CN103140726A - 涡轮冷冻装置、其控制装置及其控制方法 - Google Patents

涡轮冷冻装置、其控制装置及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明其目的是提供一种在稳定地运转的同时可削减致冷剂量的涡轮冷冻装置的控制装置。是控制涡轮冷冻装置(1)的控制装置，该涡轮冷冻装置(1)具有：离心式压缩机(2)；第一非致冷剂供给用的第一非致冷剂泵(12)；第一非致冷剂与致冷剂进行热交换的凝结器(3)；使致冷剂膨胀的膨胀阀(5)；第二非致冷剂供给用的第二非致冷剂泵(16)；第二非致冷剂和致冷剂进行热交换的蒸发器(7)；从离心式压缩机2的排出口(2B)将致冷剂的一部分注入离心式压缩机(2)的吸入口(2A)的旁路回路(17)；以及控制该致冷剂的流量的旁路回路用控制阀(18)。在起动涡轮冷冻装置(1)的时候，将膨胀阀(5)控制为闭状态，并将第一非致冷剂泵(12)以及第二非致冷剂泵(16)设定为运转状态而起动离心式压缩机(2)之后，控制旁路回路用控制阀(18)的开度以使离心式压缩机(2)的吸入饱和温度和第二非致冷剂的出口温度的温度差成为规定温度差以下。

Description

涡轮冷冻装置、其控制装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及涡轮冷冻装置、其控制装置及其控制方法，尤其是涉及稳定地运转涡轮冷冻装置、并能够削减进行循环的致冷剂量的涡轮冷冻装置的控制装置。
背景技术
如图10所示，以往的涡轮冷冻装置100具有：离心式压缩机103；油雾分离槽102，分离由该离心式压缩机103所压缩的高压气体致冷剂中的油分；凝结器105，凝结由油雾分离槽102分离了油分的高压气体气体致冷剂；高段膨胀阀107，使在凝结器105凝结的高压液体致冷剂膨胀；中间冷却器106，冷却由高段膨胀阀107膨胀的液体致冷剂；低段膨胀阀108，使由中间冷却器106所冷却的液体致冷剂膨胀；蒸发器109，使由低段膨胀阀108膨胀的低压液体致冷剂蒸发；以及气液分离器110，将蒸发后的致冷剂分离为气体致冷剂和液体致冷剂。
离心式压缩机103被电动机111通过齿轮101转动驱动，吸引致冷剂并进行压缩。由离心式压缩机103所压缩的高压气体致冷剂成为例如约100℃，被导入油雾分离槽102。被导入油雾分离槽102的高压气体致冷剂被离心分离来分离油分(例如，专利文献1到专利文献4)。将分离了油分的高压气体致冷剂向管壳型的凝结器105引导，与例如90℃的温水热交换。
通过在凝结器105与温水热交换而凝结的高压液体致冷剂，通过通过在凝结器105下流侧被设置的高段膨胀阀107而被膨胀。将由高级膨胀阀107使之膨胀的液体致冷剂向自身膨胀型的中间冷却器106引导。
另外，将被引导到中间冷却器106的致冷剂中的气相部分向离心式压缩机103的中间级引导。
将在中间冷却器106中自身膨胀的液体致冷剂向低级膨胀阀108引导而膨胀。将膨胀的低压液体致冷剂向管壳型的蒸发器109引导，与例如40℃的热源水进行热交换而蒸发。在蒸发器109中蒸发的致冷剂，被导入气液分离器110，在气液分离器110内被分离为气体致冷剂和液体致冷剂。在气液分离器110内被分离的气体致冷剂被导入离心式压缩机103而被压缩。
另外，从油雾分离槽102，油分被分离的高压气体致冷剂的一部分经由热气体旁通阀112被导入气液分离器110。热气体旁通阀112控制被导入气液分离器110的高压气体致冷剂的流量。在该热气体旁通阀112的下游，从中间冷却器106和低级膨胀阀108的之间引导的液体致冷剂通过液体注入阀113而合流。液体注入阀113控制液体致冷剂的流量。
通过了热气体旁通阀112的高压气体致冷剂和来自液体注入阀113的液体致冷剂分别被喷射到气液分离器110内。由此，在气液分离器110内，被分离为例如温度下降到40℃～50℃的气体致冷剂和液体致冷剂。像这样，通过将温度下降了的气体致冷剂导入离心式压缩机103的入口，来控制离心式压缩机103的负载。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2006-329557号公报
专利文献2：日本专利特开2006-234363号公报
专利文献3：日本专利特开2007-138919号公报
专利文献4：日本专利特开2009-138973号公报
专利文献5：日本专利特开2009-92309号公报
可是，在如图10的结构中，因为涡轮冷冻装置100内的内容积大所以需要的致冷剂填充量变多。为此，在回收致冷剂时，即使是将致冷剂减压到规定的压力以下的情况下，不能够回收的致冷剂残留在凝结器105、蒸发器109、中间冷却器106和气液分离器110等内，在这些的设备内残留的致冷剂最终被放出大气中。为了减少这些不能够回收的致冷剂和将致冷剂泄露时的泄露量抑制为最小限度，期望削减用于涡轮冷冻装置100的致冷剂填充量。
可是，在削减了致冷剂填充量的情况下，存在在涡轮冷冻装置100内循环的致冷剂的流动产生不均衡，致冷剂积存在蒸发器109等并从蒸发器109排出液相状态的致冷剂。在从蒸发器109排出的液相状态的致冷剂被离心式压缩机103吸引的情况下，存在离心式压缩机103出现故障这样的问题。
发明内容
本发明是鉴于这样的情况而完成的，其目的是提供稳定地运转并可削减致冷剂量的涡轮冷冻装置、及其控制装置及控制方法。
为了实现上述目的，本发明提供以下的单元。
根据本发明的第一方式涉及的涡轮冷冻装置的控制装置，其特征在于，具有：离心式压缩机，对致冷剂进行压缩；凝结器，与由第一非致冷剂泵所供给的第一非致冷剂进行热交换来凝结高压气体致冷剂；膨胀阀，使从该凝结器导出的液体致冷剂膨胀；蒸发器，将膨胀后的所述液体致冷剂与由第二非致冷剂泵供给的第二非致冷剂进行热交换而蒸发；旁路回路用控制阀，设置在旁路回路，来控制所述高压气体致冷剂的流量，其中，该旁路回路将由所述离心式压缩机所压缩的所述高压气体致冷剂的一部分注入所述离心式压缩机的吸入口；压缩机吸入口用压力测量单元，测量所述气体致冷剂的所述离心式压缩机的吸入压力；以及第二非致冷剂出口用温度测量单元，测量所述第二非致冷剂的所述蒸发器的出口温度，在起动涡轮冷冻装置时，控制所述膨胀阀为闭状态，将所述第一非致冷剂泵以及所述第二非致冷剂泵设定为运转状态而起动所述离心式压缩机之后，控制所述旁路回路用控制阀的开度以使该离心式压缩机的吸入饱和温度和所述第二非致冷剂的出口温度的温度差成为规定温度差以下。
在使用了离心式压缩机的涡轮冷冻装置中，在涡轮冷冻装置的起动时，因在蒸发器内部未蒸发而液状积存的液体致冷剂被吸入到离心式压缩机，而存在涡轮冷冻装置难于稳定地连续运转这样的问题。
在此，本发明的第一方面，着眼于以下内容：在蒸发器内部积存由液体致冷剂的情况下，液体致冷剂蒸发而使蒸发器内的气相致冷剂占有率增加，第二非致冷剂和液体致冷剂的接触减少，从而从第二非致冷剂向致冷剂传递的热传递降低，离心式压缩机的吸入饱和温度和第二非致冷剂的出口的温度差变大。即，在起动涡轮冷冻装置时，控制装置将膨胀阀的开度设为闭状态，控制旁路回路用控制阀的开度，以使离心式压缩机的吸入饱和温度和第二非致冷剂的出口温度的温度差成为规定温度差以下，其中，该旁路回路将从离心式压缩机导出的被压缩了的高压气体致冷剂的一部分导入离心式压缩机的吸入口。由此，可减少在蒸发器内部积存的液体致冷剂。因此，在涡轮冷冻装置起动时可稳定地进行运转。
另外，离心式压缩机的吸入饱和温度可根据离心式压缩机的吸入压力换算。
根据上述方式涉及的涡轮冷冻装置的控制装置，在起动涡轮冷冻装置时，控制所述膨胀阀为闭状态，将所述第一非致冷剂泵设为运转状态来起动所述离心式压缩机并控制所述旁路回路用控制阀的开度之后，将所述第二非致冷剂泵设为运转状态。
在起动涡轮冷冻装置时、即、在使离心式压缩机起动前开始第二非致冷剂泵的运转的情况下，有时从所述蒸发器输出比规定的出口温度高温的第二非致冷剂。
在此，在上述方式中使用如下的控制装置：将膨胀阀的开度设为闭状态，在离心式压缩机的吸入饱和温度成为规定温度以下之后，开始第二非致冷剂泵的运转。因此，在起动涡轮冷冻装置时，可使从蒸发器输出的第二非致冷剂的温度下降。由此，从蒸发器可输出规定出口温度的第二非致冷剂。
根据上述方式涉及的涡轮冷冻装置的控制装置，具有：液体致冷剂注入用控制阀，其被设置在注入回路来控制所述液体致冷剂的流量，其中，该注入回路将所述液体致冷剂的一部分注入到所述离心式压缩机的吸入口；以及压缩机排出口用温度测量单元，测量所述高压气体致冷剂的所述离心式压缩机的排出口温度；所述液体致冷剂注入用控制阀基于所述离心式压缩机的排出口温度来控制开度。
使用如下的控制装置：基于离心式压缩机的排出口温度控制液体致冷剂注入用控制阀的开度。由此，将温度低的液体致冷剂注入到从旁路回路引导的高温的高压气体致冷剂来控制引导到离心式压缩机的吸入口的气体致冷剂的温度。因此，可使导入到离心式压缩机的吸入口的致冷剂的温度下降。
根据上述方式涉及的涡轮冷冻装置的控制装置，具有：节热器，将通过膨胀而蒸发的中间压致冷剂、与由所述凝结器凝结的所述液体致冷剂进行热交换，并将所述中间压致冷剂注入所述离心式压缩机的中间吸入口；第一非致冷剂用流量测量单元，测量所述第一非致冷剂的所述凝结器的流量；第二非致冷剂用流量测量单元，测量所述第二非致冷剂的所述蒸发器的流量；第一非致冷剂入口用温度测量单元，测量所述第一非致冷剂的所述凝结器的入口温度；第二非致冷剂入口用温度测量单元，测量所述第二非致冷剂的所述蒸发器的入口温度；第一非致冷剂出口用温度测量单元，测量所述第一非致冷剂的所述凝结器的出口温度；第二非致冷剂出口用温度测量单元，测量所述第二非致冷剂的所述蒸发器的出口温度；节热器出口用温度测量单元，测量与所述中间压致冷剂进行热交换的所述液体致冷剂的所述节热器的出口温度；第一膨胀阀，将从所述凝结器导出的所述液体致冷剂的一部分进行膨胀而作为所述中间压致冷剂；以及第二膨胀阀，将所述中间压致冷剂和在所述节热器热交换了的所述液体致冷剂膨胀，在起动涡轮冷冻装置之后，基于所述节热器的出口温度控制所述第二膨胀阀的开度，并基于所述第一非致冷剂和所述第二非致冷剂的流量、所述第一非致冷剂和所述第二非致冷剂的入口温度和出口温度、以及所述离心式压缩机的吸入压力，控制所述第一膨胀阀的开度。
在进行涡轮冷冻装置的运转时，使用如下的控制装置：由节热器的出口温度控制第二膨胀阀的开度，基于第一非致冷剂以及第二非致冷剂的入口温度和出口温度、以及离心式压缩机的吸入压力来控制第一膨胀阀的开度。因此，可根据在涡轮冷冻装置循环的致冷剂量控制蒸发器入口的热量。由此，可防止使蒸发器出口过热而从蒸发器排出液体致冷剂。因此，可进行涡轮冷冻装置的稳定的运行。
根据本发明的第二方式涉及的涡轮冷冻装置，具备上述某一个记载的控制装置。
使用可减少在蒸发器内部积存的液体致冷剂的控制装置。因此，可稳定地进行涡轮冷冻装置的运转。
另外，以往，在减少在涡轮冷冻装置循环的致冷剂量时，防止致冷剂的不均衡而使用内容积大的凝结器、节热器、蒸发器等的热交换设备。另外，为了分离由离心式压缩机引导的液体致冷剂在离心式压缩机的吸入口上游侧设置内容积大的气液分离器。
可是，在本发明的第二方式中，通过使用对第一非致冷剂泵、第二非致冷剂泵、旁路回路用控制阀、离心式压缩机以及控制阀进行控制的控制装置，可使离心式压缩机的吸入饱和温度和第二非致冷剂的出口温度的温度差成为规定温度差以下。由此，减少在蒸发器7内部积存的液体致冷剂，从而在涡轮冷冻装置起动时能够进行稳定的运转。因此，可减小凝结器、节热器、蒸发器等的内容积。因此，减小涡轮冷冻装置全体的内容积，并在减少循环的致冷剂的同时且可进行稳定的涡轮冷冻装置的运转。
另外，因为能够避免将凝结器内部积存了的液体致冷剂引导到离心式压缩机的吸入口，所以可减小气液分离器的内容积、或不用气液分离器。
根据本发明的第3方式涉及的涡轮冷冻装置的控制方法，其中，该涡轮冷冻装置具有：离心式压缩机，对致冷剂进行压缩；凝结器，与由第一非致冷剂泵所供给的第一非致冷剂进行热交换来凝结高压气体致冷剂；膨胀阀，使从该凝结器导出的液体致冷剂膨胀；蒸发器，将膨胀后的所述液体致冷剂与由第二非致冷剂泵供给的第二非致冷剂进行热交换而蒸发；旁路回路用控制阀，设置在旁路回路，来控制所述高压气体致冷剂的流量，其中，该旁路回路将由所述离心式压缩机所压缩的所述高压气体致冷剂的一部分注入所述离心式压缩机的吸入口；压缩机吸入口用压力测量单元，测量所述气体致冷剂的所述离心式压缩机的吸入压力；以及第二非致冷剂出口用温度测量单元，测量所述第二非致冷剂的所述蒸发器的出口温度；在起动涡轮冷冻装置时，控制所述膨胀阀为闭状态，将所述第一非致冷剂泵以及所述第二非致冷剂泵设定为运转状态而起动所述离心式压缩机之后，控制所述旁路回路用控制阀的开度以使该离心式压缩机的吸入饱和温度和所述第二非致冷剂的出口温度的温度差成为规定温度差以下。
在起动涡轮冷冻装置时，控制涡轮冷冻装置，以使离心式压缩机的吸入饱和温度和第二非致冷剂的出口温度的温度差为规定的温度差以下。由此，可减少在蒸发器内部积存的液体致冷剂。因此，即使是减少涡轮冷冻装置内的致冷剂填充量的情况下，也能够使致冷剂涡轮冷冻装置稳定地运转。
根据本发明涉及的涡轮冷冻装置的控制装置着眼于：在蒸发器内部液体致冷剂积存时，液体致冷剂蒸发而使蒸发器内的气相致冷剂占有率增加，通过减少第二非致冷剂和液体致冷剂的接触从而降低从第二非致冷剂传递到致冷剂的传递热，且离心式压缩机的吸入饱和温度和第二非致冷剂的出口的温度差变大。即，在起动涡轮冷冻装置时，控制装置将膨胀阀的开度设为闭状态，控制旁路回路用控制阀的开度以使离心式压缩机的吸入饱和温度和第二非致冷剂的出口温度的温度差成为规定的温度差以下，其中，旁路回路用控制阀将从离心式压缩机导出的被压缩的高压气体致冷剂的一部分引导到离心式压缩机的吸入口。由此，可减少在蒸发器内部积存的液体致冷剂。因此，在涡轮冷冻装置起动时可稳定地进行运转。
附图说明
图1是本发明的第一实施方式涉及的涡轮冷冻装置的冷冻循环图。
图2是图1示出的涡轮冷冻装置起动时的前半部的流程图。
图3是图1示出的涡轮冷冻装置起动时的后半部的流程图。
图4是本发明的涡轮冷冻装置的循环和以往循环的P-h线图。
图5是本发明的第二实施方式涉及的涡轮冷冻装置起动时的前半部的流程图。
图6是发明的第二实施方式涉及的涡轮冷冻装置起动时的后半部的流程图。
图7是本发明的第三实施方式的涡轮冷冻装置正常运转时的副膨胀阀自动控制的流程图。
图8是本发明的第三实施方式的涡轮冷冻装置正常运转时的主膨胀阀自动控制的流程图。
图9是图7示出的热量Hc的计算式和冷冻循环的P-h线图。
图10是以往的涡轮冷冻装置的冷冻循环图。
具体实施方式
〔第一实施方式〕
以下，对于本发明的第一实施方式使用图1到图4来进行说明。
在图1中，示出本发明的第一实施方式涉及的涡轮冷冻装置的冷冻循环图，图2以及图3示出图1示出的涡轮冷冻装置起动时的流程图。
涡轮冷冻装置1具有将二级涡轮压缩机(离心式压缩机)2、凝结器3、节热器4、主膨胀阀(第二膨胀阀)5、蒸发器7顺序连接的闭合回路和控制装置(未图示)。
二级涡轮压缩机2是由反向电动机9所驱动的多级离心式压缩机，被构成为：除了吸入口2A以及排出口2B之外，具备设置在省略图示的第一叶轮和第二叶轮之间的中间吸入口2C，从吸入口2A吸入了的低压气体致冷剂通过第一叶轮及第二叶轮的旋转而依次离心压缩，并将压缩的高压气体致冷剂从排出口2B排出。
从二级涡轮压缩机2的排出口2B被排出了的高压气体致冷剂被导入油雾分离槽10，并在油雾分离槽10内进行离心分离。油分被离心分离的高压冷却气体，从油雾分离槽10被导入凝结器3。
凝结器3是板式热交换器，使从二级涡轮压缩机2经过油雾分离槽10而提供的高压气体致冷剂、和经由温水回路11而被循环的温水(第一非致冷剂)进行热交换，从而将高压冷却气体凝结液化。另外，优选使温水泵(第一非致冷剂泵)12所提供的温水的流和高压气体致冷剂的流成为逆流。
节热器4是如下的板式的致冷剂/致冷剂热交换器：使在冷冻循环8的主回路中流动的液体致冷剂、与从主回路分流并由副膨胀阀(第一膨胀阀)13减压了的致冷剂进行热交换，并通过致冷剂的蒸发潜热使在主回路中流动的液体致冷剂过冷却。另外，节热器4具有气体回路14，该气体回路14用于通过对液体致冷剂过冷却，将蒸发的气体致冷剂(中间压致冷剂)从二级涡轮压缩机2的中间吸入口2C向中间压的压缩致冷剂中注入，由此，构成中间冷却器方式的节热器循环。
经过节热器4被过冷却了的致冷剂，通过通过主膨胀阀5膨胀而被供给到蒸发器7。蒸发器7是板式热交换器，通过使从主膨胀阀5被引导的致冷剂与通过热源水回路15而循环的热源水(第二非致冷剂)进行热交换，从而使致冷剂蒸发，由该蒸发潜热冷却热源水。另外，优选使由热源水泵(第二非致冷剂泵)16供给的热源水的流和致冷剂的流成为逆流。
另外，冷冻循环8具有旁路回路17，该旁路回路17将由油雾分离槽10分离了油分的高压气体致冷剂的一部分从凝结器3和二级涡轮压缩机2的之间旁路。在该旁路回路17上设置有热气体旁通阀(旁路回路用控制阀)18，该热气体旁通阀18调整从旁路回路17导入二级涡轮压缩机2的高压气体致冷剂的流量。
并且，对于热气体旁通阀18的下游侧的旁路回路17，从节热器4与主膨胀阀5的之间导入被过冷却的致冷剂的一部分的液体致冷剂注入回路19进行合流。像这样，使旁路回路17合流来自液体致冷剂注入回路19的温度低的致冷剂，从而能够冷却被导入液体致冷剂注入回路19所合流了的旁路回路17的下游侧的高压气体致冷剂。
在与旁路回路17合流的液体致冷剂注入回路19上设置有液体注入阀(液体致冷剂注入用控制阀)20，该液体注入阀20调整从液体致冷剂注入回路19导入的被过冷却的致冷剂的流量。
另外，作为测量致冷剂、温水及热源水的温度或压力的测量单元，在二级涡轮压缩机2的吸入口2A、排出口2B、以及中间吸入口2C设置有压力表(压力测量单元)41、42、43以及温度计(温度测量单元)31、32、33，在温水回路11的入口以及出口、热源水回路15的入口以及出口分别设置有温度计35、36、37、38，在主膨胀阀5的入口设置有温度计34。
接着，对于涡轮冷冻装置1起动时的流程图，参考图2及图3来进行说明。
如图2所示，通过在步骤1中赋予起动涡轮冷冻装置1的运转指令，判断由设置在凝结器3的温水回路11的入口以及出口的温度计35、36所测量的温水入口温度及温水出口温度的之间是否产生温度差，以及温水出口温度是否为规定温度以上(步骤2)。在温水入口温度以及温水出口温度之间存在温度差、并且温水出口温度为规定温度以下的情况下，判断为存在负载而进入步骤3，在判断为没有负载的情况下，即、温水出口温度为规定温度以上的情况下，重复步骤2。
在步骤2中判断为存在负载的情况下，判断设置在涡轮冷冻装置1的各压力表41、42、43及各温度计31、32、33、34、35、36、37、38是否正常工作，从各压力表41、42、43及各温度计31、32、33、34、35、36、37、38所发送的数值是否是正常值，从各压力表41、42、43以及从各温度计31、32、33、34、35、36、37、38所发送的数值是否在假定范围内(步骤3)。在步骤3中，在各压力表41、42、43以及各温度计31、32、33、34、35、36、37、38未正常工作、或数值异常、或在假定范围外的情况下，判断为涡轮冷冻装置1状态不正常，反复进行步骤3。
在步骤3中，在设置在涡轮冷冻装置1的各压力表41、42、43以及各温度计31、32、33、34、35、36、37、38被判断为正常的情况下，判断涡轮冷冻装置1的状态正常，并开始温水泵12以及热源水泵16的运转(步骤4)。另外，确认主膨胀阀5及副膨胀阀13的开度为全关状态(步骤5)。进而，确认热气体旁通阀18的开度为全开状态(步骤6)。
对步骤4到步骤6的全部进行确认之后，起动二级涡轮压缩机2(步骤7)。
此后，逐渐关闭热气体旁通阀18的开度(步骤8)。另外，液体注入阀20的开度由压缩机排出口温度控制，该压缩机排出口温度由设置在离心式压缩机2的排出口2B的温度计32所测量。这样，使旁路回路17合流从液体致冷剂注入回路19被过冷却的致冷剂，并将温度降低了的气体致冷剂导入离心式压缩机2的吸入口2A，从而能够抑制压缩机排出口温度，并逐渐提升涡轮冷冻装置1的冷冻能力(步骤9)。
如果冷冻能力逐渐上升，热气体旁通阀18的开度被关闭为第一设定开度之前，反复进行步骤8以及步骤9(步骤10)。
根据发明者可知：在蒸发器7内部大量残留液体致冷剂的情况下，二级涡轮压缩机2的吸入饱和温度和热源水出口温度间的温度差变为2℃时，积存在蒸发器7内部的液体致冷剂开始蒸发。
因此，热气体旁通阀18的开度关闭到第一设定开度之后，如图3所示，判断二级涡轮压缩机2的吸入口2A的吸入饱和温度是否比从由在蒸发器7的热源水回路15的出口设置的温度计38所测量的热源水出口温度减去2℃后的温度(规定的温度差)变低(步骤11)。
像这样，二级涡轮压缩机2的吸入饱和温度成为从热媒水回路15的热媒水出口温度减去2℃的温度以下，由此蒸发器7内部积存的液体致冷剂开始蒸发。另一方面，在二级涡轮压缩机2的吸入饱和温度比从热源水出口温度减去2℃的温度高的情况下，重复步骤11。
另外，二级涡轮压缩机2的吸入饱和温度是根据在二级涡轮压缩机2的吸入口2A设置的压力表41所测量的吸入压力换算的饱和温度。
在步骤11中，在判断为吸入饱和温度比从热源水出口温度减去2℃后的温度变低的情况下，逐渐关闭热气体旁通阀18的开度(步骤12)，冷冻能力进一步逐渐上升(步骤13)。
根据发明者可知：在蒸发器7内部大量残留有液体致冷剂的情况下，二级涡轮压缩机2的吸入饱和温度和热源水出口温度之间未产生大的差，但二级涡轮压缩机2的吸入饱和温度比从热源水出口温度减去4℃后的温度(规定的温度差)变低时，积存在蒸发器7内部的液体致冷剂的大部分蒸发。
因此，在步骤13之后，判断二级涡轮压缩机2的吸入饱和温度是否比从热源水出口温度减去4℃的温度变低，或开始涡轮冷冻装置1的起动之后是否经过了300秒(步骤14)。
在步骤14中，在二级涡轮压缩机2的吸入饱和温度比从热源水出口温度减去4℃之后的温度变低的情况下、或开始涡轮冷冻装置1的起动之后经过300秒的情况下，积存在蒸发器7内部的液体致冷剂的大部分蒸发，即使主膨胀阀5以及副膨胀阀13被设为开状态，也不存在液体致冷剂被二级涡轮压缩机2吸入的可能。
因此，设定热气体旁通阀18自动控制(步骤15)、主膨胀阀5以及副膨胀阀13的初始开度(步骤16)。初始开度被设定的主膨胀阀5以及副膨胀阀13此后开始各自的自动控制(步骤17)。
另一方面，在步骤14中，在判断为在二级涡轮压缩机2的吸入饱和温度比从热源水出口温度减去4℃的温度高、或开始涡轮冷冻装置1的起动之后经过时间是300秒以下的情况下，判断为积存在蒸发器7内的液体致冷剂未充分蒸发，而进入步骤18。在步骤18中，热气体旁通阀18的开度在成为第二设定开度之前被进一步关闭。
在热气体旁通阀18的开度成为了第二设定开度的情况下，进入步骤14，在热气体旁通阀18的开度未成为第二设定开度的情况，反复执行步骤12到步骤14。
如上所述，使积存在蒸发器7内的液体致冷剂蒸发之后，打开主膨胀阀5以及副膨胀阀13，从而在起动涡轮冷冻装置1时避免二级涡轮压缩机2吸入液体致冷剂。因此，可抑制2级涡轮冷却器2的故障并稳定地进行涡轮冷冻装置1的控制。
另外，尽管在步骤14中，将起动涡轮冷冻装置1之后的经过时间在本实施方式作为300秒进行说明，但该经过时间，也可以根据设置在涡轮冷冻装置1的蒸发器7的内容积而改变。
其次，对于本实施方式的P-h线图，参照图4进行说明。
在图4中，虚线表示是以往的情况，实线示出本实施方式的情况。
在本实施方式的涡轮冷冻装置1的冷冻循环8中，被二级涡轮压缩机2的吸入口2A吸入的低温低压的气体致冷剂(A点)由第一叶轮压缩到B点，与从中间吸入口2C被注入的中间压的气体致冷剂混合而成为了C点的状态之后，被第二叶轮吸入而被压缩到D点。
在该状态下，从二级涡轮压缩机2排出的高压气体致冷剂，通过由凝结器3冷却而凝结液化，成为E点的高压液体致冷剂。该E点的液体致冷剂一部分被分流，由副膨胀阀13减压到F点，而流入节热器4。
该中间压致冷剂在节热器4与在涡轮冷冻装置1的主回路中流动的E点的液体致冷剂进行热交换，从液体致冷剂(E)吸热蒸发之后，经由气体回路14从二级涡轮压缩机2的中间吸入口2C被注入到压缩途中的中间压气体致冷剂中。
另一方面，在节热器4中，被与F点的致冷剂热交换的主回路中的液体致冷剂(E)，被过冷却到G点而达到节热器4的出口。从节热器4出来的液体致冷剂被主膨胀阀5减压到H点而流入蒸发器7。
从节热器4出来的液体致冷剂(E)的一部分被液体致冷剂注入回路19分流而经由旁路回路17返回到蒸发器7和二级涡轮压缩机2之间，从而与蒸发器7的出口致冷剂(A)合流。
由蒸发器7所供给的液体单相状态的致冷剂，与经由热源水回路15而循环的热源水热交换而蒸发。由此，经由热源水回路15而循环的热源水变冷。经由热源水回路15而热交换了的致冷剂成为低压气体致冷剂(A)，与从高通回路17引导的温度下降了的气体致冷剂合流了之后，再次由二级涡轮压缩机2吸入，反复以下同样的作用。
如上所述，根据本实施方式涉及的涡轮冷冻装置1、其控制装置以及其控制方法，可起到以下的效果。
在起动涡轮冷冻装置1时，控制装置(未图示)将主膨胀阀(膨胀阀)5以及副膨胀阀(膨胀阀)13的开度设为闭状态，控制热气体旁通阀(旁路回路用控制阀)18的开度，以使二级涡轮压缩机(离心式压缩机)2的吸入饱和温度和热源水(第二非致冷剂)的出口温度的温度差成为-2℃(规定的温度差)以及-4℃(规定的温度差)以下，其中，该热气体旁通阀18将从二级涡轮压缩机2所导出的被压缩的高压气体致冷剂的一部分导入二级涡轮压缩机2的吸入口2A。由此，可减少在蒸发器7内部积存的液体致冷剂。因此，在涡轮冷冻装置1的起动时可稳定地进行运转。
使用基于二级涡轮压缩机2的排出口温度控制液体注入阀(液体致冷剂注入用控制阀)20的开度的控制装置。由此，将温度低的液体致冷剂注入从旁路回路17导入的高温的高压气体致冷剂，能够控制导入二级涡轮压缩机2的吸入口2A的气体致冷剂的温度。因此，能够使被导入到二级涡轮压缩机2的吸入口2A的致冷剂的温度下降。
通过使用温水泵(第一非致冷剂泵)12、热源水泵(第二非致冷剂泵)16、热气体旁通阀(旁路回路用控制阀门)18、二级涡轮压缩机2、以及对主膨胀阀5和副膨胀阀13进行控制的控制装置，从而能够使二级涡轮压缩机2的吸入饱和温度与热源水的出口温度的温度差成为-2℃以及-4℃以下。由此，减少在蒸发器7内部积存的液体致冷剂，从而在涡轮冷冻装置1起动时能够进行稳定的运转。因此，可减小凝结器3、节热器4、蒸发器7等的内容积。由此，通过减小涡轮冷冻装置1整体的内容积，可将进行循环的致冷剂量与以往相比例如削减3到4成，并能够进行稳定的涡轮冷冻装置1的运转。
另外，因为不将在凝结器7内部积存的致冷剂导入二级涡轮压缩机2的吸入口2A，所以可不用以往所需要的气液分离器(未图示)。
在起动涡轮冷冻装置1时，控制涡轮冷冻装置1以使二级涡轮压缩机2的吸入饱和温度和热源水的出口温度的温度差成为-2℃以及-4℃以下。由此，可减少在蒸发器7内部积存的减液体致冷剂。因此，即使是减少涡轮冷冻装置1内的致冷剂填充量的情况下，也能够使致冷剂涡轮冷冻装置1稳定地运转。
〔第二实施方式〕
本实施方式的涡轮冷冻装置、其控制装置以及其控制方法，在起动涡轮冷冻装置的时候，在将热源水的温度降到规定的温度以下之后输出热源水这点上与第一实施方式不同，其他相同。因此，关于同样的组成及流程，赋予同样的符号并省略其说明。
以下，对于本发明的第二实施方式使用图5及图6来进行说明。
如图5所示，赋予起动涡轮冷冻装置的运转指令(步骤21)。
在步骤21中赋予运转指令之后，判断由设置在凝结器的温水回路的入口及出口处的温度计所测量的温水(第一非致冷剂)的温水入口温度及温水出口温度之间是否产生温度差，温水出口温度是否在规定温度以上(步骤22)。在温水入口温度以及温水出口温度之间存在温度差、并且温水出口温度为规定温度以下的情况下，判断为存在负载而进入步骤23，在判断为没有负载的情况下，即、温水出口温度为规定温度以上的情况下，重复步骤22。
在步骤22判断为存在负载的情况下，判断设置在涡轮冷冻装置的各压力表(压力测量单元)以及各温度计(温度测量单元)是否正常工作、从各压力表及各温度计所发送的数值是否为正常值、从各压力表以及各温度计所发送的数值是否在假定范围内(步骤23)。在步骤23中，在各压力表以及各温度计未正常工作、或数值异常、或为假定范围外的情况下，判断为涡轮冷冻装置的状态不正常，重复步骤23。
在步骤23中，在判断为设置在涡轮冷冻装置的各压力表以及各温度计正常时，判断为涡轮冷冻装置的状态正常，开始温水泵(第一非致冷剂泵)的运转(步骤24)。另外，确认主膨胀阀(膨胀阀)以及副膨胀阀(膨胀阀)的开度为全关状态(步骤25)。并且，确认热气体旁通阀(旁路回路用控制阀)的开度为全开状态(步骤26)。
在确认了步骤24到步骤26全部之后，起动二级涡轮压缩机(离心式压缩机)(步骤27)。另外，液体注入阀(液体致冷剂注入用控制阀)的开度通过设置在二级涡轮压缩机的排出口的温度计测量的压缩机排出口温度来控制。
此后，判断二级涡轮压缩机的吸入口的吸入饱和温度是否比用户设定热源水温度(规定温度)低(步骤28)。在步骤28中，在二级涡轮压缩机的吸入口的吸入饱和温度比用户设定热源水温度低的情况下，开始热源水泵(第二非致冷剂泵)的运转(步骤29)。在步骤28中，在二级涡轮压缩机的吸入口的吸入饱和温度比用户设定热源水温度高的情况下，进入步骤32。
另外，在步骤27之后，逐渐关闭热气体旁通阀的开度(步骤30)。这样，通过使旁路回路与从液体致冷剂注入回路引导的过冷却的致冷剂合流，并将温度降低了的气体致冷剂导入离心式压缩机的吸入口，从而涡轮冷冻装置内的致冷剂开始蒸发，冷冻能力逐渐上升(步骤31)。
在热气体旁通阀的开度成为规定的第一设定开度之前反复进行步骤28、29、30以及31(步骤32)。
此后，如图6所示，热气体旁通阀的开度被关闭到第一设定开度之后，判定热源水泵的运转状态(步骤33)。在热源水泵处于运转中的情况下，进入步骤36，在热源水泵处于停止中的情况下，判断二级涡轮压缩机的吸入口的吸入饱和温度是否比用户设定热源水温度变低(步骤34)。在步骤34中，在吸入口饱和温度比用户设定热源水温度高的情况下，进入步骤36，在吸入口饱和温度比用户设定热源水温度低的情况下，开始热源水泵的运转(步骤35)。
在步骤33、34以及35之后，判断从热源水出口的温度减去2℃后的温度(规定温度差)是否比二级涡轮压缩机的吸入口的吸入饱和温度低(步骤36)。在步骤36中，通过从热源水出口的温度减去2℃后的温度比二级涡轮压缩机的吸入口的吸入饱和温度低，作为积存在蒸发器内部的致冷剂开始蒸发的条件。
在二级涡轮压缩机的吸入口的吸入饱和温度比从热源水出口的温度减去2℃后的温度高的情况下，反复进行步骤33到步骤36。
在步骤36中，在二级涡轮压缩机的吸入口的吸入饱和温度比从热源水出口的温度减去2℃的温度低的情况下，进一步逐渐关闭热气体旁通阀的开度(步骤37)，冷冻能力进一步逐渐上升(步骤38)。
在步骤38之后，判断二级涡轮压缩机的吸入口的吸入饱和温度是否比从热源水出口的温度减去4℃后的温度(规定温度差)低，或在开始涡轮冷冻装置的起动之后是否经过了300秒(步骤39)。
在步骤39中，在二级涡轮压缩机的吸入口的吸入饱和温度比从热源水出口的温度减去4℃后的温度低的情况下，开始热气体旁通阀的自动控制(步骤40)，设定主膨胀阀及副膨胀阀的初始开度(步骤41)。在步骤41中，初始开度被设定的主膨胀阀及副膨胀阀开始自动控制(步骤42)。
另一方面，在步骤39中，在判断二级涡轮压缩机的吸入口的吸入饱和温度比从热源水出口的温度减去4℃后的温度高的情况下，或被判断为在开始涡轮冷冻装置的起动之后的经过时间是300秒以下的情况下，进入步骤43。
在步骤43中，将热气体旁通阀的开度关闭到第二设定开度。在热气体旁通阀的开度成为了第二设定开度的情况下，进入步骤39，在热气体旁通阀的开度未成为第二设定开度的情况下，重复步骤37到步骤39。
如上所述，根据本实施方式涉及的涡轮冷冻装置、其控制装置以及其控制方法，可起到以下的效果。
使用如下的控制装置：将主膨胀阀(膨胀阀)以及副膨胀阀(膨胀阀)的开度设为闭状态，使二级涡轮压缩机(离心式压缩机)工作来控制热气体旁通阀(旁路回路用控制阀)的开度之后开始热源水泵(第二非致冷剂泵)的运转。因此，在起动涡轮冷冻装置时，可使从蒸发器输出的热源水(第二非致冷剂)的温度下降。由此，可从蒸发器输出用户设定热源水温度(规定温度)的热源水。
〔第3实施方式〕
本实施方式的涡轮冷冻装置、其控制装置及其控制方法，在起动涡轮冷冻装置之后的主膨胀阀及副膨胀阀进行的自动控制这点与第一实施方式不同，其他同样。因此，对于同样的结构及流程，赋予同样的符号并省略其说明。
以下，关于本发明的第3实施方式，使用图7到图9来进行说明。
在起动涡轮冷冻装置以后，需要防止致冷剂在涡轮冷冻装置内不均衡而进行稳定运转。因此，在本实施方式中，根据凝结器出口的焓的状态来控制主膨胀阀(膨胀阀)以及副膨胀阀(膨胀阀)。
对于副膨胀阀的自动控制的流程，使用图7的流程图进行说明，对于主膨胀阀的自动控制的流程，使用图8流程图来进行说明。
首先，对于副膨胀阀的自动控制使用图7进行说明。
在步骤51中，开始副膨胀阀的自动控制的情况下，计算凝结器出口的焓Hc(步骤52)。另外，凝结器出口的焓Hc的算出方法，使用图9中的式子进行。
计算凝结器出口的焓Hc之后，计算设定凝结器出口冷却液焓Hcset(步骤53)。在这里，可将致冷剂的液温度应用到计算液焓的函数而得到设定凝结器出口冷却液焓Hcset，该致冷剂的液温度根据从二级涡轮压缩机(离心式压缩机)的排出压力得到的压缩机排出压力饱和温度CT和校正值α而被求出的。
在步骤53中的校正值α，是由根据二级涡轮压缩机的排出压力得到的压缩机排出压力饱和温度CT和根据二级涡轮压缩机的吸入压力得到的压缩机吸入压力饱和温度(二级涡轮压缩机的吸入口的吸入饱和温度)ET的差、和凝结器交换热量Qcon得到的值。
此后，对凝结器出口的焓Hc和设定凝结器出口过冷却液焓Hcset进行比较(步骤54)。在步骤54中，在凝结器出口的焓Hc比设定凝结器出口过冷却液焓Hcset小的情况下，将副膨胀阀的开度设为逐渐开状态(步骤55)。
另一方面，在步骤54中，在凝结器出口的焓Hc比设定凝结器出口过冷却液焓Hcset大的情况下，进入到步骤56，再次比较凝结器出口的焓Hc和设定凝结器出口过冷却液焓Hcset。
在步骤56中，在设定凝结器出口冷却液焓Hcset比凝结器出口的焓Hc小的情况下，将副膨胀阀的开度设为逐渐闭状态(步骤57)。
在步骤55中将副膨胀阀的开度设为逐渐开状态，在步骤57中将副膨胀阀的开度设为逐渐闭状态，在步骤56中设定凝结器出口过冷却液焓Hcset比凝结器出口的焓Hc大的情况下，返回到步骤52，重复步骤52到步骤54。
这样，通过控制凝结器出口的焓Hc，能够调整被导入凝结器的致冷剂的重量流量。
接着，使用图8对主膨胀阀的自动控制进行说明。
在步骤61中，在开始主膨胀阀的自动控制的情况下，计算主回路侧的设定节热器高压出口温度Tecohset(步骤62)。设定节热器高压出口温度Tecohset可由从在二级涡轮压缩机的中间吸入口的吸入压力(中间吸入压力)求得的压缩机中间吸入压力饱和温度MT和校正值β得到。
在这里，步骤62中的校正值β是由从二级涡轮压缩机的排出口的压力得到的压缩机排出压力饱和温度CT、从二级涡轮压缩机的吸入口的压力得到的压缩机吸入压力饱和温度ET、以及从凝结器交换热量Qcon得到的值。
此后，比较主回路侧的节热器高压出口温度Tecoh和设定节热器高压出口温度Tecohset(步骤63)。在步骤63中，在节热器高压出口温度Tecoh比设定节热器高压出口温度Tecohset小的情况下，将主膨胀阀的开度设为逐渐开状态(步骤64)。
另一方面，在步骤63中，在节热器高压出口温度Tecoh比设定节热器高压出口温度Tecohset大的情况下，进入步骤65，再次比较节热器高压出口温度Tecoh和节热器高压出口温度Tecohset。
在步骤65，在设定节热器高压出口温度Tecohset比节热器高压出口温度Tecoh小的情况下，将主膨胀阀的开度设为逐渐闭状态(步骤66)。
在步骤64中，将主膨胀阀的开度设为逐渐开状态，或者在步骤66中，将主膨胀阀的开度设为逐渐闭状态，在步骤65中，在设定节热器高压出口温度Tecohset比节热器高压出口温度Tecoh大的情况下，进入步骤62，重复步骤62到步骤63。
像这样，通过根据凝结器出口的焓Hc以及节热器高压出口温度Tecoh，控制主膨胀阀以及副膨胀阀，从而可根据在涡轮冷冻装置循环的致冷剂量控制蒸发器入口的热量。
如上所述，根据本实施方式涉及的涡轮冷冻装置、其控制装置以及其控制方法，可起到以下的效果。
在进行涡轮冷冻装置的运转时，使用如下的控制装置：由节热器的主回路侧的节热器高压出口温度(出口温度)Tecoh控制副膨胀阀(第二膨胀阀)的开度，由温水(第一非致冷剂)及热源水(第二非致冷剂)的入口温度以及出口温度、二级涡轮压缩机(离心式压缩机)的吸入压力、中间吸入压力、排出压力控制主膨胀阀(第一膨胀阀)的开度。因此，可根据在涡轮冷冻装置循环的致冷剂量控制蒸发器入口的热量。由此，可防止蒸发器出口过热而从蒸发器排出液相的致冷剂。因此，可进行涡轮冷冻装置稳定的运行。
另外，本实施方式的副膨胀阀及主膨胀阀的自动控制也可以是PID控制。
标号说明
1涡轮冷冻装置
2二级涡轮压缩机(离心式压缩机)
2A吸入口
2B排出口
3凝结器
5主膨胀阀(膨胀阀)
7蒸发器
12温水泵(第一非致冷剂泵)
16热源水泵(第二非致冷剂泵)
17旁路回路
18热气体旁通阀(旁路回路用控制阀)

Claims (6)

1.一种涡轮冷冻装置的控制装置，控制所述涡轮冷冻装置，其特征在于，
该涡轮冷冻装置具有：
离心式压缩机，对致冷剂进行压缩；
凝结器，与由第一非致冷剂泵所供给的第一非致冷剂进行热交换来凝结高压气体致冷剂；
膨胀阀，使从该凝结器导出的液体致冷剂膨胀；
蒸发器，将膨胀后的所述液体致冷剂与由第二非致冷剂泵供给的第二非致冷剂进行热交换而蒸发；
旁路回路用控制阀，设置在旁路回路，来控制所述高压气体致冷剂的流量，其中，该旁路回路将由所述离心式压缩机所压缩的所述高压气体致冷剂的一部分注入所述离心式压缩机的吸入口；
压缩机吸入口用压力测量单元，测量所述气体致冷剂的所述离心式压缩机的吸入压力；以及
第二非致冷剂出口用温度测量单元，测量所述第二非致冷剂的所述蒸发器的出口温度，
在起动涡轮冷冻装置时，控制所述膨胀阀为闭状态，将所述第一非致冷剂泵以及所述第二非致冷剂泵设定为运转状态而起动所述离心式压缩机之后，控制所述旁路回路用控制阀的开度以使该离心式压缩机的吸入饱和温度和所述第二非致冷剂的出口温度的温度差成为规定温度差以下。
2.如权利要求1所述的涡轮冷冻装置的控制装置，其特征在于，
在起动涡轮冷冻装置时，控制所述膨胀阀为闭状态，将所述第一非致冷剂泵设为运转状态来起动所述离心式压缩机并控制所述旁路回路用控制阀的开度之后，将所述第二非致冷剂泵设为运转状态。
3.如权利要求1或权利要求2所述的涡轮冷冻装置的控制装置，其特征在于，
具有：
液体致冷剂注入用控制阀，其被设置在注入回路来控制所述液体致冷剂的流量，其中，该注入回路将所述液体致冷剂的一部分注入到所述离心式压缩机的吸入口；以及
压缩机排出口用温度测量单元，测量所述高压气体致冷剂的所述离心式压缩机的排出口温度；
所述液体致冷剂注入用控制阀基于所述离心式压缩机的排出口温度来控制开度。
4.如权利要求1至权利要求3任一项所述的涡轮冷冻装置的控制装置，其特征在于，该涡轮冷冻装置具有：
节热器，具有如下回路：将通过膨胀而蒸发的中间压致冷剂、与由所述凝结器凝结的所述液体致冷剂进行热交换，并将所述中间压致冷剂注入所述离心式压缩机的中间吸入口；
第一非致冷剂用流量测量单元，测量所述第一非致冷剂的所述凝结器的流量；
第二非致冷剂用流量测量单元，测量所述第二非致冷剂的所述蒸发器的流量；
第一非致冷剂入口用温度测量单元，测量所述第一非致冷剂的所述凝结器的入口温度；
第二非致冷剂入口用温度测量单元，测量所述第二非致冷剂的所述蒸发器的入口温度；
第一非致冷剂出口用温度测量单元，测量所述第一非致冷剂的所述凝结器的出口温度；
第二非致冷剂出口用温度测量单元，测量所述第二非致冷剂的所述蒸发器的出口温度；
节热器出口用温度测量单元，测量与所述中间压致冷剂进行热交换后的所述液体致冷剂的所述节热器的出口温度；
第一膨胀阀，使从所述凝结器导出的所述液体致冷剂的一部分进行膨胀而作为所述中间压致冷剂；以及
第二膨胀阀，使与所述中间压致冷剂在所述节热器热交换后的所述液体致冷剂膨胀，
在起动涡轮冷冻装置之后，基于所述节热器的出口温度控制所述第二膨胀阀的开度，并基于所述第一非致冷剂和所述第二非致冷剂的流量、所述第一非致冷剂和所述第二非致冷剂的入口温度和出口温度、以及所述离心式压缩机的吸入压力，控制所述第一膨胀阀的开度。
5.一种涡轮冷冻装置，具有：
权利要求1至权利要求4任一项所记载的控制装置。
6.一种涡轮冷冻装置的控制方法，其中，该涡轮冷冻装置具有：
离心式压缩机，对致冷剂进行压缩；
凝结器，与由第一非致冷剂泵所供给的第一非致冷剂进行热交换来凝结高压气体致冷剂；
膨胀阀，使从该凝结器导出的液体致冷剂膨胀；
蒸发器，将膨胀后的所述液体致冷剂与由第二非致冷剂泵供给的第二非致冷剂进行热交换而蒸发；
旁路回路用控制阀，设置在旁路回路，来控制所述高压气体致冷剂的流量，其中，该旁路回路将由所述离心式压缩机所压缩的所述高压气体致冷剂的一部分注入所述离心式压缩机的吸入口；
压缩机吸入口用压力测量单元，测量所述气体致冷剂的所述离心式压缩机的吸入压力；以及
第二非致冷剂出口用温度测量单元，测量所述第二非致冷剂的所述蒸发器的出口温度；
在起动涡轮冷冻装置时，控制所述膨胀阀为闭状态，将所述第一非致冷剂泵以及所述第二非致冷剂泵设定为运转状态并起动所述离心式压缩机之后，控制所述旁路回路用控制阀的开度以使该离心式压缩机的吸入饱和温度和所述第二非致冷剂的出口温度的温度差成为规定温度差以下。
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