閥泵聯調冷水機組全自動性能評價系統的設計與測試結果分析

倪健，商允恒，王顯峰，張良霄，馬小津，黃維冬

（合肥通用機械研究院有限公司，安徽合肥 230088）

0 引言

冷水機組應用范圍廣，市場潛力大，技術更新快，年產量約6萬臺，市場規模165億，正在向大型化、高效化和強適應化方向發展[1]。隨著制冷技術的不斷發展，各企業對產品試驗的需求量大幅度增加，冷水機組評價系統亦日趨多功能化、大型化，試驗系統越來越復雜[2-4]。而在現有的冷水機組性能評價系統運行過程中，主要是單獨應用水泵變頻或者閥門調節，控制精度不高，控制較為復雜，所以隨著試驗負載能力的變化，往往需要人工去判斷評價系統設備運行趨勢，適時進行冷、熱源的投入，對操作人員的要求很高，試驗數據自然也受到人為因素的影響[5-7]。這種控制模式雖然可以正常完成試驗，但試驗效率低，能耗高，設備運行成本高，勞動強度大，因此傳統的評價系統已無法滿足新的試驗需求，各企業迫切需要冷水機組性能評價系統實現全自動控制[8]。

本文詳細介紹了應用調節閥和泵聯合調節的冷水機組性能評價系統，利用調節閥與水泵變頻聯合調節，實現無極控制，使該評價系統工況穩定，控制精度高[9-10]。同時將自動控制技術引入該評價系統，使該系統的測控軟件與數據采集器和數字功率計實時通訊，獲取系統中的溫度、壓差、流量和功率等測試驗參數并進行計算分析，然后通過PLC對試驗現場的設備啟停和運行狀態予以實時監視和控制，從而實現評價系統自動預判、智能干預和節能運行的全自動測試[11-15]。

1 測試系統介紹

1.1 系統流程

參考標準GB/T 10870-2014 《蒸氣壓縮循環冷水（熱泵）機組性能試驗方法》，搭建應用調節閥和泵聯合調節的冷水機組性能測試系統，其具體流程如圖1所示。

圖1 系統流程圖

試驗過程中分別通過調節變頻水泵PUMP1和變頻水泵PUMP2的輸出頻率來控制試驗機組使用側和熱源測中所流過的水流量，使其達到所需的額定流量。試驗機組運行過程中使用側所產生的冷量通過控制兌水泵PUMP3的輸出頻率和調節閥MV1的開度，控制從熱源測中兌進使用側中的水流量，來調節試驗機組的使用側出水溫度，并使其穩定。選用水泵PUMP4及調節閥MV2把恒溫水箱的低溫水帶入試驗機組熱源側，把熱源測與使用側平衡后多余的熱量（壓縮機做功產生的熱量）消除[16]。

1.2 計算方法

使用側采用液體載冷劑法，在試驗機組使用側進口處安裝有電磁流量計，試驗時，通過控制水泵PUMP1和PUMP2的轉速，提供試驗工況所需的使用側水流量和水溫。

熱源側采用機組熱平衡法，機組熱平衡法的原理和液體載冷劑法類似，依據熱源側的排放熱量和試驗機組熱源消耗量及功率來計算該試驗機組的制冷量與使用側制冷量進行比較[17]。

1.3 控制和數據采集系統

除上述提到的主要系統設備外，還配備有相應精準的控制及數據采集系統。

控制系統以計算機搭配Omron的CP系列可編程控制器和威綸通的人機界面為主，進行系統設備的投切和連鎖保護；用橫河的UT35a系列數字調節器來實現整套系統的PID閉環調節。

數據采集系統的精準度是決定一套評價系統準確性的重要因素，也是評價冷水機組性能的根本保證。本套評價系統選用橫河 MX100系列的數據采集器為主體，同時選用進口高精度的傳感器，如橫河WT330系列數字功率計、千野INR901系列溫度傳感器、橫河 AXF系列電磁流量計等。涉及到性能參數測試的傳感器都由國家認證機構進行定期計量標定[18]。

1.4 全自動實現方式

評價系統的儀器儀表，通過以太網的方式和計算機進行實時通訊。

1）數據采集器將采集到的流量、溫度等實時狀態參數，傳送至計算機數據庫，再由計算機進行記錄、存儲和運算。

2）計算機將預設工況對應的流量、溫度傳送至數字調節器，同時調節器將實際測量值和對應輸出開度反饋至計算機。

3）計算機進行評價系統運行的穩定性判定，根據預設的控制邏輯將相應設備的調節命令發送給可編程控制器；同時，可編程控制器將各個設備的運行狀態反饋至計算機，以保證系統設備的正常合理運行。

該套評價系統區別于以往的常規評價系統，不再是由操作人員進行設備開啟、工況設定和試驗數據記錄。

測控系統各部分只需完成各自獨立的工作，計算機將他們整合成一個完整的系統。計算機從接收到開始測試的運行指令后，會根據目標的工況參數將預設值寫入調節器，再依照設定好的開關機邏輯，逐次投入相應設備，并實時采集系統狀態參數，進行運算處理，由此判斷試驗是否進入穩定狀態，最后再進行試驗數據的分析、整理和最終實驗報告的繪制打印，從而實現整個試驗過程的全自動化[19]。

2 測控軟件設計

整個全自動試驗系統中，測控軟件作為核心環節，需要能夠保證系統中各部件的良好運行，同時也需要向使用者提供一個簡潔、直觀的操作界面。因此在這套評價系統的開發中，測控軟件的開發顯得尤為關鍵。

2.1 測控軟件界面設計

測控軟件采用 C++ Builder 6.0企業版結合Access數據庫引擎進行開發，不僅要實現數據的實時采集，還要能夠根據設定的條件判斷整個性能評價系統是否穩定，同時要對試驗數據進行分析處理、存檔、打印和實時曲線繪制。為了實現這些功能，專門設計了各項功能的顯示界面（如圖 2）。該軟件實現了兩種試驗模式，即自動試驗模式和手動試驗模式，其中手動試驗模式與傳統的試驗模式相同，測控軟件只測量不控制。在自動試驗模式下，操作人員需預先設置模式列表，包括每個模式工況的具體參數以及工況的最長運行時間等。

圖2 測控軟件設備監控圖

由于在全自動試驗模式下，所有設備的運行狀態切換均由計算機發送指令來實現，所以對設備運行狀態的記錄成為了可能，從而實現了試驗過程的可追溯性，可以通過這些記錄對全自動控制的邏輯進行分析，并進行相應的優化。

2.2 測控軟件流程

根據試驗要求，本測控軟件利用后臺支持與前臺的多頁面設計實現了軟件的簡單方便操作以及試驗數據的及時準確處理。軟件結構流程如圖3所示。

圖3的測控流程中，各設備的啟動及關閉條件的循環判斷，是建立在當前運行狀態的基礎上，如果運行狀態一致則無動作，如果運行狀態不一致則進行啟動或關閉動作，不會導致重復啟動。從圖 3可以看出，即使在運行單元內部，各設備之間的運行邏輯也基本上采用并行處理，這樣可以最大程度地保證設備狀態控制的穩定性[13]。

圖3 評價系統設備運行的測控流程

3 試驗測試結果

現用本套系統測試一臺額定制冷量為 4,200 kW的冷水機組，測試結果如圖4所示。在評價系統的使用側和熱源側流量達到設定工況值且保持穩定后，控制系統開始調節PUMP3和PUMP4的輸出開度，繼而使進水溫度和出水溫度達到試驗機組的試驗要求。從冷水機組開機運行至穩定只用了大約半個小時左右，使用側出水溫度、熱源側進水溫度、水流量等工況都很穩定，其中水溫度波動控制在±0.08 ℃以內，水流量控制在最大±0.82 m3/h（±0.15%），明顯優于GB/T 18430.1-2007《蒸汽壓縮循環冷水(熱泵)機組/工商業用及類似用途的汽壓縮循環冷水(熱泵)機組》的控制精度要求[20]。

圖4 測控軟件測試數據曲線示意圖

制冷產品由測試系統直接測出來的制冷量被稱為主側換熱量，與這個制冷量相平衡的制熱量和輸入功率的差值被稱為輔側換熱量，因此主輔側換熱量的偏差，即通常說的主輔偏差往往是評價一套測試系統的關鍵因素。

現以制冷量為2,460 kW的冷水機組在不同負荷工況下的測試主輔偏差進行分析，如圖5所示。

從圖5中可以看出，試驗機組在本評價系統試驗時不同負荷時主輔測量偏差最大小于 4%，明顯優于GB/T 10870-2014《蒸氣壓縮循環冷水（熱泵）機組性能試驗方法》的精度要求。

圖5 不同測試負荷下主輔偏差

4 結論

本文提出的閥泵聯調冷水機組全自動性能測試系統，不僅使用調節閥和泵聯合調節來實現系統溫度的精準控制，而且將自動控制技術引入到該系統中，相對于傳統冷水機組的評價系統，本系統極大地節省了人力成本，可以實現試驗的一鍵啟停和自動報告生成。

同時從試驗結果來看，由于試驗工況的調節以及穩定維持是由測控軟件自動實現的，其算法和邏輯控制更為嚴謹，因此這套評價系統在調節時間和抗干擾能力方面都是優于傳統冷水機組的評價系統。

該類評價系統已在空調企業應用，從實際應用情況來看，不僅能夠提高評價系統的穩定性、精確度，而且極大地提高了評價系統的自動化程度，縮短了試驗時間，滿足冷水機組評價系統亦日趨多功能化、大型化、復雜化的要求。

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