CN104279805B - 水冷螺杆式制冷机组运行控制方法 - Google Patents

水冷螺杆式制冷机组运行控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种水冷螺杆式制冷机组运行控制方法，包括如下步骤：机组运行模式检测：（一）、检测一用一备的制冷机组运行方式将运行中的制冷机组排气压力值通过模数转换后发送到存储器；（二）、在PLC控制器的触摸屏上设置压缩机排气压力控制参数，压力控制参数发送到PID程序指定寄存器，并接通冷却水泵变频器运行端子；（三）、PLC控制器调用PID子程序并返回运算后的输出值，PID输出值经数模转换后驱动冷却水泵变频器，驱动冷水机组运行，并将冷水机组的排气压力反馈至PLC控制器；（四）、判断冷水机组冷却进水温度是否大于设定值：若是，则设定为要求冷凝温度；若否，则将冷却进水温度作为压力控制参数；（五）、进水温度达到判定温度时启动冷却风扇。

Description

水冷螺杆式制冷机组运行控制方法
技术领域
本发明属于空调与制冷技术领域，具体涉及水冷螺杆式制冷机组安全、节能运行控制方法。
技术背景
水冷螺杆式制冷机(简称压缩机)的结构简单，易损件少，动力平衡好，因而它运转平稳可靠，寿命长，噪音低，从而得到广泛应用。它一般给空调***提供冷源，国内有很多家生产水冷螺杆式制冷机的厂家，有国际知明品牌如顿汉布什、麦克维尔等，还有很多国内品牌。在水冷螺杆式制冷机使用中，经常会出现跑油现象，它是指冷冻机油和制冷剂在油分离器中不能正常分离，油随制冷剂进入蒸发器的一种故障。油进入蒸发器后附着在换热器铜管上，影响传热效果，造成制冷效率低。由于蒸发器温度低，油粘度大，这时会影响蒸发器内液位的检测，进而造成压缩机回液，回液又会造成排气温度低，加重跑油现象，这样形成恶性循环，最后压缩机底部全是液态制冷剂代替了油，不会出现油位低报警，但压缩机没有油润滑而运转部分磨损，造成螺杆支撑轴承损坏，进而会引起阴阳转子抱死的现象，给用户带来巨大损失。
螺杆式制冷机跑油的主要原因是：压缩机排气压力过低，因而排气温度也低，这样就会造成油分离器效果不好，油因此跑到蒸发器里面。引起压缩机排气压力过低有两个原因，一是负荷小，冷却水温低且流量大；二是蒸发器供液量过大，压缩机吸气带液，也会造成压缩机排气压力、温度过低。因此要避免压缩机跑油，一是要控制冷却水的流量和温度，二是要控制好蒸发器液位。而液位是在设备调试过程中确定好的，因此平时运行一般只需要控制好冷水机组冷却水流量，同时观察蒸发器液位是否正常。因为蒸发器液位由液位传感器检测，由膨胀阀(或调制马达)控制，当其中一个部件出现故障后，都会影响到蒸发器液位，这种故障现象不易发现，等到发现压缩机回气管凝露或结霜时，压缩机已经受损了。
螺杆式制冷机组冷却水流量一般通过阀门调节，一种是手动调节方式，但在机组启动时、或气温变化、负荷变化时，需要人工去调整冷却水阀门大小，使压缩机排气压力在合适范围，这样需要一个人守在机器旁边，根据机器运行情况随时调整阀门。因为负荷、气温会经常变化，人工调整阀门经常会出现刚才排气压力正常，过一会又高了，过一会又低了。排气压力高，压缩机COP值就会低，耗能增加。排气压力低就会跑油，因此机组运行状况不稳定。另一种是自动调节方式，机组根据运行情况自动调整冷却水阀门大小，但这样会使冷却水泵工作在效率很低的状态，不能起到节能效果。
发明内容
本发明的目的就是要解决上述技术问题，提供一种避免了压缩机跑油、运行安全、节能效果显的水冷螺杆式制冷机组运行控制方法。
为实现上述目的，本发明所设计的水冷螺杆式制冷机组运行控制方法，包括以下步骤：
(一)、机组运行模式检测：检测一用一备的制冷机组运行方式，当A机组运行B机组停运时，启动一台变频泵驱动A机组，检测A机组排气压力值，当B机组运行A机组停运时，启动一台变频泵驱动B机组,检测B机组排气压力值，当A机组和B机组同时运行时，同时启动变频泵和工频泵分别驱动A机组和B机组，取两台机组的平均压力为排气压力值；所述排气压力值发送到存储器作为控制对象实时反馈值；
(二)、PLC控制器判断冷水机组冷却进水温度是否大于设定值：若是，则根据冷却进水温度与设定的优化控制温差，通过制冷剂温度和压力数学模型，计算随水温变化的自适应并优化排气压力数值作为目标压力控制参数，发送到PID程序指定寄存器；若否，则将冷水机组最低安全、节能运行压力作为目标压力控制参数，发送到PID程序指定寄存器；PLC控制器根据环境温度的变化自动改变控制目标值，使冷水机组和冷却水泵运行在总能耗较小的优化工作状态；
(三)、PLC控制器调用PID子程序并返回运算后的输出值，PID输出值经数模转换后驱动冷却水泵变频器，保障冷水机组安全、节能运行，并将冷水机组的排气压力反馈至PLC控制器；
(四)、根据冷却塔的工作特性，它的出水温度与湿球温度相关，通过检测湿球温度，加上一个固定合理温差后为Tw，当Tw＜Tfmin时，Tfmin为冷却风扇最低控制温度，以Tfmin作为冷却风扇控制温度Tf，当Tw≥Tfmin时，以Tw作冷却风扇控制温度Tf，当冷水机组冷却进水温度Tin＞Tf+△t时，则启动冷却风扇；当Tin＜Tf－△t时，则停止冷却风扇以降低冷却风扇能耗，其中△t为控制回差；
(五)、机组排气过热度的保护：当膨胀阀、调制马达或蒸发器液位传感器出现故障引起机组回液或供液不足时，利用制冷剂压力和温度数学模型，通过检测排气压力、排气温度计算排气过热度，当压缩机回液时，排气过热度会降低，当低于一个设定值时，启动报警输出或停止压缩机，当压缩机供液不足时，排气过热度会升高，当高于一个设定值时，启动报警输出或停止压缩机。
在上述技术方案中，PLC控制器内设置机组循环冷却水管理程序，避免冷凝器结垢，保障冷水机组的工作状态。
在上述技术方案中，PLC控制器输出端连接有触摸屏，PLC控制器的控制器参数和设备工作状况在触摸屏上显示，并通过触摸屏实现人机对话。
本发明通过研究发现，现有的空调制冷量是根据每年月平均最高温、湿度来计算选型的，确定设备制冷量后，循环冷却水量V2可以根据现有的公式进行计算得出。
一般在每年的6～9月份，制冷机组需满负荷运行，而其它的月份制冷机组在25％～60％的负荷运行。因制冷产生的热量最终通过冷却塔散发，制冷量大小决定冷却水流量的大小。因此随着制冷量的减少，冷却水的流量也可减少，冷却进出水温差，额定工况进水为30℃，出水35℃，当进水温度低于30℃，进出水温差大于5℃，冷却水流量也可减少。当冷却水量需求减小，水泵的转速就可降低，水泵特性如下：
Q1/Q2＝n1/n2P1/P2＝(n1/n2)3
Q1为50Hz流量，Q2为变频后流量，n1为工频转速，n2为变频转速，P1为工频功率，P2为变频后功率
本发明的提供的方法是，在压缩机排气压力(冷凝温度)合适时，温度每变化一度，压力变化约30KPa，由于排气过热度的影响，一定排气压力对应的制冷剂温度并不等于排气温度，冷却出水温度和冷凝温度有一个变化的差值。因此使用本发明测控排气压力的方式，压力分辨值为1KPa，利用排气压力控制冷却水泵运行频率，有较好和检测和控制精度，能将排气压力控制在一个合适的安全运行压力。
此外，本发明根据冷却塔出水温度与湿球温度相关的特点，通过检测湿球温度，使冷却塔风扇启停温度为自适应环境温度控制，避免用常规温控器时控制风扇启停的冷却塔出水温度为固定值，冷却风扇一直工作的缺点。如冬季冷却塔出水温度一般设置为20℃，但随着气温升高，湿球温度在20℃以上时，风扇不停工作水温也不能降至20℃以下，因此冷却塔风扇启停控制温度为随环境温度变化的自适应控制目标值，最大限度节约冷却风扇能耗。
当排气压力固定控制在一个合适的安全运行压力时，由于冷却塔出水温度随气温升高而升高，根据实际观察机组运行数据，当冷却塔出水温度接近30℃时，冷却水泵运行频率就会达到50Hz，即使还启动一台水泵增加冷却水流量，压缩机排气压力下降也不明显，但水泵能耗大幅增加。因此压缩机在一定的冷却进水温度条件下，冷却水流量(对应水泵能耗)和机组排气压力(对应压缩机能耗)有一个总能耗(压缩机能耗加水泵能耗)最低的工作点。本发明压缩机排气压力控制目标值为自适应控制，保证在不同冷却塔出水温度时，制冷***总能耗最小。通过检测冷却进水温度，以及设备调试过程中确定使总能耗最小的压缩机冷凝温度和冷却进水温度的温差，再通过制冷剂温度压力数学模型，计算出随冷却进水温度变化的自适应优化排气压力控制目标值，即使在气温高时，也可降低制冷***总能耗，同时保证压缩机有好的工作状况。
本发明增加了压缩机排气过热度报警，利用制冷剂压力和温度数据生成数学模型，通过检测排气压力、排气温度计算排气过热度，当压缩机回液时，排气过热度会降低，当低于一个设定值时，启动报警输出。
由于冷却水流量减少，本发明增加了机组循环冷却水管理程序，避免冷凝器结垢，保障冷水机组的工作状态。
本发明适用于对于一用一备的制冷机组，运行方式可以为A机组运行，或B机组运行，或两台机组同时运行，通过设计的机组运行模式检测程序控制在A机组运行测控A机组排气压力，B机组运行测控B机组排气压力，两台机组同时运行时取两台机组的平均压力为测控值。
本发明的多种方法保证了压缩机的安全运行的同时，最大程度的降低了***总能耗。
附图说明
图1是本发明的控制方法流程图；
图2是本发明的控制原理框图；
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
图1中所示的水冷螺杆式制冷机组运行控制方法，包括以下步骤：
(一)、机组运行模式检测：检测一用一备的制冷机组运行方式，当A机组运行B机组停运时，启动一台变频泵驱动A机组，检测A机组排气压力值，当B机组运行A机组停运时，启动一台变频泵驱动B机组,检测B机组排气压力值，当A机组和B机组同时运行时，同时启动变频泵和工频泵分别驱动A机组和B机组，取两台机组的平均压力为排气压力值；所述排气压力值发送到存储器作为控制对象实时反馈值；
(二)、PLC控制器判断冷水机组冷却进水温度是否大于设定值：若是，则根据冷却进水温度与设定的优化控制温差，通过制冷剂温度和压力数学模型，计算随水温变化的自适应并优化排气压力数值作为目标压力控制参数，发送到PID程序指定寄存器；若否，则将冷水机组最低安全、节能运行压力作为目标压力控制参数，发送到PID程序指定寄存器；PLC控制器根据环境温度的变化自动改变控制目标值，使冷水机组和冷却水泵运行在总能耗较小的优化工作状态；
(三)、PLC控制器调用PID子程序并返回运算后的输出值，PID输出值经数模转换后驱动冷却水泵变频器，保障冷水机组安全、节能运行，并将冷水机组的排气压力反馈至PLC控制器；
(四)、根据冷却塔的工作特性，它的出水温度与湿球温度相关，通过检测湿球温度，加上一个固定合理温差后为Tw，当Tw＜Tfmin时，Tfmin为冷却风扇最低控制温度，以Tfmin作为冷却风扇控制温度Tf，当Tw≥Tfmin时，以Tw作冷却风扇控制温度Tf，当冷水机组冷却进水温度Tin＞Tf+△t时，则启动冷却风扇；当Tin＜Tf－△t时，则停止冷却风扇以降低冷却风扇能耗，其中△t为控制回差；
(五)、机组排气过热度的保护：当膨胀阀、调制马达或蒸发器液位传感器出现故障引起机组回液或供液不足时，利用制冷剂压力和温度数学模型，通过检测排气压力、排气温度计算排气过热度，当压缩机回液时，排气过热度会降低，当低于一个设定值时，启动报警输出或停止压缩机，当压缩机供液不足时，排气过热度会升高，当高于一个设定值时，启动报警输出或停止压缩机。
在PLC控制器中设定冷水机组的排污时间周期和排污时间，冷水机组运行时间到达时间周期时，启动冷水机组排污，在排污时间内完成排污。这样避免冷凝器结垢，保障冷水机组的工作状态。通过制冷剂压力和温度数学模型计算冷凝温度，测量冷水机组的排气温度，根据冷凝温度和排气温度计算过热度，判断过热度是否合格，若为合格，则继续计算过热度并判断是否合格，若为不合格则输出报警信号。
PLC控制器输出端连接有触摸屏，PLC控制器的控制器参数和设备工作状况在触摸屏上显示，并通过触摸屏实现人机对话。
图2中显示使用本发明方法的装置中PLC控制器采用西门子S7-200PLC+触摸屏做控制，S7-200PLC能完成各种复杂的数学运算，模拟量输入精度为12位，用PID算法控制压缩机排气压力，触摸屏上设置控制参数并显示***工作状况，操作方便；冷却水泵变频器使用丹佛斯VLTRAQUA系列变频器，它具有多种强大的标准和可选特性，高级的能量监测功能，很方便的查看实时电耗和累积电耗。
本发明方法在冷却机组上试运行表明，本发明能将压缩机排气压力准确控制在设定安全压力值，避免了气温低、负荷小压缩机排气压力偏低时的跑油现象。过热度能很好的监测压缩机回气状况，如果压缩机回液过热度就会降低，***就会报警。经过冬季一段时间的运行，再也没有发生过跑油现象，保障了压缩机的运行安全。而且操作方便，不用象原来开机时一边要在冷水机组触摸屏上观察压缩机压力，一边去调节冷却水阀门，两边跑来跑去，只需要启动冷水机组就可以了，***自动调节冷却水流量，迅速建立正常的工作压力。没有装该控制器时，环境温度低冷水机组根本不能运行，但净化车间内部温度高，给生产带来一定影响。另一方面，这种控制方式充分利用了户外低气温时，冷却水流量可以大幅减少的特点，节能效果显著。本发明节能运行情况如下(冷水机组冷量798KW，冷却水泵电机22KW，实测满载输出功率18.5KW)：
环境温度在30℃，湿球温度25℃，冷却进水温度28.5℃，负荷率25％时，水泵运行在30Hz即可满足要求，流量下降40％，功率下降到0.63*P1＝21.6％*18.5KW＝4KW，每小时节电18.5KW－4KW＝14.5KW。12月份时，水泵运行在最低15Hz即可满足要求(和冷却塔、水泵高度差在关)，流量下降70％，功率下降到0.33*P1＝2.7％*18.5KW＝0.5KW，每小时节电18.5KW－0.5KW＝18KW。根据观察数据，12月份运行一周耗电48度，如果用原来方式，一周需耗电2590度，节约效果显著，以上变频器理论频率、功率数据和实际观察变频器数据基本相同。
另一方面，通过PID算法和自适应优化压力值将压力控制在合理工作点后，既保证压缩机正常运行，还能使压缩机在各种运行工况下保持较高的能效比，不会出现象定冷却出水温度控制方式在负荷率大时，压缩机能效比急剧下降的缺点，也不会出现象定冷却进出水温差控制方式节能效果不明显的缺点。
本发明方法在冷却机组上投入试运行，变频器显示运行3477小时，用去电费16528度，如果是用现有技术的方法将需电费3477*18.5KW＝64324度，本发明方法已节约电费47796度，预计全年可节约电费约75000度。
本发明未做详细说明的部分为现有技术。

Claims (3)

1.一种水冷螺杆式制冷机组运行控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
（一）、机组运行模式检测：检测一用一备的制冷机组运行方式，当A机组运行B机组停运时，启动一台变频泵驱动A机组，检测A机组排气压力值，当B机组运行A机组停运时，启动一台变频泵驱动B机组,检测B机组排气压力值，当A机组和B机组同时运行时，同时启动变频泵和工频泵分别驱动A机组和B机组，取两台机组的平均压力为排气压力值；所述排气压力值发送到存储器作为控制对象实时反馈值；
（二）、PLC控制器判断冷水机组冷却进水温度是否大于设定值：若是，则根据冷却进水温度与设定的优化控制温差，通过制冷剂温度和压力数学模型，计算随水温变化的自适应并优化排气压力数值作为目标压力控制参数，发送到PID程序指定寄存器；若否，则将冷水机组最低安全、节能运行压力作为目标压力控制参数，发送到PID程序指定寄存器；PLC控制器根据环境温度的变化自动改变控制目标值，使冷水机组和冷却水泵运行在总低能耗的优化工作状态;
（三）、PLC控制器调用PID子程序并返回运算后的输出值，PID输出值经数模转换后驱动冷却水泵变频器，保障冷水机组安全、节能运行，并将冷水机组的排气压力反馈至PLC控制器；
（四）、根据冷却塔的工作特性，它的出水温度与湿球温度相关，通过检测湿球温度，加上一个固定合理温差后为Tw，当Tw＜Tfmin时，Tfmin为冷却风扇最低控制温度，以Tfmin作为冷却风扇控制温度Tf，当Tw≥Tfmin时，以Tw作冷却风扇控制温度Tf，当冷水机组冷却进水温度Tin＞Tf+△t时，则启动冷却风扇；当Tin＜Tf－△t时，则停止冷却风扇以降低冷却风扇能耗，其中△t为控制回差；
（五）、机组排气过热度的保护：当膨胀阀、调制马达或蒸发器液位传感器出现故障引起机组回液或供液不足时，利用制冷剂压力和温度数学模型，通过检测排气压力、排气温度计算排气过热度，当压缩机回液时，排气过热度会降低，当低于一个设定值时，启动报警输出或停止压缩机，当压缩机供液不足时，排气过热度会升高，当高于一个设定值时，启动报警输出或停止压缩机。
2.根据权利要求1所述的水冷螺杆式制冷机组运行控制方法，其特征在于：PLC控制器内设置机组循环冷却水管理程序，避免冷凝器结垢，保障冷水机组的工作状态。
3.根据权利要求1所述的水冷螺杆式制冷机组运行控制方法，其特征在于：PLC控制器输出端连接有触摸屏，PLC控制器的控制器参数和设备工作状况在触摸屏上显示，并通过触摸屏实现人机对话。
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