diào)節(jié)保證壓縮機(jī)的基本吸氣壓力和吸氣過熱度，保證全負(fù)荷工況下壓縮機(jī)的運(yùn)行，電子膨脹閥與控制系統(tǒng)用于保證系統(tǒng)輸出冷量連續(xù)可調(diào)，整個(gè)系統(tǒng)配上蒸發(fā)器后即可用于制冷空調(diào)產(chǎn)品性能試驗(yàn)裝置，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境溫度的精確控制。

2 控制策略

2.1 壓縮機(jī)全工況適應(yīng)性控制策略

本系統(tǒng)的一項(xiàng)重要任務(wù)是保證壓縮機(jī)在全負(fù)荷工況下都能在比較舒適的狀態(tài)運(yùn)行，即有正常的壓比和正常的吸排氣溫度，這樣利于延長(zhǎng)壓縮機(jī)的使用壽命。

圖2是壓縮機(jī)全工況適應(yīng)性策略的示意圖，為了保證壓縮機(jī)的吸氣過熱度，避免壓縮機(jī)液擊現(xiàn)象的發(fā)生，系統(tǒng)引入吸氣冷卻閥，通過對(duì)該閥的調(diào)節(jié)，讓系統(tǒng)的過熱度保證在5度以上；為了保證壓縮機(jī)有合適的吸氣壓力，引入熱氣旁通閥，通過對(duì)該閥的調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)的吸氣壓力始終在合適的值。

為了拓展系統(tǒng)的適用范圍，保證系統(tǒng)可以應(yīng)用于常溫和低溫系統(tǒng)，針對(duì)常溫系統(tǒng)，可以通過對(duì)閥的調(diào)節(jié)，將低壓維持在（2.6～2.9）bar之間；對(duì)于低溫系統(tǒng)，可以將低壓維持在（1.1～1.4）bar之間，這樣就可以保證系統(tǒng)無論使用在高溫場(chǎng)合還是低溫場(chǎng)合都能確保壓縮機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)比較舒適；系統(tǒng)使用的是不破壞臭氧層的R404A制冷劑，通過預(yù)先設(shè)定和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)用于蒸發(fā)器側(cè)環(huán)境間溫度在（-20～0）℃和（0～55）℃的場(chǎng)合時(shí)，壓縮機(jī)的吸氣壓力和過熱度都比較合適，吸氣過熱度基本能保持在15度以上。

圖2 全工況適應(yīng)性策略圖

2.2 電子膨脹閥控制策略

壓縮機(jī)的狀態(tài)除了靠上述兩個(gè)關(guān)鍵的閥件以外，還取決于電子膨脹閥的控制，電子膨脹閥的控制還是整個(gè)系統(tǒng)中最關(guān)鍵的一個(gè)控制點(diǎn)，系統(tǒng)對(duì)環(huán)境溫度控制的精度就取決于電子膨脹閥的控制。膨脹閥的控制邏輯見圖3。

圖3 電子膨脹閥控制策略

引入吸氣冷卻閥和熱氣旁通閥后，在這兩個(gè)閥的耦合作用下，即使在蒸發(fā)器側(cè)所需要的冷量為零，即蒸發(fā)器側(cè)制冷劑流量為零，電子膨脹閥的開度為零的情況下，都能保證壓縮機(jī)處于正常的工作狀態(tài)而不保護(hù)停機(jī)。但在如下幾個(gè)情況下需要單獨(dú)采取措施：

1）在蒸發(fā)器側(cè)負(fù)荷逐漸增大，制冷劑流量逐漸增大時(shí)，壓縮機(jī)的過熱度會(huì)逐漸減小，如果沒有足夠的過熱度的話將會(huì)最終導(dǎo)致液擊，給壓縮機(jī)的安全運(yùn)行帶來隱患，這就要求對(duì)膨脹閥以過熱度為目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制；

2）在蒸發(fā)器側(cè)為高溫工況時(shí)，系統(tǒng)的蒸發(fā)壓力會(huì)逐漸升高，如果壓力升高到一定的值后，在壓縮機(jī)本身壓比的基礎(chǔ)上，冷凝壓力會(huì)過高，導(dǎo)致系統(tǒng)保護(hù)停機(jī)，因此也有必要以壓縮機(jī)吸氣壓力為目標(biāo)對(duì)膨脹閥進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

除以上兩種情況外，在系統(tǒng)開機(jī)初始或者系統(tǒng)負(fù)荷突然變化的情況下也會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的壓力和過熱度的急劇變化，這同樣需要對(duì)膨脹閥采取措施。

為了完成對(duì)膨脹閥的控制，我們引入OMRON CJ2M PLC，使用CJ1W-PTS51溫度輸入單元完成壓縮機(jī)吸氣溫度的采集轉(zhuǎn)換，使用 CJ1W-AD081-V1模擬量輸入單元完成對(duì)壓縮機(jī)吸氣壓力的采集轉(zhuǎn)換，并通過 CJ1W-DA08C模擬量輸出單元實(shí)現(xiàn)對(duì)電子膨脹閥的開度控制。電子膨脹閥采用SPORLAN的SER和SEI系列膨脹閥，膨脹閥控制器采用SPORLAN的IB系列控制器。程序中主要處理的內(nèi)容包括：R404A工質(zhì)物性表的編制，儲(chǔ)存在PLC的內(nèi)存中；對(duì)溫度和壓力參數(shù)的采集處理；對(duì)壓縮機(jī)吸氣過熱度的計(jì)算；對(duì)吸氣過熱度采用PID調(diào)節(jié)以實(shí)現(xiàn)過熱度的實(shí)時(shí)控制；對(duì)吸氣壓力也采用PID按上圖的控制邏輯進(jìn)行控制。最終實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行和環(huán)境間工況的精確調(diào)節(jié)。

圖4 膨脹閥控制原理圖

在硬件搭建完成后，通過對(duì)PLC和人機(jī)界面進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制。

通過實(shí)際驗(yàn)證，系統(tǒng)用于制冷空調(diào)產(chǎn)品性能試驗(yàn)裝置上，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境間溫度的控制，環(huán)境工況的控制精度為±0.1℃，優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 17758-2010和GB/T 7725-2004中關(guān)于環(huán)境溫度控制精度±0.3℃[4-5]的要求。圖5是環(huán)境間工況分別為55℃和-15℃的控制效果曲線。

3 節(jié)能分析

鑒于自適應(yīng)變?nèi)萘繅嚎s冷凝系統(tǒng)應(yīng)用于制冷空調(diào)產(chǎn)品性能實(shí)驗(yàn)室時(shí)，無需電加熱來對(duì)沖定容壓縮機(jī)的冷量，故其節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)顯而易見。一般空氣處理機(jī)組由空氣處理機(jī)風(fēng)機(jī)、電加熱、電加濕和蒸發(fā)盤管組成，以此為例進(jìn)行節(jié)能的分析。

以常用的焓差試驗(yàn)室為例，常規(guī)實(shí)驗(yàn)室采用定容壓縮機(jī)匹配電加熱和對(duì)環(huán)境間工況進(jìn)行調(diào)節(jié)，本系統(tǒng)采用的是自適應(yīng)的變?nèi)萘肯到y(tǒng)匹配可調(diào)電加熱實(shí)現(xiàn)工況控制。實(shí)驗(yàn)室規(guī)格與參數(shù)如表 1所示。不同節(jié)能工況下的節(jié)能分析如表2和表3所示。變?nèi)萘繖C(jī)組由于其冷量輸出不存在階躍性，在能耗上顯著優(yōu)于定容量機(jī)組，對(duì)于后續(xù)該類型系統(tǒng)在制冷空調(diào)產(chǎn)品性能實(shí)驗(yàn)室上推廣，這是一個(gè)很大的優(yōu)勢(shì)。

圖5 控制效果圖

表1 實(shí)驗(yàn)室規(guī)格與參數(shù)

表2 制冷最大運(yùn)行工況下的節(jié)能性分析

表3 凝露工況下的節(jié)能性分析

由表2可知，對(duì)于制冷最大運(yùn)行工況下的節(jié)能性分析為：假設(shè)定容采用50%卸載時(shí)輸出冷量為該工況全負(fù)荷60%，冷輸出不連續(xù)、步長(zhǎng)大，耗能很多；變?nèi)堇淞枯敵隹梢詮?%至100%，可以連續(xù)按需要輸出，無冷過沖，節(jié)能效果明顯。

由表3可知，對(duì)于凝露工況下的節(jié)能性分析為：假設(shè)定容采用50%卸載時(shí)輸出冷量為該工況全負(fù)荷60%，冷輸出不連續(xù)、步長(zhǎng)大，除濕量大耗能很多；變?nèi)堇淞枯敵隹梢詮?%至100%，可以連續(xù)按需要輸出，冷、濕過沖小，節(jié)能效果明顯。

4 結(jié)論

自適應(yīng)變?nèi)萘繅嚎s冷凝機(jī)組在吸氣冷卻閥和熱氣旁通閥的耦合作用和電子膨脹閥控制系統(tǒng)的精確控制下，能保證壓縮機(jī)適中處于舒適的運(yùn)行工況下，壓縮機(jī)使用壽命長(zhǎng)。

該系統(tǒng)通過程序完成對(duì)電子膨脹閥的控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境間溫度的精確控制，控制精度高，遠(yuǎn)優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

在能源日益緊張的今天和國(guó)家節(jié)能降耗的大政方針下，系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)勢(shì)凸顯，目前該系統(tǒng)經(jīng)研發(fā)、制作和系列化，已經(jīng)推廣應(yīng)用近百套，日后應(yīng)用前景會(huì)更加廣闊。

[1]王汝金, 張秀平, 賈磊, 等. 空調(diào)壓縮機(jī)變?nèi)萘空{(diào)節(jié)技術(shù)[J]. 低溫與超導(dǎo), 2011, 39(3): 58-62, 80.

[2]石文星. 變制冷劑流量空調(diào)系統(tǒng)特性及其策略研究[D].北京: 清華大學(xué), 2000.

[3]林立, 裴秀英. 變?nèi)萘恐醒肟照{(diào)系統(tǒng)調(diào)節(jié)技術(shù)的比較分析[J]. 制冷空調(diào)與電力機(jī)械, 2007, 28(5): 15-18.

[4]GB/T 17758-2010, 單元式空氣調(diào)節(jié)機(jī)[S].

[5]GB/T 7725-2004, 房間空調(diào)器[S].

Study of the Control Strategy of Self-adaption Capacity-varying Compression-condensing System

CAI Song-su*, ZHANG Wei, ZAN Shi-chao, ZHANG Ze-guo, WANG Yang-fan, ZHANG cheng, ZHANG jin
(National Key Laboratory of the Compressor Technology, Hefei General Machinery Research Institute, Hefei, Anhui 230088, China)

The self-adaption capacity-varying compression condensing system can regulate the refrigerant mass flow rate from zero to 100% smoothly, therefore, the refrigerating capacity can vary without steps. This kind of condensing unit has a wide application prospect in the land of the performance test equipment of the refrigeration product and the similar applications. The control strategy of the key point of the system was studied, and the solution was found and verified in the practical application. The advantage in energy saving of the condensing system was also analyzed.

Self-adaption; Compression-condensing system; Capacity-varying; Control strategy; Energy saving

10.3969/j.issn.2095-4468.2014.02.205

*蔡松素（1970-），女，高級(jí)工程師，學(xué)士。研究方向：制冷空調(diào)檢測(cè)技術(shù)及自動(dòng)化。聯(lián)系地址：合肥市高新區(qū)天湖路29號(hào)，郵編：230088。聯(lián)系電話：0551-65335503。E-mail：caisongsu@163.com。