周海龍，韓　松，鄭玉勇

( 大連冰山嘉德自動(dòng)化有限公司，大連 116033 )

?

船用可調(diào)內(nèi)容積比螺桿壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)研究

周海龍，韓松，鄭玉勇

( 大連冰山嘉德自動(dòng)化有限公司，大連 116033 )

[摘要]本文介紹了大型拖網(wǎng)漁船制冷系統(tǒng)的基本原理及組成。并以JZVLGF193可調(diào)內(nèi)容積比螺桿壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)為研究和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，進(jìn)行了現(xiàn)有的制冷系統(tǒng)的性能分析和優(yōu)化控制方法的討論。并提出了一種提高系統(tǒng)制冷效率的響應(yīng)速度的優(yōu)化的聯(lián)合設(shè)計(jì)方法。

[關(guān)鍵詞]可調(diào)內(nèi)容積比；螺桿壓縮機(jī)；電子膨脹閥

0引言

根據(jù)“大型遠(yuǎn)洋拖網(wǎng)漁船大容量冷海水預(yù)冷、快速凍結(jié)、智能魚品加工處理系統(tǒng)”開發(fā)項(xiàng)目要求，大連冷凍機(jī)股份有限公司2013年開始VLGF193船用可調(diào)內(nèi)容積比螺桿式制冷壓縮機(jī)的研制工作，該壓縮機(jī)主要用于遠(yuǎn)洋拖網(wǎng)漁船鹽水艙的鹽水降溫及冷藏艙的保溫。VLGF193螺桿式制冷壓縮機(jī)主要為船用制冷系統(tǒng)提供冷源，可適應(yīng)蒸發(fā)溫度5～-40℃，冷凝壓力≤2.5MPa的工況下運(yùn)行，壓縮機(jī)配置有用于冷量調(diào)節(jié)的能級(jí)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)以及為滿足變工況保證壓縮機(jī)運(yùn)行效率的內(nèi)容積比調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。本文主要以現(xiàn)有系統(tǒng)為研究對(duì)象，分析了現(xiàn)有系統(tǒng)的制冷結(jié)構(gòu)和組成原理，對(duì)后續(xù)的系統(tǒng)制冷效率提升進(jìn)行研究并提出了改善對(duì)策，供后續(xù)的船用機(jī)組設(shè)計(jì)參考。

1船用制冷系統(tǒng)的基本組成

目前大連冷凍機(jī)股份有限公司設(shè)計(jì)的船用制冷系統(tǒng)主要采用可變內(nèi)容積比螺桿壓縮機(jī)及附屬設(shè)備(電機(jī)、油分離器、油冷卻器、油過濾器、油泵、油壓調(diào)節(jié)閥、油分配總管、控制臺(tái)、電控柜等)、冷凝器、蒸發(fā)器、熱力膨脹閥及經(jīng)濟(jì)器(根據(jù)使用工況可選配)。其制冷循環(huán)原理與普通陸用的制冷系統(tǒng)相同，都是通過制冷劑在蒸發(fā)器 → 壓縮機(jī) → 冷凝器 → 膨脹閥 → 蒸發(fā)器這一循環(huán)過程中產(chǎn)生的一系列的相變，降低蒸發(fā)器內(nèi)載冷劑的溫度，從而達(dá)到用戶預(yù)期的冷卻效果。

2船用系統(tǒng)工作過程分析

圖1　船用可調(diào)內(nèi)容積比螺桿機(jī)組的PID圖Figure 1　PID Diagram of Adjustable Screw Compressor Group For Ship

船用制冷系統(tǒng)的螺桿式制冷壓縮機(jī)屬于容積型回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)，結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，零件少(特別是易損件少)。另外，它的力矩變化小，平衡性好，尤其它的振動(dòng)小，抗振性強(qiáng)，對(duì)濕行程不敏感，允許有少量回液，不易造成液擊，更適合在海上這種環(huán)境下工作。

船用可調(diào)內(nèi)容積比螺桿壓縮機(jī)組，可以通過適時(shí)改變內(nèi)容積比的技術(shù)以保證同一臺(tái)制冷壓縮機(jī)既能制取漁獲保鮮用冷海水，又能快速凍結(jié)加工魚品，還可以用于凍結(jié)后的漁獲物冷藏，在不同的工況均可保證壓縮機(jī)的能效指標(biāo)處于最佳狀態(tài)。采用壓差供油技術(shù)，提高壓縮機(jī)組的效率，機(jī)組運(yùn)行時(shí)無需油泵運(yùn)行，降低運(yùn)行成本。船用機(jī)組將配置高效潤滑油分離器，盡量大限度控制潤滑油進(jìn)入制冷系統(tǒng)，保證系統(tǒng)能長時(shí)間穩(wěn)定的運(yùn)行。

船用螺桿壓縮機(jī)組采用自動(dòng)控制及壓縮機(jī)群控制技術(shù)，壓縮機(jī)可自動(dòng)開停機(jī)，自動(dòng)增減載，在10%～100%實(shí)現(xiàn)無能級(jí)調(diào)節(jié)，保證壓縮機(jī)在最佳的經(jīng)濟(jì)狀態(tài)運(yùn)行。顯示機(jī)組的運(yùn)行壓力、溫度、能級(jí)、電流、總運(yùn)行時(shí)間等參數(shù)，并具有實(shí)時(shí)時(shí)鐘、自動(dòng)保護(hù)、故障提示等分析。手動(dòng)和自動(dòng)控制方式自由切換。壓縮機(jī)群進(jìn)行自動(dòng)控制，提高機(jī)群的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性能。控制器具備和主機(jī)之間聯(lián)網(wǎng)的通訊接口，實(shí)現(xiàn)與機(jī)組之間的數(shù)據(jù)交換，并自動(dòng)確認(rèn)主從關(guān)系，實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)群的自動(dòng)控制，還可根據(jù)設(shè)備之間的運(yùn)行時(shí)間，來確認(rèn)設(shè)備的運(yùn)行優(yōu)先級(jí)，可以保證各設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間基本相同?？刂破骶邆渖蟼鲾?shù)據(jù)接口，可將機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)及各參數(shù)上傳至中控室的計(jì)算機(jī)，以方便控制。

圖1是采用工質(zhì)冷卻的船用可調(diào)內(nèi)容積比螺桿機(jī)組的PID圖。

3系統(tǒng)優(yōu)化過程實(shí)驗(yàn)分析

以前的船用制冷系統(tǒng)中的膨脹閥采用的是熱力膨脹閥，熱力膨脹閥的工作原理是通過感受蒸發(fā)器出口制冷劑蒸氣過熱度的大小，來調(diào)節(jié)制冷劑的流量，以維持恒定的過熱度，在控制原理上屬于比例調(diào)節(jié)器。雖然熱力膨脹閥可以自動(dòng)調(diào)節(jié)制冷劑的流量，但是它的缺點(diǎn)也是很顯著的：

(1)對(duì)過熱度響應(yīng)的延遲時(shí)間長，特別是容積延遲。蒸發(fā)器出口處的過熱蒸氣先把熱量傳給感溫包外殼，感溫包外殼本身就具有較大的熱惰性，造成了一定的容積延遲，感溫包外殼把熱量傳給感溫介質(zhì)，這又產(chǎn)生了進(jìn)一步的延遲。延遲的結(jié)果會(huì)導(dǎo)致熱力膨脹閥交替地開大或關(guān)小，即產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象。當(dāng)膨脹閥開得過大時(shí)，蒸發(fā)器出口過熱度偏低，吸氣壓力上升；當(dāng)閥開得過小時(shí)，蒸發(fā)器供液不足，吸氣壓力降低。這對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和安全性都會(huì)產(chǎn)生不利影響。實(shí)驗(yàn)表明，熱力膨脹閥調(diào)節(jié)效果對(duì)小型裝置要十幾分鐘，大型裝置要30～40 min才穩(wěn)定。

(2)調(diào)節(jié)范圍有限。因?yàn)榕c閥針連接的膜片的變形量有限，使得閥針的運(yùn)動(dòng)位移較小，故流量調(diào)節(jié)范圍小。這對(duì)于負(fù)荷變化較大的冷藏庫或者采用變頻壓縮機(jī)的系統(tǒng)，熱力膨脹閥便無法滿足要求。

(3)調(diào)節(jié)精度低。熱力膨脹閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)膜片由于加工精度和安裝等因素，會(huì)產(chǎn)生變形及影響靈敏度，故難以達(dá)到較高的調(diào)節(jié)精度。

為了提高系統(tǒng)的工作效率和響應(yīng)速度，實(shí)驗(yàn)中將原有的熱力膨脹閥替換為丹佛斯ETS100電子膨脹閥，并配以能級(jí)和電子膨脹閥聯(lián)合控制的優(yōu)化技術(shù)。具體的控制方法如下：當(dāng)吸氣壓力和吸氣過熱度均未達(dá)到設(shè)定值時(shí)，吸氣過熱度控制電子膨脹閥開度，吸氣壓力控制可變內(nèi)容積比螺桿壓縮機(jī)的能級(jí)；當(dāng)吸氣壓力和吸氣過熱度均達(dá)到設(shè)定值時(shí)，吸氣過熱度控制電子膨脹閥開度，所述可變內(nèi)容積比螺桿壓縮機(jī)的能級(jí)由電子膨脹閥開度直接控制，其關(guān)系式如下：

C=(K1·Open+b1-b2)/K2

(3-1)

式中：

C—可變內(nèi)容積比螺桿壓縮機(jī)的能級(jí)；

Open—電子膨脹閥開度；

K1、b1—分別為電子膨脹閥開度與質(zhì)量流量關(guān)系曲線線性化的斜率和截矩；

K2、b2—分別為可調(diào)內(nèi)容積比螺桿壓縮機(jī)與質(zhì)量流量關(guān)系曲線線性化的斜率和截矩。

丹佛斯ETS100電子膨脹閥的開度(Open)與質(zhì)量流量(Q)關(guān)系如表1。

表1電子膨脹閥開度與質(zhì)量流量的關(guān)系

Form 1Electric Expansion Valve Open Scope And Flow Mass Relation

開度(Open)質(zhì)量流量Q(g/s)81%1897.277%1745.374%1631.472%1517.865%125261%106250%64540%417.433%341.525%265.614%151.84.5%37.9

實(shí)際變化曲線如圖2所示。

對(duì)圖1所示曲線線性化，則

Q=K1·Open+b1

(3-2)

K1、b1分別是電子膨脹閥開度與質(zhì)量流量關(guān)系曲線線性化的斜率和截矩，各分段線性化的K1、b1不同。

通過對(duì)JZVLGF193可調(diào)內(nèi)容積比螺桿壓縮機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：工質(zhì)R22，冷凝溫度35℃，蒸發(fā)溫度-35℃，可得JZVLGF193可調(diào)內(nèi)容積比螺桿壓縮機(jī)的能級(jí)(C)與質(zhì)量流量(Q)關(guān)系如表2。

圖2　質(zhì)量流量與電子膨脹閥開度的關(guān)系曲線Figure 2　Flow Mass And EEV Open Scope Relation

表2能級(jí)與質(zhì)量流量的關(guān)系

Form 2Capacity And Flow Mass Relation

能級(jí)(C)質(zhì)量流量Q(g/s)100%1489.390%1358.880%1226.470%1091.660%954.450%814.6

實(shí)際變化曲線如圖3所示。

圖3　質(zhì)量流量與能級(jí)的對(duì)應(yīng)關(guān)系擬合曲線Figure 3　Flow Mass And Capacity Relation

對(duì)圖2所示曲線線性化，得K2=1350，b2=139，則

Q=1350·C+139

(3-3)

C=(K1·Open+b1-139)/1350

(3-4)

如本實(shí)驗(yàn)設(shè)定制冷溫度為5℃，精度為±2℃，則死區(qū)范圍為3～7℃，與3℃和7℃對(duì)應(yīng)的吸氣壓力及吸氣過熱度就是吸氣壓力和吸氣過熱度設(shè)定值。

當(dāng)吸氣壓力和吸氣過熱度均未達(dá)到設(shè)定值時(shí)，制冷系統(tǒng)仍按照現(xiàn)有的控制方法進(jìn)行控制，即吸氣過熱度控制電子膨脹閥開度，吸氣壓力控制可變內(nèi)容積比螺桿壓縮機(jī)的能級(jí)；而當(dāng)吸氣壓力和吸氣過熱度均達(dá)到設(shè)定值時(shí)，吸氣過熱度控制電子膨脹閥開度，可變內(nèi)容積比螺桿壓縮機(jī)的能級(jí)由電子膨脹閥開度直接控制，其關(guān)系式如下：

C=(K1·Open+b1-139)/1350

(3-5)

(1)當(dāng)吸氣壓力和吸氣過熱度由上逼近且均達(dá)到設(shè)定值上限(7℃)時(shí)，電子膨脹閥開度為70%，而此時(shí)由吸氣壓力所控制的可變內(nèi)容積比螺桿壓縮機(jī)的能級(jí)90%。但根據(jù)圖1電子膨脹閥開度為70%的分段線性化的K1=3797，b1=-1216，根據(jù)公式(3-4)，則可變內(nèi)容積比螺桿壓縮機(jī)的能級(jí)應(yīng)為

C=(3797×70%-1216-139)/1350

=0.965=96.5%，

即應(yīng)該通過調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)可變內(nèi)容積比螺桿壓縮機(jī)的內(nèi)容積比，使其能級(jí)為96.5%。

將本實(shí)驗(yàn)實(shí)施例上述的控制方法與現(xiàn)有技術(shù)(吸氣過熱度控制電子膨脹閥開度，吸氣壓力控制可變內(nèi)容積比螺桿壓縮機(jī)的能級(jí))的控制方法進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如下：現(xiàn)有技術(shù)震蕩波動(dòng)6次，達(dá)到穩(wěn)定時(shí)間5.1分鐘，COP 1.642%；本發(fā)明實(shí)施例震蕩波動(dòng)2次，達(dá)到穩(wěn)定時(shí)間3.2分鐘，COP 1.755%。

(2)當(dāng)吸氣壓力和吸氣過熱度由下逼近且均達(dá)到設(shè)定值下限(3℃)時(shí)，電子膨脹閥開度為62%，而此時(shí)由吸氣壓力所控制的可變內(nèi)容積比螺桿壓縮機(jī)的能級(jí)76%。但根據(jù)圖1電子膨脹閥開度為62%的分段線性化的K1=4750，b1=-1835.5，根據(jù)公式(3-5)，則可變內(nèi)容積比螺桿壓縮機(jī)的能級(jí)應(yīng)為

C=(4750×62%-1835.5-139)/1350

=0.718=71.8%，

即應(yīng)該通過調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)可變內(nèi)容積比螺桿壓縮機(jī)的內(nèi)容積比，使其能級(jí)為71.8%。

將本實(shí)驗(yàn)實(shí)施例上述的控制方法與現(xiàn)有技術(shù)(吸氣過熱度控制電子膨脹閥開度，吸氣壓力控制可變內(nèi)容積比螺桿壓縮機(jī)的能級(jí))的控制方法進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如下：現(xiàn)有技術(shù)震蕩波動(dòng)5次，達(dá)到穩(wěn)定時(shí)間5.7分鐘，COP 1.639%；本發(fā)明實(shí)施例震蕩波動(dòng)3次，達(dá)到穩(wěn)定時(shí)間3.5分鐘，COP 1.734%。

4結(jié)論

可調(diào)內(nèi)壓比螺桿壓縮機(jī)控制系統(tǒng)的控制機(jī)群，可采用可調(diào)內(nèi)容積比螺桿壓縮機(jī)的能級(jí)與電子膨脹閥的聯(lián)合控制，可以達(dá)到更快的響應(yīng)速度和穩(wěn)定效果，以節(jié)省能耗，使系統(tǒng)的效率更高。

5參考文獻(xiàn)

[1] 候春枝，鐘根仔.船用330kW蒸汽噴射式制冷系統(tǒng)研究[J].制冷技術(shù)，2015,35(1):62-66

[2] 廖旭東.活塞式與螺桿式制冷壓縮機(jī)的選型設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].壓縮機(jī)技術(shù)，2002，(1):34-37

[3] 王恕清，梁樹金.單螺桿式制冷壓縮機(jī)內(nèi)容積比無級(jí)調(diào)節(jié)技術(shù)研究[J].制冷與空調(diào)，2014,12(2):100-110

[4] 吳東興，金蘇敏.電子膨脹閥-壓縮機(jī)的同步控制[J].FLUID MACHINERY，2005,33(5):78-79

[5] 尹友俊，張寶懷.蒸發(fā)器電子膨脹閥過熱度模糊控制仿真及分析[J].能源研究與利用，2005,(2)：15-18

[6] 白梓運(yùn)，陳芝久.電子膨脹閥及其在蒸發(fā)器過熱度自適應(yīng)控制中的應(yīng)用[J].1996，(2):21-24

[7] 朱瑞琪，陳文勇，吳業(yè)正.電子膨脹閥的控制[J].流體機(jī)械，1998,26(5)：20-25

[8] 薛勍，顧中平，黃國強(qiáng)，等.電子膨脹閥在小型中央空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].制冷與空調(diào)，2002,2(2):30-33

Study of Adjustable Volume Screw Compressor Refrigeration System for Ship

ZHOU Hailong，HAN Song，ZHENG Yuyong

( Dalian Bingshan Guardian Automation Co.,LTD.，Dalian 116033 )

Abstract：The basic principle and composition of the heavy-duty drawler refrigeration system.Studying JZVLGF193 adjustable volume screw compressor refrigeration system and analyzed the system′s performance and optimized control theory.Furthermore，a new enhanced cooling efficiency and response speed control theory was proposed.

Key words：Adjustable Volume;Screw Compressor;Electric Expansion Valve

收稿日期：2015-11-26

作者簡介：周海龍(1978-)，男，工程師，主要從事冷凍冷藏及空調(diào)方向的制冷系統(tǒng)設(shè)備控制的研究。Email：zhouhailong@bingshan. com

文章編號(hào)：ISSN1005-9180(2016)01-001-05

中圖分類號(hào)：TB69

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

doi:10.3696/J.ISSN.1005-9180.2016.01.001