基于冷量閾值的整流罩空調控制策略研究

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(航天發射可靠性技術重點實驗室，海口 571100)

基于冷量閾值的整流罩空調控制策略研究

古宇飛，陳少將，張利軍，徐緋然，李增光

(航天發射可靠性技術重點實驗室，海口571100)

針對某航天發射場整流罩空調機組經常出現前級蒸發器結霜和送風溫濕度波動問題，進行問題機理分析，結合新風與表冷后目標露點的焓值差提出了一種基于冷量閾值的壓縮機PID控制方法;該方法首先根據新風和目標露點的焓值差計算出處理空氣所需的實際冷量，然后將該冷量作為基于露點PID控制壓縮機輸出的上限值;冷量閾值的使用一方面使PID控制一直保持欠調節狀態，避免了壓縮機投入比的上下跳變而導致送風溫濕度波動的問題；另一方面有效解決了壓縮機投入冷量過多而導致的蒸發器結霜問題;實踐證明，優化后的空調機組運行穩定可靠，溫濕度控制精度得到有效提升，分別達到了±0.5 ℃和±3%，滿足航天器產品保障需求。

整流罩空調；壓縮機；PID控制；焓值差；冷量閾值

0 引言

某航天發射場區屬于典型的熱帶海洋性氣候，年平均氣溫24.8 ℃，平均濕度87.2%，常年高溫、高濕的氣候環境給場區設備的溫濕度等環境保障工作提出了嚴峻的挑戰。空調系統作為環境保障的最主要手段，為場區中航天器、火箭等精密設備及人員提供著長期的環境保障工作。而航天器整流罩空調承擔著保障衛星、航天器等有效載荷在整流罩內測試過程中環境溫濕度、潔凈度的重要使命，是發射場中最為關鍵的設備之一。測試期間的環境參數，不僅對測試工作的準確性和安全性有重要的影響，而且還可能影響到航天器進入預定軌道后的工作性能。因此整流罩空調機組設備性能和送風保障參數的好壞直接關系到航天發射的成敗，尤為重要[1]。

1 空調機組蒸發器結霜及送風溫濕度波動問題

某航天器整流罩空調為全新風直流式恒溫恒濕低溫轉輪空調凈化機組，系統構成如圖1所示。系統由新風初效進風段、進風機段、前級蒸發表冷段(3級)、轉輪除濕段、冬季新風初效進風段、再冷蒸發表冷段(2級)、粗調電加熱段、加濕段、送風機段、中效過濾段、亞高效過濾段、微調加熱段、出風段、送風管、高效過濾器等連接組成通風系統。轉輪除濕段再生風經前表冷處理，前級蒸發表冷段與再冷蒸發表冷段的每級冷源分別由1臺風冷壓縮冷凝機組提供。

該空調機組在使用過程中經常出現蒸發器結霜和送風溫濕度波動問題，嚴重影響機組的正常使用和保障效果。

1.1 空調表冷器結霜問題

空調系統中，當制冷劑的蒸發溫度低于0 ℃時會導致機組的蒸發器及其回氣管路結霜，根本原因則是制冷劑的蒸發壓力過低。而造成制冷劑蒸發壓力過低的原因有很多種，具體的有缺少制冷劑、毛細管過長或堵塞、環境溫度過低、壓縮機排氣乏力、膨脹閥開度不足及壓縮機與蒸發器的不匹配等原因[2-3]。

該空調機組設計前級壓縮機最大負荷使用工況為新風溫度38 ℃，濕度90%(海南高溫高濕極限工況)，表冷處理后空氣露點8 ℃。使用工況為海南9月，環境溫度30 ℃左右，不存在外界環境溫度過低的情形。且經過長期觀察和監測，機組不存在缺氟、制冷劑管路堵塞等情況。分析認為該機組設計時壓縮機制冷能力與蒸發器不匹配，壓縮機冷量過大，而蒸發器蒸發面積相對偏小。加之進入9月份以后，外界溫度下降，經常低于30 ℃，導致空氣與制冷劑的平均傳熱溫差降低，致使蒸發器性能下降。

圖1 某整流罩空調機組系統構成示意圖

由于空調機組系統復雜，難以建立精確的數學模型，一般采用PID調節技術來控制機組中壓縮機、轉輪、加濕器及電加熱等設備的運行[4-5]。控制過程中，PID控制算法根據室外新風露點、表冷后空氣的實時露點及表冷后目標露點三者之間的關系計算得出冷量投入比并控制壓縮機進行制冷并投入相應的制冷量。由于蒸發器面積較小，在新風溫度較低時，無法將PID控制壓縮機投入的冷量全部帶走，導致冷量在蒸發器積聚。在蒸發溫度低于0 ℃后，便會出現蒸發器及制冷劑回氣管路結霜現象，本系統蒸發器結霜及表冷器擋水板結冰情況如圖2所示。結霜問題會進一步導致制冷劑循環不暢，蒸發壓力過低，嚴重影響壓縮機工作，制冷效果大幅下降且使集中監控系統失去對壓縮機的控制。進而導致送風溫濕度短時上升，嚴重影響對整流罩罩內環境的保障效果。

圖2 蒸發器結霜及表冷擋水板結冰情況

1.2 空調送風溫濕度波動問題

該空調機組前級表冷器共分為三級，各級制冷量均為180 kW，第一級和第二級均為1臺180 kW螺桿制冷壓縮機提供制冷，第三級由4臺小型壓縮機提供制冷，分別為1臺90 kW、2臺30 kW普通渦輪壓縮機、1臺30 kW數碼渦輪壓縮機。系統在控制前級制冷壓縮機總投入量從0%至100%調整時共有18種壓縮機的組合搭配方式。

當前級壓縮機投入比最終穩定在18種投入比組合的銜接處時，外界環境稍有變化，就會出現某臺壓縮機頻繁啟停。壓縮機停止運行后，需要在系統內高低壓力平衡后才能再次開機。如在高低壓力未平衡時開機會因壓力不平衡造成負載加重，進而導致電動機無法起動而燒毀。因此為保護壓縮機，延長其使用壽命，每臺壓縮機都設置了停機后必須等待3-10分鐘才能再次啟動的硬性條件。系統中90 kW和180 kW(2級、3機分開)的壓縮機均只有一臺，每次停機后必須等待10分鐘后才能再次開機。大冷量壓縮機的延遲開機導致表冷器中輸送的冷量急劇減小，使送風溫濕度瞬間上升，自動控制系統便自動開啟其它壓縮機進行降溫除濕，10分鐘后，90 kW壓縮機(以90 kW為例)再次開啟，而另外開啟的壓縮機也還在運行，又致使出力過猛、冷量過大，降溫除濕過多，送風溫濕度明顯偏低，而后自控系統又將90 kW壓縮機停機。依此反復，整個系統短時難以穩定，導致送風溫濕度出現周期性波動。

該機組送風溫濕度波動時的保障曲線如圖3所示，其中機組設定的送風目標前一階段為(20 ℃, 45%)，后一階段送風目標為(15 ℃, 60%)。

圖3 優化前整流罩空調送風溫濕度曲線

本機組設計溫度控制精度不超過±2 ℃，濕度控制精度不超過±5%。從圖3中可以看出機組運行較長時間后由于壓縮機頻繁啟停造成的周期性波動，穩定性較長，溫度最大偏差達到3.5 ℃，送風濕度最大偏差接近±10%，均大大超過設計控制精度，對整流罩環境保障帶來了不利影響。

無論是空調機組蒸發器結霜導致送風溫濕度上升超出要求范圍，還是壓縮機頻繁啟停造成的送風溫濕度波動，都會嚴重影響到對整流罩罩內航天器的溫濕度保障效果，都可能會對航天發射造成嚴重的損失，亟需解決。

2 基于焓值差的空調控制模式及優化手段

2.1 基于焓值差的空調控制模式

為解決空調機組表冷器結霜和投入比波動問題，本文在傳統根據表冷器前后露點來進行冷量計算的方法基礎上，提出了一種基于焓值差的壓縮機投入比控制模式。新方法首先通過新風焓值和表冷后空氣目標露點焓值的差[6-7]來計算將新風處理到目標露點所需的實際冷量，并將其作為壓縮機投入冷量的上限值，使PID算法在自動調節壓縮機投入時，其制冷量始終保持不能超過實際需求。即PID始終處于欠調節狀態，輸出投入比始終保持上升趨勢，進而避免在某一臺階附近上下波動，具體如圖4所示。

使用上述措施一方面避免壓縮機投入冷量過大，另一方面使壓縮機避開投入比臺階處，防止大螺桿壓縮機頻繁啟停所造成的送風溫濕度波動。

圖4 基于焓值差冷量閾值的PID控制策略

基于焓值差冷量閾值的壓縮機控制方法具體計算過程如下：

已知新風溫度T1、濕度R；表冷后設定目標空氣露點溫度T2，濕度100%；處理風量L；大氣壓力P；設新風焓值H1，表冷后空氣目標焓值H2，空氣密度ρ。

第一步：依據氣體溫度T，求飽和水蒸汽的分壓力(hPa);

(1)

第二步：根據濕度R和飽和水蒸汽的分壓力求水蒸汽的分壓力(hPa);

(2)

第三步：求含濕量(g/kg干空氣);

(3)

第四步：求空氣的焓(kJ/kg干空氣)

H=1.005T+0.001d(2 500+1.8T)

(4)

然后根據空氣焓值計算公式分別計算出新風和表冷后設定露點空氣的焓值H1和H2，進而得到將新風處理到設定露點溫度所需的冷量:

(5)

其中:L再生為轉輪除濕機再生風風量。

根據前級壓縮機的總制冷量540 kW計算得到此時的壓縮機投入比δ為：

(6)

在傳統PID自動調節壓縮機投入的基礎上，將δ作為壓縮機投入比的上限值。該方法一方面防止機組產生的冷量過剩，在不改變蒸發器面積大小的情況可以最大限度的避免蒸發器結霜問題；另一方面在計算焓值差時在表冷后目標露點溫度的基礎上人為增大0.1 ℃，以使PID控制一直處于欠調節狀態，前級壓縮機冷量的投入比保持上升趨勢，防止其在某一臺階處上下波動，從而避免了送風溫濕度的波動。其中增加0.1 ℃的前提是機組的轉輪除濕機和后級的除濕降溫能力要有一定的富裕。

該方法與傳統基于露點PID控制方法相比，壓縮機投入的冷量相對偏少，空調機組從開機狀態至調節送風溫濕度達到穩定狀態需要的時間相對更長。經過試驗，傳統方法機組從開機至穩定需要約1 h，新方法穩定需要約1.0～1.5 h。保障過程中，系統有足夠的時間提前開機使機組送風達到穩定再對接風管進行保障，因此多出的約0.5 h不會對實際的任務保障造成影響。

2.2 提高表冷器后空氣實時露點測量精度

本整流罩空調系統前第三級表冷由4臺壓縮機構成，其表冷器是由4套制冷壓縮機的蒸發器毛細管上下交叉組合而成。在開啟不同壓縮機進行制冷時，表冷器上下不同位置的溫度會有一定的差異。壓縮機開啟的蒸發器位置溫度會相對較低，而壓縮機未開啟的位置溫度相對偏高，如圖5所示，前第三級表冷器中90 kW壓縮機的蒸發器毛細管覆蓋面積大，其開機與否對傳感器的測量影響較大。經過實際測量，發現上下溫差最高可達3 ℃。因此，在大型的空調機組中溫濕度傳感器的安裝位置對表冷后空氣露點的測定有著較大影響。

在該空調系統表冷器后的上、中、下3處位置各安裝1只維薩拉溫濕度傳感器，取3只傳感器的測量平均值，以盡可能的得到表冷處理后空氣的露點值，并用其參與到PID控制中。

圖5 第三級表冷器壓縮機毛細管分布示意圖

2.3 試驗結果

本空調系統采用全集成自動化技術，利用西門子PLC作為下位機控制空調系統中各壓縮機、閥門、轉輪除濕機等設備的運行，使用工業組態軟件作為上位機對空調系統的運行狀態和送風參數進行集中監控。

試驗中，將基于焓值差上門限冷量值的前表冷器壓縮機PID控制程序下載到空調機組的PLC中，并以3只溫濕度傳感器所測的溫濕度平均值作為控制目標。試驗過程中，室外溫度在27～31 ℃，相對濕度在74%～85%。第一階段機組設定送風溫度10 ℃，濕度75%，風量4 000 m3/h，在機組運行平穩后，持續觀察約20 h。該階段機組送風溫濕度參數如圖6前半段曲線中17:50至次日12:00所示。

第二階段機組設定送風溫度15 ℃，濕度54%，風量3 000 m3/h，在機組運行平穩后，持續觀察約20 h。該階段機組送風參數如圖6后半段曲線中14:30至次日9:30所示。

圖6 優化后整流罩空調送風溫濕度曲線

由圖6可以看出，采用優化后的控制策略的空調機組在第一階段中除21點左右機組出現輕微波動送風溫度降至8.9 ℃、相對濕度為78%外，其余時刻運行平穩，送風溫濕度參數相對穩定，溫度最低9.3 ℃、最高10.4 ℃，波動范圍在±0.7 ℃；相對濕度最低74.0%，最高78.7%，波動范圍在±4.0%。控制精度均優于機組的設計和使用要求。

第一階段結束后，機組關機后進行了設備檢查，未發現蒸發器、制冷劑回氣管路或者擋水板結霜結冰現象。

第二階段中，機組從14:30開機，到15:20機組送風參數達到穩定。整個過程中均未出現送風溫濕度波動和蒸發器結霜現象。溫度最低14.7 ℃、最高15.1 ℃，波動范圍在±0.3 ℃；相對濕度最低52.6%，最高56.0%，波動范圍在±2.5%。控制精度均優于機組的設計和使用要求。

通過兩種送風工況的測試，優化后的空調機組出現壓縮機投入比上下波動和壓縮機結霜的問題概率大大降低。本試驗中，機組穩定運行過程中，送風溫度波動幅度在±0.7 ℃范圍內，濕度波動幅度在±4.0%范圍內。文中未對所有的試驗情形均做描述，在后續的調試和保障任務中，該空調系統對其它的送風參數也進行了試驗和驗證，送風溫濕度控制精度均在要求范圍內。綜上，采用本文將基于焓值差冷量閾值和傳統PID露點控制相結合的壓縮機控制策略后，整流罩空調機組送風溫濕度及控制精度均滿足設計和實際使用需求。

3 結論

結合新風與表冷后目標露點的焓值差提出了一種帶冷量閾值的壓縮機PID控制方法，并根據該機組蒸發器的實際情況

在表冷后增加了2個溫濕度測量點參與PID控制。將新控制策略與傳統基于露點的壓縮機PID控制方法相結合，有效的解決了長期困擾某航天發射場整流罩空調機組的前級蒸發器結霜和送風溫濕度波動問題。優化后的整流罩空調機組運行穩定性和可靠性得到了明顯提升，溫濕度控制精度分別達到了±0.7℃和±4.0%，提升了系統保障能力。

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AStudyonControlStrategyforAirConditioningofSatelliteFairingBasedonColdEnergyThreshold

Gu Yufei, Chen Shaojiang, Zhang Lijun, Xu Feiran, Li Zengguang

(Key Laboratory of Space Launching Site Reliability Technology, Haikou 571100, China)

In order to solve the fin evaporator frosting and temperature and humidity fluctuation of air supply problems for the air conditioning of satellite fairing in space launching site, the controlling strategy for compressor with the threshold of cold energy was proposed. This strategy calculated the cold energy that air treatment needed practical based on the enthalpy potential between outdoor air and target air firstly. And then the cold energy would be regarded as the upper limit of PID controller for compressor. The appliance of threshold of cold energy not only kept the PID controller in undershooting state, and avoided the problem of temperature and humidity fluctuation caused by the compressors input jump. In addition, it avoided the compressor inputting cold energy overabundance and solved the fin evaporator frosting problem effectively. The experiments show that the improved air conditioning running stably, and its accuracy of temperature and humidity achieved ±0.5 ℃ and ±3% respectively, and meeting design and application requirement.

air conditioning of satellite fairing; compressor; PID control; enthalpy potential; threshold of cold energy

2017-03-03；

2017-03-25。

古宇飛(1989-)，男，河南商丘人，碩士研究生，工程師，主要從事航天發射可靠性技術方向的研究。

1671-4598(2017)10-0058-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.10.016

TP273

A