郭曉鵬，周大志

（丹佛斯自動(dòng)控制管理（上海）有限公司，山東青島 266100）

0 引言

作為空調(diào)系統(tǒng)中的膨脹機(jī)構(gòu)和流量調(diào)節(jié)元件，電子膨脹閥的傳感、調(diào)節(jié)、執(zhí)行部件是相對(duì)獨(dú)立的，可以按照編制的程序工作[1]。通過(guò)適當(dāng)?shù)目刂苾?yōu)化，電子膨脹閥可以實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)系統(tǒng)負(fù)荷變化，精準(zhǔn)控制制冷劑流量，提高蒸發(fā)器換熱效率和系統(tǒng)能效[2]。

空調(diào)系統(tǒng)的控制過(guò)程具有非線性、慣性大等特點(diǎn)，對(duì)于電子膨脹閥，采用傳統(tǒng)控制策略難以保證其控制精度和運(yùn)行的穩(wěn)定性[3]。根據(jù)章曉龍等[4]的研究，盡管在正常運(yùn)行時(shí)，制冷系統(tǒng)存在最小穩(wěn)態(tài)過(guò)熱度曲線，但在啟動(dòng)階段，系統(tǒng)并不穩(wěn)定，所以不能按照正常運(yùn)行時(shí)的控制規(guī)則來(lái)控制閥，需要另外制定控制策略。另外，考慮到蒸發(fā)器內(nèi)兩相區(qū)的換熱系數(shù)遠(yuǎn)大于過(guò)熱區(qū)，嚴(yán)瑞東等[5]也指出較高的蒸發(fā)器過(guò)熱度會(huì)導(dǎo)致蒸發(fā)器換熱面積利用率下降，需要把蒸發(fā)器過(guò)熱度控制在較小的值上。因此，針對(duì)電子膨脹閥的控制優(yōu)化，需要兼顧過(guò)熱度最小化和啟動(dòng)階段的控制。目前成熟的電子膨脹閥控制仍是以蒸發(fā)器出口過(guò)熱度為控制目標(biāo)的PID調(diào)節(jié)，但這種控制方式是建立在簡(jiǎn)化的模型基礎(chǔ)上，當(dāng)工況變化時(shí)難以得到滿意的效果[6]。相關(guān)的改善研究中[7-12]包括采用模糊PID控制策略用于電子膨脹閥對(duì)蒸發(fā)器過(guò)熱度的控制，以改善超調(diào)、振蕩等問(wèn)題。高正中等[13]提出了一種雙模糊控制器算法，在系統(tǒng)啟動(dòng)和穩(wěn)定運(yùn)行過(guò)程中對(duì)電子膨脹閥用不同的控制算法分別控制，通過(guò)MATLAB模擬結(jié)果顯示其有很好的優(yōu)越性。

過(guò)熱度控制器主要用于電子膨脹閥的智能控制，在考慮啟動(dòng)階段和運(yùn)行階段調(diào)節(jié)的同時(shí)，還需要考慮實(shí)際應(yīng)用中遇到的各個(gè)問(wèn)題，例如，制冷、制熱兩種模式下參數(shù)的優(yōu)化，系統(tǒng)除霜響應(yīng)，變頻系統(tǒng)中閥的控制等。本文提出一種新型的過(guò)熱度控制器，兼有以上控制特性。

1 現(xiàn)有控制

常見(jiàn)的電子膨脹閥控制模式包括驅(qū)動(dòng)器和控制器（圖1）。

圖1 電子膨脹閥控制

驅(qū)動(dòng)器是依據(jù)一個(gè)外部模擬信號(hào)的大小來(lái)控制閥的開(kāi)度，核心在于執(zhí)行；控制器主要是依據(jù)目標(biāo)過(guò)熱度對(duì)閥的開(kāi)度進(jìn)行控制，核心在于控制。依據(jù)不同的傳感器類型，控制器又分為溫度型和壓力型，溫度型是借用兩個(gè)溫度傳感器估算過(guò)熱度；壓力型是通過(guò)壓力傳感器和溫度傳感器，先計(jì)算出該壓力下的飽和蒸發(fā)溫度，然后計(jì)算出實(shí)際過(guò)熱度。

溫度型的控制模式是將安裝在蒸發(fā)器中部的溫度傳感器測(cè)得的蒸發(fā)溫度來(lái)估算過(guò)熱度，和系統(tǒng)真實(shí)的過(guò)熱度有較大區(qū)別，多數(shù)情況下溫度型感知的過(guò)熱度和真實(shí)的過(guò)熱度相差 3 ℃左右[14]，因此，實(shí)際應(yīng)用中仍以壓力型為主。

1.1 啟停階段控制

啟動(dòng)階段目前多數(shù)仍以過(guò)熱度為控制目標(biāo)，在某些工況下會(huì)觸發(fā)低壓保護(hù)，導(dǎo)致開(kāi)機(jī)失敗；同樣的，系統(tǒng)停機(jī)時(shí)閥通常會(huì)關(guān)閉，如果系統(tǒng)壓縮機(jī)偏小，而關(guān)機(jī)后系統(tǒng)壓力平衡時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，此時(shí)再開(kāi)機(jī)時(shí)壓縮機(jī)負(fù)荷就會(huì)很大，可能造成啟動(dòng)失敗或者出現(xiàn)壓縮機(jī)多次啟動(dòng)后，系統(tǒng)才能正常運(yùn)行的情況。

1.2 運(yùn)行階段控制

常規(guī)運(yùn)行時(shí)，一般都是根據(jù)實(shí)際過(guò)熱度和目標(biāo)過(guò)熱度進(jìn)行PID/PI調(diào)節(jié)。對(duì)于風(fēng)冷熱泵，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入除霜模式時(shí)，蒸發(fā)器出口傳感器信號(hào)失真，對(duì)于閥的控制不具有參考意義；常規(guī)運(yùn)行時(shí)，制冷模式和制熱模式下系統(tǒng)性能的優(yōu)化點(diǎn)也有差異；對(duì)于多冷庫(kù)系統(tǒng)，單個(gè)冷庫(kù)是通過(guò)電磁閥加上膨脹閥進(jìn)行庫(kù)溫控制，可以在電子膨脹閥控制器上增加溫度控制，這樣有利于系統(tǒng)控制和成本優(yōu)化。

1.3 應(yīng)急階段

當(dāng)系統(tǒng)傳感器失效時(shí)，過(guò)熱度控制器會(huì)進(jìn)入報(bào)警模式，系統(tǒng)停機(jī)。在實(shí)際應(yīng)用中，必要時(shí)甚至需要采用備用機(jī)來(lái)保證緊急情況下的使用，增加了系統(tǒng)運(yùn)行成本。

2 問(wèn)題分析

2.1 啟停階段的問(wèn)題分析

啟動(dòng)前，系統(tǒng)蒸發(fā)器出口過(guò)熱度基本在0 ℃，電子膨脹閥處于關(guān)閉狀態(tài)。開(kāi)始啟動(dòng)時(shí)，隨著壓縮機(jī)的運(yùn)行，蒸發(fā)器內(nèi)的制冷劑會(huì)逐漸蒸發(fā)，蒸發(fā)器出口制冷劑基本為兩相狀態(tài)，此時(shí)閥尚未打開(kāi)；隨著壓縮機(jī)的運(yùn)行，蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑蒸發(fā)完全，蒸發(fā)壓力降低，出口過(guò)熱度迅速變大，此時(shí)要求閥快速打開(kāi)。閥打開(kāi)后，過(guò)熱度又快速下降，逐漸振蕩收斂。

啟動(dòng)階段遇到的問(wèn)題包括：①啟動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，不容易達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；②啟動(dòng)時(shí)如果閥不能開(kāi)啟，容易觸發(fā)系統(tǒng)低壓報(bào)警。優(yōu)化包括采用可以快速開(kāi)啟的電子膨脹閥（例如，丹佛斯蜂鳥(niǎo)系列電子膨脹閥，其開(kāi)閥速度比現(xiàn)有電子膨脹閥快 3倍），同時(shí)調(diào)整控制器內(nèi)的相關(guān)參數(shù)。

通常電子膨脹閥的開(kāi)度和系統(tǒng)過(guò)熱度有關(guān)，停機(jī)階段，如果蒸發(fā)器出口過(guò)熱度低于設(shè)定的目標(biāo)過(guò)熱度，這時(shí)閥逐漸關(guān)閉，系統(tǒng)高低壓平衡時(shí)間變長(zhǎng)，不利于下次開(kāi)機(jī)。所以實(shí)際中可以采用泄壓閥功能，使電子膨脹閥保持一定的合理開(kāi)度，系統(tǒng)壓力快速平衡。

2.2 運(yùn)行階段的問(wèn)題分析

正常運(yùn)行時(shí)，通常有兩種方式控制電子膨脹閥，第一種是通過(guò)液位傳感器檢測(cè)制冷劑液位，將液位信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)，用于控制膨脹閥開(kāi)度，此時(shí)不需要過(guò)熱度控制，只要閥的驅(qū)動(dòng)器和機(jī)組PLC控制器配合即可；第二種是通過(guò)壓力和溫度傳感器檢測(cè)蒸發(fā)器出口過(guò)熱度，根據(jù)過(guò)熱度控制閥開(kāi)度，控制方式比較靈活：既可以通過(guò)閥控制器獨(dú)立控制電子膨脹閥，又可以在閥控制器和機(jī)組主控制器之間建立通訊，實(shí)現(xiàn)閥對(duì)系統(tǒng)需求的更多響應(yīng)。

過(guò)熱度控制器需要事先設(shè)定目標(biāo)過(guò)熱度，然后控制器根據(jù)檢測(cè)到的實(shí)際過(guò)熱度和目標(biāo)過(guò)熱度差值來(lái)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度。過(guò)熱度控制中包括固定過(guò)熱度和最小穩(wěn)態(tài)過(guò)熱度控制（MSS，圖2），最小穩(wěn)態(tài)過(guò)熱度控制有助于實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)器換熱效率最優(yōu)化。

圖2 最小穩(wěn)態(tài)過(guò)熱度示意圖

在實(shí)際應(yīng)用中，制冷模式和制熱模式下的最佳參數(shù)存在差異，但現(xiàn)有的控制器基本未做區(qū)分，制冷和制熱按同一種設(shè)定值運(yùn)行，無(wú)法二者兼顧，一方面影響系統(tǒng)效率，另一方面影響壓縮機(jī)可靠性。對(duì)于變頻系統(tǒng)和熱泵除霜模式，現(xiàn)有的控制器也未做兼顧。

2.3 應(yīng)急階段的問(wèn)題分析

當(dāng)閥控制器失效時(shí)，目前常見(jiàn)的做法是觸發(fā)報(bào)警，閥控制失效，一旦造成停機(jī)，給用戶帶來(lái)不便。

3 控制優(yōu)化

3.1 控制靈活性改進(jìn)

1）當(dāng)過(guò)熱度變動(dòng)較小時(shí)，可以通過(guò)設(shè)置中性區(qū)（請(qǐng)參考圖 3示意圖），當(dāng)負(fù)荷變動(dòng)較小時(shí)，此時(shí)閥不動(dòng)作，避免閥頻繁動(dòng)作引起的系統(tǒng)震蕩。

2）對(duì)于熱泵系統(tǒng)，制冷、制熱參數(shù)分開(kāi)設(shè)定，當(dāng)系統(tǒng)模式變化后，按預(yù)先設(shè)定的參數(shù)（過(guò)熱度、啟動(dòng)開(kāi)度、PID等）做相應(yīng)的切換，系統(tǒng)控制更精確。

3）對(duì)于變頻系統(tǒng)，膨脹閥開(kāi)度隨頻率的變化而變化，通過(guò)優(yōu)化，可以使系統(tǒng)在最佳狀態(tài)下運(yùn)行[15-17]。當(dāng)壓縮機(jī)頻率變化時(shí)，PLC預(yù)先將壓縮機(jī)速度反饋給過(guò)熱度控制器，從而可以根據(jù)壓縮機(jī)頻率預(yù)先調(diào)整閥的開(kāi)度，實(shí)現(xiàn)快速反應(yīng)，避免引起誤報(bào)警。

4）低環(huán)溫機(jī)組由于使用環(huán)境相對(duì)惡劣，蒸發(fā)器更容易出現(xiàn)嚴(yán)重結(jié)霜的狀態(tài)，影響制熱效果，成為當(dāng)前熱泵的主要不合格項(xiàng)之一[18]。為優(yōu)化除霜，有學(xué)者研究了最佳的除霜點(diǎn)以及模擬分析[19-20]。從閥的控制角度看，當(dāng)系統(tǒng)需要除霜時(shí)，控制器可將閥按預(yù)先設(shè)定的除霜開(kāi)度運(yùn)行，加快融霜過(guò)程。

5）兼顧傳統(tǒng)的 MSS、手動(dòng)控制、溫度控制、外部信號(hào)控制（驅(qū)動(dòng)）等。

6）在壓縮機(jī)啟動(dòng)階段，通過(guò)比例控制（P-control），使閥快速響應(yīng)系統(tǒng)變化，使系統(tǒng)過(guò)熱度快速接近目標(biāo)值；或者通過(guò)預(yù)設(shè)啟動(dòng)開(kāi)度和啟動(dòng)時(shí)間，避免系統(tǒng)低壓報(bào)警停機(jī)。

圖3 中性區(qū)示意圖

3.2 保護(hù)完全的控制優(yōu)化

從閥的角度看，盡可能地通過(guò)控制優(yōu)化實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)保護(hù)，對(duì)于系統(tǒng)防護(hù)具有積極意義。具體來(lái)說(shuō)，過(guò)熱度控制器中的保護(hù)（圖4）包括：

1）高冷凝溫度保護(hù)（HCTP），當(dāng)冷凝溫度達(dá)到保護(hù)值時(shí)，通過(guò)閥的控制降低系統(tǒng)冷凝負(fù)荷；

2）低蒸發(fā)溫度保護(hù)（LOP），對(duì)于熱泵系統(tǒng)而言，低溫啟動(dòng)階段通過(guò)LOP強(qiáng)制開(kāi)閥，以避免低壓過(guò)低，系統(tǒng)停機(jī)；

3）高蒸發(fā)溫度保護(hù)（MOP），防止壓縮機(jī)過(guò)載；

4）低過(guò)熱度保護(hù)（SH close），系統(tǒng)過(guò)熱度過(guò)低時(shí)，通過(guò)強(qiáng)制關(guān)閥，防止系統(tǒng)回液；

5）防凍保護(hù)（Min.S4），當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到防凍點(diǎn)時(shí)，通過(guò)膨脹閥控制制冷劑流量，保護(hù)蒸發(fā)器。

3.3 應(yīng)急模式控制優(yōu)化

如果檢測(cè)到傳感器失效時(shí)，可以通過(guò)預(yù)先設(shè)定的閥開(kāi)度運(yùn)行，此時(shí)系統(tǒng)進(jìn)入應(yīng)急模式，但不會(huì)停機(jī)，避免造成更大損失。

如果需要降低啟動(dòng)負(fù)荷，可以通過(guò)泄壓功能來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)壓力平衡，便于系統(tǒng)快速開(kāi)機(jī)運(yùn)行。

圖4 系統(tǒng)保護(hù)示意圖

4 測(cè)試結(jié)果

本文選取了新型過(guò)熱度控制器（EKE）和現(xiàn)有過(guò)熱度控制器（EKD）進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖5所示。

圖5 優(yōu)化前后測(cè)試對(duì)比

通過(guò)以上對(duì)比可以看到，控制優(yōu)化后系統(tǒng)可以更快地達(dá)到目標(biāo)過(guò)熱度，且控制精度高，波動(dòng)小。

5 結(jié)論

本文介紹了一種新型的過(guò)熱度控制器，通過(guò)硬件和軟件優(yōu)化，提高了控制效率，節(jié)省了系統(tǒng)成本。