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1、基于最小稳定过热度的制冷系统变负荷优化控制 由玉文1， 2 ， 吴爱国1 ， 张志刚2 ， 郭春梅2 ， 翟文鹏1( 1 天津大学电气与自动化工程学院，天津 300072;2 天津城建学院能源与机械工程系，天津 300084)摘要: 通过对采用变频压缩机和电子膨胀阀的变容量制冷系统稳定性的机理分析与实验研究辨识得到了与制 冷量相匹配的蒸发器最小稳定过热度， 并通过对压缩机频率阶跃变化下制冷系统的特性分析对最小稳定过热度进 行了验证。采用基于最小稳定过热度的压缩机频率和电子膨胀阀开度协调控制方法， 在制冷系统变负荷工况下进 行了试验。结果表明， 该方法很好的适应了制冷系统变工况的控制要求， 相比
2、常规的定过热度控制， 具有跟踪性能 良好、 动态控制精度高， 并能有效的提高制冷系统的变负荷运行时的性能系数( COP) 。关键词: 制冷系统; 优化控制; 变负荷; 最小稳定过热度Optimal control of the variable load refrigeration system based on the minimum stable superheatYou Yuwen1， 2 ，Wu Aiguo1 ，Zhang Zhigang2 ，Guo Chunmei2 ，Zhai Wenpeng1( 1 School of Electrical Engineering Automati
3、on，Tianjin University，Tianjin 300072，China;2 Tianjin Institute of Urban Construction，Tianjin 300384，China)Abstract: This paper analyzed the stability mechanism of variable capacity cooling system having a variable compressor and electronic expansion，and identified the minimum stable superheat of the
4、 evaporator outlet corresponding with the system cooling capacity through experiments，then verified the minimum stable superheat through the step changing of compressor frequency Through coordination control compressor frequency with electronic expansion valve opening based on the minimum stable sup
5、er- heat，the experiments were carried out under varying load Compared with fixed superheat，the results demonstrate that the con- troller can adapt the changes of running condition and cold load，has the characteristics of good tracking ability without overshoot， high control precision and remarkable
6、effect about COP Keywords: Refrigeration system，Optimal control，Varying load，Minimum stable superheat调节规律对压缩机和电子膨胀阀进行调节， 使系统的制冷能力与负荷变化相适应。但变容量制冷 系统中有 压 缩 机和电子膨胀阀两个流量调节装 置， 其 相互间存在着参数耦合和调节协调问 1引言2008 中国建筑节能年度发展研究报告指出，目前建筑运行能耗约占社会总能耗的 20% ， 并且 大量的公 共 建 筑中空调制冷系统所占能耗约为 60% ， 这 其 中 50% 60% 消 耗 于 冷 水 机 组
7、制 冷1。由此可 见， 降低空调制冷 机 组 能 耗， 对 节 能有着十分重要的意义。制冷系统实际运行过程中， 由于室外气象等外部及设备自身工作条件的改变， 导致机组实际运行中大部分时间处于部分 负荷状态， 使系统的运行工况变差， 对制冷机运行效率产生不利影响。目前无级变容量制冷机组取得了越来越广泛 的应用， 该机组可根据制冷负荷的变化， 按一定的2 4题 。因此针对变容量制冷系 统 的 变 工 况 调节， 必须保证在满足制冷工艺要求的前提下， 使系 统的工况始终维持在合理、 稳定的范围内， 并尽可 能提高装置在各负荷条件下的运行效率。2实验系统介绍本实验系统由活塞压缩机、 板式换热器、 储液
8、器、 电子膨胀阀等组成， 系统原理图如图 1 所示， 主要设备性能参数见表 1。系统运行时选用比例收稿日期: 2011 08 16基金项目: 国家科技支撑计划子课题( 2008BAJ08B20 3) 专项资金资助。作者简介: 由玉文( 1978 ) ， 男， 讲师， 博士在读， 主要从事制冷系统节能优化控制研究。本期头条Focus2第 11 期( P) 、 积分( I) 、 微分( D) 控制方式， 通过压缩机变频调节控制冷冻水供水温度; 电子膨胀阀开度变 化调节蒸 发 器 出 口制冷剂过热度 ( 过 热 度) 。过 热度回路的控制参数选取时， 首先将控制回路开 环， 通过选取膨胀阀开度阶跃变
9、化 10% 时过热度的数值， 辨识该控制回路的传递函数， 并通过 mat- lab 整定、 优化选取 P I D 值为 2 5，0 5，0 1。 实验过程证明选用该控制参数， 控制稳定、 快速， 控制误差小。图 1 制冷实验系统原理图 Fig 1 Schematic of the refrigeration experiment system表 1 制冷系统主要组成设备明细表 Tab 1 Main equipments of the experiment system蒸发器的热负荷决定了系统能够稳定控制的最小过热度。对于一个蒸发器通过不同负荷下的实验 研究， 绘出系统负荷与最小稳定信号的关系曲
10、线 如图 2 所示， 该曲线称为最小稳定信号线( MSS序号设备名称技术参数10HP 半封闭活塞式压缩机，额定排气量 38 25m3 / h钎焊板式换热器， 传热面积2 88m2 ， 换热量 30kW钎焊板式换热器， 传热面积3 02m2 ， 换热量 35kW1压缩机蒸发器23冷凝器3流量系数 Kvs = 0 63m / h，制冷量 74kW扬程 27 4m， 流量 7 8m3 / h扬程 32m， 流量 8 4m3 / h玻璃钢逆流， 冷却能力为 10RT4电子膨胀阀图 2 Hueller 最小稳定过热度( MSS) 曲线 Fig 2 The MSS line as proposed by
11、Huelle线) ， 最小稳定过热度由系统负荷 ( 蒸 发 温 度) 和 过热度决定的。系统负荷越大， 对应的最小稳定 过热度越高， 调节的余地就越小。在制冷量 过 热度坐标平面上，MMS 线是膨胀阀与蒸发器组合 控制的稳定 边 界， MMS 线以左属于不稳定区， 以 右为稳定 工 作 区，MMS 线 上 则 是 临 界 值。因 此 实际单个制冷系统的最小稳定过热度要通过实验5冷冻水泵6冷却水泵7冷却塔3最小稳定过热度的获取3 1最小稳定过热度的机理分析 依据 Z R Huelle5的最小稳定信号线理论，本期头条Focus3第 11 期的方式获取6 8。数据如表 2 所示。因此各最小稳定过热度
12、可作为 变负荷条件下电子膨胀阀控制回路的最优给定值。图 4 为 系 统 制 冷 量 22kW ( 对应压缩机频率 30Hz) 下的最小稳定过热度的辨识过程， 过 热 度 设定值 以 0 2 为 步 长 由 8 6 开 始 逐 渐 降 低。 由图可见开始时电子膨胀阀控制回路调节过程比 较稳定， 输出的过热度波动幅度较小。随着过热 度设定值的降 低， 尤 其是设定值减小到 6 以 下 时， 过热度开始出现波动， 并且波动幅度逐渐增 加， 当过热度设定值减小到 4 8 时， 过热度波动 出现等幅振荡， 幅 度 达 到 0 5 。因 此 选 用 50 作为制冷量 22kW 下的最小稳定过热度， 其它
13、冷负荷条件下的系统的最小稳定过热度获取过程 同上。图 3 不同负荷下最小稳定过热度拟合曲线 Fig 3 The MSS line at different cooling loads 变负荷工况下最小稳定过热度的实验获取 基于上述机理分析， 通过实验整定与 制 冷 负3 2荷对应的最小稳定过热度。( 1 ) 逐 渐 减 小 压 缩 机 频 率 ( 从50Hz到30Hz) ， 改变制冷机组实际产冷量， 待系统稳定后检测冷冻水流量、 供回水温差， 计算制冷系统实际 冷负荷; 同时在每一个压缩机频 率 下给定一个较高过热度作为电子膨胀阀控制回路的初始设定值。( 2) 在每一压缩机频率 ( 制 冷 量
14、 ) 下， 以 02 为步长， 逐渐减小过热度控制回路的设定值， 并观察回路的输出参数的波动情况。随着过热度设定值的减小， 回路输出的过热度波动幅度逐渐增大; 当设定值减小到某一值时， 过热度的波动幅 度达到 0 5 ， 并且观察此时蒸发器状 态 参 数( 如蒸发压力) 也会出现固定振幅的自激振荡， 则 将此过热度设定值加 0 2 后作为与该制冷负荷对应的最小稳定过热度。表 2 各负荷下最小稳定过热度数据表 Tab 2 Minimal stable superheat at different cooling loads图 4 22kW 制冷量下最小稳定过热度曲线整定过程 Fig 4 The
15、MSS line at loads of 22 kW变负荷( 变压缩机频率) 工况下制冷系统的 最小稳定过热度特性分析( 1) 压缩机频率增加系统的稳定性分析图 5 中初始时过热度设定值为 6 0 ， 大 于26kW( 40Hz) 的最小稳定过热度设定值 5 6， 因此 过热度调节过程稳定。在 t = 450s 时， 随 着 压 缩 机频率从 40Hz 增 加 到 50Hz， 电子膨胀阀控制回 路开始进行调节， 过热度值最大时增加到 7 6 ， 经过了 500s 的调节后， 过热度逐渐降低到初始设 定值 6 。由于 6 是 30 3kW ( 50Hz) 的 最 小 稳 定过热度， 因此这也证实
16、， 频率增加时， 过热度最 小稳定过热度， 调节过程稳定， 不发生大幅波动。图 6 中 初始时过热度设定值为 5 6 ， 是26kW( 40Hz) 的 最 小 稳 定过热度设定值， 因 此 该 频 率下过热度调节过程是稳定的。在 t = 250s3 3序号制冷量 / kW最小过热度 / 130 36228 45 83265 64244 8522 25( 3) 根据上述方法得到与系统各种制冷负荷对应的最小稳定过热度， 并拟合成 MMS 线， 如图3 所示， 制冷系统不同冷负荷下最小稳定过热度的本期头条Focus4第 11 期时， 压缩机频率从 40Hz 增加到最大频率 50Hz， 此时过热度设定值 5 6 小于 30 3kW( 50Hz) 的最 小稳定过热度 6 0 ， 因此随着压缩
