螺桿式制冷壓縮機帶經濟器動態補氣軟件設計

李晨安，柳 鑫，張 成，陳 熙，馬小津，李海壽

（1.合肥通用機械研究院有限公司，合肥 230031；2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300452）

0 引言

螺桿式壓縮機因其運轉平穩、體積小、重量輕、效率高等優點［1－2］而廣泛應用于制冷空調行業，然而在低溫工況下（即蒸發溫度和冷凝溫度較低的工況下），壓縮機的壓比較大，進而導致壓縮機排氣溫度增大，制冷量減小。為了克服這個問題，常采用在螺桿壓縮機氣缸的某個合適位置開一個補氣口，該補氣口與螺桿式壓縮機的經濟器連通，共同構成了帶經濟器的螺桿式制冷壓縮機系統［3－6］。增加經濟器循環以后，能有效降低螺桿式壓縮機的排氣溫度，提高其運行效率，制冷量也得到相應提升，最終達到節約能源的作用［7－8］。

然而在進行帶經濟器的螺桿式壓縮機測試時，對壓縮機ECO（ECO即指經濟器）進口溫度和壓力手動工況設置時，不僅耗時長，而且調節的準確度低。因此有必要通過軟件編程及相應的邏輯算法，對壓縮機ECO 進口溫度和壓力進行自動動態調節。在壓縮機試驗中增加ECO 補氣動態調節軟件系統，壓縮機測試的效果得到提高，提高測試結果的可靠性，同時降低了實驗人員的工作量，對實驗員的操作熟練度依賴性降低，節約了人力成本，在制冷空調行業將會發揮越來越大的作用。

1 帶經濟器的制冷壓縮機系統

螺桿式壓縮機通過在氣缸的某個位置開一個補氣口，該補氣口與經濟器連通，可以提高壓縮機的性能系數。此時，螺桿式壓縮機類似于雙極壓縮，其運行過程主要有3 個階段：首先，制冷劑被導入到螺桿轉子齒槽，在螺桿轉子齒槽中，首先被絕熱壓縮到中間補氣點，氣體的壓力和體積將會升高，該過程稱為一級內壓縮；其次，與由經濟器ECO 側導入的中間補氣混合，使齒槽內的壓力進一步提高，稱為中間補氣過程；最后，壓縮齒槽與補氣口脫離，氣體繼續被壓縮，稱為兩級內壓縮。

圖1 帶經濟器壓縮機原理

2 硬件系統設計

對螺桿式壓縮機的測試接口和測試需求進行調研分析，測試系統擬采用計算機對螺桿式壓縮機和通訊設備進行控制并接收存儲相應的測試數據。采集器采用美國惠普公司的34980；調節表采用日本橫河的UT350 系列；測試計算機與采集器34980 采用網口通訊方式；調節表UT35A 采用串口通訊方式。其中采集器34980 通過不同信號的溫度以及壓力傳感器得到壓縮機的排氣壓力、吸氣壓力、排氣溫度、吸氣溫度、ECO 進口溫度等參數數值。

3 軟件系統設計

對測試軟件中采集器、調節表的通訊，以及調節表工況值等的設置進行了軟件開發，開發好的部分軟件界面如圖2 所示。

圖2 測試軟件界面

3.1 軟件功能模塊

考慮到軟件的可繼承性與通用性，測試軟件采用模塊化設計［9－10］，大致由以下幾個部分組成。

（1）儀表通訊模塊

儀表通訊模塊主要實現采集器34980 和調節表UT35A 的通訊，以及將采集器和調節表的一些設備功能添加到軟件中，如采集器的零點修正功能，在軟件面板中設置調節表等。

（2）數據交互模塊

根據采集器34980 中不同通道的信號類型，依據Internet TCP／IP通訊協議以及不同測點對應的采集器通道號，得到相應參數的數值，并且保存到Access數據庫的相應位置，以滿足對這些參數的統計、監視以及控制。此部分為測試軟件的核心部分。

（3）數據顯示模塊

軟件單獨開發了數據顯示界面，主要包括測量項目的顯示界面、計算項目（測量項目按照壓縮機國家標準《GB－T 5773－2016 容積式制冷劑壓縮機性能試驗方法》計算得到計算項目的數值）的顯示界面、熱電偶工質壓力顯示界面（為了便于軟件的使用，將熱電偶和工質壓力從測量項目中獨立出來）、曲線界面以及其他界面（如螺桿式壓縮機銘牌參數界面）。其中曲線界面不僅可以顯示測量項目、熱電偶、工質壓力等曲線，而且可以顯示計算項目曲線，相對于顯示面板的數值顯示，曲線更加直觀，便于對實驗過程中不同階段的參數值進行觀測。

（4）生成報告模塊

通過設置試驗報告的開始時間、結束時間以及試驗組數，點擊報告保存，可以得到實驗中需要的報告。其中，在保存報告前，可以點擊報告預覽，對保存的報告提前進行預覽，判斷是否滿足報告的需求。

（5）軟件輔助模塊

軟件輔助模塊主要包括銘牌參數面板，工況信息設定面板以及試驗類型與資源選擇面板等，其中試驗類型與資源選擇面板主要進行試驗類型選擇、吸氣口管徑選擇、制冷劑選擇等；銘牌參數面板主要包括螺桿式壓縮機的一些設備參數，可以在線進行修改；工況信息設定面板主要包括蒸發溫度、冷凝溫度、被試機吸氣溫度、被試機吸氣壓力、被試機ECO 進口溫度、被試機ECO進口壓力等工況值的設定。

（6）經濟器補氣壓力動態調節模塊

經濟器補氣壓力動態調節模塊通過如圖3 所示相應面板，通過設定“ECO判穩條件”，將由當前工況（當前工況設定值T12、P12，如圖3 所示，其中T12 為當前工況設定的ECO進口溫度，P12 為當前工況設定的ECO進口壓力）計算得出的制冷量偏差與由當前實測的五點平均P12（該P12 為軟件實測的ECO進口壓力）計算的制冷量偏差進行對比，結合二分法查找條件以及工況設定時間間隔等參數的設置，最終確定工況設定值T12、P12 的數值。

圖3 ECO補氣壓力動態調節面板

3.2 開發環境

C＋＋Builder是由Borland 公司推出的一款高性能、可視化集成開發工具［11－12］。其提供了快速高效的可視化開發環境，通過將各種功能各異的控件添加到基礎窗體Form上，并且設置其屬性以及方法，添加相應的事件函數，即可便捷高效地設計出美觀的軟件操作界面。性能優越的可視化開發環境和C＋＋程序開發語言也達到了完美地結合。因此，本文選擇C＋＋Builder6.0開發環境進行測試系統軟件的開發。

3.3 測試流程

由圖3 所示，對于ECO補氣壓力動態調節面板，當對面板中“ECO判穩條件”“二分法查找條件”等數值進行修改后，點擊位于面板中間的“進行修改”按鈕，然后點擊“重新開始ECO壓力調節”按鈕，軟件即根據設定的各參數數值進行自動動態調節。

3.4 主要函數說明

主要函數說明如下。

（1）定時器tmrRunTest

定時器的Interval屬性值設置為6000 ms，即大約每6 s循環1 次，下面的GetP12First 與GetP12Others 都是位于該函數體內部，故GetP12First與GetP12Others大約每6 s循環運行1 次。

（2）GetBiasCurrent（void）

該函數主要計算當前ECO偏差情況，并且與“ECO判穩條件”進行比較，面板“當前ECO 計算情況”顯示此時的調節狀態（已穩定，正在調節或者調節終止），若穩定，位于經濟器補氣動態調節面板最下側的顯示燈顯示綠色；若不穩定，顯示燈顯示紅色。

（3）GetP12First（double dBias1，double dBias2）

對于該函數，主要是勾選“重新進行ECO壓力調節”的第一個點進行動態調節，主要先將最近5 個壓縮機ECO進口壓力的測點（本實驗大約每6 s 對每個測點數值進行1 次測量）均值代入GetBiasCurrent（void），計算制冷量偏差情況，此時進行ECO偏差穩定判定，若穩定，則調節結束；若不穩定，則首先取此時壓縮機ECO 進口壓力與被試機排氣壓力等，代入GetBiasCurrent（void），得到dBias，若滿足二分法查找條件，則將相應的壓縮機ECO進口壓力和溫度設定到調節表中；若不滿足二分法查找條件，則根據dBias是否大于0，進行不同地調節；若dBias ＞0，即主側偏大，壓力值偏小，反之即主側偏小，壓力值偏大；進行相應地調節即可，然后繼續進行二分法條件的判定。當滿足二分法的條件時，需要計算最近5 個壓縮機ECO進口壓力均值與設定值的差值，記為dECOStep，該數值需要在GetP12Others 函數中使用。GetP12First 函數流程如圖4所示。

圖4 GetP12First函數流程

（4）GetP12Others（double dBias1，double dBias2，double dStep）

對于該函數，主要是勾選“重新進行ECO壓力調節”的除第一個點以外的所有點進行動態調節。先將最近5 個壓縮機ECO進口壓力的測點（本實驗大約每6 s對每個測點數值進行1次測量）均值代入GetBiasCurrent（void），計算制冷量偏差情況，此時進行ECO偏差穩定判定，若穩定，則調節結束；否則，根據dBias是否大于0，壓縮機ECO進口壓力加減dECOStep，進行相應地自動調節。GetP12Others函數流程如圖5所示。

圖5 GetP12Others函數流程

4 試驗結果與分析

選擇具有代表性的試驗工況進行帶經濟器的螺桿式壓縮機實驗測試，由于本實驗采用的是R134a 制冷劑，根據其相關的性能參數，得出螺桿式壓縮機的冷凝溫度范圍為18～70 ℃，蒸發溫度范圍為－26～18 ℃。為了使得各種不同的工況都得到測試，本實驗工況1 和工況2 選擇2 種比較臨界的試驗工況。分別為工況15 ℃／28 ℃（蒸發溫度／冷凝溫度，記為工況1）和－15 ℃／60 ℃（蒸發溫度／冷凝溫度，記為工況2）。

同時均勻地選取工況8 ℃／36 ℃（蒸發溫度／冷凝溫度，記為工況3），0 ℃／44 ℃（蒸發溫度／冷凝溫度，記為工況4），－8 ℃／52 ℃（蒸發溫度／冷凝溫度，記為工況5）。每種工況分別進行5 次人為手動控制ECO進口壓力以及5 次采用軟件自動控制，得到的試驗穩定達到的時間均值與標準差如表1～5 所示。

表1 工況1 采用2 種調節方式穩定時間

表2 工況2 采用2 種調節方式穩定時間

表3 工況3 采用2 種調節方式穩定時間

表4 工況4 采用2 種調節方式穩定時間

表5 工況5 采用2 種調節方式穩定時間

由表1～5 可知，基于工況1～5 這5 種不同的試驗工況，通過手動調節ECO補氣，工況達到穩定的時間均值分別為2.06 h、2.24 h、2.06 h、2.28 h、2.02 h，工況達到穩定的時間標準差分別為0.301 h、0.344 h、0.326 h、0.279 h、0.299 h；通過軟件動態調節ECO補氣，工況達到穩定的時間均值分別為1.48 h、1.56 h、1.54 h、1.44 h、1.38 h，工況達到穩定的時間標準差分別為0.066 3 h、0.102 h、0.049 0 h、0.049 0 h、0.074 8 h；通過對比，軟件動態調節ECO 補氣，達到工況穩定的時間遠小于手動調節，標準差也遠小于手動調節。說明采用軟件動態調節被試機ECO補氣很好地節約了時間并且穩定性好，可靠性高。

5 結束語

本文設計了一種基于C＋＋Builder 自動調節經濟器補氣的軟件平臺，并且通過5 種具有代表意義的試驗工況，分別進行手動調節ECO補氣和軟件自動調節ECO 補氣。通過對比，軟件動態調節ECO補氣，達到工況穩定的時間遠小于手動調節，標準差也遠小于手動調節。綜上得出，通過軟件動態調節ECO補氣，相較于手動調節，工作效率得到很大提高，且測試過程的一致性、時效性相對以前得到顯著提高，能更好地滿足產品批量生產的測試需求。

目前自主開發的螺桿式壓縮機經濟器動態補氣軟件已經在國內的某些企業得到較廣泛的應用，通過各企業工程師的反饋，該軟件穩定性高，很好地節約了人力和時間成本，得到了較高的評價。該螺桿式壓縮機經濟器動態補氣軟件具有非常好的應用市場和前景。