CN111854119B - 冷水机组负荷输出无极调节控制方法及冷水机组 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冷水机组负荷输出无极调节控制方法及冷水机组。所述的控制方法当压缩机输出在最低负荷运行状态时，通过冷凝器和蒸发器之间的制冷剂耦合换热实现系统负荷卸载或系统负荷加载的无极调节。所述的制冷剂耦合换热包括冷水机组制冷循环换热和冷凝器与蒸发器之间的气体和/或液态之间的换热。本发明实现冷水机组不停机的状态下针对系统负荷0%‑100%的无极调节，且当负荷增增加时能够快速加载，响应速度快。

Description

冷水机组负荷输出无极调节控制方法及冷水机组

技术领域

本发明涉及空调技术领域，尤其涉及一种冷水机组负荷输出无极调节控制方法及使用该方法的冷水机组。

背景技术

冷水机组的输出一般可以根据负荷的大小进行调节。对于单系统定频螺杆式冷水机组负荷调节范围为25%-100%，对于单系统变频螺杆式冷水机组负荷调节范围最大为20%-100%；对于双系统定频螺杆式冷水机组负荷调节范围为12.5%-100%，对于双系统变频螺杆式冷水机组，负荷调节范围为10%-100%。然而，在某些特殊场合，对于冷水机组输出负荷要求较高，为了提高冷水机组对末端负荷变化的响应速度以及需要保证冷冻水温平稳等原因，需要冷水机组在极低的负荷下运行，有时甚至出现零负荷运行状态。现有冷水机组当冷冻水出水温度低于设定值时，机组中的压缩机开始进行卸载运行，由于常规冷水机组单系统最小负荷在20%左右，如果低于该负荷压缩机需要停机。也就是说，现有的冷水机组无法实现0%-100%负荷的无极输出调节。

发明内容

本发明提出一种冷水机组负荷输出无极调节控制方法及使用该方法的冷水机组，以解决现有技术中无法在不停机状态实现低负荷输出的无极调节问题。

本发明提出一种冷水机组负荷输出无极调节控制方法，当压缩机输出在最低负荷运行状态时，通过冷凝器和蒸发器之间的制冷剂耦合换热实现系统负荷卸载或系统负荷加载的无极调节。

所述的制冷剂耦合换热包括冷水机组制冷循环换热和冷凝器与蒸发器之间的气体和/或液态之间的换热。

当系统负荷卸载时，优先调节第一旁通阀，控制冷凝器与蒸发器之间的液态制冷剂换热，当系统负荷加载时，优先调节第二旁通阀，控制冷凝器与蒸发器之间气态制冷剂换热。

优选地，所述系统负荷卸载过程包括以下步骤：

（11）当冷冻水出水温度低于设定值，开启液态制冷剂旁通管道上的第一旁通阀并控制液态制冷剂流量；

（12）当第一旁通阀已经开启至最大，且冷冻水出水温度仍然低于设定值时，开启气态制冷剂旁通管道上的第二旁通阀，直至冷冻水出水温度等于设定值。

优选地，所述系统负荷加载过程包括以下步骤：

（21）当冷冻水出水温度高于设定值，则调节气态制冷剂旁通管道上的第二旁通阀，如果第二旁通阀V2关闭至最小，冷冻出水温度仍高于设定值，则调节液态制冷剂旁通管道上的第一旁通阀；

（22）当第一旁通阀已经关闭至最小，冷冻水出水温度仍高于设定值，则对压缩机进行加载。

本发明还提出一种冷水机组，包括冷凝器和蒸发器，其中，所述冷凝器和所述蒸发器之间设有第一旁通管道和第一旁通阀，用于液态制冷剂的耦合换热；以及第二旁通管道和第二旁通阀，用于气态制冷剂的耦合换热，当压缩机输出在最低负荷运行状态时，通过冷凝器和蒸发器之间的制冷剂耦合换热实现系统负荷卸载或系统负荷加载的无极调节。

优选地，所述第一旁通阀和所述第二旁通阀均采用电动阀。

优选地，所述冷水机组采用螺杆式冷水机组。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.拓宽了常规螺杆式冷水机组的运行范围，实现冷水机组在不停机的状态下针对系统负荷进行0%-100%的无极调节；

2.当系统负荷增加时能够快速加载，响应速度快。

附图说明

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明，其中：

图1是制冷循环压焓图；

图2是本发明提出的冷水机组系统示意图；

图3是冷凝器和蒸发器之间旁通管道的剖面示意图；

图4是制冷剂耦合换热循环压焓图；

图5是卸载过程控制流程图；

图6是加载过程控制流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，以下结合附图和实施例对本发明进行详细的说明。应当理解，以下具体实施例仅用以解释本发明，并不对本发明构成限制。

对于冷水机组而言，可以通过压焓图计算出机组输出的制冷量(输出负荷)，如图1所示，制冷量大小为：

其中：

为实际输出制冷量大小；

为制冷剂流量；

为压缩机吸气焓值；

为节流后焓值。

如图2所示，螺杆式冷水机组通常包括压缩机1、冷凝器2、节流装置3和蒸发器4。从压缩机排出的高温高压制冷剂气体在冷凝器中通过冷却水循环冷凝至高压常温的液体，然后通过节流装置变成低温低压的液体，再在蒸发器中向冷冻水释放冷量，自身变成常温低压的气体，该气体经压缩机压缩后开始下一个循环。

运行中压缩机吸气量是可以调节的，对于定频压缩机而言一般是通过滑阀调节，对于变频压缩机一般是通过转速来调整制冷剂流量。由于定频压缩机或变频压缩机自身的局限性，吸气量无法一直减小，因此在不停机状态下，螺杆式冷水机组均有不小于零的输出负荷。

本发明提出的冷水机组在冷凝器2和蒸发器4之间增设了第一旁通管道5和第二旁通管道6，第一旁通管道5用于引导部分液态制冷剂到蒸发器中进行换热；第二旁通管道6用于引导部分气态制冷剂到蒸发器中进行换热。第一旁通管道5上设有第一旁通阀V1，第二旁通管道6上设有第二旁通阀V2。该实施例中，第一旁通阀V1和第二旁通阀V2均采用电动阀，通过调节这两个电动阀的开度可以调节耦合换热的制冷剂流量，如图2和图3所示。根据冷水机组结构和安装位置，第一旁通管道5可设置在蒸发器及冷凝器筒体的底部，便于冷凝器中的制冷剂流向蒸发器中进行耦合换热。第二旁通管道6可设置在蒸发器及冷凝器的筒体上部，用于两者之间的气态制冷剂耦合换热，请见图3。

图4中，循环1→2→3→4→1为开启旁通电动阀前的制冷循环过程，打开旁通电动阀后，蒸发器中的制冷剂含量增多，冷凝器中制冷剂含量降低，因此制冷循环过程中蒸发压力会上升，冷凝压力会下降，制冷循环变成1’→2’→3’→4’→1’。

请参见图4，通过冷凝器和蒸发器中制冷剂的耦合换热进行制冷量调节的原理如下：

打开第一旁通阀V1或第二旁通阀V2后，由于压力的驱动，过热状态(状态点2’)的高压制冷剂通过旁通管道由冷凝器2流到蒸发器4中，蒸发器内压力较低，制冷剂近似按等焓进行膨胀至过热状态，从状态点2’→状态点5’。状态点5’的制冷剂与节流后状态点4’的制冷剂进行耦合换热，则蒸发器中换热量，也即冷水机组输出的制冷量为：

其中，

为实际输出制冷量大小；

为电子膨胀阀节流制冷剂流量；

为经耦合旁通管进入蒸发器制冷剂流量；

为压缩机吸气焓值；

为电子膨胀阀节流后焓值；

为制冷剂经耦合旁通管进入蒸发器状态变化后焓值。

耦合换热的制冷循环为1’→2’→3’→4’ →1’与1’→2’→5’→1’的叠加。

从上式中可以看出，通过调整第一旁通阀V1或第二旁通阀V2的开度来调整耦合换热制冷剂流量

，冷水机组输出的制冷量大小随着耦合制冷剂流量

变化而变化，当

增加至一定值时，

，冷水机组输出制冷量为0。

零负荷的情况就是指用户使用侧无制冷量需求，或通过其他方式实现了环境热量平衡，环境温度达到了设定要求。

在实际应用中，可以通过单独设置液态制冷剂旁通管道或气态制冷剂旁通管道来进行负荷调节，也可通过同时设置液态制冷剂旁通管道和气态制冷剂旁通管道来进行负荷调节。在实际运行过程中，相同管径下，液态耦合旁通设置相比气态耦合旁通设置制冷剂流速低，运行噪音小，因此对于同时设置有液态制冷剂耦合旁通管或气态制冷剂耦合旁通管的机组，优先进行液态制冷剂耦合流量调节。

冷水机组一般通过比较冷冻出水温度实际值与设定值大小来决定机组是否加载、卸载或保持状态，一般当冷冻水出水温度高于设定值时，为保持较高制冷效率，机组中压缩机处于大负荷运行状态；当冷冻水出水温度低于设定值时，机组中压缩机开始进行卸载运行，但由于常规冷水机组单系统最小负荷在20%左右，始终有冷量输出，此时如果冷水水温持续降低至某一值时，机组停机。

本发明提出的冷水机组负荷输出无极调节控制方法，当压缩机输出在最低负荷运行状态时，通过将冷凝器中的部分制冷剂引入蒸发器中进行耦合换热实现系统负荷卸载或系统负荷加载的无极调节，可将常规冷水机组单系统最小负荷降至20%以下，甚至在零负荷运行，而不需停机。

制冷剂耦合换热包括冷水机组制冷循环换热和冷凝器与蒸发器之间的气体和/或液态之间的换热。

当系统负荷卸载时，优先控制冷凝器与蒸发器之间第一旁通管道上的第一旁通阀，当系统负荷加载时，优先控制冷凝器与蒸发器之间第二旁通管道上的第二旁通阀。

系统负荷卸载过程包括以下步骤：

（11）当冷冻水出水温度低于设定值，开启液态制冷剂旁通管道上的第一旁通阀并控制液态制冷剂流量；

（12）当第一旁通阀已经开启至最大，且冷冻水出水温度仍然低于设定值时，开启气态制冷剂旁通管道上的第二旁通阀，直至冷冻水出水温度等于设定值。

系统负荷加载过程包括以下步骤：

（21）当冷冻水出水温度高于设定值，则调节气态制冷剂旁通管道上的第二旁通阀，如果第二旁通阀V2关闭至最小，冷冻出水温度仍高于设定值，则调节液态制冷剂旁通管道上的第一旁通阀；

（22）当第一旁通阀已经关闭至最小，冷冻水出水温度仍高于设定值，则对压缩机进行加载。

在一实施例中，通过调整电动阀以改变耦合换热制冷剂流量来调节冷水机组输出负荷的具体调节方式如下：

（1）卸载过程：如果冷冻水出水温度低于设定值，则首先降低压缩机负荷，如果压缩机负荷卸载至最小，冷冻出水温度仍低于设定值，则优先开启第一旁通阀V1进行液态制冷剂的耦合换热，当第一旁通阀V1开启至最大，冷冻出水温度仍低于设定值，则开启第二旁通阀V2，进行气态制冷剂的耦合换热。在调整压缩机、第一旁通阀V1以及第二旁通阀V2开度过程中，如果冷冻水温度等于设定值，则保持该状态。卸载过程控制流程见图5。

（2）加载过程：如果冷冻水出水温度高于设定值，则首先调节第二旁通V2的开度，如果第二旁通阀V2关闭至最小，冷冻出水温度仍高于设定值，则调节第一旁通阀V1的开度，当第一旁通阀V1关闭至最小，冷冻出水仍高于设定值，则对压缩机进行加载，在调整压缩机、第一旁通阀V1以及第二旁通阀V2开度的过程中，如果冷冻水温等于设定值，则保持该状态。加载过程控制流程见图6。

上述实施例中，第一旁通阀和第二旁通阀优选可以对流量进行调节的电动阀。如果采用电磁阀替代的话，由于电磁阀只能进行开停控制，无法实现制冷剂旁通量的精确调节，因此也无法实现耦合制冷剂流量的精确调整。当冷水机组需要将输出负荷调整至25%以下时，压缩机按设计最小负荷运行，给部件电磁阀通电，冷水机组输出冷量降低(假设输出负荷率为0%)，由于采用电磁阀调节，负荷在0%-25%之间则无法进行调整，相当于在该段冷水机组输出负荷采用了有极调节。如果设计得当的话，冷水机组也可满足0-100%负荷调节，且在0%负荷时，冷水机组无需停机。

本发明提出的水冷机组拓宽了常规螺杆式冷水机组的运行范围，可实现冷水机组在不停机的状态下针对系统负荷0%-100%的无极调节。零负荷运行优点主要有：零负荷运行时压缩机不会停机，当出现紧急突发情况时，末端负荷需求增加，通过调整耦合换热量，可以实现冷量的快速增加；同时相比停机再启动的方式，避免了压缩机启动时对于电网的冲击(软启动/变频启动除外)，和停机再启到冷量输出的滞后。

以上所述仅为本发明的具体实施方式。应当指出的是，凡在本发明构思的精神和框架内所做出的任何修改、等同替换和变化，都应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种冷水机组负荷输出无极调节控制方法，其特征在于，当压缩机输出在最低负荷运行状态时，通过冷凝器和蒸发器之间的制冷剂耦合换热实现系统负荷卸载或系统负荷加载的无级调节,所述制冷剂耦合换热包括压缩机不停机状态下的冷水机组制冷循环换热和冷凝器与蒸发器之间的气体和/或液态之间的换热，当系统负荷卸载时，优先调节第一旁通阀，控制冷凝器与蒸发器之间的液态制冷剂换热，当系统负荷加载时，优先调节第二旁通阀，控制冷凝器与蒸发器之间气态制冷剂换热。

2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述系统负荷卸载过程包括以下步骤：

（11）当冷冻水出水温度低于设定值，开启液态制冷剂旁通管道并控制液态制冷剂流量；

（12）当第一旁通阀已经开启至最大，且冷冻水出水温度仍然低于设定值时，开启气态制冷剂旁通管道，直至冷冻水出水温度等于设定值。

3.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述系统负荷加载过程包括以下步骤：

（21）当冷冻水出水温度高于设定值，则调节气态制冷剂旁通管道上的第二旁通阀，如果第二旁通阀V2关闭至最小，冷冻出水温度仍高于设定值，则调节液态制冷剂旁通管道上的第一旁通阀；

（22）当第一旁通阀已经关闭至最小，冷冻水出水温度仍高于设定值，则对压缩机进行加载。

4.如权利要求1或3所述的控制方法，其特征在于，所述第一旁通阀和所述第二旁通阀V2均采用电动阀。

5.一种冷水机组，包括冷凝器和蒸发器，其特征在于，所述冷凝器和所述蒸发器之间设有第一旁通管道和第一旁通阀，用于液态制冷剂的耦合换热；以及第二旁通管道和第二旁通阀，用于气态制冷剂的耦合换热，当压缩机输出在最低负荷运行状态时，通过冷凝器和蒸发器之间的制冷剂耦合换热实现系统负荷卸载或系统负荷加载的无极调节。

6.如权利要求5所述的冷水机组，其特征在于，所述第一旁通阀和所述第二旁通阀均采用电动阀。

7.如权利要求5所述的冷水机组，其特征在于，所述第一旁通阀和所述第二旁通阀均采用电磁阀。

8.如权利要求5所述的冷水机组，其特征在于，所述冷水机组采用螺杆式冷水机组。

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