阀泵联调冷水机组全自动性能评价系统的设计与测试结果分析

倪健，商允恒，王显峰，张良霄，马小津，黄维冬

（合肥通用机械研究院有限公司，安徽合肥 230088）

0 引言

冷水机组应用范围广，市场潜力大，技术更新快，年产量约6万台，市场规模165亿，正在向大型化、高效化和强适应化方向发展[1]。随着制冷技术的不断发展，各企业对产品试验的需求量大幅度增加，冷水机组评价系统亦日趋多功能化、大型化，试验系统越来越复杂[2-4]。而在现有的冷水机组性能评价系统运行过程中，主要是单独应用水泵变频或者阀门调节，控制精度不高，控制较为复杂，所以随着试验负载能力的变化，往往需要人工去判断评价系统设备运行趋势，适时进行冷、热源的投入，对操作人员的要求很高，试验数据自然也受到人为因素的影响[5-7]。这种控制模式虽然可以正常完成试验，但试验效率低，能耗高，设备运行成本高，劳动强度大，因此传统的评价系统已无法满足新的试验需求，各企业迫切需要冷水机组性能评价系统实现全自动控制[8]。

本文详细介绍了应用调节阀和泵联合调节的冷水机组性能评价系统，利用调节阀与水泵变频联合调节，实现无极控制，使该评价系统工况稳定，控制精度高[9-10]。同时将自动控制技术引入该评价系统，使该系统的测控软件与数据采集器和数字功率计实时通讯，获取系统中的温度、压差、流量和功率等测试验参数并进行计算分析，然后通过PLC对试验现场的设备启停和运行状态予以实时监视和控制，从而实现评价系统自动预判、智能干预和节能运行的全自动测试[11-15]。

1 测试系统介绍

1.1 系统流程

参考标准GB/T 10870-2014 《蒸气压缩循环冷水（热泵）机组性能试验方法》，搭建应用调节阀和泵联合调节的冷水机组性能测试系统，其具体流程如图1所示。

图1 系统流程图

试验过程中分别通过调节变频水泵PUMP1和变频水泵PUMP2的输出频率来控制试验机组使用侧和热源测中所流过的水流量，使其达到所需的额定流量。试验机组运行过程中使用侧所产生的冷量通过控制兑水泵PUMP3的输出频率和调节阀MV1的开度，控制从热源测中兑进使用侧中的水流量，来调节试验机组的使用侧出水温度，并使其稳定。选用水泵PUMP4及调节阀MV2把恒温水箱的低温水带入试验机组热源侧，把热源测与使用侧平衡后多余的热量（压缩机做功产生的热量）消除[16]。

1.2 计算方法

使用侧采用液体载冷剂法，在试验机组使用侧进口处安装有电磁流量计，试验时，通过控制水泵PUMP1和PUMP2的转速，提供试验工况所需的使用侧水流量和水温。

热源侧采用机组热平衡法，机组热平衡法的原理和液体载冷剂法类似，依据热源侧的排放热量和试验机组热源消耗量及功率来计算该试验机组的制冷量与使用侧制冷量进行比较[17]。

1.3 控制和数据采集系统

除上述提到的主要系统设备外，还配备有相应精准的控制及数据采集系统。

控制系统以计算机搭配Omron的CP系列可编程控制器和威纶通的人机界面为主，进行系统设备的投切和连锁保护；用横河的UT35a系列数字调节器来实现整套系统的PID闭环调节。

数据采集系统的精准度是决定一套评价系统准确性的重要因素，也是评价冷水机组性能的根本保证。本套评价系统选用横河 MX100系列的数据采集器为主体，同时选用进口高精度的传感器，如横河WT330系列数字功率计、千野INR901系列温度传感器、横河 AXF系列电磁流量计等。涉及到性能参数测试的传感器都由国家认证机构进行定期计量标定[18]。

1.4 全自动实现方式

评价系统的仪器仪表，通过以太网的方式和计算机进行实时通讯。

1）数据采集器将采集到的流量、温度等实时状态参数，传送至计算机数据库，再由计算机进行记录、存储和运算。

2）计算机将预设工况对应的流量、温度传送至数字调节器，同时调节器将实际测量值和对应输出开度反馈至计算机。

3）计算机进行评价系统运行的稳定性判定，根据预设的控制逻辑将相应设备的调节命令发送给可编程控制器；同时，可编程控制器将各个设备的运行状态反馈至计算机，以保证系统设备的正常合理运行。

该套评价系统区别于以往的常规评价系统，不再是由操作人员进行设备开启、工况设定和试验数据记录。

测控系统各部分只需完成各自独立的工作，计算机将他们整合成一个完整的系统。计算机从接收到开始测试的运行指令后，会根据目标的工况参数将预设值写入调节器，再依照设定好的开关机逻辑，逐次投入相应设备，并实时采集系统状态参数，进行运算处理，由此判断试验是否进入稳定状态，最后再进行试验数据的分析、整理和最终实验报告的绘制打印，从而实现整个试验过程的全自动化[19]。

2 测控软件设计

整个全自动试验系统中，测控软件作为核心环节，需要能够保证系统中各部件的良好运行，同时也需要向使用者提供一个简洁、直观的操作界面。因此在这套评价系统的开发中，测控软件的开发显得尤为关键。

2.1 测控软件界面设计

测控软件采用 C++ Builder 6.0企业版结合Access数据库引擎进行开发，不仅要实现数据的实时采集，还要能够根据设定的条件判断整个性能评价系统是否稳定，同时要对试验数据进行分析处理、存档、打印和实时曲线绘制。为了实现这些功能，专门设计了各项功能的显示界面（如图 2）。该软件实现了两种试验模式，即自动试验模式和手动试验模式，其中手动试验模式与传统的试验模式相同，测控软件只测量不控制。在自动试验模式下，操作人员需预先设置模式列表，包括每个模式工况的具体参数以及工况的最长运行时间等。

图2 测控软件设备监控图

由于在全自动试验模式下，所有设备的运行状态切换均由计算机发送指令来实现，所以对设备运行状态的记录成为了可能，从而实现了试验过程的可追溯性，可以通过这些记录对全自动控制的逻辑进行分析，并进行相应的优化。

2.2 测控软件流程

根据试验要求，本测控软件利用后台支持与前台的多页面设计实现了软件的简单方便操作以及试验数据的及时准确处理。软件结构流程如图3所示。

图3的测控流程中，各设备的启动及关闭条件的循环判断，是建立在当前运行状态的基础上，如果运行状态一致则无动作，如果运行状态不一致则进行启动或关闭动作，不会导致重复启动。从图 3可以看出，即使在运行单元内部，各设备之间的运行逻辑也基本上采用并行处理，这样可以最大程度地保证设备状态控制的稳定性[13]。

图3 评价系统设备运行的测控流程

3 试验测试结果

现用本套系统测试一台额定制冷量为 4,200 kW的冷水机组，测试结果如图4所示。在评价系统的使用侧和热源侧流量达到设定工况值且保持稳定后，控制系统开始调节PUMP3和PUMP4的输出开度，继而使进水温度和出水温度达到试验机组的试验要求。从冷水机组开机运行至稳定只用了大约半个小时左右，使用侧出水温度、热源侧进水温度、水流量等工况都很稳定，其中水温度波动控制在±0.08 ℃以内，水流量控制在最大±0.82 m3/h（±0.15%），明显优于GB/T 18430.1-2007《蒸汽压缩循环冷水(热泵)机组/工商业用及类似用途的汽压缩循环冷水(热泵)机组》的控制精度要求[20]。

图4 测控软件测试数据曲线示意图

制冷产品由测试系统直接测出来的制冷量被称为主侧换热量，与这个制冷量相平衡的制热量和输入功率的差值被称为辅侧换热量，因此主辅侧换热量的偏差，即通常说的主辅偏差往往是评价一套测试系统的关键因素。

现以制冷量为2,460 kW的冷水机组在不同负荷工况下的测试主辅偏差进行分析，如图5所示。

从图5中可以看出，试验机组在本评价系统试验时不同负荷时主辅测量偏差最大小于 4%，明显优于GB/T 10870-2014《蒸气压缩循环冷水（热泵）机组性能试验方法》的精度要求。

图5 不同测试负荷下主辅偏差

4 结论

本文提出的阀泵联调冷水机组全自动性能测试系统，不仅使用调节阀和泵联合调节来实现系统温度的精准控制，而且将自动控制技术引入到该系统中，相对于传统冷水机组的评价系统，本系统极大地节省了人力成本，可以实现试验的一键启停和自动报告生成。

同时从试验结果来看，由于试验工况的调节以及稳定维持是由测控软件自动实现的，其算法和逻辑控制更为严谨，因此这套评价系统在调节时间和抗干扰能力方面都是优于传统冷水机组的评价系统。

该类评价系统已在空调企业应用，从实际应用情况来看，不仅能够提高评价系统的稳定性、精确度，而且极大地提高了评价系统的自动化程度，缩短了试验时间，满足冷水机组评价系统亦日趋多功能化、大型化、复杂化的要求。

参考文献：

[1] 樊海彬, 宋有强, 钱雪峰, 等. 大型冷(热)水机组性能试验方法的研究[J]. 制冷与空调, 2010, 24(6)： 52-57.

[2] 林建泉, 樊海彬, 王福宝, 等. 冷热水型水源热泵性能试验装置的设计探讨[J]. 发电与空调, 2012, 33(5)：56-60.

[3] 蒋德伦, 钱雪峰, 郑庆伟, 等. 冷水机组试验台功能扩展的优化设计[J]. 制冷技术, 2011, 31(3)： 6-11.

[4] 杨如辉, 邹声华, 林汉柱, 等. 水源热泵热水机的性能测试研究[J]. 建筑热能通风空调, 2011, 30(4)： 11-13.

[5] 允闯, 姜子炎, 陈佩章, 等. 并联变频水泵转速优化控制研究[J]. 暖通空调, 2015(8)： 30-35.

[6] 吴德胜, 杨昌智. 变频变流量系统的节能分析与控制[J]. 制冷与空调(四川), 2007, 21(1)： 24-27

[7] 朱耀麟, 沈昕宇. 空气源热水机阀门调节控制系统设计与优化[J]. 青岛科技大学学报(自然科学版), 2015,36(1)： 84-88.

[8] 夏玲, 王雷, 武亚伟, 等. 基于空气焓差法的全自动空调性能测试系统的研究与实现[J]. 发电与空调,2013(1)： 52-54.

[9] 蔡松素, 张伟, 昝世超, 等. 自适应变容量压缩冷凝系统的控制策略研究[J]. 制冷技术, 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在制冷与空调测试系统中的应用[J]. 制冷与空调, 2010, 10(3)： 73-76.

[12] 王雷, 姚勇, 夏玲, 等. 流体机械测试中智能仪表组态的研究与实现[J]. 发电与空调, 2012, 33(1)： 55-57, 72.

[13] 徐根斌, 蔡靖. 基于LabVIEW2011的溴化锂吸收式冷水机组测控软件开发[J]. 制冷技术, 2013, 33(3)： 47-51.

[14] 李树云, 代彦军. 大型风冷热泵机组性能实验台节能设计与分析[J]. 制冷技术, 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] 孔晓鸣, 林建泉, 王福宝, 等. 水源热泵机组变工况特性的试验研究[J]. 制冷技术, 2014, 34(2)： 38-40.

[17] 张秀平. 蒸气压缩循环冷水(热泵)机组性能试验方法[S]. 北京： 中国标准出版社, 2015： 4-6.

[18] 郑传经, 黄承宏, 高启明, 等. 制冷空调试验装置中传感器的标定[J]. 制冷与空调, 2006, 6(1)： 98-100.

[19] 卢慧芬, 卢荻, 沈若凡, 等. 新型电机综合性能自动测试系统的研制与研究[J]. 电气自动化, 2016, 38(3)：88-91.

[20] 胡祥华. 蒸汽压缩循环冷水(热泵)机组/工商业用及类似用途的汽压缩循环冷水(热泵)机组[S]. 北京： 中国标准出版社, 2008： 5-8.