摘要：對(duì)螺桿式制冷機(jī)組的冷凍油溫度進(jìn)行控制，能有效提高制冷機(jī)組的運(yùn)行效率，有利于制冷機(jī)組的發(fā)展。本文分析了雙級(jí)螺桿式機(jī)組油路系統(tǒng)，從兩個(gè)方面對(duì)機(jī)組運(yùn)行前的油溫控制進(jìn)行了說(shuō)明，闡述了機(jī)組運(yùn)行初始階段的油溫控制，為制冷機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障，期望能給人們這方面有益的參考。

關(guān)鍵詞：螺桿式制冷機(jī)組；油溫控制；PID控制系統(tǒng)；分析

引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷增長(zhǎng)，各行業(yè)對(duì)制冷機(jī)組的使用越來(lái)越多，制冷機(jī)組的應(yīng)用也隨之而變得廣泛起來(lái)。但是在實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中，如果沒(méi)有很好地對(duì)冷凍油溫度進(jìn)行控制，就會(huì)對(duì)制冷機(jī)組的設(shè)備造成損害。因此如何做好制冷機(jī)組運(yùn)行初始階段的油溫控制工作就顯得十分必要。下面就此進(jìn)行討論分析。

1 雙級(jí)螺桿式機(jī)組油路系統(tǒng)

系統(tǒng)采用半封閉雙級(jí)變頻螺桿式壓縮機(jī)1，制冷劑為R22，蒸發(fā)溫度范圍為-60～-30℃，冷凍油型號(hào)為3GS，機(jī)組運(yùn)行時(shí)注入壓縮機(jī)的冷凍油最佳溫度范圍為40～60℃。

系統(tǒng)中，冷凍油起到了密封轉(zhuǎn)子間隙、冷卻氣體制冷劑和及潤(rùn)滑壓縮機(jī)運(yùn)動(dòng)部件從而提高容積效率的作用。過(guò)低的冷凍油溫度會(huì)使其溶解制冷劑的能力增強(qiáng)，令冷凍油黏度及潤(rùn)滑能力降低，加速壓縮機(jī)運(yùn)動(dòng)部件的機(jī)械磨損。

國(guó)內(nèi)大部分冷庫(kù)機(jī)房均無(wú)供暖措施，在寒冷地區(qū)如果機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)率較低，機(jī)房?jī)?nèi)的溫度會(huì)降至0℃以下。尤其是機(jī)組在低環(huán)境溫度下長(zhǎng)期待機(jī)時(shí)，油氣分離器內(nèi)貯存的冷凍油被周圍環(huán)境冷卻至較低的溫度，此時(shí)機(jī)組開(kāi)機(jī)運(yùn)行可能對(duì)螺桿式壓縮機(jī)造成損害。因此，螺桿式機(jī)組運(yùn)行初始階段的油溫控制就顯得十分必要。

2機(jī)組運(yùn)行前的油溫控制

2.1 機(jī)組運(yùn)行前油溫控制的重要性

雙級(jí)螺桿式制冷機(jī)組運(yùn)行時(shí)的環(huán)境溫度一般要求在0～40℃之間，但是在冬季氣溫較低的情況下，如果機(jī)組較長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)，油氣分離器中貯存的潤(rùn)滑油溫度也會(huì)隨之降低，黏度增大而溶解大量制冷劑。在不同油溫及壓力條件下，制冷劑R22在冷凍油3GS中的溶解度如圖1所示。

圖1 制冷劑R22在冷凍油3GS中的溶解度曲線

隨著冷凍油中制冷劑溶解度的增加，冷凍油的黏度明顯降低，而油溫越高，冷凍油的黏度也會(huì)越低。

對(duì)于雙級(jí)螺桿式制冷機(jī)組，油氣分離器中的油溫過(guò)低，將會(huì)導(dǎo)致供給壓縮機(jī)的冷凍油中的制冷劑溶解量增大，導(dǎo)致冷凍油黏度降低、壓縮機(jī)軸承潤(rùn)滑不足，從而造成壓縮機(jī)損傷。而冷凍油中的制冷劑溶解量增大會(huì)導(dǎo)致油飛散量增加，油氣分離器分油效率降低，大量冷凍油被帶入系統(tǒng)從而造成給油量不足，如壓縮機(jī)供油中斷將可能導(dǎo)致壓縮機(jī)燒毀。而冷凍油大量進(jìn)入蒸發(fā)器會(huì)導(dǎo)致其熱交換能力低下，冷卻效果變差會(huì)導(dǎo)致吸氣過(guò)熱度降低。注入壓縮機(jī)中的冷凍油中如含有大量制冷劑，會(huì)對(duì)熱交換量產(chǎn)生影響，造成排氣溫度過(guò)低，導(dǎo)致惡性循環(huán)。

因此，對(duì)于雙級(jí)螺桿式制冷系統(tǒng)，根據(jù)壓縮機(jī)生產(chǎn)廠家的建議，需控制R22制冷劑在3GS冷凍油中的溶解度在5%～20%的范圍，可以認(rèn)為對(duì)于壓縮機(jī)是安全可靠的。而在開(kāi)機(jī)前，如油溫保持在45℃以上，就基本可以保證制冷劑溶解度控制在允許的范圍內(nèi)。

在相同的制冷劑溶解度條件下，油溫越高，其黏度會(huì)大幅降低，從而使壓縮機(jī)的8FD0動(dòng)部件之間無(wú)法形成油膜，使其密封性及容積效率降低。而過(guò)高的冷凍油溫度會(huì)使其冷卻能力降低，壓縮機(jī)排氣溫度過(guò)高，易造成報(bào)警及容積效率降低。因此，過(guò)低或過(guò)高的冷凍油溫度對(duì)螺桿式制冷機(jī)組的運(yùn)行都是不利的，機(jī)組開(kāi)始運(yùn)行時(shí)需將油氣分離器中的油溫控制在合適的范圍內(nèi)。

2.2 機(jī)組運(yùn)行前的油溫控制方法

雙級(jí)螺桿式制冷機(jī)組在開(kāi)機(jī)初始階段，為使注入壓縮機(jī)的3GS冷凍油中制冷劑R22的溶解度控制在合適的范圍內(nèi)，將油氣分離器2設(shè)計(jì)成如圖2所示形式。

圖2 油氣分離器外觀簡(jiǎn)圖

低油位報(bào)警器下方安裝有內(nèi)置電加熱器，當(dāng)機(jī)組停機(jī)時(shí)，可產(chǎn)生熱量對(duì)油氣分離器內(nèi)部的潤(rùn)滑油加熱。油溫傳感器對(duì)油氣分離器中的潤(rùn)滑油溫度進(jìn)行檢測(cè)，其檢測(cè)的溫度信號(hào)輸入PLC控制器，由其控制電加熱器的開(kāi)啟或關(guān)閉。一般認(rèn)為將油氣分離器中冷凍油溫度的目標(biāo)值控制在45～60℃之間是合適的。

由于油氣分離器中被電加熱器加熱的潤(rùn)滑油向上流動(dòng)，潤(rùn)滑油在豎直方向由上至下存在逐漸降低的溫度梯度，而電加熱器附近的潤(rùn)滑油溫度較油氣分離器中其他處的溫度要高。因此，油溫傳感器安裝在低油位報(bào)警器下方并遠(yuǎn)離電加熱器處。這樣所檢測(cè)的溫度最接近于油氣分離器本體底部出油管處的潤(rùn)滑油溫度?？稍谟蜌夥蛛x器筒體上焊接一個(gè)一端縮口的縮口銅管，將油溫傳感器裝入縮口銅管后用硅膠將感溫探頭固定在縮口銅管內(nèi)部，銅管外部接口塞入橡膠塞。

3 機(jī)組運(yùn)行初始階段的油溫控制

3.1 機(jī)組運(yùn)行初始階段的油溫特點(diǎn)

當(dāng)油氣分離器內(nèi)的冷凍油溫度達(dá)到使用條件后，螺桿式制冷機(jī)組開(kāi)機(jī)運(yùn)行。此時(shí)壓縮機(jī)排氣側(cè)所攜帶的高溫冷凍油與油氣分離器中溫度較低的冷凍油不斷混合，使得油氣分離器內(nèi)的冷凍油溫度不斷上升，直到達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。此時(shí)出油管排出的冷凍油溫度接近恒定值，由于油氣分離器向外界散失了部分熱量，此時(shí)冷凍油溫度稍低于排氣溫度。

根據(jù)熱力學(xué)計(jì)算公式，冷凍油在冷卻過(guò)程中的冷卻負(fù)荷（W）為

（1）

式中：c為冷凍油的比熱容（J/（kg·℃））； 為冷凍油的質(zhì)量流量（kg/s）；Δt為冷凍油經(jīng)過(guò)板式換熱器冷卻后的溫度變化（℃）。

以蒸發(fā)溫度-50℃工況為例，將冷凍油冷卻目標(biāo)溫度設(shè)置為50℃，通過(guò)式（1）可得，在不同冷凝溫度下機(jī)組開(kāi)機(jī)運(yùn)行初始階段，隨著油氣分離器出油溫度的變化，在螺桿式制冷機(jī)組開(kāi)機(jī)運(yùn)行的初始階段，油冷負(fù)荷是一個(gè)逐漸升高的變化過(guò)程。冷凝溫度越高，油氣分離器出油溫度所能達(dá)到的最大值越高。當(dāng)出油溫度達(dá)到最大值后，油冷卻負(fù)荷逐漸穩(wěn)定。

3.2 機(jī)組運(yùn)行初始階段油冷卻控制優(yōu)化改進(jìn)

由于在機(jī)組運(yùn)行初始階段，油冷卻負(fù)荷是一個(gè)從零開(kāi)始逐漸升高的過(guò)程，因此對(duì)應(yīng)油冷系統(tǒng)，很難選定某種型號(hào)的熱力膨脹閥，使油溫穩(wěn)定在40～60℃使用范圍內(nèi)。此時(shí)熱力膨脹閥的開(kāi)啟必將導(dǎo)致冷凍油溫度劇烈下降，低于機(jī)組運(yùn)行時(shí)所要求的冷凍油最低溫度。同時(shí)，供液電磁閥將不斷啟停，油溫波動(dòng)使板式換熱器存在因熱應(yīng)力沖擊造成泄漏的危險(xiǎn)。

為了減小機(jī)組運(yùn)行初始階段油溫波動(dòng)對(duì)板式換熱器造成熱應(yīng)力沖擊，將原系統(tǒng)中的熱力膨脹閥改為電子膨脹閥，并使用PID控制器對(duì)電子膨脹閥進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)的控制方式，油氣分離器設(shè)置了電加熱器。其中冷凍油控制目標(biāo)值為toil=50℃，電磁閥在冷凍油溫度t>47℃時(shí)開(kāi)啟，t<47℃時(shí)關(guān)閉。

該系統(tǒng)采用PID控制法，圖3中R（t）是油溫的期望值，即toil=50℃，y（t）是系統(tǒng)的實(shí)際輸出，即冷凍油冷卻后測(cè)得的溫度t，兩者構(gòu)成控制偏差e（t）（e（t）=R（t）-y（t）=50-t）即PID控制器的輸入。函數(shù)u（t）作為PID控制器的輸出信號(hào)，它是通過(guò)對(duì)偏差信號(hào)e（t）的比例（P），積分（I）和微分（D）運(yùn)算后得到的。u（t）也是被控對(duì)象的輸入信號(hào)，它給電子膨脹閥驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸入0～480的脈沖信號(hào)，使其開(kāi)度連續(xù)增大或減小，從而使進(jìn)入換熱器的制冷劑流量m（t）改變。換熱器可視為有滯后的一階對(duì)象，由其來(lái)實(shí)現(xiàn)冷凍油的冷卻功能。

圖3 PID控制系統(tǒng)原理

3.3 油冷卻控制系統(tǒng)改進(jìn)后的油溫控制效果

使用改造后的油冷系統(tǒng)，對(duì)庫(kù)溫-42℃的冷庫(kù)，環(huán)境溫度為24℃的情況下，在機(jī)組開(kāi)機(jī)運(yùn)行后對(duì)注入壓縮機(jī)的油溫情況進(jìn)行了測(cè)試。其中冷凍油控制目標(biāo)值為toil=50℃，油氣分離器中的電加熱器在機(jī)組運(yùn)行前將油溫加熱至45℃。

圖4所示為對(duì)應(yīng)系統(tǒng)改造后機(jī)組運(yùn)行初始階段的注入壓縮機(jī)的冷凍油溫度變化曲線。通過(guò)測(cè)試結(jié)果可知，機(jī)組開(kāi)始運(yùn)行后，隨著油溫逐漸升高，電子膨脹閥開(kāi)始工作。雖然從油氣分離器分離出的冷凍油溫度不斷升高，但由于PID控制器對(duì)電子膨脹閥閥口開(kāi)度的調(diào)節(jié)，使得冷卻后注入壓縮機(jī)的冷凍油溫度波動(dòng)幅度保持在10℃以內(nèi)，并且不超出40～60℃的使用范圍。隨著螺桿式制冷機(jī)組冷凝壓力及壓縮機(jī)排氣溫度不斷升高，油溫波動(dòng)均值逐漸升高。直到運(yùn)行時(shí)間達(dá)到26min左右時(shí)，排氣溫度瞬間升高至66℃，又下降至42℃。隨后冷凍油溫度逐漸上升，并穩(wěn)定在目標(biāo)值50℃附近。

圖4 系統(tǒng)改造后機(jī)組運(yùn)行初始階段的油溫變化

圖5所示為對(duì)應(yīng)改造前機(jī)組運(yùn)行初始階段注入壓縮機(jī)的冷凍油溫度變化曲線。通過(guò)測(cè)試結(jié)果可見(jiàn)，當(dāng)油分離器分離出的冷凍油溫度升高至50℃以后，注入壓縮機(jī)的冷凍油溫度不斷波動(dòng)變化，波動(dòng)幅度超過(guò)25℃，且最低溫度達(dá)到33℃，不在40～60℃的使用范圍。

圖5 系統(tǒng)改造前機(jī)組運(yùn)行初始階段的油溫變化

通過(guò)比較改造前后的油溫變化曲線可知，在開(kāi)機(jī)運(yùn)行的初始階段，PID控制法可使油氣分離器分離出的冷凍油溫度不斷升高的情況下，使注入壓縮機(jī)的油溫保持較低的波動(dòng)幅度，明顯低于改造前的油溫控制系統(tǒng)。盡管目前使用的PID控制法對(duì)油溫控制仍有一定的滯后性，在油溫穩(wěn)定前存在一次瞬間的波動(dòng)情況，但與改造前系統(tǒng)相比油溫波動(dòng)情況明顯改善，并可使注入壓縮機(jī)的油溫穩(wěn)定在目標(biāo)值。如何通過(guò)改進(jìn)目前PID控制器使用的運(yùn)算改善其對(duì)油溫控制的滯后性，是下一步研究和改進(jìn)的方向。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，使用由PLC控制并有加熱器的油氣分離器，可以使螺桿式制冷機(jī)組在低溫環(huán)境下也能正常運(yùn)行。使用PID控制系統(tǒng)進(jìn)行冷凍油冷卻，可以有效降低機(jī)組運(yùn)行后的供油溫度波動(dòng)幅度，使油溫值得到穩(wěn)定。這樣不僅明顯降低壓縮機(jī)的故障率，而且能使板式換熱器的危險(xiǎn)泄露大幅降低，值得我們推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉莉宏.基于智能控制的PID控制方式的研究[J].北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，11（2）.

[2]吳春明.氟利昂經(jīng)濟(jì)器螺桿制冷壓縮機(jī)組常見(jiàn)故障及處理[J].中國(guó)科技博覽，2013.