制冷壓縮機(jī)性能運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)裝置及其測(cè)控軟件的研制

曹義新，許敬德，郝穎磊，鄭慶偉，張成，王雷

（1.合肥通用機(jī)械研究院有限公司，安徽 合肥 230031；2.合肥通用環(huán)境控制技術(shù)有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230088)

制冷壓縮機(jī)是制冷產(chǎn)品最重要的核心部件，其性能、運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)客觀有效地獲取就顯得很重要?；I建或改造符合GB/T 5773-2016 等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制冷壓縮機(jī)性能運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)裝置以滿足行業(yè)需求已成為當(dāng)務(wù)之急。

這里以螺桿制冷壓縮機(jī)為例，研制其性能運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)裝置。試驗(yàn)裝置采用自主開發(fā)的測(cè)控軟件，并在實(shí)際運(yùn)行中不斷完善優(yōu)化，同時(shí)兼顧可視化、自動(dòng)化、智能化、人性化的需求，更加便于功能擴(kuò)充和系統(tǒng)維護(hù)，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間使用驗(yàn)證，試驗(yàn)裝置及其測(cè)控軟件運(yùn)行安全可靠。

1 性能、運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)原理與方法的介紹

按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及資料，性能試驗(yàn)應(yīng)包括兩種試驗(yàn)方法即X 法和Y 法，兩種方法應(yīng)同時(shí)進(jìn)行測(cè)量。X 法和Y 法試驗(yàn)結(jié)果之間的偏差應(yīng)在±4%以內(nèi)，并以X 法和Y 法測(cè)量計(jì)算結(jié)果的平均值為準(zhǔn)。運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)還沒有在行業(yè)上形成比較成熟的國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，目前以企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為主。運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)主要是自動(dòng)在線模擬被試壓縮機(jī)從抽真空灌裝制冷劑開始，進(jìn)入正常工作時(shí)的加減載操作，到最后回收制冷劑的整個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)生命周期過程。圖1 是典型的螺桿制冷壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表。

2 性能運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)裝置的原理及平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

典型的螺桿制冷壓縮機(jī)性能運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)裝置中性能試驗(yàn)采用的X 法和Y 法的組合方式是D1-J，運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)按企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

2.1 性能試驗(yàn)方法D1：吸氣管路制冷劑氣體流量計(jì)法

制冷劑氣體流量計(jì)是一個(gè)噴嘴或孔板式流量測(cè)量節(jié)流裝置或質(zhì)量流量計(jì)，由其測(cè)量氣體制冷劑體積流量或質(zhì)量流量，制冷劑氣體應(yīng)過熱均勻并且完全不帶液滴地全部流經(jīng)流量計(jì)，且準(zhǔn)確度為測(cè)量流量的±2%以內(nèi)。一般給試驗(yàn)裝置配置的氣體流量計(jì)分為渦街流量計(jì)和質(zhì)量流量計(jì)。本試驗(yàn)裝置采用渦街流量計(jì)測(cè)量氣體體積流量，目前最好的精度只能達(dá)到1.5%。根據(jù)流量計(jì)下游測(cè)出的壓力與溫度得到制冷劑的密度，與流量計(jì)測(cè)得的體積流量共同計(jì)算出質(zhì)量流量，乘以標(biāo)準(zhǔn)焓差得到制冷量。

圖1 運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)判定參數(shù)數(shù)據(jù)表（部分）

為減少流量計(jì)的測(cè)量誤差，應(yīng)設(shè)置有效的油分離裝置，按照標(biāo)準(zhǔn)要求使流經(jīng)流量計(jì)的制冷劑氣體中含油量以質(zhì)量計(jì)不超過1.5%。含油量測(cè)量一般是通過人工取樣稱重法測(cè)出，也就是通過測(cè)量得到的純油重量與取樣混合物重量之比，但不像流量計(jì)那樣實(shí)時(shí)有讀數(shù)。要保證含油量不超過1.5%，首先，配置合適的外置油分離器；其次，排氣一定是過熱狀態(tài)的；再次，通過X 法和Y法的比對(duì)分析，含油量大時(shí)，X 法和Y 法的偏差會(huì)大于±4%的范圍。

2.2 性能試驗(yàn)方法J：制冷劑氣體冷卻法

在試驗(yàn)裝置高壓側(cè)制冷劑氣體的一部分冷凝，并測(cè)量其流量，然后使其在一個(gè)氣體冷卻器中于低壓側(cè)壓力下再蒸發(fā)，用以冷卻經(jīng)降壓的剩余循環(huán)蒸汽，由此計(jì)算出制冷劑總流量。制冷劑液體噴入氣體冷卻器中，直接與從壓縮機(jī)排氣管到來的未冷凝制冷劑蒸汽混合后再蒸發(fā)，從氣體冷卻器出來的制冷劑蒸汽應(yīng)不含制冷劑液滴，并至少過熱8℃。氣體冷卻器應(yīng)隔熱，使其漏熱量不大于其換熱量的5%，此時(shí)進(jìn)入氣體冷卻器的已冷凝的制冷劑質(zhì)量和未冷凝的制冷劑質(zhì)量之比等于在氣體冷卻器中兩股蒸汽比焓變化之比的倒數(shù)，從而通過氣體冷卻器法測(cè)量計(jì)算得到壓縮機(jī)的制冷劑循環(huán)量，再乘以標(biāo)準(zhǔn)焓差得到制冷量。

2.3 兩種性能試驗(yàn)方法的測(cè)試控制邏輯

對(duì)于方法D1 的調(diào)節(jié)，一般來說吸氣壓力由制冷劑氣體調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)；吸氣溫度由液體膨脹閥來調(diào)節(jié)；排氣壓力通過改變冷凝器冷卻水量或冷卻水溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，也可由排氣管道中壓力控制閥調(diào)節(jié)。

圖2 性能測(cè)試方法J 單級(jí)制冷壓縮機(jī)控制邏輯

對(duì)于方法J 的調(diào)節(jié)：吸氣壓力，也即蒸發(fā)壓力，是由排氣管路上的氣體冷卻器入口節(jié)流閥V1 進(jìn)行調(diào)節(jié)控制；吸氣溫度是由進(jìn)入氣體冷卻器的液體管路上的節(jié)流閥V2進(jìn)行調(diào)節(jié)控制；排氣壓力，即冷凝壓力，通過改變冷凝器的水側(cè)溫度和流量進(jìn)行調(diào)節(jié)控制；流程如圖2。

2.4 運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)方法

運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)通過三種邏輯判斷去控制壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，相對(duì)于性能試驗(yàn)來說，測(cè)試時(shí)間短，測(cè)控須可靠靈敏。第一種邏輯判斷類型是例如抽真空過程，以真空度具體數(shù)值作為判斷；第二種類型為時(shí)間段判斷，例如壓縮機(jī)從25%加載到50%的時(shí)間間隔；第三種類型是試驗(yàn)工況判穩(wěn)，和性能試驗(yàn)類似。下圖3 是典型的螺桿制冷壓縮機(jī)性能運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)裝置的測(cè)試平臺(tái)和動(dòng)力控制柜。

3 試驗(yàn)裝置測(cè)試方法的分析與計(jì)量結(jié)果的研究

3.1 測(cè)試方法的分析思考

從相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)里給定的試驗(yàn)方法做比較出發(fā)，這里對(duì)可用于典型的螺桿制冷壓縮機(jī)性能試驗(yàn)方法進(jìn)行了詳細(xì)的分析。比如干式制冷劑量熱器法C，類似于水冷冷水機(jī)組的蒸發(fā)側(cè)工作原理；水冷冷凝器量熱器法G 和壓縮機(jī)排氣管道量熱器法K，類似于水冷冷水機(jī)組的冷凝側(cè)工作原理，都是通過載冷劑側(cè)的熱量反過來推算制冷劑側(cè)的流量。這些方法，一是涉及的測(cè)量點(diǎn)多，不可避免地導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果誤差概率大；二是調(diào)節(jié)控制的對(duì)象多，增加了控制的復(fù)雜度；三是輔助設(shè)備增多，增加了成本：比如方法C，需要給量熱器提供與制冷量相當(dāng)?shù)臒崃?、與蒸發(fā)溫度要求相符合的載冷劑的種類；同時(shí)冷凝器側(cè)的熱負(fù)荷是壓縮機(jī)制冷量+壓縮機(jī)功率之和，冷凝器自身以及相應(yīng)的水路配置都很大，并且要考慮熱量的釋放。

在承建性能運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)裝置做方案討論階段，研制小組針對(duì)多種測(cè)試方法做了一些價(jià)格成本的比較列出，結(jié)合試驗(yàn)裝置的控制要求，最終給出了上述的典型方案，因?yàn)樵囼?yàn)裝置的流暢運(yùn)行，很大程度上跟控制的準(zhǔn)確判斷有關(guān)。

對(duì)于大型螺桿制冷壓縮機(jī)，偏向采用制冷劑氣體冷卻法J，因?yàn)檫@種方法的最大優(yōu)勢(shì)是節(jié)能。制冷系統(tǒng)蒸發(fā)產(chǎn)生的冷量，直接由壓縮機(jī)排氣的熱量給平衡掉，從理論上講，冷凝器的散熱負(fù)荷就只是制冷壓縮機(jī)的功率負(fù)荷。制冷系統(tǒng)的熱量與冷量直接中和，又不通過其它設(shè)備的間接作用，最大程度上節(jié)省了試驗(yàn)系統(tǒng)輔助設(shè)備的成本；同時(shí)氣體冷卻器自身也能兼顧不同蒸發(fā)溫度跨度的試驗(yàn)范圍，不像冷水機(jī)組還要考慮冷媒側(cè)載冷劑的種類使用，這又是因?yàn)楣?jié)能延伸到系統(tǒng)構(gòu)造中的成本考量：不需要電加熱或蒸汽加熱裝置，不需要低溫載冷劑所需的不銹鋼設(shè)備與管道，不需要很多的監(jiān)控調(diào)節(jié)點(diǎn)，不需要太大的占地面積等等。

但方法J 有個(gè)明顯缺點(diǎn)就是噪音大。噪音主要發(fā)生在節(jié)流閥V1，其次是氣體冷卻器；因?yàn)閷?duì)于節(jié)流閥V1，閥前與閥后都是過熱氣體，沒有相變過程，只是氣體的狀態(tài)發(fā)生變化——體積膨脹變大，氣體的流動(dòng)在管道內(nèi)產(chǎn)生很大的噪音。如要測(cè)試壓縮機(jī)的噪音，應(yīng)給壓縮機(jī)單獨(dú)建造環(huán)境間，根據(jù)半消音室噪音測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中的要求進(jìn)行測(cè)試。

3.2 制冷劑氣體冷卻法J 制冷量不確定度的研究

從試驗(yàn)裝置計(jì)量本質(zhì)的角度出發(fā)，這里遴選出方法J 核心參數(shù)——制冷量不確定度的詳細(xì)計(jì)算分析。

3.2.1 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)規(guī)定，由方法J 試驗(yàn)測(cè)得的進(jìn)入壓縮機(jī)所在制冷循環(huán)的制冷劑流量由式（1）計(jì)算：

忽略漏熱影響后，規(guī)定工況下實(shí)測(cè)制冷量由下式計(jì)算：

根據(jù)測(cè)量不確定度評(píng)定原則，在上述公式（2）中，影響壓縮機(jī)制冷量測(cè)量不確定度的來源主要有8 個(gè)參數(shù)，其中：νg1、hg1和hf1是與計(jì)算工況有關(guān)的參數(shù)，

其中：

公式（1）（2）（3）中，各符號(hào)參數(shù)見下表1。

表1 符號(hào)參數(shù)表1

3.2.2 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量的A 類評(píng)定

對(duì)被測(cè)壓縮機(jī)進(jìn)行7 次獨(dú)立的重復(fù)測(cè)量，數(shù)據(jù)見表2。

A 類方法評(píng)定的不確定度分量按式（12）計(jì)算：

式中，各符號(hào)參數(shù)見下表3。

將 表2 的 分 析 結(jié) 果 與 式（3） 對(duì) 應(yīng)， 得 到：

表2 壓縮機(jī)制冷量的7 次測(cè)量數(shù)據(jù)

表3 符號(hào)參數(shù)表2

3.2.3 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量的B 類評(píng)定

由基本儀器儀表的檢定證書給出各個(gè)測(cè)量分量的偏差值，按照相應(yīng)概率分布，計(jì)算B 類標(biāo)準(zhǔn)不確定度見下表4。

3.2.4 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評(píng)定

根據(jù)測(cè)量不確定度合成原理，壓縮機(jī)制冷量的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度按 式（3） 計(jì)算：=7.687kW。

3.2.5 擴(kuò)展不確定度的評(píng)定

表4 B 類標(biāo)準(zhǔn)不確定度計(jì)算參數(shù)表

取置信概率p=95%，包含因子k=2。則壓縮機(jī)制冷量的擴(kuò)展不確定度按式（13）計(jì)算： 壓縮機(jī)制冷量的相對(duì)擴(kuò)展不確定度為：1.98%。

相對(duì)擴(kuò)展不確定度為擴(kuò)展不確定度與對(duì)應(yīng)的獨(dú)立重復(fù)測(cè)量結(jié)果算數(shù)平均值的比值。

在國際范圍內(nèi)，各國在用特定的試驗(yàn)裝置測(cè)量出制冷壓縮機(jī)完整的制冷量結(jié)果的同時(shí)均提供了測(cè)量不確定度的評(píng)定結(jié)果。因此，測(cè)量不確定度評(píng)定與表示方法的統(tǒng)一，是評(píng)價(jià)特定的試驗(yàn)裝置的一項(xiàng)重要參考數(shù)據(jù)，標(biāo)志著我國制冷檢測(cè)行業(yè)邁出和國際接軌的重要一步，也是科技交流和國際貿(mào)易的迫切要求。

4 性能運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)裝置測(cè)控軟件的編制及實(shí)現(xiàn)

圖4 試驗(yàn)裝置的測(cè)試軟件界面

在試驗(yàn)裝置中，與測(cè)試軟件（見圖4）通信的硬件主要由工控計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集器、數(shù)字功率計(jì)、PLC 控制器、PID 調(diào)節(jié)表等儀器儀表組成。其中數(shù)據(jù)采集器接入溫度、壓力等傳感器信號(hào)；數(shù)字功率計(jì)負(fù)責(zé)被試壓縮機(jī)電參數(shù)采集；測(cè)試軟件與PLC 控制器通信可以控制相關(guān)設(shè)備的啟停，與PID 調(diào)節(jié)表通信可以閉環(huán)控制相關(guān)的執(zhí)行器件。測(cè)試軟件采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)，需要在同一時(shí)間同步進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、儀表控制等工作，所以它先天注定是多線程的，從而保證了各功能模塊執(zhí)行的并發(fā)性和持續(xù)性。測(cè)試軟件最終分別給出運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)報(bào)告和性能試驗(yàn)報(bào)告。

人機(jī)界面程序通過PLC 控制器可以控制相關(guān)設(shè)備的啟停，與測(cè)試軟件互為雙熱備功能。PLC 控制器的控制程序?yàn)榭刂坪诵某绦?，為了達(dá)到高可靠性，梯形圖中關(guān)鍵部分設(shè)計(jì)了冗余功能。

5 測(cè)控軟件的特點(diǎn)、不足及探索

測(cè)控軟件整體耦合程度較高，能夠有機(jī)結(jié)合發(fā)揮試驗(yàn)裝置的最大測(cè)控優(yōu)勢(shì)。但針對(duì)各自獨(dú)立功能，不足之處還是有的，需要探索完善，下面進(jìn)行詳細(xì)分析。

5.1 測(cè)試軟件

測(cè)試軟件在工控計(jì)算機(jī)上執(zhí)行，目前基本做到了“一鍵測(cè)試、無人值守”功能，體現(xiàn)了一定的自動(dòng)化智能化人性化特點(diǎn)，但網(wǎng)絡(luò)功能不太完善，大數(shù)據(jù)高效處理略顯倉促，這就要求在現(xiàn)有的軟件網(wǎng)絡(luò)接口功能上進(jìn)一步擴(kuò)展完善，從數(shù)據(jù)庫選型入手，重新定位符合大數(shù)據(jù)高效處理的數(shù)據(jù)倉庫管理軟件系統(tǒng)，協(xié)同高效的軟件代碼處理機(jī)制。另外，測(cè)試軟件可以嘗試引進(jìn)人工智能算法和云計(jì)算等最新技術(shù)等。

5.2 PLC 控制器的控制程序

PLC 控制器的控制程序?yàn)榭刂坪诵某绦?，安全可靠的重要性不言而喻。今后?yīng)該采用軟件工程理論對(duì)PLC 控制器的控制程序進(jìn)行軟件安全評(píng)估，防止例如“競(jìng)爭(zhēng)險(xiǎn)象”這樣的安全隱患存在。

5.3 人機(jī)界面程序

人機(jī)界面程序?yàn)榻M態(tài)化軟件，目前定制的控制界面靈活美觀可靠。將來可以充分利用組態(tài)軟件的組態(tài)特點(diǎn)，進(jìn)行二次開發(fā)，使人機(jī)界面程序功能優(yōu)點(diǎn)最大化。

5.4 不確定度計(jì)算軟件化的探索

試驗(yàn)裝置測(cè)試軟件輸出的報(bào)告格式統(tǒng)一后，不確定計(jì)算軟件化的功能就可以實(shí)現(xiàn)了。目前這項(xiàng)工作已經(jīng)開展，正在進(jìn)行算法優(yōu)化。

6 結(jié)語

行業(yè)上采用試驗(yàn)裝置來檢測(cè)產(chǎn)品質(zhì)量或提高研發(fā)水平的方法已經(jīng)普及，但有的試驗(yàn)裝置及其測(cè)控軟件水平較低，且沒有把性能試驗(yàn)和運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)有機(jī)結(jié)合起來。隨著新標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，改造或新建制冷壓縮機(jī)性能運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)裝置，并嵌入智能高效可擴(kuò)展的測(cè)控軟件是行業(yè)的必然選擇。

目前制冷壓縮機(jī)性能運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)裝置及其相配套的測(cè)控軟件已在國內(nèi)一些企業(yè)和機(jī)構(gòu)中得到應(yīng)用，應(yīng)用結(jié)果證明試驗(yàn)裝置及其測(cè)控軟件穩(wěn)定可靠，功能滿足各種需求，獲得用戶一致好評(píng)，具有良好的應(yīng)用市場(chǎng)和前景。