螺杆式制冷压缩机带经济器动态补气软件设计

李晨安，柳 鑫，张 成，陈 熙，马小津，李海寿

（1.合肥通用机械研究院有限公司，合肥 230031；2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300452）

0 引言

螺杆式压缩机因其运转平稳、体积小、重量轻、效率高等优点［1－2］而广泛应用于制冷空调行业，然而在低温工况下（即蒸发温度和冷凝温度较低的工况下），压缩机的压比较大，进而导致压缩机排气温度增大，制冷量减小。为了克服这个问题，常采用在螺杆压缩机气缸的某个合适位置开一个补气口，该补气口与螺杆式压缩机的经济器连通，共同构成了带经济器的螺杆式制冷压缩机系统［3－6］。增加经济器循环以后，能有效降低螺杆式压缩机的排气温度，提高其运行效率，制冷量也得到相应提升，最终达到节约能源的作用［7－8］。

然而在进行带经济器的螺杆式压缩机测试时，对压缩机ECO（ECO即指经济器）进口温度和压力手动工况设置时，不仅耗时长，而且调节的准确度低。因此有必要通过软件编程及相应的逻辑算法，对压缩机ECO 进口温度和压力进行自动动态调节。在压缩机试验中增加ECO 补气动态调节软件系统，压缩机测试的效果得到提高，提高测试结果的可靠性，同时降低了实验人员的工作量，对实验员的操作熟练度依赖性降低，节约了人力成本，在制冷空调行业将会发挥越来越大的作用。

1 带经济器的制冷压缩机系统

螺杆式压缩机通过在气缸的某个位置开一个补气口，该补气口与经济器连通，可以提高压缩机的性能系数。此时，螺杆式压缩机类似于双极压缩，其运行过程主要有3 个阶段：首先，制冷剂被导入到螺杆转子齿槽，在螺杆转子齿槽中，首先被绝热压缩到中间补气点，气体的压力和体积将会升高，该过程称为一级内压缩；其次，与由经济器ECO 侧导入的中间补气混合，使齿槽内的压力进一步提高，称为中间补气过程；最后，压缩齿槽与补气口脱离，气体继续被压缩，称为两级内压缩。

图1 带经济器压缩机原理

2 硬件系统设计

对螺杆式压缩机的测试接口和测试需求进行调研分析，测试系统拟采用计算机对螺杆式压缩机和通讯设备进行控制并接收存储相应的测试数据。采集器采用美国惠普公司的34980；调节表采用日本横河的UT350 系列；测试计算机与采集器34980 采用网口通讯方式；调节表UT35A 采用串口通讯方式。其中采集器34980 通过不同信号的温度以及压力传感器得到压缩机的排气压力、吸气压力、排气温度、吸气温度、ECO 进口温度等参数数值。

3 软件系统设计

对测试软件中采集器、调节表的通讯，以及调节表工况值等的设置进行了软件开发，开发好的部分软件界面如图2 所示。

图2 测试软件界面

3.1 软件功能模块

考虑到软件的可继承性与通用性，测试软件采用模块化设计［9－10］，大致由以下几个部分组成。

（1）仪表通讯模块

仪表通讯模块主要实现采集器34980 和调节表UT35A 的通讯，以及将采集器和调节表的一些设备功能添加到软件中，如采集器的零点修正功能，在软件面板中设置调节表等。

（2）数据交互模块

根据采集器34980 中不同通道的信号类型，依据Internet TCP／IP通讯协议以及不同测点对应的采集器通道号，得到相应参数的数值，并且保存到Access数据库的相应位置，以满足对这些参数的统计、监视以及控制。此部分为测试软件的核心部分。

（3）数据显示模块

软件单独开发了数据显示界面，主要包括测量项目的显示界面、计算项目（测量项目按照压缩机国家标准《GB－T 5773－2016 容积式制冷剂压缩机性能试验方法》计算得到计算项目的数值）的显示界面、热电偶工质压力显示界面（为了便于软件的使用，将热电偶和工质压力从测量项目中独立出来）、曲线界面以及其他界面（如螺杆式压缩机铭牌参数界面）。其中曲线界面不仅可以显示测量项目、热电偶、工质压力等曲线，而且可以显示计算项目曲线，相对于显示面板的数值显示，曲线更加直观，便于对实验过程中不同阶段的参数值进行观测。

（4）生成报告模块

通过设置试验报告的开始时间、结束时间以及试验组数，点击报告保存，可以得到实验中需要的报告。其中，在保存报告前，可以点击报告预览，对保存的报告提前进行预览，判断是否满足报告的需求。

（5）软件辅助模块

软件辅助模块主要包括铭牌参数面板，工况信息设定面板以及试验类型与资源选择面板等，其中试验类型与资源选择面板主要进行试验类型选择、吸气口管径选择、制冷剂选择等；铭牌参数面板主要包括螺杆式压缩机的一些设备参数，可以在线进行修改；工况信息设定面板主要包括蒸发温度、冷凝温度、被试机吸气温度、被试机吸气压力、被试机ECO 进口温度、被试机ECO进口压力等工况值的设定。

（6）经济器补气压力动态调节模块

经济器补气压力动态调节模块通过如图3 所示相应面板，通过设定“ECO判稳条件”，将由当前工况（当前工况设定值T12、P12，如图3 所示，其中T12 为当前工况设定的ECO进口温度，P12 为当前工况设定的ECO进口压力）计算得出的制冷量偏差与由当前实测的五点平均P12（该P12 为软件实测的ECO进口压力）计算的制冷量偏差进行对比，结合二分法查找条件以及工况设定时间间隔等参数的设置，最终确定工况设定值T12、P12 的数值。

图3 ECO补气压力动态调节面板

3.2 开发环境

C＋＋Builder是由Borland 公司推出的一款高性能、可视化集成开发工具［11－12］。其提供了快速高效的可视化开发环境，通过将各种功能各异的控件添加到基础窗体Form上，并且设置其属性以及方法，添加相应的事件函数，即可便捷高效地设计出美观的软件操作界面。性能优越的可视化开发环境和C＋＋程序开发语言也达到了完美地结合。因此，本文选择C＋＋Builder6.0开发环境进行测试系统软件的开发。

3.3 测试流程

由图3 所示，对于ECO补气压力动态调节面板，当对面板中“ECO判稳条件”“二分法查找条件”等数值进行修改后，点击位于面板中间的“进行修改”按钮，然后点击“重新开始ECO压力调节”按钮，软件即根据设定的各参数数值进行自动动态调节。

3.4 主要函数说明

主要函数说明如下。

（1）定时器tmrRunTest

定时器的Interval属性值设置为6000 ms，即大约每6 s循环1 次，下面的GetP12First 与GetP12Others 都是位于该函数体内部，故GetP12First与GetP12Others大约每6 s循环运行1 次。

（2）GetBiasCurrent（void）

该函数主要计算当前ECO偏差情况，并且与“ECO判稳条件”进行比较，面板“当前ECO 计算情况”显示此时的调节状态（已稳定，正在调节或者调节终止），若稳定，位于经济器补气动态调节面板最下侧的显示灯显示绿色；若不稳定，显示灯显示红色。

（3）GetP12First（double dBias1，double dBias2）

对于该函数，主要是勾选“重新进行ECO压力调节”的第一个点进行动态调节，主要先将最近5 个压缩机ECO进口压力的测点（本实验大约每6 s 对每个测点数值进行1 次测量）均值代入GetBiasCurrent（void），计算制冷量偏差情况，此时进行ECO偏差稳定判定，若稳定，则调节结束；若不稳定，则首先取此时压缩机ECO 进口压力与被试机排气压力等，代入GetBiasCurrent（void），得到dBias，若满足二分法查找条件，则将相应的压缩机ECO进口压力和温度设定到调节表中；若不满足二分法查找条件，则根据dBias是否大于0，进行不同地调节；若dBias ＞0，即主侧偏大，压力值偏小，反之即主侧偏小，压力值偏大；进行相应地调节即可，然后继续进行二分法条件的判定。当满足二分法的条件时，需要计算最近5 个压缩机ECO进口压力均值与设定值的差值，记为dECOStep，该数值需要在GetP12Others 函数中使用。GetP12First 函数流程如图4所示。

图4 GetP12First函数流程

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

对于该函数，主要是勾选“重新进行ECO压力调节”的除第一个点以外的所有点进行动态调节。先将最近5 个压缩机ECO进口压力的测点（本实验大约每6 s对每个测点数值进行1次测量）均值代入GetBiasCurrent（void），计算制冷量偏差情况，此时进行ECO偏差稳定判定，若稳定，则调节结束；否则，根据dBias是否大于0，压缩机ECO进口压力加减dECOStep，进行相应地自动调节。GetP12Others函数流程如图5所示。

图5 GetP12Others函数流程

4 试验结果与分析

选择具有代表性的试验工况进行带经济器的螺杆式压缩机实验测试，由于本实验采用的是R134a 制冷剂，根据其相关的性能参数，得出螺杆式压缩机的冷凝温度范围为18～70 ℃，蒸发温度范围为－26～18 ℃。为了使得各种不同的工况都得到测试，本实验工况1 和工况2 选择2 种比较临界的试验工况。分别为工况15 ℃／28 ℃（蒸发温度／冷凝温度，记为工况1）和－15 ℃／60 ℃（蒸发温度／冷凝温度，记为工况2）。

同时均匀地选取工况8 ℃／36 ℃（蒸发温度／冷凝温度，记为工况3），0 ℃／44 ℃（蒸发温度／冷凝温度，记为工况4），－8 ℃／52 ℃（蒸发温度／冷凝温度，记为工况5）。每种工况分别进行5 次人为手动控制ECO进口压力以及5 次采用软件自动控制，得到的试验稳定达到的时间均值与标准差如表1～5 所示。

表1 工况1 采用2 种调节方式稳定时间

表2 工况2 采用2 种调节方式稳定时间

表3 工况3 采用2 种调节方式稳定时间

表4 工况4 采用2 种调节方式稳定时间

表5 工况5 采用2 种调节方式稳定时间

由表1～5 可知，基于工况1～5 这5 种不同的试验工况，通过手动调节ECO补气，工况达到稳定的时间均值分别为2.06 h、2.24 h、2.06 h、2.28 h、2.02 h，工况达到稳定的时间标准差分别为0.301 h、0.344 h、0.326 h、0.279 h、0.299 h；通过软件动态调节ECO补气，工况达到稳定的时间均值分别为1.48 h、1.56 h、1.54 h、1.44 h、1.38 h，工况达到稳定的时间标准差分别为0.066 3 h、0.102 h、0.049 0 h、0.049 0 h、0.074 8 h；通过对比，软件动态调节ECO 补气，达到工况稳定的时间远小于手动调节，标准差也远小于手动调节。说明采用软件动态调节被试机ECO补气很好地节约了时间并且稳定性好，可靠性高。

5 结束语

本文设计了一种基于C＋＋Builder 自动调节经济器补气的软件平台，并且通过5 种具有代表意义的试验工况，分别进行手动调节ECO补气和软件自动调节ECO 补气。通过对比，软件动态调节ECO补气，达到工况稳定的时间远小于手动调节，标准差也远小于手动调节。综上得出，通过软件动态调节ECO补气，相较于手动调节，工作效率得到很大提高，且测试过程的一致性、时效性相对以前得到显著提高，能更好地满足产品批量生产的测试需求。

目前自主开发的螺杆式压缩机经济器动态补气软件已经在国内的某些企业得到较广泛的应用，通过各企业工程师的反馈，该软件稳定性高，很好地节约了人力和时间成本，得到了较高的评价。该螺杆式压缩机经济器动态补气软件具有非常好的应用市场和前景。