全年供冷的風(fēng)冷螺桿機(jī)組控制策略研究

程琦，陳培生，黃凱亮，鐘海玲

（珠海格力電器股份有限公司，廣東珠海 519070）

全年供冷的風(fēng)冷螺桿機(jī)組控制策略研究

程琦*，陳培生，黃凱亮，鐘海玲

（珠海格力電器股份有限公司，廣東珠海 519070）

全年運(yùn)行制冷的風(fēng)冷螺桿機(jī)組，在冬季低環(huán)境溫度下，很小的系統(tǒng)高低壓差會(huì)導(dǎo)致制冷劑供液不足和壓縮機(jī)無(wú)法可靠運(yùn)行等問(wèn)題。本文對(duì)于全年運(yùn)行制冷的風(fēng)冷螺桿機(jī)組進(jìn)行分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，提出了變頻風(fēng)機(jī)和定頻風(fēng)機(jī)混合控制策略。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果顯示，采用變頻風(fēng)機(jī)和定頻風(fēng)機(jī)混合控制策略，基于不同環(huán)境溫度下的變頻風(fēng)機(jī)初始步數(shù)控制，在全年不同環(huán)境溫度下，冷凝溫度控制穩(wěn)定，系統(tǒng)波動(dòng)小，能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)冷螺桿機(jī)組全年（環(huán)境溫度大于-25℃）的可靠運(yùn)行供冷。

風(fēng)冷冷水機(jī)組；變頻風(fēng)機(jī)；全年供冷；控制策略

0　引言

在風(fēng)冷空調(diào)機(jī)組的應(yīng)用場(chǎng)合中，有些場(chǎng)合是全年發(fā)熱的，這就需要全年制冷，如計(jì)算機(jī)機(jī)房、工藝性廠房。這些場(chǎng)合不僅在夏季需要制冷，在冬季同樣需要制冷。目前市面上的舒適性風(fēng)冷空調(diào)機(jī)組，按照國(guó)標(biāo)設(shè)計(jì)，滿足最低工作環(huán)境溫度21℃[1]。機(jī)組運(yùn)行在低環(huán)境溫度（特別是＜10℃）時(shí)，容易出現(xiàn)啟動(dòng)困難、低壓保護(hù)、系統(tǒng)壓差保護(hù)和壓縮機(jī)回油不良等現(xiàn)象，無(wú)法滿足全年（環(huán)境溫度最低到-25℃）制冷的需求[2-4]。

為了能夠?qū)崿F(xiàn)全年運(yùn)行制冷，確保低環(huán)境溫度下可靠運(yùn)行制冷，目前通用的有以下2種方案。

1）采用油泵輔助供油。在低環(huán)境溫度工況，壓縮機(jī)啟動(dòng)過(guò)程通過(guò)油泵開(kāi)啟供油，系統(tǒng)壓差建立后油泵停止供油[5-6]。

2）控制室外冷凝風(fēng)機(jī)風(fēng)量。在低溫工況下，降低室外冷凝風(fēng)機(jī)風(fēng)量，使機(jī)組建立足夠的壓差來(lái)保證壓縮機(jī)的可靠運(yùn)行[7-8]。

低環(huán)境溫度下啟動(dòng)過(guò)程中采用油泵輔助供油方案，在相關(guān)文獻(xiàn)中有較多的闡述[9]；本文對(duì)運(yùn)行過(guò)程中的室外冷凝風(fēng)機(jī)風(fēng)量控制進(jìn)行詳細(xì)闡述。在大型風(fēng)冷空調(diào)機(jī)組設(shè)計(jì)中，室外冷凝風(fēng)機(jī)均是采用多臺(tái)軸流式風(fēng)機(jī)[10]，若采用全部變頻風(fēng)機(jī)方案，存在造價(jià)成本高、全變頻風(fēng)機(jī)控制復(fù)雜和易受干擾的問(wèn)題[11]；若采用全部定頻風(fēng)機(jī)，存在風(fēng)量波動(dòng)大、系統(tǒng)不穩(wěn)定、風(fēng)機(jī)頻繁開(kāi)停和可靠性低的問(wèn)題。為了實(shí)現(xiàn)全年運(yùn)行制冷，究竟采用何種既經(jīng)濟(jì)又可靠的控制策略，本文進(jìn)行了詳細(xì)的研究分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1　理論分析

1.1需求分析

由圖1可知，程控機(jī)房和工藝性廠房的全年冷負(fù)荷隨季節(jié)變化并不明顯[12]。

圖1　某程控機(jī)房全年空調(diào)負(fù)荷變化

考慮到實(shí)際應(yīng)用環(huán)境溫度大于20℃時(shí)，與普通舒適性空調(diào)使用環(huán)境一致，本文不再對(duì)此點(diǎn)進(jìn)行闡述，重點(diǎn)針對(duì)環(huán)境溫度(-25～20)℃使用工況進(jìn)行闡述。

全年運(yùn)行制冷空調(diào)機(jī)組，負(fù)荷變化不大，分析冷凝風(fēng)量的變化范圍，根據(jù)換熱公式：

由式(1)和式(2)可以得出式(3)：

式中：

Q——冷凝負(fù)荷，kW；

cp——空氣的定壓比熱容，kJ/(kg·K)；

qm——空氣的質(zhì)量流量，kg/s；

V——風(fēng)量，m3/s；

ρ——空氣密度，kg/m3；

ΔT——翅片進(jìn)出風(fēng)溫差，℃。

可知，當(dāng)環(huán)境溫度降低和進(jìn)出風(fēng)溫差加大時(shí)，在同等冷凝負(fù)荷下，換熱器所需要的風(fēng)量越來(lái)越小。利用CoilLab軟件仿真分析翅片冷凝器，在相同的冷凝負(fù)荷條件，環(huán)境溫度與冷凝風(fēng)量的需求變化曲線如圖2所示。

圖2　環(huán)境溫度-冷凝負(fù)荷關(guān)系圖

通過(guò)圖2可以看出，在相同的冷凝負(fù)荷下，隨著環(huán)境溫度的降低，冷凝風(fēng)量需求降低。在環(huán)境溫度(-25～20)℃范圍內(nèi)，最高與最低冷凝需求風(fēng)量相差6.5倍，若考慮低環(huán)境溫度下負(fù)荷減半，最高到最低的冷凝需求風(fēng)量相差達(dá)到13倍。由于環(huán)境溫度的變化是連續(xù)的過(guò)程，風(fēng)量的變化也需要做到連續(xù)變化[13]，需要對(duì)變工況和變壓縮機(jī)負(fù)荷過(guò)程冷凝風(fēng)量的控制策略進(jìn)行研究。

1.2方案對(duì)比

為了實(shí)現(xiàn)風(fēng)量控制變化調(diào)節(jié)，提出了以下3種方案，并對(duì)以下3種方案進(jìn)行優(yōu)劣分析（見(jiàn)表1）。

表1　3種風(fēng)機(jī)方案對(duì)比

圖3為3種不同方案的風(fēng)量變化曲線圖。

通過(guò)圖3和以上分析，采用定頻風(fēng)機(jī)加變頻風(fēng)機(jī)混合控制策略可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)量的無(wú)級(jí)變化過(guò)程，是一個(gè)經(jīng)濟(jì)可行的方案。

圖3　風(fēng)量變化關(guān)系圖

1.3控制策略

由于用戶負(fù)荷的變化和用戶工況的變化，機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的變化過(guò)程，其冷凝壓力和冷凝負(fù)荷等狀態(tài)參數(shù)均在連續(xù)變化。若風(fēng)機(jī)對(duì)風(fēng)量的調(diào)節(jié)不到位容易出現(xiàn)系統(tǒng)高壓保護(hù)、低壓保護(hù)和壓差保護(hù)等[14]。對(duì)變頻風(fēng)機(jī)的調(diào)節(jié)速率、定頻和變頻風(fēng)機(jī)切換過(guò)程的響應(yīng)速率等提出了嚴(yán)格的要求。

為了實(shí)現(xiàn)風(fēng)量的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，通過(guò)檢測(cè)與冷凝壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度和環(huán)境溫度，對(duì)定頻風(fēng)機(jī)與變頻風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制[15]，混合控制策略如下：

1）初始步幅設(shè)定

根據(jù)不同的環(huán)境溫度設(shè)定不同的變頻風(fēng)機(jī)初始步幅（表2）。

表2　變頻風(fēng)機(jī)初始步幅

2）運(yùn)行過(guò)程控制

基本控制思路如表3所示，即變頻風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)微調(diào)，定頻風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)粗調(diào)。

表3　風(fēng)機(jī)控制思路

①環(huán)境溫度＞15℃，定頻風(fēng)機(jī)和變頻風(fēng)機(jī)相互獨(dú)立控制，變頻風(fēng)機(jī)和定頻風(fēng)機(jī)按照各自的控制方式進(jìn)行升降頻和開(kāi)關(guān)。

②環(huán)境溫度≤10℃，定頻風(fēng)機(jī)和變頻風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)相互關(guān)聯(lián)控制，定頻風(fēng)機(jī)開(kāi)啟必須滿足變頻風(fēng)機(jī)為滿頻，定頻風(fēng)機(jī)開(kāi)啟前，變頻風(fēng)機(jī)降頻至一定頻率，定頻風(fēng)機(jī)關(guān)閉必須滿足變頻風(fēng)機(jī)為最小頻率，定頻風(fēng)機(jī)關(guān)閉后，變頻風(fēng)機(jī)升頻至一定頻率，控制時(shí)序圖如圖4所示。

圖4　環(huán)境溫度小于10℃，風(fēng)機(jī)控制時(shí)序圖

③10℃＜環(huán)境溫度≤15℃，記憶之前的風(fēng)機(jī)控制方式，若之前為控制方式①，則按照控制方式①進(jìn)行控制，若之前為控制方式②，則按照控制方式②進(jìn)行控制。

2　試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法

2.1試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用格力風(fēng)冷螺桿機(jī)組LSBLGF375MH/ NbA機(jī)組進(jìn)行驗(yàn)證。用于本研究的實(shí)驗(yàn)裝置能夠控制風(fēng)機(jī)開(kāi)啟數(shù)量。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)外觀如圖5。

圖5　測(cè)試樣機(jī)外觀圖

整機(jī)有六臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)葉輪由四片翅片組成，倒M結(jié)構(gòu)形式，總共有4臺(tái)定頻風(fēng)機(jī)和2臺(tái)變頻風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)布置圖如圖6所示。其中風(fēng)機(jī)1和風(fēng)機(jī)2為變頻風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)3～風(fēng)機(jī)6為定頻風(fēng)機(jī)。

圖6　風(fēng)機(jī)布置圖

圖7　機(jī)組系統(tǒng)原理

2.2試驗(yàn)方法

1）試驗(yàn)時(shí)控制出水溫度不變，通過(guò)調(diào)節(jié)環(huán)境溫度從20℃下降到-25℃及從-25℃上升到20℃，每1 min記錄1組環(huán)境溫度、冷凝溫度、變頻風(fēng)機(jī)頻率和定頻風(fēng)機(jī)開(kāi)啟、關(guān)閉情況。

2）試驗(yàn)時(shí)控制出水溫度不變，將變頻風(fēng)機(jī)頻率固定為100%（當(dāng)做定頻風(fēng)機(jī)使用），通過(guò)調(diào)節(jié)環(huán)境溫度從20℃下降到-25℃及從-25℃上升到20℃，每1分鐘記錄1組環(huán)境溫度、冷凝溫度、變頻風(fēng)機(jī)頻率和定頻風(fēng)機(jī)開(kāi)啟、關(guān)閉情況。

3）在環(huán)境溫度-25℃、8℃、18℃時(shí)分別啟動(dòng)機(jī)組，每10秒記錄1組環(huán)境溫度、冷凝溫度和變頻風(fēng)機(jī)頻率。

3　試驗(yàn)結(jié)果分析

由圖8可以看出，隨著環(huán)境溫度的降低，對(duì)于冷凝風(fēng)量的需求降低。在環(huán)境溫度20℃以下，降低環(huán)境溫度，機(jī)組會(huì)進(jìn)入變頻風(fēng)機(jī)關(guān)小調(diào)節(jié)和定頻風(fēng)機(jī)關(guān)閉調(diào)節(jié)，冷凝溫度基本上能夠控制34℃左右。定頻風(fēng)機(jī)關(guān)閉切換過(guò)程中，冷凝溫度有個(gè)快速上升過(guò)程，而后逐漸降低至穩(wěn)定狀態(tài)，冷凝溫度最大波動(dòng)范圍在30℃～40℃。在這個(gè)波動(dòng)范圍內(nèi)，蒸發(fā)溫度并無(wú)明顯的波動(dòng)，控制效果理想。

圖8　降環(huán)境溫度運(yùn)行過(guò)程

由圖9可以看出，隨著環(huán)境溫度的上升，機(jī)組對(duì)于冷凝風(fēng)量的需求上升，變頻風(fēng)機(jī)頻率逐漸上升。在環(huán)境溫度5℃以下，通過(guò)調(diào)節(jié)變頻風(fēng)機(jī)能夠滿足風(fēng)機(jī)風(fēng)量需求，機(jī)組冷凝溫度穩(wěn)定。當(dāng)環(huán)境溫度進(jìn)一步上升，需要開(kāi)定頻風(fēng)機(jī)。定頻風(fēng)機(jī)開(kāi)啟過(guò)程中，冷凝溫度有輕微的下降，而后逐漸降低至穩(wěn)定狀態(tài)，冷凝溫度最大波動(dòng)范圍在32℃～38℃。在這個(gè)波動(dòng)范圍內(nèi)，蒸發(fā)溫度并無(wú)明顯的波動(dòng)，控制效果理想。

圖9　升環(huán)境溫度運(yùn)行過(guò)程

由圖10可以看出，將變頻風(fēng)機(jī)頻率固定100%，隨著環(huán)境溫度的降低，機(jī)組對(duì)于冷凝風(fēng)量的需求降低。在環(huán)境溫度20℃以下，降低環(huán)境溫度，冷凝溫度降低，定頻風(fēng)機(jī)出現(xiàn)關(guān)閉和開(kāi)啟的振蕩調(diào)節(jié)。隨著環(huán)境溫度的降低，定頻風(fēng)機(jī)在開(kāi)和關(guān)波動(dòng)過(guò)程中，風(fēng)機(jī)開(kāi)啟時(shí)由于高壓壓力迅速降低，導(dǎo)致整機(jī)供液不足，出現(xiàn)低壓保護(hù)。當(dāng)變頻風(fēng)機(jī)手動(dòng)100%控制時(shí)，在環(huán)境溫度-25℃時(shí)啟動(dòng)，由于啟動(dòng)高壓很低，壓縮機(jī)一啟動(dòng)，立刻出現(xiàn)系統(tǒng)低壓保護(hù)，壓縮機(jī)無(wú)法正常運(yùn)行。

圖10　變頻風(fēng)機(jī)100%控制100負(fù)荷降環(huán)境溫度運(yùn)行過(guò)程

圖11表明，當(dāng)機(jī)組在環(huán)境溫度極低時(shí)啟動(dòng)，在環(huán)境溫度-25℃左右，此時(shí)定頻風(fēng)機(jī)不開(kāi)，變頻風(fēng)機(jī)從0%步幅運(yùn)行，壓縮機(jī)開(kāi)啟60 s左右，系統(tǒng)高低壓差建立起來(lái)，隨著機(jī)組負(fù)荷增加，冷凝溫度升高，變頻風(fēng)機(jī)逐漸加載，最終穩(wěn)定在40%步幅。冷凝溫度基本穩(wěn)定在33℃，系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。

圖12表明，環(huán)境溫度較低時(shí)，當(dāng)機(jī)組在環(huán)境溫度8℃左右啟動(dòng)時(shí)，變頻風(fēng)機(jī)從初始50%步幅運(yùn)行，壓縮機(jī)開(kāi)啟50 s，系統(tǒng)高低壓差建立起來(lái)。隨著機(jī)組負(fù)荷增加，冷凝溫度升高，變頻風(fēng)機(jī)逐漸加載，最終穩(wěn)定在100%步幅。冷凝溫度基本穩(wěn)定在35℃，系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。

圖11　環(huán)境溫度-25℃工況下的啟動(dòng)運(yùn)行過(guò)程

圖12　環(huán)境溫度8℃工況下的啟動(dòng)運(yùn)行過(guò)程

圖13表明，環(huán)境溫度較低時(shí)，當(dāng)機(jī)組在環(huán)境溫度18℃左右啟動(dòng)時(shí)，變頻風(fēng)機(jī)從100%步幅運(yùn)行，壓縮機(jī)開(kāi)啟20 s系統(tǒng)壓差建立起來(lái)。隨著機(jī)組負(fù)荷增加，冷凝溫度升高，定頻風(fēng)機(jī)開(kāi)啟，開(kāi)了一組定頻風(fēng)機(jī)。冷凝溫度基本穩(wěn)定在34℃，系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。

圖13　環(huán)境溫度18℃工況下的運(yùn)行過(guò)程

4　結(jié)論

1）采用定頻風(fēng)機(jī)和變頻風(fēng)機(jī)混合控制策略控制冷凝風(fēng)量，機(jī)組在環(huán)境溫度(-25～20)℃之間變化，可以較穩(wěn)定地控制冷凝溫度，實(shí)現(xiàn)機(jī)組系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。

2）采用全定頻風(fēng)機(jī)控制的方案，在低環(huán)境溫度工況下，冷凝溫度波動(dòng)大，定頻風(fēng)機(jī)頻繁開(kāi)停，無(wú)法滿足控制要求，可靠性差。

3）基于不同環(huán)境溫度區(qū)間，自動(dòng)設(shè)置不同的變頻風(fēng)機(jī)初始步數(shù)，啟動(dòng)后系統(tǒng)壓差和低壓能夠快速達(dá)到目標(biāo)要求，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)組在不同環(huán)境溫度可靠啟動(dòng)。

4）采用定頻風(fēng)機(jī)和變頻風(fēng)機(jī)混合控制策略，能夠?qū)崿F(xiàn)全年最低環(huán)境溫度-25℃開(kāi)啟壓縮機(jī)制冷的需求，相比全定頻風(fēng)機(jī)控制方案，具有系統(tǒng)波動(dòng)小、穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)，優(yōu)勢(shì)明顯。

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Research on Control Strategy of Air-cooled Screw Chiller Operation for Cooling on a Whole Year

CHENG Qi*,CHEN Pei-sheng,HUANG Kai-liang,ZHONG Hai-ling
(Gree Electric Appliances,Inc. of Zhuhai,Zhuhai,Guangdong 519070,China)

For the air-cooled screw chiller which runs all the year round,under low environment temperature condition in winter,small pressure difference between the high and low pressure sides in the system would lead to inadequate refrigerant supply,non-credible operation of the compressor. In the present study,the performance of the air-cooled screw chiller was analyzed and validated experimentally,and a mixed control strategy to the fixed-frequency and variable-frequency fans was proposed. Tests results show that this mixed control strategy can control initial steps of the variable-frequency fan under different environment temperatures,and keep condensing temperature stable under different environment temperatures and finally make the air-cooled screw chiller run stably all the year around (environment temperature above minimum -25℃).

Air cooled chillers； Variable frequency fan； whole year cooling； Control strategy

10.3969/j.issn.2095-4468.2016.05.203

*程琦（1989-），男，學(xué)士，研究方向：風(fēng)冷螺桿式冷水機(jī)組設(shè)計(jì)。聯(lián)系地址：廣東省珠海市前山金雞西路789號(hào)格力電器商技一部，郵編：519070。聯(lián)系電話：0756-8668527。E-mail：hc362329@126.com。

國(guó)家科技重大專項(xiàng)子課題MS02風(fēng)冷螺桿式冷水機(jī)組研制（No. 2014ZX06004004-006）。