变频风冷螺杆式冷水机组部分负荷性能实时优化

2 0 1 8 年 2 月

肩淹f 寶；爾

83-87

REFRIGERATION AND AIR-CONDITIONING

变频风冷螺杆式冷水机组部分负荷性能实时优化

陈文勇芦晓明熊铁红

(英格索兰亚太工程技术中心）

摘要提出一种变频风冷螺杆式冷水机组部分负荷效率实时优化控制的方法，用于优化压缩机频率和潸 阀位置的配合、风机转速及多压缩机的冷量分配。试验结果表明：该方法相比无压缩机频率和滑阀位置优 化的算法，部分负荷效率提高约3 %;相比无风机优化算法，部分负荷效率提高约7%;多压缩机冷量分配 时，算法对效率影响较小。该方法的适用性强，可用于不同机组的配置。关键词螺杆式压缩机；风冷式冷水机组；部分负荷;性能优化；实时

Real time performance optimization of frequency-conversion

air-cooled screw chiller under partial load

Chen Wenyong

Lu Xiaoming Xiong Tiehong

(Ingersoll Rand Engineering &

Technology Center-Asia Pacific)

ABSTRACT One kind of real time optimization control method is proposed to improve

the partial load efficiency of frequency-conversion air-cooled screw chiller, so as to im­prove the coordination of compresior frequency and slide valve^s position, fan speed? and load distribution among multiple compressors，etc.. The test results show that this method can improve the partial load efficiency by about 3%, compared with the control

method of no optimization of compressor frequency and slide valve^s position. It improves the partial load efficiency by about 7% compared with no optimization of fan control. It

has a little effect on efficiency when applied to load distribution among multiple compre­ssors. This method has wide applicability, and it can be applied to different unit configura­tions.

KEY WORDS

real time

screw compressor ；air-cooled chiller ；partial load；performance optimization；

近年来，对风冷式冷水机组性能的关注，已 从单纯的额定点的性能系数(COP )，转向综合部 分负荷性能系数（IPLV)。如何提高机组在部分 负荷时的性能是各空调厂商普遍关心的问题。 采用变频技术是提高部分负荷性能系数的有效 手段。但是采用变频技术之后，系统可调节的变 量增多，这就涉及各参数之间的优化问题；另外 大型的风冷螺杆式冷水机组多采用多回路、多压 缩机并联的形式，各回路、各压缩机之间如何协 调，才能达到更高的能效比，这也是是需要研究 的课题。

1风冷螺杆式冷水机组及优化控制现状

风冷螺杆式冷水机组是采用螺杆式压缩机和

风冷式冷凝器用来制取冷冻水的空调机组。冷董 范围一^般为100〜2 000 kW。一^台螺杆式压缩机 的冷量范围比较有限，如果需要更大冷暈的机组， 就需要采用多回路、多压缩机并联的形式。

传统的螺杆式压缩机采用滑阀调节冷量。当 滑阀沿转子轴向运动时，不仅压缩机的输气量发 生变化，压缩机的内压比也发生变化。此时压缩 机的内压比不一定和系统工作的外压比一致，这 会影响压缩机的效率M。通常压缩机的冷量调节

收稿日期：2〇1>11-03

作者简介：陈文勇，博士，高级

I:程师•主要从事风冷螺杆式冷水机组开发设计。

•84 •是比较优先的，控制还是会根据当前系统的冷量 需求（出水温度和设定目标值之差）决定自前的滑 阀位置，也就不存在滑阀位置优化的问题。但是 对于带滑阀调节的变频压缩机，冷量的调节除了 滑阀的位置，还多了一个变量—

压缩机的频率，

控制的难度增加了。对于相同的负荷，有不同的 滑阀位置和压缩机频率的组合可以实现，有可能 选择更高效率的组合，实现系统的优化g

秦黄辉等[_探讨了压缩机采用1.7,2.2,2.6 和3.2四种内压比，在不同的冷凝温度下，压缩机 功率、制冷量和效率的变化，发现系统在高冷凝温 度、满负荷运行时，采用高压比的压缩机效率较 高；在低冷凝温度、小负荷运行时，采用低压比的 效率较高。但是对于同一台压缩机，如何定量地 协调滑阀和频率，没有给出方法。

秦黄辉m还讨论了不同负荷下系统效率随风 机电机频率的变化I在部分负荷时，有一^个最佳的 风机转速，但是这个最佳值是通过计算或测量获 得不同的风机转速下机组的性能后找出来的，无 法直接应用于控制。如果要用于控制，必须确定 一个控制目标，通常是选取系统压力相关的目标， 如：冷凝压力（或饱和冷凝温度）、或系统压差、或 系统压力比等。也就是说，系统在最佳能效时对 应确定的系统压力（或饱和冷凝温度），这个压力 (或温度）通过风机的控制获得。这个最佳能效对 应的系统压力一般被拟合成环境温度、水温、负荷 等变量的公式。例如一份美国专利[3=，选饱和冷 凝温度作为控制目标，将它拟合成

SDTSP = G + C2 x 〇AT + C3 X SST +C4 x LOAD

(1)

式中和c4为根据系统的数据拟合出

的常量；SDTSP为饱和冷凝温度的设定值（°C); OAT为环境温度（°C);SST为饱和蒸发温度 (°C);LOAD为负荷的百分数（％)。

上述做法的优点是控制目标和结果都很明 确，控制的计算量小，缺点是需要做大量试验，或 批量计算，首先要获得各种工况下系统压力、温度 和能效的数据，然后对这些数据做筛选，找出能效 最高的参数组合，再用这些参数组合拟合出优化 公式。所以，前期的工作量很大，而且所形成的优 化算法适应性较差。如果应用场合发生变化，比 如更换压缩机或风机类型，则需要将整个数据整 理和公式拟合流程再做一遍。

第18卷

近几年，随着集成电路及IT技术的发展，大 型冷水机组的控制器计算能力越来越强，为复杂 控制算法的虛用提供了条件。笔者提出一种在线 计算的方法，能够同时应用在压缩机频率和滑阀 配合的优化、风机的优化及多压缩机的冷量分配 等方面，从而提高变频风冷螺杆式冷水机组部分 负荷性能。

2

变频风冷螺杆式冷水机组的不同组合配置2.1单压缩机系统容量调节 2. 1.1频率和滑阀的协调

对于风冷螺杆式冷水机组，如果采用变频技 术，有2种选择：一^种是直接选用变频压缩机；另一^ 种是在原有定速压缩机的基础上加装变频器。

变频螺杆式压缩机针对压缩机转速变化的需 要，对压缩机的润滑系统、压比和电机等重新设 计，例如采用永磁转子的电机，允许压缩机转速变 化范围更大(一般20%〜100%)，在允许的转速范 围内效率也较高，但是特殊设计增加的成本较高， 所以这类目前应用的还不多。

在原有定速压缩机的基础上加装变频器，是 目前厂家应用较多的一种形式。多数原有定速螺 杆式压缩机几乎不需要改动，可以直接用变频器 驱动。由于压缩机的结构没有变化，所以变化的频 率范围比较有限，一般为30〜50 Hz。但是，结合滑 阀的能量调节，能量调节的范围可以在36%〜 100%之间，可以满足一般的应用要求。此时，压缩 机有了 2个能量调节的方式，压缩机的转速和滑阀 位置。这2个能量调节方式如何协调？简单的处理 方式是优先让滑阀工作在1〇()%，也就是机组在需

要加载时保持频率不变，先加载滑阀;等滑阀加载 到100M后，再加载频率；卸载时相反，先卸载频 率，等频率卸载到最低，再卸载滑阀[#|。

这种方式压缩机转速和滑阀的关系明确，控 制实现也简单。但是，通过计算模拟及测试发现， 在部分负荷时并不能达到最优的效率。例如，笔 者利用特灵公司稳态系统模拟软件计算了一台机 组在环境温度为35 °C和20 °C两种情况下的性能， 分别如图1和图2所示。

由图1可以看出，环境温度为35 °C时，在不同 的压缩机频率下，滑阀基本在7 0 %附近机组的 COP达到最大值；而在图2中，环境温度为20 °C， 在不同的压缩机频率下，滑阀在20%左右机组的 COP达到最大值。可见，在环境温度较低时，较低

第2=.期廳文墨等:庚:频风冷螺杆3ft綠水机组部分负荷性:能实树优化

•85 •

压缩机频率50 Hz

的滑阀位fi相比高的滑阀位置，机组有更高的效 率。这是因为，环境温度不同，系统髙低压力比不 同，即外压比不同；而风冷螺杆式压缩机，通常是 高内，压比(:一般大f 3.5>的压缩机。滑阀如果在 100 %，会有更多的气体被压缩，压比也是最高的； 普滑阀沿转子的轴向向排气端运动时，输气量减 小，内，压比也基本是减小的趋势。在低环境温度 时采用低的滑阀位置，压缩机的内压比和外压比 比较一致，压缩机容易获得较高的效率.

但是环境温度不同 > 最优的滑阀位置不同，怎 样才能确定一个最优的频率和滑阀位置的组合？ 如果建立系统的数学模塑，根据苕前系统的状态， 利用双参数优化的方法，先找出最优的频率和滑 阀位置的组合，再通过控制器去执行*那将是一个 计算暈非常大的工作.即便花了几分钟算出了结 果，系统的状态可能已经偏离了计算开始时的状 态6显然，这不是一个可行的方案。

笔者在变频风冷螺杆式冷水机组开发过程 中，同项I目团队一:起，成功解决T这一难题，就是 将最优的频率和潸阀位fi的寻找％系统的能囊调 节结合在一起。机组在实际运:_行中总在不_停地加 卸载调节，使水温稳定在设定值。例如此刻检测 的水温略高于设定值，机组需要加载。那么，需要 加载频率还是加载滑阀f当然最好的办法是哪个

方式的效率窩就用哪种方式加载。可以分别计算

加载频率和加载滑阀2种情况下压缩机的效率，然 后比较这；2个效率挪个道最后选择效率貪的方 式加载

对普通的定速压缩机》1程1一般多宙缩 机的冷量和功率的多项式模型，也就是将冷量或 功率拟合成饱和蒸发温度、饱和冷凝温度的多项 式，对于带滑阀的变频螺杆式压缩机，也采用类 似的模型，只不过在不同的压缩机频'率(如，/2，

/3 )和?骨阀位璧.*(〇 %，W1，》2，*«、）分别给.出。对 于其他位置，通过插值的方法得到。

压缩机功率=功率模型（蒸发温度，冷凝温度，

滑阀位2,压缩机频率） （2)压缩机流霹=流晕模型（蒸发温度，冷凝温度，

滑阀位璧J压缩机频率）

（3)

在螺杆式压缩机中，实际很少装有滑阀的位 .置传感器。但是在计算压缩机效率时又必须知道 滑阀的位置。可以通过变频器的功率和频率反 馈，得到摔缩机的功率和频率。通过温度或ffi力

传感器获得饱和蒸发温度和冷凝温度，再通过式 (2)反算得到目前压缩机的滑阀估计位置。得到 滑阀位置后，就可以进一步知道。变滑両和变频率 压缩机的效率哪种变化更。多。例如加载时，分别 计算压缩机滑阀加一个很小变化量（如)时滑

阀的效率，_瘡阀效率:

滑阀加时的流量-e前流量

滑阀加1駕时的功率-=良前功率

⑷

_和频率增加一个很小_.变化詹(如1 % >时频率 的效率，

频率敢率：

频率加I%时的流量-食前謝量

频率加1K时的功率“禽蔚功率

(5)

比较潸阀效率和变频器餘率s如果滑阀效:率

高，则控制应倾向f •保持现有频率，提髙滑阀位 置;如果变频器效率高，则控制应倾向于保持现有 猾阀位置，增加频率。具体的加载的步长.s则由冷 量猶書求决歲、

对1合名义制冷量为356 kW的机组在AHRI

550/ 590-201沙]规定的75 货荷率下迸行了试验

验证遙果如表1所示，采用实时优化算法优化滑 阀位置和压缩机频率后，滑阀的位置由原来的

l〇〇K降低到78%K琢缩机的频率由:最嘗频:率的

6#%增加到最裔频率的82%# GOP提嘗2.9%。

2.1. 2风机的控制

对于风机的优化控制，可以借鉴压缩机的频率

• 86 •表1螺杆式压缩机滑阀和频率优化对部分负荷时COP的影响

参数

文献[4]算法

实时优化算法

压缩机频率与最高频率比值/M6882压缩机滑阀位置与敁大位西:比值/ %10078制冷量/kw

252.1252.3COP

4.18

4,30

和滑阀位置优化的方法，也采用实时优化的方法。 首先，根据压缩机变频器的功率和频率反馈，用式 (2)计算出压缩机的滑阀位置；其次，机组当前的 冷凝温度、蒸发温度可以通过传感器测得，通过压 缩机的流量计算公式(3)知道压缩机的流量（或制 冷量h最后，计算风机的功率s风机转速是已知 的，可以计算出该转速下的单台风机的功率，

K

X

7Z3

(6)

式中：Wfs为单台风机的功率（W);C为常数（W/ (r/min)3);7z 为风机转速（r/min)。

机组中风机总的功率用下面的公式计算：TWrT, f u = ---------------------fnXWhxp&X288A5101.325 X (>a + 273.15)

(7)

式中：Wfu为机组中风机的总功率（W);/n为风机 的台数；仏为本地大气压（kPa); ^为环境温度(。〇。

至此，可以得到当前风速下系统的效率。然 后需要知道如果风量少量增加，系统的效率是增 大还是减小；如果风量少量减小，系统的效率是增 大还是减小？计算时，控制风量有一个小的变化 量，使得系统冷凝温度的变化很小，为了简化计 算，近似认为系统在这2个风速下冷凝器的换热量 和换热系数是相同的。根据传热计算公式 Q =々 x A X

(8)

式中：Q为换热量（W);々为换热系数(W/(m2 • K));A为换热面积(m2);A〖为换热温差(K)。

因为风机的风量正比于风机的转速，所以，

n 乂乂 [\ c 二 n t乂 Lt t

(9)

式中：〃 t为临近冷凝温度下风机的转速(r / m i n );

为临近冷凝温度下传热温差（K);〜为当前冷 凝温度下风机的转速（r/min) ; 为当前冷凝温

度下传热温差(K)9

由此可以计算出风速变化后系统冷凝温度的 变化，重复当前风速系统效率的计算过程，可以计 算出风机转速增加时系统的效率和风机转速减小 时系统的效率，再比较哪个效率高，决定风速增加 还是减小。

第18卷

对1台名义制冷量为670 kW，双回路的机组 在AHRI 550/590-2015®规定的75%负荷率下进 行了试验验证，结果如表2所示。首先进行无风机 优化，即风机转速100%时的性能测试，然后根据 以上实时优化算法优化风机0采用2种风机控制 算法的同时，压缩机的控制都是采用2.1.1节所述 的滑阀和频率优化方法0

表2

实时风机优化对部分负荷性能的影响

参数

无风机优化

实时风机优化

回路1比缩机频率与M高频率 比值/%

9480

回路

1汛缩机滑阀位說与敁大

位宵:比值/ %

5076回路1风机转速与最高转速 比值/%

100

82

回路2压缩机频率与最髙频率 比值/%

9980回路2羅缩机滑_位置与摄大 位宵:比值/ %

3872回路2风机转速与最高转速 比值10075/%

制冷姑/kW

474470COP

4.13

4.43

风机优化后，回路1风机转速由最大转速降为 最大转速的82%，回路2风机转速由最大转速降 为最大转速的75%s相应地，因为风量减小，冷凝 温度升高，回路1滑阀位置从50 %提高到76 % ,回 路2滑阀位置从38%提高到72%。最终COP由 4.13提尚到4.43。

2.2多压缩机系统容量调节

多压缩机的组合是多种多样的，如:可以是一个 系统，也可以是2个系统；压缩机的台数可以是2 台、3台或4台；压缩机可以是定频的，也可以是变 频的，或者是两者的组合;2台压缩机的容量可以是 相同的，也可以是一大一小。各种组合情况可能有 数十种。在部分负荷时，压缩机如何分配冷量才能 达到一个更高的效率？其实可以仍然按照单台变频 压缩机频率和滑阀位置协制的思路解决这个问 题。对于单台变频压缩机，系统如果加载，有2条路 径:提高滑阀位置或提高频率。可以根据系统的当 前参数，实时计算提高滑阀位置的效率和提高频 率的效率，然后按照效率较高的路径加载。类似 地，对多台压缩机，无论是定频的还是变频的，可 以列举出所有的加载路径：如第一^台压缩机提尚 滑阀位置、第一^台压缩机提尚频率(如果第一^台压 缩机是变频的）、第=台压缩机提高滑阀位置、第

第2期陈文勇等：变频风冷螺杆式冷水机组部分负荷性能实时优化•87 •

二台压缩机提高频率（如果第二台压缩机是变频 的）、第三台压缩机提高滑阀位置、第三台压缩机提高频率...，依次计算每一个路径的加载效率，然后，挑选效率最高的路径加载；或者按照一定的 系数加权分配，例如，效率最高的路径加载的比例 按60%，其余的路径分担剩余的40%。

由于机组在实际运行中总在不停地加卸载调 节，大概几秒钟执行一次，如果系统的负荷变化不 大，累计的结果就会使系统稳定在一个效率较高 的状态上，这时，不仅单台压缩机的滑阀、频率达 到最佳的组合，每台压缩机的容量分配也是一个 最优的结果。

对于以上算法，笔者在1台440 kW双回路风 冷式机组上进行了验证。该机组2个回路的压缩 机的名义制冷量之比为17:12，2个回路的冷凝器 面积之比为3:2。在AHRI 550/590-2015[5]规定 的50%负荷率工况下，分别采用传统控制方法和 实时优化算法对机组进行测试。传统控制算法使 每台工作的压缩机工作在相同的负载百分数，例 如都是自身满负荷的60%。2种控制算法下，系统 的控制结果和机组的冷量和效率对比见表3。

表3

控制算法的对比

传统控制

62

606063216.36.22

实时优化

67

616043217.76.22

配给了回路1。因为回路1和回路2的冷凝器的 面积比是3:2，大于2台压缩机的名义制冷量之比 17:12,从冷凝器的面积看，回路1的相对大一些， 如果压缩机本身的效率相同，回路1的效率要高， 所以理应承担更多的负荷。所以从这个角度分 析，实时优化方法更合理。只是在笔者选定的试 验条件下两者的差别不是很明显。3

结论

结合机组的冷量调节和实时效率的计算，实 时优化算法可以从以下几方面提高机组在部分负 荷下的效率：

1) 单台压缩机的滑阀位置和频率的协调；2) 风机的风量优化；

3) 多压缩机负荷分配调节的优化。

由此可见，该方法通用性强，无论是定频还是 变频，回路是单压缩机还是多压缩机并联，风机是 变频还是定频都适用。它的优化不依赖大量的历 史数据的回归，只需要比较准确的压缩机和风机 的数据库，且优化算法编写时的工作量比较小。

参考文献

[1]

秦黄辉.风冷螺杆式制冷机组变负荷性能研究[J].科

参数

回路1压缩机频率与最高频率比值/%回路1压缩机滑阀位置与最大位置比值/%回路2压缩机频率与最高频率比值/%回路2压缩机滑阀位置与最大位置比值/%制冷量/kW

COP

技通报，2016,32(12)

[2] 杨侨明，张天翼，李日华，等.制冷螺杆压缩机工况匹

配研究[C]//国际制冷技术交流会议论文集.珠海， 2014:82-91.

[3] Carrier Corporation. Optimization of air cooled chiller

system operation：8484990[P]. 2007-02-14.

[4] 李杰，王武超，唐文，等.变频技术在水冷螺杆式冷水

从试验结果看，2种算法得到的2台压缩机的 滑阀位置和频率不同，但是机组的COP和冷量几 乎相同，似乎不能体现实时优化的好处，但是，一 个有趣的结果是，实时优化算法将更多的负荷分

机组中的应用[J].制冷与空调，2016，16(6):75-78.[5] Standard for performance rating of water-chilling and

heat pump water-heating packages using the vapor compression cycle：AHRI 550/590-2015[S].

(上接第59页）

重复装机测试结果，采用停机、冷却进行处理。5

结束语

房间空调器用压缩机容积流量试验装置可以 迅速准确测试压缩机容积流量，装置模块化后可 以给压缩机制造企业的出厂检验和产品质量控制 提供便利，具有很好的推广价值。

[2]

15765—2014[S].

容积式制冷剂压缩机容积流量试验方法：GB/T 34619—2017[S].

参考文献

[1] 房间空气调节器用全封闭型电动机-压缩机：gb/

t