冷水機(jī)組冷凝器水側(cè)受阻故障模擬實(shí)驗(yàn)研究

摘 要

摘要：采用理論分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法，對(duì)冷水機(jī)組冷凝器水側(cè)受阻故障時(shí)空調(diào)系統(tǒng)冷水側(cè)、制冷劑側(cè)、冷卻水側(cè)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行研究，確定對(duì)冷水機(jī)組冷凝器水側(cè)受阻故障敏感的運(yùn)行參數(shù)。
摘要：采用理論分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法，對(duì)冷水機(jī)組冷凝器水側(cè)受阻故障時(shí)空調(diào)系統(tǒng)冷水側(cè)、制冷劑側(cè)、冷卻水側(cè)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行研究，確定對(duì)冷水機(jī)組冷凝器水側(cè)受阻故障敏感的運(yùn)行參數(shù)。冷卻水出水溫度、制冷劑冷凝溫度、壓縮機(jī)排氣溫度是對(duì)冷水機(jī)組冷凝器水側(cè)受阻故障敏感的運(yùn)行參數(shù)，可以作為檢測(cè)識(shí)別該故障的主要依據(jù)。
關(guān)鍵詞：冷水機(jī)組；故障模擬；冷凝器水側(cè)受阻；格拉布斯檢驗(yàn)；故障診斷
Experimental Research Oil Fault Simulation of Fouling on Water Side of Chiller Condenser
ZHANG Zhenguo，QIAN Jie，ZHENG Jie，ZHOU Yuli
Abstract：The operation parameters of frozen water side，refrigerant side and cooling water side of air conditioning system with fouling on water side of chiller condenser are studied using theoretical analysis and experimental test method.The operation parameters sensitive to fouling on water side of chiller condenser are determined.The cooling water outlet temperature，refrigetant condensing temperature and compressor discharge temperature are operation parameters sensitive to fouling on water side of chiller condenser.and they can be used as the main basis for detection and identification of this fault.
Key words：chiller；fault simulation；fouling on water side of condenser；Grubbs test；fault diagnose
1 概述
    空調(diào)系統(tǒng)故障診斷[1～3]是通過(guò)研究空調(diào)系統(tǒng)故障與運(yùn)行參數(shù)間的關(guān)系來(lái)判斷空調(diào)系統(tǒng)的狀態(tài)。由理論分析得知，冷水機(jī)組的各種故障都會(huì)對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)(制冷劑蒸發(fā)溫度、制冷劑冷凝溫度、冷卻水溫度、冷水溫度等)產(chǎn)生不同程度的影響，因此可以通過(guò)分析這些參數(shù)的變化來(lái)快速識(shí)別冷水機(jī)組故障?？梢?jiàn)，冷水機(jī)組故障診斷的關(guān)鍵在于確定對(duì)冷水機(jī)組故障敏感的運(yùn)行參數(shù)，并將這些敏感運(yùn)行參數(shù)作為故障診斷的依據(jù)。本文在理論分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)單螺桿式冷水機(jī)組冷凝器水側(cè)受阻故障進(jìn)行了研究，得出對(duì)該類故障敏感的運(yùn)行參數(shù)。
2 理論分析
    冷凝器的冷凝換熱量計(jì)算公式為[4]：
    Φ=cpqm(T2-T1)=KcAc(Tc-Tm)    (1)
式中Φ——冷凝器的冷凝換熱量，kW
    cp——冷卻水比定壓熱容，kJ/(kg·K)
    qm——冷卻水的質(zhì)量流量，kg/s
    T2——冷卻水的出水溫度，K
    T1——冷卻水的進(jìn)水溫度，K
    Kc——冷凝器內(nèi)換熱管的傳熱系數(shù)，kW/(m2·K)
    Ac——冷凝器的換熱面積，m2
    Tc——制冷劑的冷凝溫度，K
    Tm——冷凝器中冷卻水的平均溫度，K
   冷凝器水側(cè)受阻直接導(dǎo)致冷卻水流量qm減小，為了滿足冷凝換熱量函，冷卻水進(jìn)出水溫差將增大。當(dāng)冷卻水出水溫度疋恒定時(shí)，冷卻水進(jìn)水溫度T1主要受室外環(huán)境參數(shù)及冷卻塔性能的影響。因此在冷凝器水側(cè)受阻的初始階段，冷卻水進(jìn)水溫度T1波動(dòng)較小，冷卻水出水溫度T2上升，繼而導(dǎo)致冷卻水進(jìn)水溫度T1上升。因此，冷凝器中冷卻水的平均溫度Tm也會(huì)上升。
   根據(jù)傳熱學(xué)原理，由于冷卻水流量qm減小，冷凝器內(nèi)換熱管的傳熱系數(shù)Kc將會(huì)減小，為了滿足冷凝換熱量Φ，制冷劑的冷凝溫度Tc將會(huì)上升，冷凝壓力也會(huì)上升。壓縮機(jī)進(jìn)、排氣溫度也會(huì)受到影響。同時(shí)，冷凝溫度、冷凝壓力上升也會(huì)對(duì)蒸發(fā)溫度、蒸發(fā)壓力產(chǎn)生影響。冷凝器水側(cè)受阻前、后的制冷循環(huán)見(jiàn)圖1。冷凝器水側(cè)受阻前制冷循環(huán)為1′—2′—3′—4′—5′—1′；冷凝器水側(cè)受阻導(dǎo)致冷凝溫度升高，在滿足相同制冷量的條件下制冷循環(huán)為1—2—3—4—5—1，因此蒸發(fā)溫度將上升，冷水供回水溫度也將上升。
 

   可見(jiàn)，冷水機(jī)組冷凝器水側(cè)受阻將會(huì)直接或間接引起空調(diào)系統(tǒng)多個(gè)運(yùn)行參數(shù)的變化。因此，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，從冷凝器水側(cè)受阻所引起變化的參數(shù)中挑選出較敏感的參數(shù)，有助于快速檢測(cè)和識(shí)別冷凝器水側(cè)受阻故障。
3 實(shí)驗(yàn)研究
3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
    實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括制冷系統(tǒng)和水系統(tǒng)(冷水系統(tǒng)和冷卻水系統(tǒng))。制冷系統(tǒng)為1臺(tái)單螺桿式冷水機(jī)組，該冷水機(jī)組的型號(hào)為KCHUW-10700S，制冷劑為R22，充注量為56kg，其額定參數(shù)見(jiàn)表1。表1中的參數(shù)均是在冷水供、回水溫度分別為7、12℃，冷卻水進(jìn)、出水溫度分別為32、37℃下測(cè)得的。
表1 單螺桿式冷水機(jī)組的額定參數(shù)
制冷量/kW
232.6
輸入功率/kW
50
電流/A
86
蒸發(fā)溫度/℃
4.2
冷凝溫度/℃
42
壓縮機(jī)吸氣溫度/℃
9
壓縮機(jī)排氣溫度/℃
78
冷水流量/(m3·h-1)
40
冷卻水流量/(m3·h-1)
50
    實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的原理見(jiàn)圖2。制冷機(jī)房中設(shè)置單螺桿式冷水機(jī)組、冷水泵和冷卻水泵各1臺(tái)，以及分水器和集水器。冷卻水經(jīng)冷卻水泵加壓后進(jìn)入冷水機(jī)組，吸收熱量后被送至屋頂?shù)睦鋮s塔，經(jīng)冷卻降溫后又返回冷水機(jī)組，完成循環(huán)。冷水則是經(jīng)過(guò)冷水泵加壓后進(jìn)入冷水機(jī)組，被冷卻降溫后進(jìn)入分水器，之后進(jìn)入冷負(fù)荷控制裝置中，與自來(lái)水混合后進(jìn)入集水器，再被加壓送入冷水機(jī)組，完成循環(huán)。
 

    冷負(fù)荷控制裝置是為了人為控制并調(diào)節(jié)冷負(fù)荷而設(shè)置的一個(gè)水箱。水箱上設(shè)置了進(jìn)水管和排水管，自來(lái)水經(jīng)進(jìn)水管進(jìn)入水箱，與冷水充分混合，通過(guò)改變自來(lái)水的流量來(lái)模擬不同的負(fù)荷要求。冷水泵和冷卻水泵的性能參數(shù)均為：揚(yáng)程：32m；額定流量：100m3/h；電源：3相-380V-50Hz；輸入功率：15kW。
3.2 測(cè)量系統(tǒng)
    測(cè)量系統(tǒng)為我們自行研制的一套計(jì)算機(jī)測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)由傳感器、調(diào)制放大器、A/D變換器、計(jì)算機(jī)、CRT顯示器及打印機(jī)等組成。能同時(shí)接入溫度、壓力、流量等多種傳感器，數(shù)據(jù)采集速度快，精度高。數(shù)據(jù)采集接口箱設(shè)計(jì)成通用型，可同時(shí)對(duì)溫度、壓力、壓差、流量等進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)驅(qū)動(dòng)軟件提供的可視化控制面板來(lái)改變?cè)O(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，如更換傳感器類型、改變采樣時(shí)間等。
    溫度測(cè)量采用T型銅一康銅熱電偶，適用溫度范圍為-200～300℃，標(biāo)定后的基本誤差為±0.3℃。壓力測(cè)量采用PT421型中溫壓力變送器，精度等級(jí)為±0.5級(jí)，基本誤差為±0.01MPa。冷水側(cè)流量測(cè)量采用ZYLUD型渦街流量計(jì)，流量范圍為0～150m3/h，精度等級(jí)為±0.5級(jí)，基本誤差為±0.21×10-3m3/s。冷卻水側(cè)流量測(cè)量采用LW-GY-80型渦輪流量計(jì)，流量范圍為0～150m3/h，精度等級(jí)為±0.5級(jí)，基本誤差為±0.14×10-3m3/s。
3.3 測(cè)點(diǎn)布置
    為了研究空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)與故障之間的關(guān)系，挑選出對(duì)故障敏感的運(yùn)行參數(shù)，測(cè)點(diǎn)的選擇應(yīng)基于整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)，包括冷卻水側(cè)、冷水側(cè)及制冷劑側(cè)。由上述理論分析可知，冷水機(jī)組冷凝器水側(cè)受阻將引起蒸發(fā)溫度、冷凝溫度、壓縮機(jī)吸氣溫度、壓縮機(jī)排氣溫度、冷水供回水溫度、冷卻水進(jìn)出水溫度發(fā)生變化，因此應(yīng)對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。測(cè)點(diǎn)的布置見(jiàn)圖3，測(cè)量的參數(shù)名稱、測(cè)點(diǎn)位置及測(cè)量方式見(jiàn)表2。

表2 測(cè)量的參數(shù)名稱、測(cè)點(diǎn)位置及測(cè)量方式
編號(hào)
測(cè)量的參數(shù)名稱
測(cè)點(diǎn)位置
測(cè)量方式
1
冷水回水溫度
冷水回水口
熱電偶插入水中
2
冷水供水溫度
冷水供水口
熱電偶插入水中
3
冷卻水進(jìn)水溫度
冷卻水進(jìn)水口
熱電偶插入水中
4
冷卻水出水溫度
冷卻水出水口
熱電偶插入水中
5
冷凝溫度
冷凝器的制冷劑進(jìn)口
熱電偶緊貼管壁并保溫
6
壓縮機(jī)排氣溫度
壓縮機(jī)出氣口
熱電偶緊貼管壁并保溫
7
蒸發(fā)溫度
蒸發(fā)器的制冷劑進(jìn)口
熱電偶緊貼管壁并保溫
8
壓縮機(jī)吸氣溫度
壓縮機(jī)進(jìn)氣口
熱電偶緊貼管壁并保溫
9
冷水流量
冷水泵出口水平管上
流量計(jì)水平安裝
10
冷卻水流量
冷卻水泵出口水平管上
流量計(jì)水平安裝
3.4 測(cè)試方法
    由于制冷系統(tǒng)非常復(fù)雜，各部件之間相互聯(lián)系、相互影響，要找出某一部件發(fā)生故障時(shí)運(yùn)行參數(shù)的變化情況，就必須保證其他部件運(yùn)行正常，即保證故障的單一性及針對(duì)性，還應(yīng)盡量使故障發(fā)生的條件符合空調(diào)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況。因此，當(dāng)改變冷卻水流量時(shí)，保持冷水流量、冷負(fù)荷等其他條件不變。
    考慮到目前制冷機(jī)組均帶有一些安全保護(hù)模塊，如流量保護(hù)、高低壓保護(hù)、油壓保護(hù)等，為了采集故障狀態(tài)下的運(yùn)行參數(shù)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中將制冷機(jī)組的安全保護(hù)模塊作用取消。
    對(duì)單螺桿式冷水機(jī)組冷凝器水側(cè)受阻進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。測(cè)試過(guò)程中應(yīng)保證冷水機(jī)組在恒定的冷負(fù)荷下運(yùn)行，通過(guò)調(diào)節(jié)冷負(fù)荷控制裝置的自來(lái)水進(jìn)水量和排水量模擬出恒定的冷負(fù)荷。設(shè)定冷水流量為40m3/h。調(diào)節(jié)冷卻水管路上的閘閥，使冷卻水流量分別為50、48、43、38、33、28m3/h。在冷卻水流量不同的工況下，測(cè)試?yán)渌┗厮疁囟取⒗渌髁?、冷卻水進(jìn)出水溫度、冷卻水流量、蒸發(fā)溫度、冷凝溫度、壓縮機(jī)吸氣和排氣溫度。測(cè)試周期為5s，每種工況采集15組數(shù)據(jù)。
4 測(cè)試數(shù)據(jù)的處理及分析
4.1 測(cè)試數(shù)據(jù)的處理[5]
    為了保證測(cè)試數(shù)據(jù)的可靠性，應(yīng)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行合理性檢驗(yàn)。如當(dāng)冷卻水流量設(shè)定為50m3/h時(shí)，測(cè)試得到15組冷水供水溫度(xi)，分別為8.1、8.3、8.2、8.0、8.3、8.5、8.2、8.1、8.3、8.5、8.0、8.2、8.1、8.0和8.9℃。
   根據(jù)格拉布斯準(zhǔn)則對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)。計(jì)算得測(cè)試數(shù)據(jù)的均值=8.3℃，標(biāo)準(zhǔn)差σ=0.247。認(rèn)為測(cè)試數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布，取置信度為0.05，樣本量為15，查格拉布斯系數(shù)數(shù)值表，得格拉布斯系數(shù)λ(0.05，15)=2.41，λ(0.05，15)·σ=0.595。因?yàn)楱Omax(xi)-∣=0.6＞0.595，故8.9℃為壞值。將該壞值剔除后，采用相同方法繼續(xù)對(duì)其余14組數(shù)據(jù)進(jìn)行格拉布斯檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果表明其余14組數(shù)據(jù)均不是壞值，其均值為8.2℃。
   采用相同方法處理其余測(cè)試數(shù)據(jù)，剔除壞值后求得測(cè)試數(shù)據(jù)的平均值，見(jiàn)表3。
表3 測(cè)試數(shù)據(jù)的平均值
冷卻水流量/(m3·h-1)
50
48
43
38
33
28
冷卻水側(cè)
進(jìn)水溫度/℃
34.4
34.3
34.2
34.4
34.4
34.3
出水溫度/℃
39.5
40.0
40.6
41.5
42.5
43.7
實(shí)際流量/(m3·h-1)
50.0
47.9
42.9
38.1
33.O
28.0
冷水側(cè)
回水溫度/℃
13.2
13.2
13.3
13.3
13.2
13.3
供水溫度/℃
8.2
8.2
8.4
8.4
8.4
8.6
實(shí)際流量/(m3·h-1)
42.3
43.9
43.2
43.5
44.9
44.2
制冷劑
蒸發(fā)溫度/℃
4.2
4.2
4.2
4.2
4.7
4.9
冷凝溫度/℃
42.0
42.3
43.0
43.9
45.0
46.2
壓縮機(jī)吸氣溫度/℃
9.1
9.1
9.1
9.O
8.8
8.8
壓縮機(jī)排氣溫度/℃
78.6
79.2
80.1
81.O
83.O
85.7
4.2 測(cè)試數(shù)據(jù)分析
   通過(guò)冷水流量和冷水供回水溫差計(jì)算得到冷水機(jī)組的冷負(fù)荷。在冷卻水流量分別為50、48、43、38、33、28m3/h時(shí)，冷水機(jī)組的冷負(fù)荷分別為241.0、250.6、246.3、248.2、245.4kW，冷負(fù)荷較穩(wěn)定，且冷水流量變化較小。因此認(rèn)為冷負(fù)荷和冷水流量對(duì)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的影響恒定，即實(shí)驗(yàn)僅考慮了冷卻水流量變化對(duì)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的影響。
    由表3可知，當(dāng)冷卻水流量由50m3/h減小到28m3/h時(shí)，有：①冷水供水溫度最大變化為0.4℃，回水溫度最大變化為0.1℃，考慮到有測(cè)量誤差，認(rèn)為冷水供回水溫度基本不變，即冷凝器水側(cè)受阻對(duì)冷水側(cè)影響較小。②冷卻水進(jìn)水溫度最大變化為0.2℃，出水溫度最大變化為4.2℃，因此認(rèn)為冷凝器水側(cè)受阻對(duì)冷卻水進(jìn)水溫度影響較小，而對(duì)出水溫度影響較大。③制冷劑蒸發(fā)溫度最大變化為0.7℃，冷凝溫度最大變化為4.2℃，因此認(rèn)為冷凝器水側(cè)受阻對(duì)制冷劑蒸發(fā)溫度影響較小，而對(duì)冷凝溫度影響較大。④壓縮機(jī)吸氣溫度最大變化為0.3℃，排氣溫度最大變化為7.1℃，因此認(rèn)為冷凝器水側(cè)受阻對(duì)壓縮機(jī)吸氣溫度影響較小，而對(duì)排氣溫度影響較大。
5 結(jié)論
    ① 冷卻水出水溫度、制冷劑冷凝溫度、壓縮機(jī)排氣溫度是對(duì)冷水機(jī)組冷凝器水側(cè)受阻故障較敏感的參數(shù)，這些參數(shù)可以作為檢測(cè)識(shí)別該故障的主要依據(jù)。
    ② 冷水機(jī)組冷凝器水側(cè)受阻對(duì)冷水側(cè)、冷卻水進(jìn)水溫度、制冷劑蒸發(fā)溫度、壓縮機(jī)吸氣溫度影響較小。
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(本文作者：張振國(guó)1、2 錢杰3 鄭潔1、2 周玉禮1、2 1.重慶大學(xué) 三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 重慶 400045；2.重慶大學(xué)城市 建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院 重慶 400045；3.浙江省建筑設(shè)計(jì)研究院 浙江杭州 310006)