CN105074360B - 冷却器容量控制设备、方法和系统 - Google Patents

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Abstract

公开了用于具有可变速和可变几何形状压缩机的冷却器的控制。在示例性实施方式中，可以使用配备了变频驱动器和可变入口引导叶片的离心式压缩机。控制器可操作为确定冷却器容量命令、速度命令和叶片位置命令。速度命令和叶片位置命令可以在一个或多个容量范围内保持系统在喘振控制边界处或喘振控制边界附近的运行以提高效率并且可以在某些容量范围内偏离喘振控制边界以提高可控性或避免控制误差。

Description

冷却器容量控制设备、方法和系统
相关申请的交叉引用
本专利合作条约专利申请要求2012年12月4日提交的美国临时专利申请No. 61/733,215的权益，该美国临时专利申请通过参引的方式全部结合至本文中。
背景技术
配备有可变速和可变几何形状压缩机（例如具有变频驱动器和可变入口引导叶片的离心式压缩机）的冷却器在冷却器容量的控制和效率优化方面带来了独特的机遇和挑战。对于任何给定的冷却器容量，具有无限数量的可以提供期望的冷却器容量的成对的压缩机速度和几何形状。还具有无限数量的产生不理想的压缩机喘振的成对的压缩机速度和叶片位置。通常，通过使压缩机在其喘振边界处或喘振边界附近运行，能够使压缩机效率最大化。发明人已经发现，遵循压缩机效率方面的传统观点的控制技术带来了意想不到的控制挑战，并且可能产生意外的控制偏差。例如，在一定的容量范围内，传统的控制技术可能试图减小冷却器容量，结果却反而增加了冷却器容量；反之，试图增加冷却器容量，结果却反而减小了冷却器容量。也可能遇到控制极限循环。本文公开的容量控制技术在控制和效率方面提供了意想不到的优点。不断增加效率和可靠性水平的要求产生了对本文公开的独特而具有创新性的冷却器容量控制设备、系统和方法的显著需求。
发明内容
为了清楚、简洁和准确地描述本发明的示例性实施方式以及制造和使用本发明的方式和方法，并且为了使本发明付诸实践以及制造和使用本发明，现在将对包括附图所示的内容在内的某些示例性实施方式进行参考，并且将使用专用语言来描述这些实施方式。然而，应当理解的是，并不会因此对本发明的范围产生限制，并且本发明包括和保护本发明所属领域的普通技术人员能够想到的对示例性实施方式的修改、变型和进一步的应用。
公开了用于具有可变速和可变几何形状压缩机的冷却器的控制。一些示例性实施方式使用配备了变频驱动器和可变入口引导叶片的离心式压缩机。一些示例性控制构造成确定冷却器容量命令、速度命令和叶片位置命令。速度命令和叶片位置命令可以在一个或多个容量范围内保持系统在喘振控制边界处或喘振控制边界附近的运行以提高效率并且可以在某些容量范围内偏离喘振控制边界以提高可控性或避免控制误差。另外的实施方式、形式、目的、特征、优点、方面和益处将从下文的描述和附图中变得显而易见。
附图说明
本文的描述参照附图进行，贯穿多幅图使用相同的附图标记来指代相同的部件，并且其中：
图1是示例性冷却器系统的示意图。
图2是示例性冷却器控制系统的示意图。
图3是压缩机压力系数对入口引导叶片开度百分比的曲线图，示出了喘振控制边界。
图4是压缩机速度对冷却器容量与最大冷却器容量之比的曲线图，示出了喘振控制边界。
图5是压缩机压力系数对入口引导叶片开度百分比的曲线图，示出了第一控制路径。
图6是压缩机速度对冷却器容量与最大冷却器容量之比的曲线图，示出了第一控制路径。
图7是压缩机压力系数对入口引导叶片开度百分比的曲线图，示出了第二控制路径。
图8是压缩机速度对冷却器容量与最大冷却器容量之比的曲线图，示出了第二控制路径。
具体实施方式
参照图1，示出了包括制冷剂环路的冷却器系统100，该制冷剂环路包括离心式压缩机110、冷凝器120、蒸发器130和可变几何形状入口引导叶片140。制冷剂以闭环从压缩机110经过冷凝器120、蒸发器130回到压缩机110而流动通过系统100。
压缩机110由电动马达170驱动，电动马达170则进而由变频驱动器150驱动。在图示的实施方式中，变频驱动器150构造成输出三相PWM驱动信号，并且马达170是永磁马达。其他类型和构造的变频驱动器和电动马达的使用也是能够想到的。另外，其他类型的可变速压缩机也可以使用，例如可变压缩机速度通过使用变速器或其他齿轮机构或者通过改变驱动涡轮机两端的压力而提供的系统。
冷凝器120构造成从接收自压缩机110的压缩制冷剂传递热量。在图示的实施方式中，冷凝器120是水冷冷凝器，其在入口121处接收冷却水，将热量从制冷剂传递至冷却水，并且在出口122处输出冷却水。还能够想到，可以使用其他类型的冷凝器，例如空冷冷凝器或蒸发冷凝器。
蒸发器130构造成使制冷剂膨胀，以降低其温度并且将热量从冷却了的介质传递至冷却了的制冷剂。在图示的实施方式中，蒸发器130构造为水冷却器，其接收提供至入口131的水，将热量从水传递至制冷剂，并且在出口132处输出冷却过的水。其他类型的蒸发器或冷却器系统也能够想到，包括干式膨胀蒸发器、溢流式蒸发器、裸管蒸发器、平板表面蒸发器和翅片式蒸发器，等等。还将注意到，本文对水的称谓包括水溶液，除非另有明确限制。
冷却器系统100还包括控制器160，控制器160在输出口161处输出速度控制信号。速度控制信号被变频驱动器150接收并且可用于改变变频驱动器150操作电动马达170以驱动压缩机110时的速度。控制器160还在输出口162处输出入口引导叶片位置控制信号。入口引导叶片信号由控制入口引导叶片140的位置的入口引导叶片致动器接收。
控制器160从多个传感器接收输入。传感器163向控制器160输出指示冷凝器制冷剂压力的信号。传感器164向控制器160输出指示冷凝器进入水压力的信号。传感器165向控制器160输出指示蒸发器进入水温度的信号。传感器166向控制器160输出指示蒸发器制冷剂温度或压力的信号。蒸发器中的制冷剂条件是饱和的，因此传感器166可以是温度转换器或压力转换器。从压力到温度的转换或者从温度到压力的转换通过应用适当的制冷剂属性转换而完成。传感器167向控制器160输出指示蒸发器离开水温度的信号。控制器160构造成根据控制程序处理从所述多个传感器接收的输入，并且输出压缩机速度控制信号161和入口引导叶片位置命令162。将注意的是，本文描述的控制、控制程序和控制模块可以利用硬件、软件、固件以及硬件、软件、固件的各种组合来实现，并且可以使用存储在非瞬态计算机可读介质或多个非瞬态计算机可读介质中的可执行指令。
参照图2，示出了控制器160的更详细的视图，图示了容量控制模块180和多致动器控制模块182。容量控制模块180从传感器165接收蒸发器进入水温度信息并且从传感器167接收蒸发器离开水温度信息。容量控制模块180对这些输入进行处理并且向多致动器控制模块182输出容量命令183。容量控制模块180可以使用将在下文中进一步详细描述的技术和原理来执行这些操作。还能够想到的是，可以使用替代的或附加的控制输入来生成冷却器容量控制命令。
除了从容量控制模块180接收容量控制命令183之外，多致动器控制模块182还从传感器163接收冷凝器制冷剂压力信息，从传感器166接收蒸发器制冷剂温度或压力信息，从传感器164接收冷凝器进入水温度信息，并且接收蒸发器离开水温度167。多致动器控制模块182对这些输入进行处理并且在输出口161处输出压缩机速度控制信号以及在输出口162处输出入口引导叶片位置控制信号。多致动器控制模块182可以使用将在下文中进一步详细描述的技术和原理来执行这些操作。还能够想到的是，可以使用替代的或附加的控制输入来生成压缩机速度和几何形状控制信号。
由容量控制模块180输出的容量命令183包括能够生成给定差值条件（headcondition）下的期望容量的多个压缩机速度和入口引导叶片位置对。在示例性的形式中，容量控制模块180基于通过经验得到的关系式来确定这些对。可以执行动态测试来确定在固定的差值条件下的容量-致动器关系式，其中所述固定的差值条件被定义为用于控制目的的恒定升量（即，冷凝器进入水温度减去蒸发器离开水温度）。对于多个固定入口引导叶片位置，压缩机速度可以从最大速度变化至喘振，并且回到最大速度。制冷剂环路上的负载可以调节成补偿改变的冷却剂容量。该测试可以对于多个入口引导叶片位置和差值条件反复地执行。基于这些测试，可以根据等式1定义压缩机速度与容量之间的关系：
速度= a×Tons 2＋b （1）
可以通过将容量设定为0以及将速度设定为最大而对等式1中的a和b求解。在零冷吨（tons）下，对于各种入口引导叶片位置的所有容量对速度曲线收敛至可以定义为N0的单个值。该收敛点将如等式2定义的那样随升量而变化：
b=N0=fb（升量） （2）
升量可以定义为冷凝器进入水温度与蒸发器离开水温度之差，或蒸发器与冷凝器之间的饱和制冷剂温度之差。该选择取决于哪种定义在多种冷却器尺寸之间更一致。
将速度设定为最大并对系数a求解，得到等式3：
a=(Nmax-N0)/Tons2=(Nmax-N0)/(fa(IGV)2×MaxTons2) （3）
可以根据等式4和5定义容量比（C）和压缩机速度比（Ns）：
C=Tons/ MaxTons （4）
Ns=（速度-N0）/（Nmax-N0） （5）
函数fa(IGV)是将容量命令转换为IGV位置的线性曲线。该转换可以与对固定速度冷却器压缩机所使用的转换相同。应当理解的是，固定速度控制可以建模为在最大速度下运行的可变速控制的特殊情况。将等式1-5组合起来简化了对等式6所示的关系式的多量纲问题，其中等式6所示的关系式为容量和压缩机速度与入口引导叶片位置之间的关系提供了示例性模型：
Ns=C2/ fa(IGV)2 （6）
由于上述容量模型具有无限多个解，所以使用额外的约束来提供唯一的解。数据分析已经表明，离心式冷却器的最佳效率在喘振边界处或喘振边界附近。该喘振边界可以由压力系数（Pc）来限定。压力系数是可以在限定压缩机运行和提供压缩机的动态测量时使用的无量纲性能参数。其表示压缩机的静态压力与动能之间的关系。其为能够在确定给定运行条件下可能的压缩机喘振时使用的示例性参数。压力系数越高，喘振的可能性就越大。冷却器效率通常随着压力系数接近由等式7描述的喘振而增大：
其中：
PCond=测量的冷凝器压力（psia）
Pevap=饱和蒸发器压力（psia）
Tevap=饱和蒸发器温度（degF）
Cp=制冷剂的比热（BTU）/lmb/degF
γ=比热的比率
stages=压缩机的级数
d=压缩机级的平均直径（in）
N=压缩机速度（Hz）
gc=32.2ft/sec/sec （7）
等式7可以通过下面对KH的定义来简化：
压力系数Pc然后通过等式8来建模：
Pc=KH/N2 （8）
通过为给定的一组运行条件使用上述模型，压力系数能够通过调节压缩机速度和/或入孔引导叶片位置而设定为喘振控制边界。
参照图3，示出了压力系数（Pc）对入口引导叶片（IGV）位置占最大打开位置的百分比的曲线图。喘振控制边界300可以定义为对于多个入口引导叶片位置的压力系数的极限，该极限可用于在期望程度上避免或限制压缩机喘振的可能性。喘振控制边界300以上的区域312是压缩机将发生喘振或者具有较高的喘振可能性的区域。喘振控制边界300以下的区域311是压缩机将不发生喘振或者具有较低的喘振可能性的区域。将理解的是，喘振控制边界300可以限定有多种误差裕度，该误差裕度在从一组精确喘振点到提供误差裕度的一组偏差点的范围内。还将理解的是，喘振控制边界300可以通过系统特性基于关于系统性能的经验数据来确定，并且可以预先确定或者在系统运行期间动态地确定，例如通过使用喘振传感器来确定，以补偿系统特性的变化。
图3进一步示出了喘振控制边界300相对于入口引导叶片位置和压缩机速度两者的变化。在点313处，压缩机速度和入口引导叶片位置处于最大。从点313开始，喘振控制边界300竖直地前进到点314。在点313与314之间，压缩机速度降低，并且入口引导叶片位置保持在最大。从点314到点316，喘振控制边界300以第一斜率前进，在该斜率范围内，入口引导叶片位置降低并且压缩机速度也变化。从点316到点317，喘振控制边界300以第二斜率前进，在该斜率范围内，入口引导叶片位置和压缩机速度也变化。这些关系式在图4中的替代空间中进一步示出。
参照图4，示出了压缩机速度对冷却器容量比（冷却器容量与最大冷却器容量之比）的曲线图。图4还示出了喘振控制边界300并且标识出了点313、314、316和317，用于与图3交叉引用。类似地，区域311和312也被标出。图4还示出了多个入口引导叶片位置曲线370、371、372和373。在入口引导叶片曲线370处，入口引导叶片为其最大打开位置的12.5%。在入口引导叶片曲线373处，入口引导叶片为其最大打开位置的100%。在入口引导叶片曲线371和372处，入口引导叶片处于中间位置。将理解的是，对于多个另外的位置存在入口引导叶片位置曲线，为了图示清楚起见而没有示出。
继续参照图4，点314限定了容量值320和速度值330，在所述值处喘振控制边界300从完全打开的入口引导叶片位置过渡至逐渐可变的入口引导叶片位置。点319是拐点，在该点处，压缩机速度与容量之间的关系发生反转。因此，当遵循喘振控制边界300时，从点314到点319，根据曲线300的系统控制将试图减小压缩机容量，但是实际上却增大了压缩机容量；反过来，当试图增大压缩机容量时，实际上却减小了压缩机容量。
参照图5，示出了与图3类似的曲线图，但是进一步示出了控制线310。控制线310在范围340内从点313到点317遵循喘振控制边界300，其中在范围340内，入口引导位置保持恒定并且压缩机速度变化。从点317到点319，压缩机速度和入口引导叶片位置都以第一速率变化。从点319到点316以及从点316到点317，压缩机速度和入口引导叶片位置都变化。
参照图6，示出了与图4类似的曲线图，但是进一步示出了控制线310。如图6所示，控制线310遵循喘振控制边界300，直至点317，在点317处，控制线310与喘振控制边界300偏离。控制线310从点317延伸到点319，在点319处与喘振控制边界300重新连接。能够通过遵循控制线310避免喘振控制边界的反转。因此，例如，控制程序可以确定期望的容量，并且根据控制线310确定相应的一对速度和叶片位置值，以提高效率而不损失控制稳定性。尽管传统的理论将预测出控制线310由于偏离喘振边界300而损失效率，但实际工作循环的经验测试已经揭示了，如果存在效率牺牲的话，那么也是最小的。
参照图7，示出了与图3和图5类似的曲线图，但是示出了控制线390。从点313到点318，控制线390遵循喘振控制边界300。从点318到点319，控制线390从喘振控制边界300偏离。从点319到点316以及从点316到点317，控制线390再次遵循喘振控制边界300。控制线390限定了三个工作范围350、351和352。对于工作范围350，入口引导叶片位置恒定在最大打开位置处，并且压缩机速度变化。在范围351内，压缩机速度保持恒定，并且入口引导叶片位置变化。在范围352内，压缩机速度和入口引导叶片位置都变化。因此，从满载开始，入口引导叶片的位置将处于其最大值。通过在入口引导叶片位置开度大的情况下减小压缩机速度来执行对控制容量的初始卸载。当容量命令达到第一过渡点时，压缩机速度被保持，并且通过改变入口引导叶片位置来减小恒定容量。当容量命令在第二过渡点以下时，速度和叶片位置都将用来控制容量。
参照图8，示出了与图4和图6类似的曲线图，但是进一步示出了控制线390。如图8所示，控制线390从点313到点318遵循喘振控制边界300。从点318到点319，控制边界390从喘振控制边界300偏离。从点319到点316以及从点316到点317，控制边界390与喘振控制边界300重新连接。能够通过遵循控制线390避免喘振控制边界的反转。因此，例如，控制程序可以确定期望的容量，并且根据控制线390确定相应的一对速度和叶片位置值，以提高效率而不损失控制稳定性。尽管理论会预测出控制线390由于偏离喘振边界300而损失效率，但实际工作循环的经验测试已经揭示了，如果存在效率牺牲的话，那么也是最小的。
还可以限定控制线将从喘振控制边界偏离的其他点。这些点可以位于图6和图8中所示的点317与点318之间的任何位置，并且相应的线将与拐点319相交。与上述控制线相同，理论将预测出这些控制线中的每一个将由于偏离喘振边界300而损失效率，但实际上，如果存在效率牺牲的话，那么也是最小的。
将理解的是，前面总结的以及详细描述并在附图中示出的示例性实施方式是说明性的，不是限制性的或限定性的。仅仅示出和描述了当前优选的实施方式，但落在本发明的范围内的所有变化和修改都将得到保护。将注意的是，下面描述的实施方式和形式在一些情况下可以组合，并且在其他情况下可以是相互排除的。类似地，将注意的是，下面描述的实施方式和形式与本文其他地方公开的其他方面和特征可以组合，也可以不组合。应当理解的是，前面描述的实施方式的各种特征和方面可能不是必需的，并且缺少这些特征和方面的实施方式也将被保护。在理解权利要求时，当使用诸如“一”、“一个”、“至少一个”或“至少一部分”之类的词语时，无意使权利要求仅仅限制于一个对象，除非权利要求中明确地另有相反说明。当使用“至少一部分”和/或“一部分”的表述时，所指对象可以包括一部分和/或全部的对象，除非明确地另有相反说明。

Claims (18)

1.一种冷却器系统，包括：
包括离心式压缩机、冷凝器和蒸发器的制冷环路；
定位在所述压缩机的上游的一个或多个可变入口引导叶片；
构造成驱动所述压缩机的可变速驱动器；以及
构造成控制所述入口引导叶片的位置和所述可变速驱动器的速度的控制器；
其中，所述控制器构造成通过如下方式控制冷却器容量：在第一冷却器容量范围内改变压缩机速度并且改变叶片位置；在大于第一容量范围的第二容量范围内保持压缩机速度并且改变叶片位置；以及在大于第二容量范围的第三容量范围内改变压缩机速度并且保持叶片位置。
2.根据权利要求1所述的冷却器系统，其中，所述控制器包括容量控制模块和致动器控制模块，所述容量控制模块构造成接收系统温度信息并且输出容量命令，并且所述致动器控制模块构造成接收所述容量命令并且输出压缩机速度命令和叶片位置命令。
3.根据权利要求2所述的冷却器系统，其中，所述系统温度信息包括蒸发器离开水温度信息和蒸发器进入水温度信息。
4.根据权利要求2所述的冷却器系统，其中，所述压缩机速度命令的值和所述叶片位置命令的值对应于所述第一容量范围和所述第三容量范围上的喘振控制边界。
5.根据权利要求2所述的冷却器系统，其中，所述容量命令对应于能够用于提供期望的冷却器容量的多对压缩机速度和叶片位置值。
6.根据权利要求5所述的冷却器系统，其中，所述致动器控制模块构造成选择特定的一对压缩机速度和叶片位置值以满足效率和控制标准。
7.根据权利要求2所述的冷却器系统，其中，所述致动器控制模块基于所述容量命令、蒸发器离开水温度信息、冷凝器进入水温度信息、蒸发器制冷剂温度或压力信息以及冷凝器制冷剂压力信息确定所述压缩机速度命令和所述叶片位置命令。
8.根据权利要求2所述的冷却器系统，其中，所述蒸发器构造成使水冷却。
9.一种控制冷却器的方法，所述冷却器包括可变速压缩机、定位在所述压缩机的上游的可变几何形状入口引导叶片、以及构造成控制所述压缩机和所述叶片的控制器，所述方法包括：
通过改变压缩机速度和改变叶片位置控制较低的冷却器容量范围内的冷却器容量和效率；
通过保持压缩机速度和改变叶片位置控制中间的容量范围内的冷却器容量和效率；以及
通过改变压缩机速度和保持叶片位置控制较高的容量范围内的冷却器容量和效率。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，控制冷却器容量的动作包括确定冷却器容量命令以及基于所述冷却器容量命令确定压缩机速度命令和叶片位置命令。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述压缩机速度命令和所述叶片位置命令进一步基于蒸发器离开水温度信息、冷凝器进入水温度信息、蒸发器制冷剂温度或压力信息以及冷凝器制冷剂压力信息。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，所述冷却器容量命令基于蒸发器离开水温度信息和蒸发器进入水温度信息来确定。
13.根据权利要求9所述的方法，其中，中间容量范围部分地由压缩机喘振控制边界的拐点来限定。
14.一种冷却器系统，包括：
制冷剂环路，所述制冷剂环路包括可变速压缩机、构造成改变所述压缩机的几何形状的一个或多个叶片、冷凝器以及蒸发器；
控制器，所述控制器构造成根据控制路径控制叶片几何形状和压缩机速度，所述控制路径在通过改变压缩机速度和叶片几何形状来控制容量的较低的冷却器容量范围内遵循喘振控制边界，在喘振控制边界拐点处或喘振控制边界拐点前偏离所述喘振控制边界，并且在通过改变压缩机速度和保持叶片几何形状来控制容量的较高的冷却器容量范围内遵循所述喘振控制边界；以及
其中，所述控制路径的偏离部分的特征在于基本恒定的压缩机速度。
15.根据权利要求14所述的冷却器系统，其中，所述控制路径的偏离所述喘振控制边界的部分遵循大致直线，所述大致直线与所述拐点和所述喘振控制边界的在较高的冷却器容量范围内的点相交。
16.根据权利要求14所述的冷却器系统，其中，所述控制路径的偏离部分遵循与所述拐点大致相切的线。
17.根据权利要求14所述的冷却器系统，其中，所述控制路径的偏离部分遵循与所述拐点大致正交的线。
18.根据权利要求14所述的冷却器系统，其中，所述控制器首先确定与压缩机速度和叶片位置的多个组合相关联的容量命令，并且随后基于所述组合中与所述控制路径相交的一个组合确定压缩机速度和叶片位置。
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