曹義新，許敬德，郝穎磊，鄭慶偉，張成，王雷

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

制冷壓縮機是制冷產品最重要的核心部件，其性能、運轉數(shù)據客觀有效地獲取就顯得很重要?；I建或改造符合GB/T 5773-2016 等相關標準的制冷壓縮機性能運轉試驗裝置以滿足行業(yè)需求已成為當務之急。

這里以螺桿制冷壓縮機為例，研制其性能運轉試驗裝置。試驗裝置采用自主開發(fā)的測控軟件，并在實際運行中不斷完善優(yōu)化，同時兼顧可視化、自動化、智能化、人性化的需求，更加便于功能擴充和系統(tǒng)維護，經過長時間使用驗證，試驗裝置及其測控軟件運行安全可靠。

1 性能、運轉試驗原理與方法的介紹

按照相關標準及資料，性能試驗應包括兩種試驗方法即X 法和Y 法，兩種方法應同時進行測量。X 法和Y 法試驗結果之間的偏差應在±4%以內，并以X 法和Y 法測量計算結果的平均值為準。運轉試驗還沒有在行業(yè)上形成比較成熟的國家或行業(yè)標準，目前以企業(yè)標準為主。運轉試驗主要是自動在線模擬被試壓縮機從抽真空灌裝制冷劑開始，進入正常工作時的加減載操作，到最后回收制冷劑的整個運轉生命周期過程。圖1 是典型的螺桿制冷壓縮機運轉試驗數(shù)據表。

2 性能運轉試驗裝置的原理及平臺實現(xiàn)

典型的螺桿制冷壓縮機性能運轉試驗裝置中性能試驗采用的X 法和Y 法的組合方式是D1-J，運轉試驗按企業(yè)標準執(zhí)行。

2.1 性能試驗方法D1：吸氣管路制冷劑氣體流量計法

制冷劑氣體流量計是一個噴嘴或孔板式流量測量節(jié)流裝置或質量流量計，由其測量氣體制冷劑體積流量或質量流量，制冷劑氣體應過熱均勻并且完全不帶液滴地全部流經流量計，且準確度為測量流量的±2%以內。一般給試驗裝置配置的氣體流量計分為渦街流量計和質量流量計。本試驗裝置采用渦街流量計測量氣體體積流量，目前最好的精度只能達到1.5%。根據流量計下游測出的壓力與溫度得到制冷劑的密度，與流量計測得的體積流量共同計算出質量流量，乘以標準焓差得到制冷量。

圖1 運轉試驗判定參數(shù)數(shù)據表（部分）

為減少流量計的測量誤差，應設置有效的油分離裝置，按照標準要求使流經流量計的制冷劑氣體中含油量以質量計不超過1.5%。含油量測量一般是通過人工取樣稱重法測出，也就是通過測量得到的純油重量與取樣混合物重量之比，但不像流量計那樣實時有讀數(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法的比對分析，含油量大時，X 法和Y 法的偏差會大于±4%的范圍。

2.2 性能試驗方法J：制冷劑氣體冷卻法

在試驗裝置高壓側制冷劑氣體的一部分冷凝，并測量其流量，然后使其在一個氣體冷卻器中于低壓側壓力下再蒸發(fā)，用以冷卻經降壓的剩余循環(huán)蒸汽，由此計算出制冷劑總流量。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不含制冷劑液滴，并至少過熱8℃。氣體冷卻器應隔熱，使其漏熱量不大于其換熱量的5%，此時進入氣體冷卻器的已冷凝的制冷劑質量和未冷凝的制冷劑質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量計算得到壓縮機的制冷劑循環(huán)量，再乘以標準焓差得到制冷量。

2.3 兩種性能試驗方法的測試控制邏輯

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

圖2 性能測試方法J 單級制冷壓縮機控制邏輯

對于方法J 的調節(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 進行調節(jié)控制；吸氣溫度是由進入氣體冷卻器的液體管路上的節(jié)流閥V2進行調節(jié)控制；排氣壓力，即冷凝壓力，通過改變冷凝器的水側溫度和流量進行調節(jié)控制；流程如圖2。

2.4 運轉試驗方法

運轉試驗通過三種邏輯判斷去控制壓縮機運轉，相對于性能試驗來說，測試時間短，測控須可靠靈敏。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；第二種類型為時間段判斷，例如壓縮機從25%加載到50%的時間間隔；第三種類型是試驗工況判穩(wěn)，和性能試驗類似。下圖3 是典型的螺桿制冷壓縮機性能運轉試驗裝置的測試平臺和動力控制柜。

3 試驗裝置測試方法的分析與計量結果的研究

3.1 測試方法的分析思考

從相關標準里給定的試驗方法做比較出發(fā)，這里對可用于典型的螺桿制冷壓縮機性能試驗方法進行了詳細的分析。比如干式制冷劑量熱器法C，類似于水冷冷水機組的蒸發(fā)側工作原理；水冷冷凝器量熱器法G 和壓縮機排氣管道量熱器法K，類似于水冷冷水機組的冷凝側工作原理，都是通過載冷劑側的熱量反過來推算制冷劑側的流量。這些方法，一是涉及的測量點多，不可避免地導致測量結果誤差概率大；二是調節(jié)控制的對象多，增加了控制的復雜度；三是輔助設備增多，增加了成本：比如方法C，需要給量熱器提供與制冷量相當?shù)臒崃俊⑴c蒸發(fā)溫度要求相符合的載冷劑的種類；同時冷凝器側的熱負荷是壓縮機制冷量+壓縮機功率之和，冷凝器自身以及相應的水路配置都很大，并且要考慮熱量的釋放。

在承建性能運轉試驗裝置做方案討論階段，研制小組針對多種測試方法做了一些價格成本的比較列出，結合試驗裝置的控制要求，最終給出了上述的典型方案，因為試驗裝置的流暢運行，很大程度上跟控制的準確判斷有關。

對于大型螺桿制冷壓縮機，偏向采用制冷劑氣體冷卻法J，因為這種方法的最大優(yōu)勢是節(jié)能。制冷系統(tǒng)蒸發(fā)產生的冷量，直接由壓縮機排氣的熱量給平衡掉，從理論上講，冷凝器的散熱負荷就只是制冷壓縮機的功率負荷。制冷系統(tǒng)的熱量與冷量直接中和，又不通過其它設備的間接作用，最大程度上節(jié)省了試驗系統(tǒng)輔助設備的成本；同時氣體冷卻器自身也能兼顧不同蒸發(fā)溫度跨度的試驗范圍，不像冷水機組還要考慮冷媒側載冷劑的種類使用，這又是因為節(jié)能延伸到系統(tǒng)構造中的成本考量：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備與管道，不需要很多的監(jiān)控調節(jié)點，不需要太大的占地面積等等。

但方法J 有個明顯缺點就是噪音大。噪音主要發(fā)生在節(jié)流閥V1，其次是氣體冷卻器；因為對于節(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，氣體的流動在管道內產生很大的噪音。如要測試壓縮機的噪音，應給壓縮機單獨建造環(huán)境間，根據半消音室噪音測試標準中的要求進行測試。

3.2 制冷劑氣體冷卻法J 制冷量不確定度的研究

從試驗裝置計量本質的角度出發(fā)，這里遴選出方法J 核心參數(shù)——制冷量不確定度的詳細計算分析。

3.2.1 數(shù)學模型

根據規(guī)定，由方法J 試驗測得的進入壓縮機所在制冷循環(huán)的制冷劑流量由式（1）計算：

忽略漏熱影響后，規(guī)定工況下實測制冷量由下式計算：

根據測量不確定度評定原則，在上述公式（2）中，影響壓縮機制冷量測量不確定度的來源主要有8 個參數(shù)，其中：νg1、hg1和hf1是與計算工況有關的參數(shù)，

其中：

公式（1）（2）（3）中，各符號參數(shù)見下表1。

表1 符號參數(shù)表1

3.2.2 標準不確定度分量的A 類評定

對被測壓縮機進行7 次獨立的重復測量，數(shù)據見表2。

A 類方法評定的不確定度分量按式（12）計算：

式中，各符號參數(shù)見下表3。

將 表2 的 分 析 結 果 與 式（3） 對 應， 得 到：

表2 壓縮機制冷量的7 次測量數(shù)據

表3 符號參數(shù)表2

3.2.3 標準不確定度分量的B 類評定

由基本儀器儀表的檢定證書給出各個測量分量的偏差值，按照相應概率分布，計算B 類標準不確定度見下表4。

3.2.4 合成標準不確定度的評定

根據測量不確定度合成原理，壓縮機制冷量的合成標準不確定度按 式（3） 計算：=7.687kW。

3.2.5 擴展不確定度的評定

表4 B 類標準不確定度計算參數(shù)表

取置信概率p=95%，包含因子k=2。則壓縮機制冷量的擴展不確定度按式（13）計算： 壓縮機制冷量的相對擴展不確定度為：1.98%。

相對擴展不確定度為擴展不確定度與對應的獨立重復測量結果算數(shù)平均值的比值。

在國際范圍內，各國在用特定的試驗裝置測量出制冷壓縮機完整的制冷量結果的同時均提供了測量不確定度的評定結果。因此，測量不確定度評定與表示方法的統(tǒng)一，是評價特定的試驗裝置的一項重要參考數(shù)據，標志著我國制冷檢測行業(yè)邁出和國際接軌的重要一步，也是科技交流和國際貿易的迫切要求。

4 性能運轉試驗裝置測控軟件的編制及實現(xiàn)

圖4 試驗裝置的測試軟件界面

在試驗裝置中，與測試軟件（見圖4）通信的硬件主要由工控計算機、數(shù)據采集器、數(shù)字功率計、PLC 控制器、PID 調節(jié)表等儀器儀表組成。其中數(shù)據采集器接入溫度、壓力等傳感器信號；數(shù)字功率計負責被試壓縮機電參數(shù)采集；測試軟件與PLC 控制器通信可以控制相關設備的啟停，與PID 調節(jié)表通信可以閉環(huán)控制相關的執(zhí)行器件。測試軟件采用面向對象技術，需要在同一時間同步進行數(shù)據采集、數(shù)據分析、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。測試軟件最終分別給出運轉試驗報告和性能試驗報告。

人機界面程序通過PLC 控制器可以控制相關設備的啟停，與測試軟件互為雙熱備功能。PLC 控制器的控制程序為控制核心程序，為了達到高可靠性，梯形圖中關鍵部分設計了冗余功能。

5 測控軟件的特點、不足及探索

測控軟件整體耦合程度較高，能夠有機結合發(fā)揮試驗裝置的最大測控優(yōu)勢。但針對各自獨立功能，不足之處還是有的，需要探索完善，下面進行詳細分析。

5.1 測試軟件

測試軟件在工控計算機上執(zhí)行，目前基本做到了“一鍵測試、無人值守”功能，體現(xiàn)了一定的自動化智能化人性化特點，但網絡功能不太完善，大數(shù)據高效處理略顯倉促，這就要求在現(xiàn)有的軟件網絡接口功能上進一步擴展完善，從數(shù)據庫選型入手，重新定位符合大數(shù)據高效處理的數(shù)據倉庫管理軟件系統(tǒng)，協(xié)同高效的軟件代碼處理機制。另外，測試軟件可以嘗試引進人工智能算法和云計算等最新技術等。

5.2 PLC 控制器的控制程序

PLC 控制器的控制程序為控制核心程序，安全可靠的重要性不言而喻。今后應該采用軟件工程理論對PLC 控制器的控制程序進行軟件安全評估，防止例如“競爭險象”這樣的安全隱患存在。

5.3 人機界面程序

人機界面程序為組態(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，進行二次開發(fā)，使人機界面程序功能優(yōu)點最大化。

5.4 不確定度計算軟件化的探索

試驗裝置測試軟件輸出的報告格式統(tǒng)一后，不確定計算軟件化的功能就可以實現(xiàn)了。目前這項工作已經開展，正在進行算法優(yōu)化。

6 結語

行業(yè)上采用試驗裝置來檢測產品質量或提高研發(fā)水平的方法已經普及，但有的試驗裝置及其測控軟件水平較低，且沒有把性能試驗和運轉試驗有機結合起來。隨著新標準的實施，改造或新建制冷壓縮機性能運轉試驗裝置，并嵌入智能高效可擴展的測控軟件是行業(yè)的必然選擇。

目前制冷壓縮機性能運轉試驗裝置及其相配套的測控軟件已在國內一些企業(yè)和機構中得到應用，應用結果證明試驗裝置及其測控軟件穩(wěn)定可靠，功能滿足各種需求，獲得用戶一致好評，具有良好的應用市場和前景。