張 寧，沙 陸，郭 皓

(1.中國(guó)專利技術(shù)開發(fā)公司，北京100088;2.丹佛斯制冷空調(diào)部亞太區(qū)技術(shù)培訓(xùn)中心，天津301700;3.國(guó)內(nèi)貿(mào)易工程設(shè)計(jì)研究院，北京100069)

引言

制冷空調(diào)系統(tǒng)中的四大部件壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器和節(jié)流裝置中，蒸發(fā)器和冷凝器兩個(gè)熱交換器反映環(huán)境溫度和負(fù)荷的變化，壓縮機(jī)和節(jié)流裝置調(diào)節(jié)系統(tǒng)的輸出量來(lái)適應(yīng)熱交換器的需求，最終反映環(huán)境的變化。只有通過(guò)控制方案，將四大部件協(xié)調(diào)有效的利用，才能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能和穩(wěn)定運(yùn)行。

在制冷空調(diào)系統(tǒng)控制中，節(jié)流裝置的控制很大程度上決定了系統(tǒng)的節(jié)能性和可靠性。

1 控制方案所采集的參數(shù)

以采用節(jié)流閥的制冷系統(tǒng)為例，為了獲得更好的系統(tǒng)系能，制冷系統(tǒng)可采集如下參數(shù)進(jìn)行控制:

(1)低壓側(cè):蒸發(fā)壓力 (PE)、蒸發(fā)器進(jìn)口壓力 (PE－in)、蒸發(fā)器進(jìn)口溫度 (TE－in)，蒸發(fā)器出口壓力 (PE－out)、蒸發(fā)器出口溫度 (TE－out)，吸氣壓力 (PS)、吸氣溫度 (TS)，油池溫度 (TOil);

(2)高壓側(cè):冷凝壓力 (PC)、冷凝器出口溫度 (TC－out)，閥 前 壓 力 (PIN－V)、閥 前 溫 度(TIN－V)，排氣壓力 (PD)、排氣溫度 (TD);

閥門開度增加量

VODC(Valve Opening Degree Change)=F(PE，PE－in， TE－in，PE－out，TE－out，PS，TS，TOil，PC，TC－out，PIN－EXV，TIN－EXV，PD，TD)

在這里，VODC=當(dāng)前值－前一次值。即，當(dāng)前閥門的開度是由上一次的開度和計(jì)算得到的閥門開度增加量決定的。

下面具體分析每個(gè)因素如何影響節(jié)流閥門的開度，以及通常情況下和閥門開度的關(guān)系。

①蒸發(fā)壓力 (PE)—閥門的開度越大，蒸發(fā)壓力越高;

② 蒸發(fā)器進(jìn)、出口壓力 (PE－in，PE－out)—可以把蒸發(fā)器出口壓力作為蒸發(fā)壓力 (PE)，并最終在控制邏輯中參與計(jì)算;但實(shí)際上，通過(guò)計(jì)算蒸發(fā)器進(jìn)出口壓力的平均值來(lái)代替蒸發(fā)壓力對(duì)閥門開度的影響是一樣的，而且進(jìn)出口壓差同時(shí)可以驗(yàn)證流量是否合適，閥門開度越大，流量越大，壓差就越大，換熱能力也越高。

③ 蒸發(fā)器進(jìn)、出口溫度 (TE－in，TE－out)—對(duì)于直接膨脹式系統(tǒng)，閥門的開度越小，蒸發(fā)器進(jìn)出口溫差會(huì)越大，過(guò)熱度也越大。某些較小的制冷系統(tǒng)會(huì)采用蒸發(fā)器進(jìn)出口溫差來(lái)控制閥門的開度。

④吸氣壓力 (PS)—正常情況下，關(guān)閥門時(shí)，吸氣壓力會(huì)降低。在超市制冷應(yīng)用領(lǐng)域，通常閥門的開度控制是基于機(jī)組的吸氣壓力，吸氣壓力處于合理的范圍并最終滿足終端的供液量。

⑤吸氣溫度 (TS)—給定條件下，吸氣溫度應(yīng)該控制在一定的范圍內(nèi)，溫度高出這個(gè)范圍，需要增大閥門開度來(lái)降低過(guò)熱度。

⑥油池的溫度 (TOil)—油池的溫度受很多因素影響。油池溫度過(guò)高或過(guò)低可間接反映過(guò)熱度過(guò)大或沒(méi)有過(guò)熱度，因此可根據(jù)該參數(shù)調(diào)節(jié)閥門開度，使油溫度回到正常值。

⑦冷凝壓力(PC)和冷凝器出口溫度(TC－out)—控制上常將冷凝壓力和冷凝器出口溫度當(dāng)作同一值互相替換，盡管實(shí)際上兩者之間存在差值——冷凝器出口過(guò)冷度。一般冷凝壓力隨著閥門開度變大而降低。

⑧ 閥前壓力 (PIN－V)、閥前溫度 (TIN－V)—閥前的參數(shù)表示液體節(jié)流前實(shí)際的過(guò)冷度，過(guò)冷度大小直接影響閥門的節(jié)流效果。對(duì)于給定機(jī)組，在正常情況下，如果沒(méi)有足夠的過(guò)冷度，只能調(diào)小閥門的開度。

⑨排氣壓力 (PD)和排氣溫度 (TD)—排氣側(cè)的冷媒過(guò)熱度也可用來(lái)控制閥門的開度。尤其對(duì)于滿液系統(tǒng)，排氣過(guò)熱度與閥門的關(guān)系類似于吸氣過(guò)熱度，過(guò)熱度過(guò)大，則加大閥門開度。

在設(shè)定閥門開度控制參數(shù)后，可采取如圖1所示方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬處理。即:每隔1秒采集一次參數(shù)，每隔20秒進(jìn)行一次處理，進(jìn)行加權(quán)平均或者積分計(jì)算，結(jié)果作為當(dāng)前的參數(shù)值;所有的參數(shù)經(jīng)過(guò)計(jì)算后，參照設(shè)定的目標(biāo)值，得出當(dāng)前閥門開度的增量。

圖1 數(shù)據(jù)處理模擬圖

2 使用過(guò)熱度來(lái)控制閥門開度［1］

過(guò)熱度作為反映節(jié)流裝置控制能力的最重要性能參數(shù)之一，過(guò)熱度越小，節(jié)能效果越好;而只有過(guò)熱度足夠，才能保證系統(tǒng)的可靠性;因此只有對(duì)過(guò)熱度進(jìn)行優(yōu)化，才能同時(shí)滿足節(jié)能和可靠性的要求。

通常，過(guò)熱度控制應(yīng)具有如下功能:

(1)所采集的參數(shù)應(yīng)該能夠同時(shí)反映由于環(huán)境溫度變化引起的蒸發(fā)器和冷凝器的變化;

(2)當(dāng)外部條件變化時(shí)，所選參數(shù)和方案應(yīng)實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)化;

(3)所選方案能使設(shè)備穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

對(duì)于直接膨脹系統(tǒng)，閥門開度控制最普通的方法就是基于壓縮機(jī)的吸氣過(guò)熱度或者蒸發(fā)器的出口過(guò)熱度。吸氣過(guò)熱度波動(dòng)范圍相對(duì)排氣過(guò)熱度較小，因此閥門開度控制比較穩(wěn)定，數(shù)據(jù)容易處理。但在啟動(dòng)、關(guān)機(jī)、除霜、除濕階段，或回油均油循環(huán)、負(fù)載變化較大等非穩(wěn)定運(yùn)行工況下，吸氣過(guò)熱度控制方案需要特殊的處理［2］。

3 基于吸氣過(guò)熱度的控制邏輯

在直接膨脹系統(tǒng)中，采用吸氣過(guò)熱度作為閥門開度控制參數(shù)時(shí)，可通過(guò)采集如下參數(shù)計(jì)算并得出過(guò)熱度:(1)蒸發(fā)器進(jìn)出口的溫度［3］;(2)蒸發(fā)器盤管中間溫度和出口溫度［4］(或壓縮機(jī)吸氣溫度［5］);(3)蒸發(fā)器出口溫度和該位置壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度［6］;(4)蒸發(fā)器中間溫度、冷凝器中間溫度［7］。常見(jiàn)的邏輯模塊如圖2所示。

圖2 直接膨脹系統(tǒng)中閥門開度控制方案

各模塊可采用如下控制邏輯:

(1)穩(wěn)定運(yùn)行階段的控制邏輯

當(dāng)機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行沒(méi)有負(fù)載或外部條件變化時(shí)，閥門開度應(yīng)僅由蒸發(fā)器出口的過(guò)熱度來(lái)決定，通過(guò)PID計(jì)算使閥門的開度變化保證過(guò)熱度始終受控于目標(biāo)范圍以內(nèi)，因?yàn)閱为?dú)吸氣過(guò)熱度不足以反映壓縮機(jī)的過(guò)熱或過(guò)冷，有時(shí)壓縮機(jī)的排氣溫度或者低壓也被作為參數(shù)來(lái)控制閥門的開度，最終確保壓縮機(jī)的安全。

(2)機(jī)組啟動(dòng)階段初始化

正常情況下壓縮機(jī)啟動(dòng)前的一定時(shí)間內(nèi)閥門需要執(zhí)行初始化程序來(lái)復(fù)位到0開度。按照環(huán)境溫度和初始負(fù)荷，閥門開到初始開度后，該開度應(yīng)該保持一定的時(shí)間，使系統(tǒng)達(dá)到初步穩(wěn)定的狀態(tài)，然后閥門再按照穩(wěn)定運(yùn)行階段的控制邏輯進(jìn)行調(diào)節(jié)。

(3)負(fù)載突變時(shí)的閥門調(diào)節(jié)

對(duì)于多個(gè)壓縮機(jī)并聯(lián)的系統(tǒng)，當(dāng)需要更多壓縮機(jī)啟動(dòng)時(shí)，閥門也需要相應(yīng)的提前額外增加開度;如果按照穩(wěn)定邏輯控制的話，短時(shí)間內(nèi)有可能造成低壓保護(hù)。同樣，卸載時(shí)，需要提前關(guān)閉一定的開度，或者按照負(fù)荷計(jì)算重新定義開度，否則容易造成回液。如果不考慮負(fù)荷突變，單純依靠PI參數(shù)的設(shè)定來(lái)滿足系統(tǒng)負(fù)荷的波動(dòng)，需要通過(guò)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證穩(wěn)定階段的PI參數(shù)是否可以滿足突變狀態(tài)下的波動(dòng)。

(4)除霜時(shí)的閥門開度控制

當(dāng)機(jī)組反向流來(lái)化掉翅片管式風(fēng)冷熱交換器上面的霜時(shí)，閥門需要保持一個(gè)定開度來(lái)保證合適的高溫冷媒來(lái)融化翅片上的霜，除霜結(jié)束后、邏輯重新回到穩(wěn)定運(yùn)行階段。

(5)除濕階段的閥門控制邏輯

除濕的情況下，過(guò)熱度的目標(biāo)值通常會(huì)降低1至2℃，這樣閥門會(huì)比正常運(yùn)行時(shí)開度稍大，同時(shí)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速降至最低，最后達(dá)到除濕的效果。

(6)處理油時(shí)的閥門控制

壓縮機(jī)部分負(fù)荷運(yùn)行一定的時(shí)間后，油需要在每個(gè)壓縮機(jī)重新建立平衡，在每個(gè)末端管路中滯留的油也需要被循環(huán)回壓縮機(jī)，這時(shí)閥門也要維持一定的開度來(lái)保證好的回油效果。

(7)關(guān)機(jī)時(shí)的閥門復(fù)位

如果電源沒(méi)有發(fā)生問(wèn)題，通常關(guān)機(jī)時(shí)閥門完全關(guān)閉，以防止冷媒遷移進(jìn)入蒸發(fā)器甚至壓縮機(jī)，比較常見(jiàn)的措施是在節(jié)流閥之前安裝電磁閥。某些應(yīng)用中，如果系統(tǒng)不怕發(fā)生冷媒遷移，則閥門在關(guān)機(jī)時(shí)可保持某一開度來(lái)使高低壓力快速平衡，減少下次啟動(dòng)時(shí)需要的壓縮機(jī)電機(jī)扭矩。

4 閥門開度優(yōu)化整合控制方案

當(dāng)前，很多大的閥門供應(yīng)商致力于提供閥門優(yōu)化整合控制方案，將節(jié)流閥門、控制器、壓力傳感器和溫度傳感器組合在一起，力圖實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化節(jié)能。如圖3所示為丹佛斯過(guò)熱度控制方案，其將ETS節(jié)流閥門、EKC控制器、AKS壓力傳感器組合，傳感器感應(yīng)系統(tǒng)狀態(tài)，傳送參數(shù)給控制器，經(jīng)過(guò)一系列計(jì)算，控制器輸出給電子膨脹閥，閥門執(zhí)行該命令，增加或者減小開度。

這種整合控制方案通過(guò)優(yōu)化可以實(shí)現(xiàn)最小過(guò)熱度控制 (MSS)，如圖4所示，淡色為目標(biāo)值，深色為實(shí)際測(cè)量的過(guò)熱度，過(guò)熱度的目標(biāo)值不是恒定的值，而是隨著當(dāng)前實(shí)際過(guò)熱度的變化而變化，在整個(gè)機(jī)組運(yùn)行的過(guò)程中，保證其過(guò)熱度的受控波動(dòng)范圍一直最大可能的靠近回液的邊緣，保證了在所有工況下的最小過(guò)熱度即最大節(jié)能。

圖3 丹佛斯過(guò)熱度控制方案

圖4 最小化過(guò)熱度控制

控制器可以通過(guò)過(guò)熱度和負(fù)荷對(duì)閥門開度實(shí)現(xiàn)雙重控制，如圖5所示?？刂破骺刂崎y門的開度，閥門的開度變化再反過(guò)來(lái)影響過(guò)熱度，保證過(guò)熱度在合理范圍內(nèi)波動(dòng)，同時(shí)，控制器還可以參考負(fù)荷的變化，來(lái)控制閥門的開度，使蒸發(fā)器的供液量直接體現(xiàn)負(fù)荷的需求。

啟動(dòng)階段，整合控制方案可防止開機(jī)時(shí)由于過(guò)熱度變化較慢，導(dǎo)致壓縮機(jī)短時(shí)間內(nèi)發(fā)生低壓保護(hù)的情況，通過(guò)參數(shù)設(shè)定可以限制閥門的最小開度，保證系統(tǒng)的正常啟動(dòng)，如圖6所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

圖5 過(guò)熱度和負(fù)荷雙重控制方案

圖6 啟動(dòng)控制方案

過(guò)熱度控制是系統(tǒng)設(shè)計(jì)最核心部分之一，控制的好壞直接影響系統(tǒng)的節(jié)能和可靠性。尤其對(duì)于多壓縮機(jī)并聯(lián)及負(fù)荷變化較大的系統(tǒng)，系統(tǒng)的安全運(yùn)行和性能優(yōu)化需要精確的過(guò)熱度控制。本文對(duì)閥門開度控制方案進(jìn)行了總結(jié)，并通過(guò)引入丹佛斯的優(yōu)化控制方案對(duì)閥門控制方案中需要解決的問(wèn)題進(jìn)行了探討。隨著技術(shù)的進(jìn)步，相信越來(lái)越多的控制方案能夠?qū)χ评淇照{(diào)系統(tǒng)進(jìn)行更加精確可靠的控制［8］。

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