螺桿式制冷壓縮機帶經(jīng)濟器動態(tài)補氣軟件設(shè)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(zhuǎn)平穩(wěn)、體積小、重量輕、效率高等優(yōu)點［1－2］而廣泛應(yīng)用于制冷空調(diào)行業(yè)，然而在低溫工況下（即蒸發(fā)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(jīng)濟器連通，共同構(gòu)成了帶經(jīng)濟器的螺桿式制冷壓縮機系統(tǒng)［3－6］。增加經(jīng)濟器循環(huán)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(yīng)提升，最終達到節(jié)約能源的作用［7－8］。

然而在進行帶經(jīng)濟器的螺桿式壓縮機測試時，對壓縮機ECO（ECO即指經(jīng)濟器）進口溫度和壓力手動工況設(shè)置時，不僅耗時長，而且調(diào)節(jié)的準確度低。因此有必要通過軟件編程及相應(yīng)的邏輯算法，對壓縮機ECO 進口溫度和壓力進行自動動態(tài)調(diào)節(jié)。在壓縮機試驗中增加ECO 補氣動態(tài)調(diào)節(jié)軟件系統(tǒng)，壓縮機測試的效果得到提高，提高測試結(jié)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(jié)約了人力成本，在制冷空調(diào)行業(yè)將會發(fā)揮越來越大的作用。

1 帶經(jīng)濟器的制冷壓縮機系統(tǒng)

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(jīng)濟器連通，可以提高壓縮機的性能系數(shù)。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(zhuǎn)子齒槽，在螺桿轉(zhuǎn)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(nèi)壓縮；其次，與由經(jīng)濟器ECO 側(cè)導入的中間補氣混合，使齒槽內(nèi)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(xù)被壓縮，稱為兩級內(nèi)壓縮。

圖1 帶經(jīng)濟器壓縮機原理

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

對螺桿式壓縮機的測試接口和測試需求進行調(diào)研分析，測試系統(tǒng)擬采用計算機對螺桿式壓縮機和通訊設(shè)備進行控制并接收存儲相應(yīng)的測試數(shù)據(jù)。采集器采用美國惠普公司的34980；調(diào)節(jié)表采用日本橫河的UT350 系列；測試計算機與采集器34980 采用網(wǎng)口通訊方式；調(diào)節(jié)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(shù)數(shù)值。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

對測試軟件中采集器、調(diào)節(jié)表的通訊，以及調(diào)節(jié)表工況值等的設(shè)置進行了軟件開發(fā)，開發(fā)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(shè)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(xiàn)采集器34980 和調(diào)節(jié)表UT35A 的通訊，以及將采集器和調(diào)節(jié)表的一些設(shè)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(shè)置調(diào)節(jié)表等。

（2）數(shù)據(jù)交互模塊

根據(jù)采集器34980 中不同通道的信號類型，依據(jù)Internet TCP／IP通訊協(xié)議以及不同測點對應(yīng)的采集器通道號，得到相應(yīng)參數(shù)的數(shù)值，并且保存到Access數(shù)據(jù)庫的相應(yīng)位置，以滿足對這些參數(shù)的統(tǒng)計、監(jiān)視以及控制。此部分為測試軟件的核心部分。

（3）數(shù)據(jù)顯示模塊

軟件單獨開發(fā)了數(shù)據(jù)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(shù)值）的顯示界面、熱電偶工質(zhì)壓力顯示界面（為了便于軟件的使用，將熱電偶和工質(zhì)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(shù)界面）。其中曲線界面不僅可以顯示測量項目、熱電偶、工質(zhì)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(shù)值顯示，曲線更加直觀，便于對實驗過程中不同階段的參數(shù)值進行觀測。

（4）生成報告模塊

通過設(shè)置試驗報告的開始時間、結(jié)束時間以及試驗組數(shù)，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(yù)覽，對保存的報告提前進行預(yù)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(shù)面板，工況信息設(shè)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(shù)面板主要包括螺桿式壓縮機的一些設(shè)備參數(shù)，可以在線進行修改；工況信息設(shè)定面板主要包括蒸發(fā)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(shè)定。

（6）經(jīng)濟器補氣壓力動態(tài)調(diào)節(jié)模塊

經(jīng)濟器補氣壓力動態(tài)調(diào)節(jié)模塊通過如圖3 所示相應(yīng)面板，通過設(shè)定“ECO判穩(wěn)條件”，將由當前工況（當前工況設(shè)定值T12、P12，如圖3 所示，其中T12 為當前工況設(shè)定的ECO進口溫度，P12 為當前工況設(shè)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(jié)合二分法查找條件以及工況設(shè)定時間間隔等參數(shù)的設(shè)置，最終確定工況設(shè)定值T12、P12 的數(shù)值。

圖3 ECO補氣壓力動態(tài)調(diào)節(jié)面板

3.2 開發(fā)環(huán)境

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

3.3 測試流程

由圖3 所示，對于ECO補氣壓力動態(tài)調(diào)節(jié)面板，當對面板中“ECO判穩(wěn)條件”“二分法查找條件”等數(shù)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(diào)節(jié)”按鈕，軟件即根據(jù)設(shè)定的各參數(shù)數(shù)值進行自動動態(tài)調(diào)節(jié)。

3.4 主要函數(shù)說明

主要函數(shù)說明如下。

（1）定時器tmrRunTest

定時器的Interval屬性值設(shè)置為6000 ms，即大約每6 s循環(huán)1 次，下面的GetP12First 與GetP12Others 都是位于該函數(shù)體內(nèi)部，故GetP12First與GetP12Others大約每6 s循環(huán)運行1 次。

（2）GetBiasCurrent（void）

該函數(shù)主要計算當前ECO偏差情況，并且與“ECO判穩(wěn)條件”進行比較，面板“當前ECO 計算情況”顯示此時的調(diào)節(jié)狀態(tài)（已穩(wěn)定，正在調(diào)節(jié)或者調(diào)節(jié)終止），若穩(wěn)定，位于經(jīng)濟器補氣動態(tài)調(diào)節(jié)面板最下側(cè)的顯示燈顯示綠色；若不穩(wěn)定，顯示燈顯示紅色。

（3）GetP12First（double dBias1，double dBias2）

對于該函數(shù)，主要是勾選“重新進行ECO壓力調(diào)節(jié)”的第一個點進行動態(tài)調(diào)節(jié)，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(shù)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(wěn)定判定，若穩(wěn)定，則調(diào)節(jié)結(jié)束；若不穩(wěn)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(yīng)的壓縮機ECO進口壓力和溫度設(shè)定到調(diào)節(jié)表中；若不滿足二分法查找條件，則根據(jù)dBias是否大于0，進行不同地調(diào)節(jié)；若dBias ＞0，即主側(cè)偏大，壓力值偏小，反之即主側(cè)偏小，壓力值偏大；進行相應(yīng)地調(diào)節(jié)即可，然后繼續(xù)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(shè)定值的差值，記為dECOStep，該數(shù)值需要在GetP12Others 函數(shù)中使用。GetP12First 函數(shù)流程如圖4所示。

圖4 GetP12First函數(shù)流程

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

對于該函數(shù)，主要是勾選“重新進行ECO壓力調(diào)節(jié)”的除第一個點以外的所有點進行動態(tài)調(diào)節(jié)。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(shù)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(wěn)定判定，若穩(wěn)定，則調(diào)節(jié)結(jié)束；否則，根據(jù)dBias是否大于0，壓縮機ECO進口壓力加減dECOStep，進行相應(yīng)地自動調(diào)節(jié)。GetP12Others函數(shù)流程如圖5所示。

圖5 GetP12Others函數(shù)流程

4 試驗結(jié)果與分析

選擇具有代表性的試驗工況進行帶經(jīng)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(jù)其相關(guān)的性能參數(shù)，得出螺桿式壓縮機的冷凝溫度范圍為18～70 ℃，蒸發(fā)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(fā)溫度／冷凝溫度，記為工況1）和－15 ℃／60 ℃（蒸發(fā)溫度／冷凝溫度，記為工況2）。

同時均勻地選取工況8 ℃／36 ℃（蒸發(fā)溫度／冷凝溫度，記為工況3），0 ℃／44 ℃（蒸發(fā)溫度／冷凝溫度，記為工況4），－8 ℃／52 ℃（蒸發(fā)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(wěn)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(diào)節(jié)方式穩(wěn)定時間

表2 工況2 采用2 種調(diào)節(jié)方式穩(wěn)定時間

表3 工況3 采用2 種調(diào)節(jié)方式穩(wěn)定時間

表4 工況4 采用2 種調(diào)節(jié)方式穩(wěn)定時間

表5 工況5 采用2 種調(diào)節(jié)方式穩(wěn)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(diào)節(jié)ECO補氣，工況達到穩(wěn)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(wěn)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(tài)調(diào)節(jié)ECO補氣，工況達到穩(wěn)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(wěn)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(tài)調(diào)節(jié)ECO 補氣，達到工況穩(wěn)定的時間遠小于手動調(diào)節(jié)，標準差也遠小于手動調(diào)節(jié)。說明采用軟件動態(tài)調(diào)節(jié)被試機ECO補氣很好地節(jié)約了時間并且穩(wěn)定性好，可靠性高。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于C＋＋Builder 自動調(diào)節(jié)經(jīng)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(diào)節(jié)ECO補氣和軟件自動調(diào)節(jié)ECO 補氣。通過對比，軟件動態(tài)調(diào)節(jié)ECO補氣，達到工況穩(wěn)定的時間遠小于手動調(diào)節(jié)，標準差也遠小于手動調(diào)節(jié)。綜上得出，通過軟件動態(tài)調(diào)節(jié)ECO補氣，相較于手動調(diào)節(jié)，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(chǎn)品批量生產(chǎn)的測試需求。

目前自主開發(fā)的螺桿式壓縮機經(jīng)濟器動態(tài)補氣軟件已經(jīng)在國內(nèi)的某些企業(yè)得到較廣泛的應(yīng)用，通過各企業(yè)工程師的反饋，該軟件穩(wěn)定性高，很好地節(jié)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(jīng)濟器動態(tài)補氣軟件具有非常好的應(yīng)用市場和前景。