制冷系统节能优化智能控制研究

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一、制冷系统总体数学模型

要实现制冷系统的智能控制，首先要建立相应的数学模型［6－8］。其中压缩机模型采用动态集中参数模型，蒸发器、冷凝器、节流阀和小型低温库模型采用稳态集总参数模型，选择冷库制冷系统的输入变量、输出变量和状态变量如下：输入变量：压缩机频率f，膨胀阀开度Av；输出变量：库内温度Tin，蒸发器出口过热度Tsh；状态变量：冷凝器出口比焓hb，冷凝器管壁温度Tcw，蒸发器出口比焓hd；蒸发器管壁温度Tew，库内温度Tin。可得到冷库制冷系统的5阶非线性动态数学模型如下：根据上述数学模型，使用MATLAB软件对制冷循环过程进行数值模拟，得出各种设定工况下制冷循环各个部分温度、压力等参数分布，从而分析不同运行条件对系统性能的影响。数值模拟可以作为实验研究的补充，将模拟结果与实验结果进行对比，修正模拟程序。最后得到相对准确的模拟程序用于预测研究。

二、制冷系统的智能控制

在冷库制冷系统中，控制目标是冷库库房内的温度和系统COP值，控制方法是通过调节压缩机的转速和膨胀阀的开度，无论是调节压缩机转速还是调节膨胀阀开度都会影响冷库库房内温度和COP值的改变。因而该系统是一个典型的大时滞、强耦合、非线性系统。使用模糊PID控制器来进行实时调节，以误差e和误差变化ec作为输入，可以满足不同时刻的e和ec对PID参数自整定的要求。利用模糊控制规则在线对PID参数进行PID参数模糊自整定是找出PID三个参数与e和ec之间的模糊关系，在运行中通过不断检测e和ec，根据模糊控制原理来对三个参数进行在线修改，以满足不同e和ec时对控制参数的不同要求，而使被控对象有良好的动、静态性能［9－11］。其工作流程图如图1所示。

三、实验研究

本文搭建了一套小型低温库的试验装置，以验证前面所设计的智能控制系统的可靠性。实验系统流程图如图2所示。制冷系统主要通过外平衡式热力膨胀阀来实现节流效应。由于实验装置是低温库系统，所以系统设有储液罐，当系统到达－38℃时，系统内部制冷剂的质量流量大大减小，制冷量降低，此时制冷剂可以回到储液罐中，系统停机之后储液罐也可以容纳蒸发膨胀的制冷剂蒸气。本实验系统最重要的是控制系统，要求控制系统能够准确及时地记录实验系统运行时系统内部相关参数，并进行合理的调节控制。其主要功能是控制制冷装置的启停；对温度、压力等相关数据的采集；经过算法控制器计算后输出数据以实现对变工况制冷装置的合理控制。控制硬件包括PC上位机，横河数据传输系统MX180－E－3R，变频器，继电器，电磁阀等执行器。系统各点温度由铜—康铜热电偶（分度号T）和Pt100铂电阻测定。为了进一步保证温度测量的准确性，需要对热电偶进行校验，校验方法是将热电偶测点探头分别放置在冰水混合物及沸水中进行标定，同时为保证热电偶的线性，将热电偶的温度信号与标准温度计对比，保证热电偶的误差小于0．5℃。为了更加准确地测量低温库内的温度，在低温库中使用了三根上海自动化三厂生产的精度等级为A级的Pt100铂电阻，并且放置在不同位置进行温度测量。由热电偶和热电阻得到的电信号直接输入日本横河YOKOGAWA数据采集仪MX100，可得到实时的温度数值。实验及结果分析（一）各稳定工况下制冷系统的性能分析开启冷库制冷系统，通过调节低温库里的电加热器的加热功率，使库内温度依次稳定在－30℃、－25℃、－20℃、－15℃、－10℃、－5℃。每个工况下系统稳定运行半小时以后，开始每5分钟采集一组数据，共采集6组。测定各个工况下系统的制冷量与能效比，如图3、图4所示。从图3和图4中可以看出，库内温度越低，系统制冷量、EER越小，随着库内温度的不断升高，制冷量不断增加，实验值和模拟值虽有一定差距，但增长趋势是一致的。分析产生误差的原因，主要是由于冷库本身保温性能不够好，会有一定的漏冷量；在低温工况下运行时，蒸发器表面会结霜，会使传热的不可逆损失增大。（二）变频条件下制冷系统的性能分析在15Hz以下时压缩机功率随频率的变化比较平缓，随着频率的降低功率变化较小，这是由于电机效率的降低以及压缩机摩擦功耗占据压缩机功耗的主要部分，此时制冷量较小节能效果不明显。所以设定压缩机运转频率的下限为15Hz。保持恒定库温，然后使压缩机频率从15－50Hz每隔5Hz变化，研究不同频率下系统的制冷量和EER值的变化情况。制冷量和EER值随频率的变化情况如图5所示。从制冷系统的性能与压缩机频率的关系图中可以看出，压缩机耗功与频率基本呈非线性关系。随着运行频率的升高，压缩机输入功率不断增大，但是随着频率的增加，制冷量的变化规律是线性的，频率越高，制冷量增加得越少。随着频率的增加EER值基本呈下降的趋势，在30Hz以下的EER值明显高于30Hz以上的EER值。实验结果表明，虽然压缩机在较高频率运转时制冷量较大，但同时耗功量也较大，根据EER值随频率的变化关系可以发现，压缩机在低频运转时系统具有较好的节能效果。（三）变频系统与定频系统的能耗对比设定电加热器加热功率为0．6kW，分别采用变频连续调节以及定频开停控制两种方法对制冷系统进行控制，保持库内温度为－15℃。分别进行系统能耗的分析对比与稳定性分析。对比结果如表1所示。从表中可以看出，采用变频连续调节较定频开停控制在相同时间内可以节能约10％。这主要是因为，变频制冷系统在刚开机阶段频率逐渐增大，达到最大运转频率，制冷量增大，使库温迅速降低，降低到设定值以后，频率减小，制冷量相应减小以平衡热负荷，压缩机一直运行在低频率、低功耗的状态下。而定频系统在达到库温设定值以下时停机，当库温升高超过设定值时，系统重新启动，这样系统一直处于不断地开、停过程中，耗电量比较大。从实验结果可以看出，随着系统运行时间的增加，节能效果还可以进一步增加。（四）变负荷条件下变频调节与定频调节的对比初始电加热器功率为600W，使库内温度稳定在－15℃，系统稳定运行一段时间后，调节电加热器功率为1500W，在此热扰动下，比较变频系统与定频系统的调节性能。调节结果如图6所示。从图中可以看出，变负荷情况下，利用压缩机的变频调节要比定频调节的响应速度更快，调节时间更短，几乎无超调现象。

四、结论

基于智能控制的制冷系统在低频运转时EER值要高于高频运转的情况。变频制冷系统比定频制冷系统节能10％左右。在变负荷情况下，变频调节比定频调节具有更好的调节性能。因此，智能控制与变频调节相结合，对于制冷系统的节能优化有着非常重要的作用，具有非常好的发展前景。

作者：王建民 申江 范凤敏 单位：天津商业大学