CN102269494A - 海上平台冷库高效制冷系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种海上平台冷库高效制冷系统及控制方法，设有数个制冷机组，制冷机组的控制箱内的PLC可编程序控制器输出端分别与膨胀阀相连，该膨胀阀分别依次与设置在数个不同温度冷库房间内的蒸发器、压缩机、冷凝器及膨胀阀相连，且控制箱内的PLC可编程序控制器同时还直接与压缩机相连；本发明将数个冷库房间内的温度作为控制目标，数个冷库制冷机组中压缩机的制冷量作为被控对象，由控制箱内PLC可编程序控制器同时控制数个制冷机组中压缩机转速和电子膨胀阀开度。本发明通过分析冷库制冷系统的机理模型，自动调节冷库制冷机组压缩机的制冷量，在保证系统安全运行的基础上提供最大的制冷效率；提高了冷库温度的控制精度，冷库房间温度波动小，运行平稳，降低了能耗。

Description

海上平台冷库高效制冷系统及控制方法

技术领域

本发明涉及冷库制冷系统，尤其涉及一种能够满足变工况条件下的海上平台冷库高效制冷系统及控制方法。

背景技术

冷库是保存食品最为普遍和有效的方法，在人们日常生活中具有非常重要的作用。低温冷藏能较好地保持食品的品质，解决食品的季节性生产与全年供给之间的矛盾。尤其对海洋石油平台及船舶来说，保证正常的饮食供给对全平台或全船人来讲，至关重要。根据海洋石油行业的特点，工作区域为海上油田，远离陆地，船舶是主要的运输工具，但航程有近有远，在运输过程，保证食物的新鲜特别重要。同样，在平台保存时，往往要14天左右才能供给一次物资，如何保证正常保鲜，又同时减少能耗，是摆在眼前的一个大问题。因此，节能和提高制冷品质是当前达到节能减排要求所要解决的问题。

如图1所示，现有冷库系统包括：两个制冷机组，制冷机组包括控制箱、低温库库房1及高温库库房2两个设定不同温度的冷库房间，两个制冷机组分别由电磁阀11、21，热力膨胀阀12、22，蒸发器13、23，定速压缩机14、24及冷凝器32和控制箱构成；控制箱内的PLC可编程序控制器分别控制两个电磁阀11、21，电磁阀11、21分别依次与热力膨胀阀12、22、设置在两个不同温度冷库房间内的蒸发器13、23，定速压缩机14、24、冷凝器32及电磁阀11、21相连，构成两个冷库制冷回路系统。两个冷库制冷回路系统之间设有手动截流阀31、33。低温库和高温库房间的温度设定不同，根据实时冷库房间内的温度与设定点温度比较，是否在设定点温度的正负值范围，控制压缩机14、24的启停和电磁阀11、21的开关，两个房间独立控制。控制箱6为动力电和仪表信号的综合控制箱，外部接进提供的电源(380或220V电源)，可以提供给压缩机、冷库内冷风机、室外机组冷凝器散热风机的电源，同时，供电给控制箱6内的PLC控制器。

由于现有冷库的制冷系统的运行方式为间断式启停控制，造成机器启停频繁，磨损严重，能耗高，系统振动严重，冷库房间温度波动较大。且由于制冷压缩机的制冷功率的调节，为开关调节的启停控制，通常是分为几个档位进行调节，不能进行连续调节，制冷剂流量控制所用的是热力膨胀阀，机械化控制流量分配。因此，现有的冷库制冷系统存在运行不稳定、压缩机磨损大、温度控制精度差能耗大及对于操作人员的实际使用水平依赖程度高等问题。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术存在的上述缺点，而提供一种海上平台冷库高效制冷系统及控制方法，其使用电子膨胀阀及变频压缩机将制冷系统中可以调节的变量作为控制量，通过分析冷库制冷系统的机理模型，自动调节冷库制冷机组压缩机的制冷量，在保证系统安全运行的基础上提供最大的制冷效率。

本发明的目的是由以下技术方案实现的：

一种海上平台冷库高效制冷系统，设有数个制冷机组，制冷机组包括控制箱，其特征在于：该控制箱内的PLC可编程序控制器输出端分别与膨胀阀相连，该膨胀阀分别依次与设置在数个不同温度冷库房间内的蒸发器、压缩机、冷凝器及膨胀阀相连，且控制箱内的PLC可编程序控制器同时还直接与压缩机相连，构成数个冷库制冷回路系统。

所述膨胀阀为电子膨胀阀；压缩机为变频压缩机。

所述蒸发器与压缩机之间连接有压力平衡阀。

所述PLC控制器分别与压缩机的变频器和膨胀阀的阀门控制器相连。

一种海上平台冷库高效制冷系统的控制方法，其特征在于：将数个冷库房间内的温度作为控制目标，数个冷库制冷机组中压缩机的制冷量作为被控对象，由控制箱内PLC可编程序控制器同时控制数个制冷机组中压缩机转速和电子膨胀阀开度；具体控制步骤如下：

第一步：由温度测量装置测量数个冷库房间的温度，并将所测量的实际温度值和设定温度的温差值反馈到PLC可编程序控制器中；

第二步：根据反馈的实际温度值和设定温度的温差值，计算下一时刻制冷压缩机的变频调节量u₁，且形成一个闭环控制；

第三步：根据实时调节的压缩机频率值，计算电子膨胀阀开度调节值u₂、u₃...u_n；

第四步：根据计算的调节量u₁的值调整压缩机转速；根据计算的电子膨胀阀开度调节值u₂、u₃...u_n调整电子膨胀阀的开度，然后，重复第一步骤。

所述温度测量装置为数字型温度变送器，该数字型温度变送器在测量数个冷库房间温度的同时，还需测量冷库房间外环境温度及冷凝器温度。

所述压缩机变频调节量u₁的具体计算是由PLC可编程序控制器中的PID线性控制器进行，PID线性控制器根据给定值rin(t)与实际输出值yout(t)构成控制偏差：error(t)＝rin(t)-yout(t)

其中，分别使用冷库房间的实际温度和设定温度之差作为PID线性控制器的输入，得出对应房间所需的制冷量，所有房间制冷量之和根据压缩机工作性能得出频率，作为PID线性控制器的输出u₁。

所述电子膨胀阀开度调节值u₂、u₃...u_n的具体计算公式如下：

$k5\·x_4-k5\·[(\frac{C_o+{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{air}}{C}_p{V}_R}{{\mathrm{\α}}_e{A}_{\mathrm{ei}}}+\frac{{\mathrm{\α}}_w{A}_w}{{\mathrm{\α}}_e{A}_{\mathrm{ei}}}+1)x_7-\frac{{\mathrm{\α}}_w{A}_w}{{\mathrm{\α}}_e{A}_{\mathrm{ei}}}{T}_{\mathrm{out}}-\frac{Q_{\mathrm{in}}}{{\mathrm{\α}}_e{A}_{\mathrm{ei}}}]$

$+k6\·M\·(A-B\·(\mathrm{TCON}-\mathrm{TOUT}\left)\right)\·u_1+k7\·(x_5-x_1)\·u_n---(1-1)$

$-[k1\·(x_2-T_{\mathrm{con}})+k2\·(x_3+A-x_1)\·u_1]+\frac{k19}{k20}\·u_n\·k12\·(x_3-x_1)=0$

$k10\·x_6-k10\·[(\frac{C_o+{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{air}}{C}_p{V}_R}{{\mathrm{\α}}_e{A}_{\mathrm{ei}}}+\frac{{\mathrm{\α}}_w{A}_w}{{\mathrm{\α}}_e{A}_{\mathrm{ei}}}+1)x_8-\frac{{\mathrm{\α}}_w{A}_w}{{\mathrm{\α}}_e{A}_{\mathrm{ei}}}{T}_{\mathrm{out}}-\frac{Q_{\mathrm{in}}^{\′}}{{\mathrm{\α}}_e{A}_{\mathrm{ei}}}]$

$+k11\·M\·(A-B\·(\mathrm{TCON}-\mathrm{TOUT}\left)\right)\·u_1+k12\·(x_3-x_1)\·u_3---(1-2)$

$-[k1\·(x_2-T_{\mathrm{con}})+k2\·(x_3+A-x_1)\·u_1]+\frac{k19}{k20}\·u_3\·k7\·(x_5-x_1)=0$

$k21\·x_9-k21\·[(\frac{C_o+{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{air}}{C}_p{V}_R}{{\mathrm{\α}}_e{A}_{\mathrm{ei}}}+\frac{{\mathrm{\α}}_w{A}_w}{{\mathrm{\α}}_e{A}_{\mathrm{ei}}}+1)x_{11}-\frac{{\mathrm{\α}}_w{A}_w}{{\mathrm{\α}}_e{A}_{\mathrm{ei}}}{T}_{\mathrm{out}}-\frac{Q_{\mathrm{in}}^n}{{\mathrm{\α}}_e{A}_{\mathrm{ei}}}]$

$+k22\·M\·(A-B\·(\mathrm{TCON}-\mathrm{TOUT}\left)\right)\·u_1+k23\·(x_{10}-x_1)\·u_2---(1-3)$

$-[k1\·(x_2-T_{\mathrm{con}})+k2\·(x_{10}+A-x_1)\·u_1]+\frac{k19}{k20}\·u_2\·k23\·(x_{10}-x_1)=0$

式中， $k_1=\frac{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{ci}}{A}_{\mathrm{ci}}}{m_{\mathrm{con}}};$ $k_2=\frac{f_{\mathrm{\λ}}{V}_{\mathrm{com}}(1-s)}{{\mathrm{pv}}_c{m}_{\mathrm{con}}};$ $k_5=\frac{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{ei}}{A}_{\mathrm{ei}}}{m_{\mathrm{eva}}};$ $k_6=\frac{\left[f_{\mathrm{\λ}}{V}_{\mathrm{com}}(1-s)\right]}{{\mathrm{pv}}_c{m}_{\mathrm{eva}}};$ $k_7=\frac{f_{\mathrm{mv}}}{m_{\mathrm{eva}}};$ $k_{10}=\frac{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{ei}}{A}_{\mathrm{ei}}}{m_{\mathrm{eva}}^{\′}};$ $k_{11}=\frac{\left[f_{\mathrm{\λ}}{V}_{\mathrm{com}}(1-s)\right]}{{\mathrm{pv}}_c{m}_{\mathrm{eva}}^{\′}};$ $k_{12}=\frac{f_{\mathrm{mv}}}{m_{\mathrm{eva}}^{\′}};$ $k19=\frac{\mathrm{\λ}{V}_{\mathrm{com}}(1-s)}{v_{c}p};$ $k20=f_{\mathrm{Nth}}(p_c,p_e)\·f_{\mathrm{\λ}}\·\frac{(1-s)}{p}\·V_{\mathrm{com}};$ $k_{21}=\frac{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{ei}}{A}_{\mathrm{ei}}}{m_{\mathrm{eva}}^n};$ $k_{22}=\frac{\left[f_{\mathrm{\λ}}{V}_{\mathrm{com}}(1-s)\right]}{{\mathrm{pv}}_c{m}_{\mathrm{eva}}^n};$ $k_{23}=\frac{f_{\mathrm{mv}}}{m_{\mathrm{eva}}^n}$

x₁＝h_b冷凝器出口焓值；x₂＝T_cw冷凝器壁温；x₂＝h_d蒸发器1出口焓值；

x₄＝T_ew蒸发器1壁温；x₅＝h′_d蒸发器2出口焓值；x₆＝T′_ew蒸发器2壁温；

x₇＝T_in冷库1温度；x₈＝T′_in冷库2温度；

蒸发器n壁温；

蒸发器n出口焓值；

冷库n温度。

本发明的有益效果：本发明由于采用上述技术方案，使用电子膨胀阀及变频压缩机将制冷系统中可以调节的变量作为控制量，通过分析冷库制冷系统的机理模型，自动调节冷库制冷机组压缩机的制冷量，在保证系统安全运行的基础上提供最大的制冷效率；提高了冷库温度的控制精度，冷库房间温度波动小；本发明运行平稳，降低了能耗。

附图说明：

图1为现有制冷系统原理示意图。

图2为本发明制冷系统原理示意图。

图3为本发明冷库控制系统框图。

图中主要标号说明：

11电磁阀、21电磁阀，12膨胀阀、22膨胀阀，13蒸发器、23蒸发器，14压缩机、24压缩机、31手动截流阀、32手动截流阀、32冷凝器、41膨胀阀、42蒸发器、43膨胀阀、44蒸发器、45压力平衡阀、46压缩机、47冷凝器。

具体实施方式

如图2所示，本发明冷库制冷系统包括：数个制冷机组，本实施例：以两个制冷机组为例进行说明。制冷机组包括控制箱，控制箱内的PLC控制器分别与设置在高温冷库及低温冷库两个冷库房间内的膨胀阀41、43相连，膨胀阀41、43依次与蒸发器42、44，压缩机46，冷凝器47及膨胀阀41、43相连，且控制箱内的PLC可编程序控制器同时还直接与压缩机46相连，构成两个冷库制冷回路系统。由控制箱内的PLC可编程序控制器同时控制两个不同温度冷库房间内制冷机组压缩机46的转速和膨胀阀41、43的开度。蒸发器42、44的温度设定在工作点，冷凝器47工作在满足换热量要求的状态。

本实施例：膨胀阀41、43为电子膨胀阀；压缩机46为变频压缩机。蒸发器42、44与压缩机46之间连接有压力平衡阀45，PLC控制器分别与压缩机46的变频器和电子膨胀阀41、43的阀门控制器相连，PLC控制器输出的仪表信号传输到压缩机的变频器和电子膨胀阀的阀门控制器。

主要调节部件的说明：冷库制冷系统压缩机46为变频压缩机，根据控制器输出频率进行调节，蒸发器42、44前的电子膨胀阀41、43在0～100％开度范围内，由控制器输出进行调节。蒸发器42、44和冷凝器47的规格尺寸满足设计要求。冷凝器47的冷却方式可以为风冷也可以为水冷。

本发明冷库高效制冷系统的控制方法：将数个冷库房间内的温度作为控制目标，本实施例：以高温冷库、低温冷库两个冷库房间为例进行说明。两个冷库制冷机组中压缩机46制冷量作为被控对象，由控制箱内PLC可编程序控制器同时控制两个制冷机组中压缩机46转速和电子膨胀阀41、43开度；

如图3所示，冷库制冷系统的输出为：高温冷库、低温冷库两个冷库房间的温度，执行机构为制冷机组的压缩机46和电子膨胀阀41、43，确定为调节压缩机46转速和电子膨胀阀41、43开度，输入为设定的冷库库房温度。

具体控制步骤如下：

第一步：由温度测量装置，测量两个冷库房间、的温度，并将所测量的实际温度值和设定温度的温差值反馈到PLC可编程序控制器中；温度测量装置为数字型温度变送器，数字型温度变送器在测量数个冷库房间温度的同时，还需测量冷库外环境温度及冷凝器温度。

第二步：根据反馈的实际温度值和设定温度的温差值，使用PLC可编程序控制器中的PID控制器(将偏差的比例P、积分I和微分D通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID控制器)计算下一时刻制冷压缩机4的变频调节量u₁，且形成一个闭环控制；

根据冷库制冷系统制冷量，即各个冷库房间内温度与设定点温度之差对应的制冷量的和，通过PID控制器调节出的此时的制冷量应对应于制冷压缩机的频率u₁。

此时，根据制冷压缩机的选型，制冷压缩机额定制冷量是对应于制冷压缩机工作在50Hz，根据室外温度和冷库房间的设定的温度值，及相关的确定参数就可计算出制冷压缩机输出制冷量，即工作频率。

由于压缩机4在冷库运行中，不断调节制冷量，冷库内的温度也在不断变化，此时的房间温度和设定温度之间的差值，将作为压缩机46制冷量调节的反馈值(负反馈)，用于下一时刻压缩机频率u₁的计算，并形成一个闭环控制，且压缩机46的转速是由PID控制器进行调整。压缩机变频调节量u₁的具体计算是由PLC可编程序控制器中的PID线性控制器进行，PID线性控制器根据给定值rin(t)与实际输出值yout(t)构成控制偏差：error(t)＝rin(t)-yout(t)

其中，分别使用冷库房间的实际温度和设定温度之差作为PID线性控制器的输入，得出对应房间所需的制冷量，所有房间制冷量之和根据压缩机工作性能得出频率，作为PID线性控制器的输出u₁。

第三步：根据实时调节的压缩机频率值，使用PLC中的最大COP值(通常采用制冷系数COP来评价压缩机运转时的经济性，其计算公式为：COP＝Q_o/N_b，即单位功所产生的制冷量)控制方法，计算电子膨胀阀开度调节值u₂、u₃；

最大COP值控制方法描述：其控制原理是，压缩机制冷量的计算是可以控制冷库室内温度和设定点温度的差值形成反馈闭环的，根据温差的不同差值，使用PID控制器来进行实时调节压缩机的转速，从而改变此时刻的压缩机输出的制冷量，满足制冷量的需求。同时，电子膨胀阀的开度则可以根据COP的极值运算得出，然后，根据得出的电子膨胀阀的开度值进行实时调节，根据温差调节压缩机转速控制输出制冷量，再进行电子膨胀阀开度调节，同步进行，可以保证此时COP值保持最大。这样，在冷库制冷系统运行中不管是工况改变或受到热源的扰动，都可以保证此时运行调节是最节能的，也是研究的目标所在。

在冷库制冷系统最大COP值控制系统中，冷库制冷系统为被控对象，控制目标是冷库房间内的温度和保持最大COP值，因此，系统的输出为冷库库房的温度，执行机构为制冷机组的压缩机和电子膨胀阀，确定为调节压缩机转速和电子膨胀阀开度，输入为设定的冷库房间温度。

冷库控制系统内部组成说明：PID模块中是有两个PID控制器，输入量分别为两个冷库房间的实际温度和设定温度的温差值，输出为两个冷库房间所需的制冷量，两个冷库房间需冷量之和对应一个压缩机的频率值u₁，为PID的输出量。最大COP值控制器的输入量为压缩机的频率值u₁，输出为计算出的两个电子膨胀阀开度u₂、u₃。最后得出的三个量u₁、u₂、u₃可以保证温差的COP值同时优化控制的目标。

第四步：根据计算的调节量u₁的值调整压缩机转速；根据计算的电子膨胀阀开度调节值u₂、u₃调整电子膨胀阀的开度，然后，重复第一步骤。

电子膨胀阀开度调节值u₂、u₃的具体计算公式及步骤如下：

$k5\·x_4-k5\·[(\frac{C_o+{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{air}}{C}_p{V}_R}{{\mathrm{\α}}_e{A}_{\mathrm{ei}}}+\frac{{\mathrm{\α}}_w{A}_w}{{\mathrm{\α}}_e{A}_{\mathrm{ei}}}+1)x_7-\frac{{\mathrm{\α}}_w{A}_w}{{\mathrm{\α}}_e{A}_{\mathrm{ei}}}{T}_{\mathrm{out}}-\frac{Q_{\mathrm{in}}}{{\mathrm{\α}}_e{A}_{\mathrm{ei}}}]$

$+k6\·M\·(A-B\·(\mathrm{TCON}-\mathrm{TOUT}\left)\right)\·u_1+k7\·(x_5-x_1)\·u_n---(1-1)$

$-[k1\·(x_2-T_{\mathrm{con}})+k2\·(x_3+A-x_1)\·u_1]+\frac{k19}{k20}\·u_n\·k12\·(x_3-x_1)=0$

$k10\·x_6-k10\·[(\frac{C_o+{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{air}}{C}_p{V}_R}{{\mathrm{\α}}_e{A}_{\mathrm{ei}}}+\frac{{\mathrm{\α}}_w{A}_w}{{\mathrm{\α}}_e{A}_{\mathrm{ei}}}+1)x_8-\frac{{\mathrm{\α}}_w{A}_w}{{\mathrm{\α}}_e{A}_{\mathrm{ei}}}{T}_{\mathrm{out}}-\frac{Q_{\mathrm{in}}^{\′}}{{\mathrm{\α}}_e{A}_{\mathrm{ei}}}]$

$+k11\·M\·(A-B\·(\mathrm{TCON}-\mathrm{TOUT}\left)\right)\·u_1+k12\·(x_3-x_1)\·u_3---(1-2)$

$-[k1\·(x_2-T_{\mathrm{con}})+k2\·(x_3+A-x_1)\·u_1]+\frac{k19}{k20}\·u_3\·k7\·(x_5-x_1)=0$

$k21\·x_9-k21\·[(\frac{C_o+{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{air}}{C}_p{V}_R}{{\mathrm{\α}}_e{A}_{\mathrm{ei}}}+\frac{{\mathrm{\α}}_w{A}_w}{{\mathrm{\α}}_e{A}_{\mathrm{ei}}}+1)x_{11}-\frac{{\mathrm{\α}}_w{A}_w}{{\mathrm{\α}}_e{A}_{\mathrm{ei}}}{T}_{\mathrm{out}}-\frac{Q_{\mathrm{in}}^n}{{\mathrm{\α}}_e{A}_{\mathrm{ei}}}]$

$+k22\·M\·(A-B\·(\mathrm{TCON}-\mathrm{TOUT}\left)\right)\·u_1+k23\·(x_{10}-x_1)\·u_2---(1-3)$

$-[k1\·(x_2-T_{\mathrm{con}})+k2\·(x_{10}+A-x_1)\·u_1]+\frac{k19}{k20}\·u_2\·k23\·(x_{10}-x_1)=0$

式中， $k_1=\frac{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{ci}}{A}_{\mathrm{ci}}}{m_{\mathrm{con}}};$ $k_2=\frac{f_{\mathrm{\λ}}{V}_{\mathrm{com}}(1-s)}{{\mathrm{pv}}_c{m}_{\mathrm{con}}};$ $k_5=\frac{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{ei}}{A}_{\mathrm{ei}}}{m_{\mathrm{eva}}};$ $k_6=\frac{\left[f_{\mathrm{\λ}}{V}_{\mathrm{com}}(1-s)\right]}{{\mathrm{pv}}_c{m}_{\mathrm{eva}}};$ $k_7=\frac{f_{\mathrm{mv}}}{m_{\mathrm{eva}}};$ $k_{10}=\frac{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{ei}}{A}_{\mathrm{ei}}}{m_{\mathrm{eva}}^{\′}};$ $k_{11}=\frac{\left[f_{\mathrm{\λ}}{V}_{\mathrm{com}}(1-s)\right]}{{\mathrm{pv}}_c{m}_{\mathrm{eva}}^{\′}};$ $k_{12}=\frac{f_{\mathrm{mv}}}{m_{\mathrm{eva}}^{\′}};$ $k19=\frac{\mathrm{\λ}{V}_{\mathrm{com}}(1-s)}{v_{c}p};$ $k20=f_{\mathrm{Nth}}(p_c,p_e)\·f_{\mathrm{\λ}}\·\frac{(1-s)}{p}\·V_{\mathrm{com}};$ $k_{21}=\frac{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{ei}}{A}_{\mathrm{ei}}}{m_{\mathrm{eva}}^n};$ $k_{22}=\frac{\left[f_{\mathrm{\λ}}{V}_{\mathrm{com}}(1-s)\right]}{{\mathrm{pv}}_c{m}_{\mathrm{eva}}^n};$ $k_{23}=\frac{f_{\mathrm{mv}}}{m_{\mathrm{eva}}^n}$

x₁＝h_b冷凝器出口焓值；x₂＝T_cw冷凝器壁温；x₃＝h_d蒸发器1出口焓值；

x₄＝T_ew蒸发器1壁温；x₅＝h′_d蒸发器2出口焓值；x₆＝T′_ew蒸发器2壁温；

x₇＝T_in冷库1温度；x₈＝T′_in冷库2温度；

蒸发器n壁温；蒸发器n出口焓值；

冷库n温度；

利用(1-2)(1-3)两个关系式，计算u₂、u₃的值，可以保证此时的COP值为极值。利用(1-1)(1-2)(1-3)三个关系式，计算的数个膨胀阀开度值，可以保证此时的COP值为极值。

本发明冷库高效制冷系统的控制方法，其机理模型、控制模型的建立过程如下：

一、制冷系统各部件的数学模型

1.1变频压缩机的数学模型

1.压缩机制冷剂质量流量计算

变频压缩机转速n和频率f的关系：

$n=\frac{60f(1-s)}{p}---(1-1)$

其中，s-异步电动机转速差；

p-异步电动机磁极对数。

压缩机的每转容积排量V_com计算公式：

$V_{\mathrm{com}}=i\frac{{\mathrm{\πD}}^2}{4}\·S---(1-2)$

其中，i-压缩机气缸数；

D-汽缸内半径；

S-活塞行程。

压缩机理论容积输气量V_th计算公式：

$V_{\mathrm{th}}=\frac{n}{60}\·V_{\mathrm{com}}---(1-3)$

则压缩机制冷剂单位时间的质量流量m_c为：

$m_c=\mathrm{\λ}\frac{V_{\mathrm{th}}}{v_c}---(1-4)$

其中，λ-压缩机输气系数；

v_c-压缩机吸气时气态制冷剂的比容。

2.压缩机功率计算

压缩机理论功率N_th为：

$N_{\mathrm{th}}=\mathrm{\λ}{V}_{\mathrm{th}}{p}_e\frac{k}{(1-k)}\left[{1-\left(\frac{p_c}{p_e}\right)}^{\frac{k-1}{k}}\right]---(1-5)$

压缩机指示功率N_i为：

N_i＝N_th/η_i            (1-6)

其中，η_i-压缩机指示效率。

3.压缩机性能参数计算

压缩机排气温度T_a计算公式为：

$T_a=T_d{\left(\frac{p_c}{p_e}\right)}^{\frac{k-1}{k}}---(1-7)$

其中，T_d-压缩机吸气温度。

压缩机出口比焓h_a计算公式为：

$h_a=h_d+\frac{N_{\mathrm{th}}}{m_c}---(1-8)$

其中，h_d-压缩机入口即蒸发器出口制冷剂比焓。

制冷量Q_o计算公式为：

Q_o＝m_cq_o            (1-9)

其中，q_o-制冷剂的单位容积制冷量。

1.2电子膨胀阀的数学模型

电子膨胀阀的出口制冷剂质量流量m_v为：

$m_v=C_d{A}_v\sqrt{2{\mathrm{\ρ}}_l(p_c-p_e)}---(1-10)$

其中，A_v-电子膨胀阀开度(即流通截面积)；

C_d-电子膨胀阀流量系数；

ρ_l-电子膨胀阀入口制冷剂密度；

p_c-膨胀阀入口压力，即为冷凝压力；

p_e-膨胀阀出口压力，即为蒸发压力。

1.3冷凝器的数学模型

1.冷凝器内制冷剂能量方程

假设风冷式冷凝器风机转速恒定，冷凝压力p_c可近似认为恒定。如此可建立冷凝器内制冷剂的能量平衡方程为：

$m_{\mathrm{con}}\frac{{\mathrm{dh}}_b}{\mathrm{dt}}=m_c(h_a-h_b)+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{ci}}{A}_{\mathrm{ci}}(T_{\mathrm{cw}}-T_{\mathrm{con}})---(1-11)$

其中，m_con-冷凝器内制冷剂质量；

α_ci-冷凝器管内侧换热系数；

A_ci-冷凝器管内侧换热面积；

T_cw-冷凝器管壁温度；

T_out-室外环境温度。

冷凝器管内换热面积A_ci的计算公式为：

A_ci＝πD_ciL_c                    (1-12)

其中，L_c-冷凝器管道长度；

D_ci-冷凝器管道内径。

2.冷凝器管壁传热能量方程

根据热力学的传热方程，可建立冷凝器管壁传热的能量方程如下：

$C_{\mathrm{cw}}{L}_c\frac{{\mathrm{dT}}_{\mathrm{cw}}}{\mathrm{dt}}={\mathrm{\α}}_{\mathrm{co}}{A}_{\mathrm{co}}(T_{\mathrm{out}}-T_{\mathrm{cw}})-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{ci}}{A}_{\mathrm{ci}}(T_{\mathrm{cw}}-T_{\mathrm{con}})---(1-13)$

其中C_cw-冷凝器管壁单位长度的热容；

α_co-冷凝器管外空气侧换热系数；

A_co-冷凝器管外空气侧换热面积。

冷凝器管外空气侧换热面积A_co的计算公式为：

A_co＝πD_coL_c                (1-14)

其中，D_co-冷凝器管道内径。

1.4蒸发器的数学模型(单个蒸发器)

1.蒸发器内制冷剂能量方程

建立蒸发器内制冷剂的能量平衡方程为：

$m_{\mathrm{eva}}\frac{{\mathrm{dh}}_d}{\mathrm{dt}}=m_v(h_c-h_d)+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{ei}}{A}_{\mathrm{ei}}(T_{\mathrm{ew}}-T_{\mathrm{eva}})---(1-15)$

其中，m_eva-蒸发器内制冷剂质量；

α_ei-蒸发器管内侧换热系数；

A_ei-蒸发器馆内换热面积；

T_ew-蒸发器管壁温度。

蒸发器管内换热面积A_ei计算公式为：

A_ei＝πD_eiL_e                (1-16)

其中，D_ei-蒸发器管内直径；

L_e-蒸发器管道长度。

2.蒸发器管壁传热能量方程

根据热力学的传热方程，可建立蒸发器管壁传热的能量平衡方程为：

$C_{\mathrm{ew}}{L}_e\frac{{\mathrm{dT}}_{\mathrm{ew}}}{\mathrm{dt}}={\mathrm{\α}}_{\mathrm{eo}}{A}_{\mathrm{eo}}(T_{\mathrm{in}}-T_{\mathrm{ew}})-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{ei}}{A}_{\mathrm{ei}}(T_{\mathrm{ew}}-T_{\mathrm{eva}})---(1-17)$

其中，C_ew-蒸发器管壁单位长度的热容；

T_in-室内库房温度；

α_eo-蒸发器管外空气侧换热系数；

A_eo-蒸发器管外空气侧换热面积。

蒸发器管外空气侧换热面积A_eo的计算公式为：

A_eo＝πD_eoL_e                        (1-18)

蒸发器综合换热系数α_e为：

${\mathrm{\α}}_e={(\frac{1}{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{ei}}}+\frac{A_{\mathrm{ei}}}{A_{\mathrm{eo}}}\·\frac{1}{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{eo}}})}^{-1}---(1-19)$

则制冷量Q_o的计算公式为：

Q_o＝α_eA_ei(T_in-T_eva)            (1-20)

1.5冷库库房动态数学模型

考虑到本文的库房数学模型是为了制冷控制系统仿真优化的需要，因此可采用简化建模方法。在此假定库房空气为干空气且为均匀分布，热负荷主要包括墙体传热和库房内部物体的热负荷，由热力学第一定律，有如下能量守恒方程：

$(C_o+{\mathrm{\ρ}}_a{C}_p{V}_R)\frac{{\mathrm{dT}}_{\mathrm{in}}}{\mathrm{dt}}={\mathrm{\α}}_w{A}_w(T_{\mathrm{out}}-T_{\mathrm{in}})+Q_{\mathrm{in}}-Q_o---(1-21)$

其中，C_o-库房物体热容；

ρ_a-空气密度；

C_p-空气定压比热；

V_R-库房容积；

α_w-墙体综合换热系数；

A_w-库房墙体换热面积；

Q_in-库房内部物体的热负荷。

1.6冷库制冷系统动态数学模型

为简化建模与系统分析，在此假设在冷库制冷系统中冷凝器风机转速和蒸发器风机转速为恒定，则系统可选的调节参数变量为变频压缩机频率f和电子膨胀阀开度式A_v，A′_v。室内库房温度T_in，T′_in，为冷库制冷控制系统中最为重要的被控参数，同时要控制制冷系统COP值，其控制的稳定性和精确性直接影响到冷库系统的冷冻品质和节能效果。综上分析，可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，电子膨胀阀1开度式A_v；电子膨胀阀2开度式A′_v；

输出变量：库房1室内温度T_in；库房2室内温度T′_in；

状态变量：冷凝器出口比焓h_b；冷凝器管壁温度T_cw；蒸发器1出口比焓h_d；

蒸发器2出口比焓h′_d；蒸发器1管壁温度T_ew；蒸发器2管壁温度T′_ew；库房1温度T_in；库房2温度T′_in；

制冷系统COP值作为优化目标参数可间接可出，后面有说明。

冷库的动态模型为：                        (1-22)

以上动态模型关系式中，变量替换的推导：

由式(1-1)(1-4)可得：

$m_c=\frac{{\mathrm{\λV}}_{\mathrm{com}}(1-s)f}{v_{c}p}---(1-23)$

现做如下函数简化表达：

λ＝f_λ(p_c，p_e)            (1-24)

其中， $f_{\mathrm{\λ}}(p_c,p_e)=0.98-0.085[{\left(\frac{p_c}{p_e}\right)}^{\frac{1}{k}}-1];$

$N_{\mathrm{th}}=f_{\mathrm{Nth}}(p_c,p_e)\·f_{\mathrm{\λ}}\·\frac{(1-s)}{p}\·V_{\mathrm{com}}f---(1-25)$

其中， $f_{\mathrm{Nth}}(p_c,p_e)=p_e\frac{k}{(1-k)}[1-{\left(\frac{p_c}{p_e}\right)}^{\frac{k-1}{k}}]$

m_v＝A_vf_mv(p_c，p_e)          (1-26)

其中， $f_{\mathrm{mv}}(p_c,p_e)=C_d\sqrt{2{\mathrm{\ρ}}_l(p_c-p_e)}$

由式(1-8)，(1-23)，(1-26)可得：

$h_a=h_d+\frac{N_{\mathrm{th}}}{m_c}=h_d+v_c{f}_{\mathrm{Nth}}(p_c,p_e)---(1-27)$

其中x＝[h_b，T_cw，h_d，T_ew，h′_d，T′_ew，T_in，T′_in]^T，u＝[f，A_v，A′_v]^T，并把式(1-23)-(1-27)代入式(1-22)，则可建立

冷库的三输入-两输出8阶动态数学模型表达式：

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\·}{x}=f\left(x\right)+g\left(x\right)u\\ y=h\left(x\right)\end{array}\right.---(1-27)$

$h\left(x\right)=\left[\begin{array}{c}{h}_1\left(x\right)\\ h_2\left(x\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{T}_{\mathrm{in}}\\ T_{\mathrm{in}}^{\′}\end{array}\right]$

1.7冷库制冷系统仿射非线性模型

状态变量：

x₁＝h_b冷凝器出口焓值，x₂＝T_cw冷凝器壁温，x₃＝h_d蒸发器1出口焓值，x₄＝T_ew蒸发器1壁温，x₅＝h′_d蒸发器2出口焓值，x₆＝T′_ew蒸发器2壁温，x₇＝T_in冷库1温度，x₈＝T′_in冷库2温度

输入变量：u₁＝f，u₂＝A，u₃＝A′_v

$y\left(x\right)=\left[\begin{array}{c}{x}_7\\ x_8\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{T}_{\mathrm{in}}\\ T_{\mathrm{in}}^{\′}\end{array}\right]$

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种海上平台冷库高效制冷系统，设有数个制冷机组，制冷机组包括控制箱，其特征在于：该控制箱内的PLC可编程序控制器输出端分别与膨胀阀相连，该膨胀阀分别依次与设置在数个不同温度冷库房间内的蒸发器、压缩机、冷凝器及膨胀阀相连，且控制箱内的PLC可编程序控制器同时还直接与压缩机相连，构成数个冷库制冷回路系统。

2.根据权利要求1所述的海上平台冷库高效制冷系统，其特征在于：所述膨胀阀为电子膨胀阀；压缩机为变频压缩机。

3.根据权利要求1所述的海上平台冷库高效制冷系统，其特征在于：所述蒸发器与压缩机之间连接有压力平衡阀。

4.根据权利要求1所述的海上平台冷库高效制冷系统，其特征在于：所述PLC控制器分别与压缩机的变频器和膨胀阀的阀门控制器相连。

5.一种海上平台冷库高效制冷系统的控制方法，其特征在于：将数个冷库房间内的温度作为控制目标，数个冷库制冷机组中压缩机的制冷量作为被控对象，由控制箱内PLC可编程序控制器同时控制数个制冷机组中压缩机转速和电子膨胀阀开度；具体控制步骤如下：

第一步：由温度测量装置测量数个冷库房间的温度，并将所测量的实际温度值和设定温度的温差值反馈到PLC可编程序控制器中；

第二步：根据反馈的实际温度值和设定温度的温差值，计算下一时刻制冷压缩机的变频调节量u₁，且形成一个闭环控制；

第三步：根据实时调节的压缩机频率值，计算电子膨胀阀开度调节值u₂、u₃...u_n；

第四步：根据计算的调节量u₁的值调整压缩机转速；根据计算的电子膨胀阀开度调节值u₂、u₃...u_n调整电子膨胀阀的开度，然后，重复第一步骤。

6.根据权利要求5所述的海上平台冷库高效制冷系统的控制方法，其特征在于：所述温度测量装置为数字型温度变送器，该数字型温度变送器在测量数个冷库房间温度的同时，还需测量冷库房间外环境温度及冷凝器温度。

7.根据权利要求5所述的海上平台冷库高效制冷系统的控制方法，其特征在于：所述压缩机变频调节量u₁的具体计算是由PLC可编程序控制器中的PID线性控制器进行，PID线性控制器根据给定值rin(t)与实际输出值yout(t)构成控制偏差：error(t)＝rin(t)-yout(t)

其中，分别使用冷库房间的实际温度和设定温度之差作为PID线性控制器的输入，得出对应房间所需的制冷量，所有房间制冷量之和根据压缩机工作性能得出频率，作为PID线性控制器的输出u₁。

8.根据权利要求5所述的海上平台冷库高效制冷系统的控制方法，其特征在于：所述电子膨胀阀开度调节值u₂、u₃...u_n的具体计算公式如下：

$k5\·x_4-k5\·[(\frac{C_o+{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{air}}{C}_p{V}_R}{{\mathrm{\α}}_e{A}_{\mathrm{ei}}}+\frac{{\mathrm{\α}}_w{A}_w}{{\mathrm{\α}}_e{A}_{\mathrm{ei}}}+1)x_7-\frac{{\mathrm{\α}}_w{A}_w}{{\mathrm{\α}}_e{A}_{\mathrm{ei}}}{T}_{\mathrm{out}}-\frac{Q_{\mathrm{in}}}{{\mathrm{\α}}_e{A}_{\mathrm{ei}}}]$

$+k6\·M\·(A-B\·(\mathrm{TCON}-\mathrm{TOUT}))\·u_1+k7\·(x_5-x_1)\·u_n---(1-1)$

$-[k1\·(x_2-T_{\mathrm{con}})+k2\·(x_3+A-x_1)\·u_1]+\frac{k19}{k20}\·u_n\·k12\·(x_3-x_1)=0$

$k10\·x_6-k10\·[(\frac{C_o+{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{air}}{C}_p{V}_R}{{\mathrm{\α}}_e{A}_{\mathrm{ei}}}+\frac{{\mathrm{\α}}_w{A}_w}{{\mathrm{\α}}_e{A}_{\mathrm{ei}}}+1)x_8-\frac{{\mathrm{\α}}_w{A}_w}{{\mathrm{\α}}_e{A}_{\mathrm{ei}}}{T}_{\mathrm{out}}-\frac{Q_{\mathrm{in}}^{\′}}{{\mathrm{\α}}_e{A}_{\mathrm{ei}}}]$

$+k11\·M\·(A-B\·(\mathrm{TCON}-\mathrm{TOUT}))\·u_1+k12\·(x_3-x_1)\·u_3---(1-2)$

$-[k1\·(x_2-T_{\mathrm{con}})+k2\·(x_3+A-x_1)\·u_1]+\frac{k19}{k20}\·u_3\·k7\·(x_5-x_1)=0$

$k21\·x_9-k21\·[(\frac{C_o+{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{air}}{C}_p{V}_R}{{\mathrm{\α}}_e{A}_{\mathrm{ei}}}+\frac{{\mathrm{\α}}_w{A}_w}{{\mathrm{\α}}_e{A}_{\mathrm{ei}}}+1)x_{11}-\frac{{\mathrm{\α}}_w{A}_w}{{\mathrm{\α}}_e{A}_{\mathrm{ei}}}{T}_{\mathrm{out}}-\frac{Q_{\mathrm{in}}^n}{{\mathrm{\α}}_e{A}_{\mathrm{ei}}}]$

$+k22\·M\·(A-B\·(\mathrm{TCON}-\mathrm{TOUT}))\·u_1+k23\·(x_{10}-x_1)\·u_2---(1-3)$

$-[k1\·(x_2-T_{\mathrm{con}})+k2\·(x_{10}+A-x_1)\·u_1]+\frac{k19}{k20}\·u_2\·k23\·(x_{10}-x_1)=0$

式中， $k_1=\frac{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{ci}}{A}_{\mathrm{ci}}}{m_{\mathrm{con}}};$ $k_2=\frac{f_{\mathrm{\λ}}{V}_{\mathrm{com}}(1-s)}{{\mathrm{pv}}_c{m}_{\mathrm{con}}};$ $k_5=\frac{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{ei}}{A}_{\mathrm{ei}}}{m_{\mathrm{eva}}};$ $k_6=\frac{\left[f_{\mathrm{\λ}}{V}_{\mathrm{com}}(1-s)\right]}{{\mathrm{pv}}_c{m}_{\mathrm{eva}}};$ $k_7=\frac{f_{\mathrm{mv}}}{m_{\mathrm{eva}}};$ $k_{10}=\frac{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{ei}}{A}_{\mathrm{ei}}}{m_{\mathrm{eva}}^{\′}};$ $k_{11}=\frac{\left[f_{\mathrm{\λ}}{V}_{\mathrm{com}}(1-s)\right]}{{\mathrm{pv}}_c{m}_{\mathrm{eva}}^{\′}};$ $k_{12}=\frac{f_{\mathrm{mv}}}{m_{\mathrm{eva}}^{\′}};$ $k19=\frac{{\mathrm{\λV}}_{\mathrm{com}}(1-s)}{v_{c}p};$ $k20=f_{\mathrm{Nth}}(p_c,p_e)\·f_{\mathrm{\λ}}\·\frac{(1-s)}{p}\·V_{\mathrm{com}};$ $k_{21}=\frac{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{ei}}{A}_{\mathrm{ei}}}{m_{\mathrm{eva}}^n};$ $k_{22}=\frac{\left[f_{\mathrm{\λ}}{v}_{\mathrm{com}}(1-s)\right]}{{\mathrm{pv}}_c{m}_{\mathrm{eva}}^n};$ $k_{23}=\frac{f_{\mathrm{mv}}}{m_{\mathrm{eva}}^n}$

x₁＝h_b冷凝器出口焓值；x₂＝T_cw冷凝器壁温；x₃＝h_d蒸发器1出口焓值；x₄＝T_ew蒸发器1壁温；x₅＝h′_d蒸发器2出口焓值；x₆＝T′_ew蒸发器2壁温；x₇＝T_in冷库1温度；x₈＝T′_in冷库2温度；

蒸发器n壁温；

蒸发器n出口焓值；

冷库n温度。

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