閥泵聯(lián)調(diào)冷水機(jī)組全自動性能評價系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與測試結(jié)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(jī)械研究院有限公司，安徽合肥 230088）

0 引言

冷水機(jī)組應(yīng)用范圍廣，市場潛力大，技術(shù)更新快，年產(chǎn)量約6萬臺，市場規(guī)模165億，正在向大型化、高效化和強(qiáng)適應(yīng)化方向發(fā)展[1]。隨著制冷技術(shù)的不斷發(fā)展，各企業(yè)對產(chǎn)品試驗(yàn)的需求量大幅度增加，冷水機(jī)組評價系統(tǒng)亦日趨多功能化、大型化，試驗(yàn)系統(tǒng)越來越復(fù)雜[2-4]。而在現(xiàn)有的冷水機(jī)組性能評價系統(tǒng)運(yùn)行過程中，主要是單獨(dú)應(yīng)用水泵變頻或者閥門調(diào)節(jié)，控制精度不高，控制較為復(fù)雜，所以隨著試驗(yàn)負(fù)載能力的變化，往往需要人工去判斷評價系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行趨勢，適時進(jìn)行冷、熱源的投入，對操作人員的要求很高，試驗(yàn)數(shù)據(jù)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(yàn)，但試驗(yàn)效率低，能耗高，設(shè)備運(yùn)行成本高，勞動強(qiáng)度大，因此傳統(tǒng)的評價系統(tǒng)已無法滿足新的試驗(yàn)需求，各企業(yè)迫切需要冷水機(jī)組性能評價系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全自動控制[8]。

本文詳細(xì)介紹了應(yīng)用調(diào)節(jié)閥和泵聯(lián)合調(diào)節(jié)的冷水機(jī)組性能評價系統(tǒng)，利用調(diào)節(jié)閥與水泵變頻聯(lián)合調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)無極控制，使該評價系統(tǒng)工況穩(wěn)定，控制精度高[9-10]。同時將自動控制技術(shù)引入該評價系統(tǒng)，使該系統(tǒng)的測控軟件與數(shù)據(jù)采集器和數(shù)字功率計(jì)實(shí)時通訊，獲取系統(tǒng)中的溫度、壓差、流量和功率等測試驗(yàn)參數(shù)并進(jìn)行計(jì)算分析，然后通過PLC對試驗(yàn)現(xiàn)場的設(shè)備啟停和運(yùn)行狀態(tài)予以實(shí)時監(jiān)視和控制，從而實(shí)現(xiàn)評價系統(tǒng)自動預(yù)判、智能干預(yù)和節(jié)能運(yùn)行的全自動測試[11-15]。

1 測試系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)流程

參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10870-2014 《蒸氣壓縮循環(huán)冷水（熱泵）機(jī)組性能試驗(yàn)方法》，搭建應(yīng)用調(diào)節(jié)閥和泵聯(lián)合調(diào)節(jié)的冷水機(jī)組性能測試系統(tǒng)，其具體流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)流程圖

試驗(yàn)過程中分別通過調(diào)節(jié)變頻水泵PUMP1和變頻水泵PUMP2的輸出頻率來控制試驗(yàn)機(jī)組使用側(cè)和熱源測中所流過的水流量，使其達(dá)到所需的額定流量。試驗(yàn)機(jī)組運(yùn)行過程中使用側(cè)所產(chǎn)生的冷量通過控制兌水泵PUMP3的輸出頻率和調(diào)節(jié)閥MV1的開度，控制從熱源測中兌進(jìn)使用側(cè)中的水流量，來調(diào)節(jié)試驗(yàn)機(jī)組的使用側(cè)出水溫度，并使其穩(wěn)定。選用水泵PUMP4及調(diào)節(jié)閥MV2把恒溫水箱的低溫水帶入試驗(yàn)機(jī)組熱源側(cè)，把熱源測與使用側(cè)平衡后多余的熱量（壓縮機(jī)做功產(chǎn)生的熱量）消除[16]。

1.2 計(jì)算方法

使用側(cè)采用液體載冷劑法，在試驗(yàn)機(jī)組使用側(cè)進(jìn)口處安裝有電磁流量計(jì)，試驗(yàn)時，通過控制水泵PUMP1和PUMP2的轉(zhuǎn)速，提供試驗(yàn)工況所需的使用側(cè)水流量和水溫。

熱源側(cè)采用機(jī)組熱平衡法，機(jī)組熱平衡法的原理和液體載冷劑法類似，依據(jù)熱源側(cè)的排放熱量和試驗(yàn)機(jī)組熱源消耗量及功率來計(jì)算該試驗(yàn)機(jī)組的制冷量與使用側(cè)制冷量進(jìn)行比較[17]。

1.3 控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

除上述提到的主要系統(tǒng)設(shè)備外，還配備有相應(yīng)精準(zhǔn)的控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

控制系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)搭配Omron的CP系列可編程控制器和威綸通的人機(jī)界面為主，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)備的投切和連鎖保護(hù)；用橫河的UT35a系列數(shù)字調(diào)節(jié)器來實(shí)現(xiàn)整套系統(tǒng)的PID閉環(huán)調(diào)節(jié)。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的精準(zhǔn)度是決定一套評價系統(tǒng)準(zhǔn)確性的重要因素，也是評價冷水機(jī)組性能的根本保證。本套評價系統(tǒng)選用橫河 MX100系列的數(shù)據(jù)采集器為主體，同時選用進(jìn)口高精度的傳感器，如橫河WT330系列數(shù)字功率計(jì)、千野INR901系列溫度傳感器、橫河 AXF系列電磁流量計(jì)等。涉及到性能參數(shù)測試的傳感器都由國家認(rèn)證機(jī)構(gòu)進(jìn)行定期計(jì)量標(biāo)定[18]。

1.4 全自動實(shí)現(xiàn)方式

評價系統(tǒng)的儀器儀表，通過以太網(wǎng)的方式和計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時通訊。

1）數(shù)據(jù)采集器將采集到的流量、溫度等實(shí)時狀態(tài)參數(shù)，傳送至計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫，再由計(jì)算機(jī)進(jìn)行記錄、存儲和運(yùn)算。

2）計(jì)算機(jī)將預(yù)設(shè)工況對應(yīng)的流量、溫度傳送至數(shù)字調(diào)節(jié)器，同時調(diào)節(jié)器將實(shí)際測量值和對應(yīng)輸出開度反饋至計(jì)算機(jī)。

3）計(jì)算機(jī)進(jìn)行評價系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性判定，根據(jù)預(yù)設(shè)的控制邏輯將相應(yīng)設(shè)備的調(diào)節(jié)命令發(fā)送給可編程控制器；同時，可編程控制器將各個設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)反饋至計(jì)算機(jī)，以保證系統(tǒng)設(shè)備的正常合理運(yùn)行。

該套評價系統(tǒng)區(qū)別于以往的常規(guī)評價系統(tǒng)，不再是由操作人員進(jìn)行設(shè)備開啟、工況設(shè)定和試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄。

測控系統(tǒng)各部分只需完成各自獨(dú)立的工作，計(jì)算機(jī)將他們整合成一個完整的系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)從接收到開始測試的運(yùn)行指令后，會根據(jù)目標(biāo)的工況參數(shù)將預(yù)設(shè)值寫入調(diào)節(jié)器，再依照設(shè)定好的開關(guān)機(jī)邏輯，逐次投入相應(yīng)設(shè)備，并實(shí)時采集系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)，進(jìn)行運(yùn)算處理，由此判斷試驗(yàn)是否進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，最后再進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析、整理和最終實(shí)驗(yàn)報(bào)告的繪制打印，從而實(shí)現(xiàn)整個試驗(yàn)過程的全自動化[19]。

2 測控軟件設(shè)計(jì)

整個全自動試驗(yàn)系統(tǒng)中，測控軟件作為核心環(huán)節(jié)，需要能夠保證系統(tǒng)中各部件的良好運(yùn)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(tǒng)的開發(fā)中，測控軟件的開發(fā)顯得尤為關(guān)鍵。

2.1 測控軟件界面設(shè)計(jì)

測控軟件采用 C++ Builder 6.0企業(yè)版結(jié)合Access數(shù)據(jù)庫引擎進(jìn)行開發(fā)，不僅要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時采集，還要能夠根據(jù)設(shè)定的條件判斷整個性能評價系統(tǒng)是否穩(wěn)定，同時要對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理、存檔、打印和實(shí)時曲線繪制。為了實(shí)現(xiàn)這些功能，專門設(shè)計(jì)了各項(xiàng)功能的顯示界面（如圖 2）。該軟件實(shí)現(xiàn)了兩種試驗(yàn)?zāi)Ｊ?，即自動試?yàn)?zāi)Ｊ胶褪謩釉囼?yàn)?zāi)Ｊ?，其中手動試?yàn)?zāi)Ｊ脚c傳統(tǒng)的試驗(yàn)?zāi)Ｊ较嗤?，測控軟件只測量不控制。在自動試驗(yàn)?zāi)Ｊ较拢僮魅藛T需預(yù)先設(shè)置模式列表，包括每個模式工況的具體參數(shù)以及工況的最長運(yùn)行時間等。

圖2 測控軟件設(shè)備監(jiān)控圖

由于在全自動試驗(yàn)?zāi)Ｊ较?，所有設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)切換均由計(jì)算機(jī)發(fā)送指令來實(shí)現(xiàn)，所以對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的記錄成為了可能，從而實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)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(jìn)行分析，并進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化。

2.2 測控軟件流程

根據(jù)試驗(yàn)要求，本測控軟件利用后臺支持與前臺的多頁面設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了軟件的簡單方便操作以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的及時準(zhǔn)確處理。軟件結(jié)構(gòu)流程如圖3所示。

圖3的測控流程中，各設(shè)備的啟動及關(guān)閉條件的循環(huán)判斷，是建立在當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)的基礎(chǔ)上，如果運(yùn)行狀態(tài)一致則無動作，如果運(yùn)行狀態(tài)不一致則進(jìn)行啟動或關(guān)閉動作，不會導(dǎo)致重復(fù)啟動。從圖 3可以看出，即使在運(yùn)行單元內(nèi)部，各設(shè)備之間的運(yùn)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(shè)備狀態(tài)控制的穩(wěn)定性[13]。

圖3 評價系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行的測控流程

3 試驗(yàn)測試結(jié)果

現(xiàn)用本套系統(tǒng)測試一臺額定制冷量為 4,200 kW的冷水機(jī)組，測試結(jié)果如圖4所示。在評價系統(tǒng)的使用側(cè)和熱源側(cè)流量達(dá)到設(shè)定工況值且保持穩(wěn)定后，控制系統(tǒng)開始調(diào)節(jié)PUMP3和PUMP4的輸出開度，繼而使進(jìn)水溫度和出水溫度達(dá)到試驗(yàn)機(jī)組的試驗(yàn)要求。從冷水機(jī)組開機(jī)運(yùn)行至穩(wěn)定只用了大約半個小時左右，使用側(cè)出水溫度、熱源側(cè)進(jìn)水溫度、水流量等工況都很穩(wěn)定，其中水溫度波動控制在±0.08 ℃以內(nèi)，水流量控制在最大±0.82 m3/h（±0.15%），明顯優(yōu)于GB/T 18430.1-2007《蒸汽壓縮循環(huán)冷水(熱泵)機(jī)組/工商業(yè)用及類似用途的汽壓縮循環(huán)冷水(熱泵)機(jī)組》的控制精度要求[20]。

圖4 測控軟件測試數(shù)據(jù)曲線示意圖

制冷產(chǎn)品由測試系統(tǒng)直接測出來的制冷量被稱為主側(cè)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(cè)換熱量，因此主輔側(cè)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(tǒng)的關(guān)鍵因素。

現(xiàn)以制冷量為2,460 kW的冷水機(jī)組在不同負(fù)荷工況下的測試主輔偏差進(jìn)行分析，如圖5所示。

從圖5中可以看出，試驗(yàn)機(jī)組在本評價系統(tǒng)試驗(yàn)時不同負(fù)荷時主輔測量偏差最大小于 4%，明顯優(yōu)于GB/T 10870-2014《蒸氣壓縮循環(huán)冷水（熱泵）機(jī)組性能試驗(yàn)方法》的精度要求。

圖5 不同測試負(fù)荷下主輔偏差

4 結(jié)論

本文提出的閥泵聯(lián)調(diào)冷水機(jī)組全自動性能測試系統(tǒng)，不僅使用調(diào)節(jié)閥和泵聯(lián)合調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)溫度的精準(zhǔn)控制，而且將自動控制技術(shù)引入到該系統(tǒng)中，相對于傳統(tǒng)冷水機(jī)組的評價系統(tǒng)，本系統(tǒng)極大地節(jié)省了人力成本，可以實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)的一鍵啟停和自動報(bào)告生成。

同時從試驗(yàn)結(jié)果來看，由于試驗(yàn)工況的調(diào)節(jié)以及穩(wěn)定維持是由測控軟件自動實(shí)現(xiàn)的，其算法和邏輯控制更為嚴(yán)謹(jǐn)，因此這套評價系統(tǒng)在調(diào)節(jié)時間和抗干擾能力方面都是優(yōu)于傳統(tǒng)冷水機(jī)組的評價系統(tǒng)。

該類評價系統(tǒng)已在空調(diào)企業(yè)應(yīng)用，從實(shí)際應(yīng)用情況來看，不僅能夠提高評價系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精確度，而且極大地提高了評價系統(tǒng)的自動化程度，縮短了試驗(yàn)時間，滿足冷水機(jī)組評價系統(tǒng)亦日趨多功能化、大型化、復(fù)雜化的要求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 樊海彬, 宋有強(qiáng), 錢雪峰, 等. 大型冷(熱)水機(jī)組性能試驗(yàn)方法的研究[J]. 制冷與空調(diào), 2010, 24(6)： 52-57.

[2] 林建泉, 樊海彬, 王福寶, 等. 冷熱水型水源熱泵性能試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)探討[J]. 發(fā)電與空調(diào), 2012, 33(5)：56-60.

[3] 蔣德倫, 錢雪峰, 鄭慶偉, 等. 冷水機(jī)組試驗(yàn)臺功能擴(kuò)展的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 制冷技術(shù), 2011, 31(3)： 6-11.

[4] 楊如輝, 鄒聲華, 林漢柱, 等. 水源熱泵熱水機(jī)的性能測試研究[J]. 建筑熱能通風(fēng)空調(diào), 2011, 30(4)： 11-13.

[5] 允闖, 姜子炎, 陳佩章, 等. 并聯(lián)變頻水泵轉(zhuǎn)速優(yōu)化控制研究[J]. 暖通空調(diào), 2015(8)： 30-35.

[6] 吳德勝, 楊昌智. 變頻變流量系統(tǒng)的節(jié)能分析與控制[J]. 制冷與空調(diào)(四川), 2007, 21(1)： 24-27

[7] 朱耀麟, 沈昕宇. 空氣源熱水機(jī)閥門調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J]. 青島科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2015,36(1)： 84-88.

[8] 夏玲, 王雷, 武亞偉, 等. 基于空氣焓差法的全自動空調(diào)性能測試系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[J]. 發(fā)電與空調(diào),2013(1)： 52-54.

[9] 蔡松素, 張偉, 昝世超, 等. 自適應(yīng)變?nèi)萘繅嚎s冷凝系統(tǒng)的控制策略研究[J]. 制冷技術(shù), 2014, 34(2)： 60-63.

[10] FILHO E P B, MENDOZA O S H, GARCIA F E M, et al.Energy conservation for refrigeration systems by means of hybrid fuzzy adaptive control techniques[J]. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, 2016, 38(6)： 1753-1766.

[11] 胡洪, 燕欣波, 宋倩倩, 等. PLC在制冷與空調(diào)測試系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 制冷與空調(diào), 2010, 10(3)： 73-76.

[12] 王雷, 姚勇, 夏玲, 等. 流體機(jī)械測試中智能儀表組態(tài)的研究與實(shí)現(xiàn)[J]. 發(fā)電與空調(diào), 2012, 33(1)： 55-57, 72.

[13] 徐根斌, 蔡靖. 基于LabVIEW2011的溴化鋰吸收式冷水機(jī)組測控軟件開發(fā)[J]. 制冷技術(shù), 2013, 33(3)： 47-51.

[14] 李樹云, 代彥軍. 大型風(fēng)冷熱泵機(jī)組性能實(shí)驗(yàn)臺節(jié)能設(shè)計(jì)與分析[J]. 制冷技術(shù), 2013, 33(2)： 1-5.

[15] ZHANG K, ZHANG X, LI S, et al. Measurement and Control System of HVAC&R Integration Testing Platform[C]// Proceedings of the 8th International Symposium on Heating, Ventilation and Air Conditioning.Springer Berlin Heidelberg, 2014： 351-359.

[16] 孔曉鳴, 林建泉, 王福寶, 等. 水源熱泵機(jī)組變工況特性的試驗(yàn)研究[J]. 制冷技術(shù), 2014, 34(2)： 38-40.

[17] 張秀平. 蒸氣壓縮循環(huán)冷水(熱泵)機(jī)組性能試驗(yàn)方法[S]. 北京： 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2015： 4-6.

[18] 鄭傳經(jīng), 黃承宏, 高啟明, 等. 制冷空調(diào)試驗(yàn)裝置中傳感器的標(biāo)定[J]. 制冷與空調(diào), 2006, 6(1)： 98-100.

[19] 盧慧芬, 盧荻, 沈若凡, 等. 新型電機(jī)綜合性能自動測試系統(tǒng)的研制與研究[J]. 電氣自動化, 2016, 38(3)：88-91.

[20] 胡祥華. 蒸汽壓縮循環(huán)冷水(熱泵)機(jī)組/工商業(yè)用及類似用途的汽壓縮循環(huán)冷水(熱泵)機(jī)組[S]. 北京： 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2008： 5-8.