冷水機組冷凝器水側受阻故障模擬實驗研究

摘 要

摘要：采用理論分析和實驗測試方法，對冷水機組冷凝器水側受阻故障時空調系統冷水側、制冷劑側、冷卻水側的運行參數進行研究，確定對冷水機組冷凝器水側受阻故障敏感的運行參數。
摘要：采用理論分析和實驗測試方法，對冷水機組冷凝器水側受阻故障時空調系統冷水側、制冷劑側、冷卻水側的運行參數進行研究，確定對冷水機組冷凝器水側受阻故障敏感的運行參數。冷卻水出水溫度、制冷劑冷凝溫度、壓縮機排氣溫度是對冷水機組冷凝器水側受阻故障敏感的運行參數，可以作為檢測識別該故障的主要依據。
關鍵詞：冷水機組；故障模擬；冷凝器水側受阻；格拉布斯檢驗；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
    空調系統故障診斷[1～3]是通過研究空調系統故障與運行參數間的關系來判斷空調系統的狀態。由理論分析得知，冷水機組的各種故障都會對空調系統的運行參數(制冷劑蒸發溫度、制冷劑冷凝溫度、冷卻水溫度、冷水溫度等)產生不同程度的影響，因此可以通過分析這些參數的變化來快速識別冷水機組故障。可見，冷水機組故障診斷的關鍵在于確定對冷水機組故障敏感的運行參數，并將這些敏感運行參數作為故障診斷的依據。本文在理論分析的基礎上，通過實驗對單螺桿式冷水機組冷凝器水側受阻故障進行了研究，得出對該類故障敏感的運行參數。
2 理論分析
    冷凝器的冷凝換熱量計算公式為[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——冷卻水的質量流量，kg/s
    T2——冷卻水的出水溫度，K
    T1——冷卻水的進水溫度，K
    Kc——冷凝器內換熱管的傳熱系數，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
   冷凝器水側受阻直接導致冷卻水流量qm減小，為了滿足冷凝換熱量函，冷卻水進出水溫差將增大。當冷卻水出水溫度疋恒定時，冷卻水進水溫度T1主要受室外環境參數及冷卻塔性能的影響。因此在冷凝器水側受阻的初始階段，冷卻水進水溫度T1波動較小，冷卻水出水溫度T2上升，繼而導致冷卻水進水溫度T1上升。因此，冷凝器中冷卻水的平均溫度Tm也會上升。
   根據傳熱學原理，由于冷卻水流量qm減小，冷凝器內換熱管的傳熱系數Kc將會減小，為了滿足冷凝換熱量Φ，制冷劑的冷凝溫度Tc將會上升，冷凝壓力也會上升。壓縮機進、排氣溫度也會受到影響。同時，冷凝溫度、冷凝壓力上升也會對蒸發溫度、蒸發壓力產生影響。冷凝器水側受阻前、后的制冷循環見圖1。冷凝器水側受阻前制冷循環為1′—2′—3′—4′—5′—1′；冷凝器水側受阻導致冷凝溫度升高，在滿足相同制冷量的條件下制冷循環為1—2—3—4—5—1，因此蒸發溫度將上升，冷水供回水溫度也將上升。
 

   可見，冷水機組冷凝器水側受阻將會直接或間接引起空調系統多個運行參數的變化。因此，通過實驗研究，從冷凝器水側受阻所引起變化的參數中挑選出較敏感的參數，有助于快速檢測和識別冷凝器水側受阻故障。
3 實驗研究
3.1 實驗系統
    實驗系統包括制冷系統和水系統(冷水系統和冷卻水系統)。制冷系統為1臺單螺桿式冷水機組，該冷水機組的型號為KCHUW-10700S，制冷劑為R22，充注量為56kg，其額定參數見表1。表1中的參數均是在冷水供、回水溫度分別為7、12℃，冷卻水進、出水溫度分別為32、37℃下測得的。
表1 單螺桿式冷水機組的額定參數
制冷量/kW
232.6
輸入功率/kW
50
電流/A
86
蒸發溫度/℃
4.2
冷凝溫度/℃
42
壓縮機吸氣溫度/℃
9
壓縮機排氣溫度/℃
78
冷水流量/(m3·h-1)
40
冷卻水流量/(m3·h-1)
50
    實驗系統的原理見圖2。制冷機房中設置單螺桿式冷水機組、冷水泵和冷卻水泵各1臺，以及分水器和集水器。冷卻水經冷卻水泵加壓后進入冷水機組，吸收熱量后被送至屋頂的冷卻塔，經冷卻降溫后又返回冷水機組，完成循環。冷水則是經過冷水泵加壓后進入冷水機組，被冷卻降溫后進入分水器，之后進入冷負荷控制裝置中，與自來水混合后進入集水器，再被加壓送入冷水機組，完成循環。
 

    冷負荷控制裝置是為了人為控制并調節冷負荷而設置的一個水箱。水箱上設置了進水管和排水管，自來水經進水管進入水箱，與冷水充分混合，通過改變自來水的流量來模擬不同的負荷要求。冷水泵和冷卻水泵的性能參數均為：揚程：32m；額定流量：100m3/h；電源：3相-380V-50Hz；輸入功率：15kW。
3.2 測量系統
    測量系統為我們自行研制的一套計算機測量系統，該系統由傳感器、調制放大器、A/D變換器、計算機、CRT顯示器及打印機等組成。能同時接入溫度、壓力、流量等多種傳感器，數據采集速度快，精度高。數據采集接口箱設計成通用型，可同時對溫度、壓力、壓差、流量等進行測量。通過驅動軟件提供的可視化控制面板來改變設備的運行參數，如更換傳感器類型、改變采樣時間等。
    溫度測量采用T型銅一康銅熱電偶，適用溫度范圍為-200～300℃，標定后的基本誤差為±0.3℃。壓力測量采用PT421型中溫壓力變送器，精度等級為±0.5級，基本誤差為±0.01MPa。冷水側流量測量采用ZYLUD型渦街流量計，流量范圍為0～150m3/h，精度等級為±0.5級，基本誤差為±0.21×10-3m3/s。冷卻水側流量測量采用LW-GY-80型渦輪流量計，流量范圍為0～150m3/h，精度等級為±0.5級，基本誤差為±0.14×10-3m3/s。
3.3 測點布置
    為了研究空調系統運行參數與故障之間的關系，挑選出對故障敏感的運行參數，測點的選擇應基于整個空調系統，包括冷卻水側、冷水側及制冷劑側。由上述理論分析可知，冷水機組冷凝器水側受阻將引起蒸發溫度、冷凝溫度、壓縮機吸氣溫度、壓縮機排氣溫度、冷水供回水溫度、冷卻水進出水溫度發生變化，因此應對這些參數進行測量。測點的布置見圖3，測量的參數名稱、測點位置及測量方式見表2。

表2 測量的參數名稱、測點位置及測量方式
編號
測量的參數名稱
測點位置
測量方式
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
冷卻水進水溫度
冷卻水進水口
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
冷凝器的制冷劑進口
熱電偶緊貼管壁并保溫
6
壓縮機排氣溫度
壓縮機出氣口
熱電偶緊貼管壁并保溫
7
蒸發溫度
蒸發器的制冷劑進口
熱電偶緊貼管壁并保溫
8
壓縮機吸氣溫度
壓縮機進氣口
熱電偶緊貼管壁并保溫
9
冷水流量
冷水泵出口水平管上
流量計水平安裝
10
冷卻水流量
冷卻水泵出口水平管上
流量計水平安裝
3.4 測試方法
    由于制冷系統非常復雜，各部件之間相互聯系、相互影響，要找出某一部件發生故障時運行參數的變化情況，就必須保證其他部件運行正常，即保證故障的單一性及針對性，還應盡量使故障發生的條件符合空調系統的實際運行情況。因此，當改變冷卻水流量時，保持冷水流量、冷負荷等其他條件不變。
    考慮到目前制冷機組均帶有一些安全保護模塊，如流量保護、高低壓保護、油壓保護等，為了采集故障狀態下的運行參數，實驗過程中將制冷機組的安全保護模塊作用取消。
    對單螺桿式冷水機組冷凝器水側受阻進行了實驗測試。測試過程中應保證冷水機組在恒定的冷負荷下運行，通過調節冷負荷控制裝置的自來水進水量和排水量模擬出恒定的冷負荷。設定冷水流量為40m3/h。調節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，測試冷水供回水溫度、冷水流量、冷卻水進出水溫度、冷卻水流量、蒸發溫度、冷凝溫度、壓縮機吸氣和排氣溫度。測試周期為5s，每種工況采集15組數據。
4 測試數據的處理及分析
4.1 測試數據的處理[5]
    為了保證測試數據的可靠性，應對測試數據進行合理性檢驗。如當冷卻水流量設定為50m3/h時，測試得到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℃。
   根據格拉布斯準則對以上數據進行檢驗。計算得測試數據的均值=8.3℃，標準差σ=0.247。認為測試數據服從正態分布，取置信度為0.05，樣本量為15，查格拉布斯系數數值表，得格拉布斯系數λ(0.05，15)=2.41，λ(0.05，15)·σ=0.595。因為∣max(xi)-∣=0.6＞0.595，故8.9℃為壞值。將該壞值剔除后，采用相同方法繼續對其余14組數據進行格拉布斯檢驗，檢驗結果表明其余14組數據均不是壞值，其均值為8.2℃。
   采用相同方法處理其余測試數據，剔除壞值后求得測試數據的平均值，見表3。
表3 測試數據的平均值
冷卻水流量/(m3·h-1)
50
48
43
38
33
28
冷卻水側
進水溫度/℃
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
實際流量/(m3·h-1)
50.0
47.9
42.9
38.1
33.O
28.0
冷水側
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
實際流量/(m3·h-1)
42.3
43.9
43.2
43.5
44.9
44.2
制冷劑
蒸發溫度/℃
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
壓縮機吸氣溫度/℃
9.1
9.1
9.1
9.O
8.8
8.8
壓縮機排氣溫度/℃
78.6
79.2
80.1
81.O
83.O
85.7
4.2 測試數據分析
   通過冷水流量和冷水供回水溫差計算得到冷水機組的冷負荷。在冷卻水流量分別為50、48、43、38、33、28m3/h時，冷水機組的冷負荷分別為241.0、250.6、246.3、248.2、245.4kW，冷負荷較穩定，且冷水流量變化較小。因此認為冷負荷和冷水流量對空調系統運行參數的影響恒定，即實驗僅考慮了冷卻水流量變化對空調系統運行參數的影響。
    由表3可知，當冷卻水流量由50m3/h減小到28m3/h時，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℃，考慮到有測量誤差，認為冷水供回水溫度基本不變，即冷凝器水側受阻對冷水側影響較小。②冷卻水進水溫度最大變化為0.2℃，出水溫度最大變化為4.2℃，因此認為冷凝器水側受阻對冷卻水進水溫度影響較小，而對出水溫度影響較大。③制冷劑蒸發溫度最大變化為0.7℃，冷凝溫度最大變化為4.2℃，因此認為冷凝器水側受阻對制冷劑蒸發溫度影響較小，而對冷凝溫度影響較大。④壓縮機吸氣溫度最大變化為0.3℃，排氣溫度最大變化為7.1℃，因此認為冷凝器水側受阻對壓縮機吸氣溫度影響較小，而對排氣溫度影響較大。
5 結論
    ① 冷卻水出水溫度、制冷劑冷凝溫度、壓縮機排氣溫度是對冷水機組冷凝器水側受阻故障較敏感的參數，這些參數可以作為檢測識別該故障的主要依據。
    ② 冷水機組冷凝器水側受阻對冷水側、冷卻水進水溫度、制冷劑蒸發溫度、壓縮機吸氣溫度影響較小。
參考文獻：
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[5] 田勝元，蕭曰嶸.實驗設計與數據處理[M]，北京：中國建筑工業出版社，1996：41-44.
 
(本文作者：張振國1、2 錢杰3 鄭潔1、2 周玉禮1、2 1.重慶大學 三峽庫區生態環境教育部重點實驗室 重慶 400045；2.重慶大學城市 建設與環境工程學院 重慶 400045；3.浙江省建筑設計研究院 浙江杭州 310006)