專利名稱：用于具有入口和出口流量控制裝置的hvac系統(tǒng)的控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請要求2007年12月14日提交的標(biāo)題為"Apparatus for SpeedControl of Centrifugal Chillers for Variable Primary Flow Systems withVariable Chilled Water Flow Rates”的、Lee Tetu等人的在先美國臨時申請No. 61/013，734的權(quán)益，該申請 的全部內(nèi)容以參考的方式引入本文。本發(fā)明涉及建筑物的供暖、通風(fēng)和空調(diào)(HVAC)系統(tǒng)， 更具體地，涉及建筑物的HVAC系統(tǒng)的控制裝置。
背景技術(shù)：
隨著能源成本上升和終端用戶在建筑物系統(tǒng)水平上的冷卻應(yīng)用方面變得更加精 益求精，變速馬達和逆變器技術(shù)正在對傳統(tǒng)上以固定速度模式運行并僅僅出于首先的成本 考慮而購買的產(chǎn)品造成日益嚴(yán)重的侵襲。設(shè)備的壽命周期成本消減是這種趨勢背后的驅(qū)動 力。隨著日益升高的能源成本和對低碳排放的關(guān)注，朝著更節(jié)能運行但更高初始成本發(fā)展 的這種趨勢看來只會加速。由于進行這些升級的回報期達1至3年，變速運行的吸引力只 會更大。HVAC產(chǎn)業(yè)正在經(jīng)歷這種從固定速度向變速運行的轉(zhuǎn)變，尤其是對商業(yè)規(guī)模的設(shè)備 而言。與變幾何結(jié)構(gòu)壓縮機控制相比，變速運行賦予了在非設(shè)計工況下提高離心式壓縮 機效率的潛力。然而，變速運行的這個優(yōu)點卻被早前的或低壓頭壓縮機喘振抵消。需要變 速和變幾何結(jié)構(gòu)控制的組合以利用變速效率改善而不犧牲低流量高壓頭能力。一旦兩種流 量控制方法都是可行的，則最佳控制就變得更成問題，其中，一個參數(shù)的改變可能理論上對 效率的改善有益但對穩(wěn)定運行有害。理解這些參數(shù)的物理意義和相互關(guān)系對于合適的冷卻器控制而言是關(guān)鍵的。使這 個問題變得復(fù)雜的事實在于建筑物系統(tǒng)控制有時是通過可變的主水流量來進行優(yōu)化的； 以及大多數(shù)冷卻器系統(tǒng)未裝備有水流量測量裝置，該水流量測量裝置利用水溫變化直接測 量壓縮機流量。常規(guī)來說，在已知壓縮機質(zhì)量流量、冷凝器與蒸發(fā)器飽和溫度的差值、以及 水溫升高的情況下，可確定性能圖上的位置，而在冷卻器控制的情況中，即為從喘振到當(dāng)前 運行點的裕度。存在通過利用固定速度運行和變速運行這兩者來提高部分負載性能的需求。還存在對用于固定速度運行和變速運行這兩者的多輸入、多輸出壓縮機控制系統(tǒng) 的需求。還存在對用于控制器的基于模型的前饋元件的需求，其用來針對固定速度和變速 運行這兩者確定達到最大壓縮機效率所必需的速度和可變幾何結(jié)構(gòu)的組合。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的一個方面，提供了一種用于控制供暖、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)的運行的方法， 該方法概括地包括提供供暖、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)，所述系統(tǒng)具有蒸發(fā)器、冷凝器、具有入口和
5出口的壓縮機、以及至少一個與所述入口或所述出口或者所述入口和所述出口這兩者連通 的流量控制裝置；測量所述供暖、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)的性能參數(shù)；確定指示喘振的發(fā)生的性 能參數(shù)測量值；基于所述性能參數(shù)測量值確定所述供暖、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)的喘振線；以及 基于所述性能參數(shù)獨立地控制所述至少一個流量控制裝置以抑制喘振的發(fā)生。在本發(fā)明的另一個方面，提供一種供暖、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)概括地包括蒸 發(fā)器；冷凝器；具有入口和出口的壓縮機；至少一個與所述入口或所述出口或者所述入口 和所述出口這兩者連通通信的流量控制裝置；以及控制器，所述控制器被利用對應(yīng)于指示 喘振的發(fā)生的性能參數(shù)的信息進行了編程，并且適于獨立地控制下述中的至少任意一個 所述壓縮機或者所述至少一個流量控制裝置或者所述壓縮機和所述至少一個流量控制裝 置這兩者，并且適于抑制喘振的發(fā)生。在下面的附圖和描述中闡述了一個或多個實施例的細節(jié)。從該描述和附圖以及權(quán) 利要求中，其它特征、目的和優(yōu)點將變得顯而易見。


圖1示出了供暖、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)；圖2示出了圖1的離心式壓縮機；圖3示出了固定速度固定幾何結(jié)構(gòu)離心式壓縮機的壓頭/流量關(guān)系；圖4示出了具有可變?nèi)肟趯?dǎo)向葉片的固定速度離心式壓縮機的性能圖；圖5示出了利用變頻驅(qū)動(VFD)進行容量控制的固定幾何結(jié)構(gòu)離心式壓縮機的性 能圖；圖6A和6B示出了 2 5 1變速壓縮機的“風(fēng)機定律”特性的測量偏差；圖7示出了針對效率的變速、變IGV壓縮機和IGV/速度組合的性能圖；圖8A和8B示出了通過使用(A)流量分?jǐn)?shù)指示滿載設(shè)計點的壓縮機性能圖與使用 (B)入口導(dǎo)向葉片設(shè)置角度指示滿負載設(shè)計點的壓縮機性能圖的并排比較；圖9A和9B示出了通過使用(A)流量分?jǐn)?shù)的壓縮機性能圖的喘振線不確定帶與使 用(B)入口導(dǎo)向葉片設(shè)置角度的壓縮機性能圖的喘振線不確定帶的并排比較；圖10示出了 19XR4P6壓縮機的實際喘振線測試數(shù)據(jù)與利用指數(shù)函數(shù)進行的喘振 線逼近之間的比較；圖11示出了不同形狀參數(shù)下的喘振線形狀變化；圖12是在減小速度下的喘振線預(yù)測，其中性能示出在壓頭/IGV圖上；以及圖13A和13B是使用了示例性控制器的VPF冷卻器的測試結(jié)果。在各附圖中，相同的附圖標(biāo)記和名稱表示相同的元件。
具體實施例方式參照圖1-13，本文公開和描述了用于固定速度運行和變速運行這兩者的具有基于 模型的前饋元件的多輸入、多輸出壓縮機控制系統(tǒng)。本文描述的示例性控制器的基于模型 的前饋元件可與利用單輸入/輸出和/或多輸入/輸出、任何類型的壓縮機、以及任何類型 和數(shù)量的輸入輸出流量控制裝置的任意組合的各種HVAC系統(tǒng)一起實施。例如，用于本文的 壓縮機可包括但不限于固定速度壓縮機和變速壓縮機。此外，這樣的壓縮機還可包括離心式壓縮機和軸流式壓縮機。同樣，可使用各種入口 /出口流量控制裝置，例如本領(lǐng)域普通技 術(shù)人員公知的可變幾何結(jié)構(gòu)擴散器、風(fēng)門、排氣扇、格柵、閥、入口導(dǎo)向葉片等。本文描述的 控制器的示例性控制器被設(shè)計成基于性能參數(shù)確定喘振的發(fā)生并計算喘振線。然后，控制 器獨立地控制系統(tǒng)以抑制喘振的發(fā)生。用于本文時，術(shù)語“性能參數(shù)”或“性能參數(shù)測量值”被定義為描述從系統(tǒng)的壓縮 機的某入口到某出口的焓差值或飽和性質(zhì)(例如，溫度、壓力)差值或壓力比的任何參數(shù)或 參數(shù)測量值。出于說明的目的且不應(yīng)以限制性含義理解，將利用供暖、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng) 100 (HVAC系統(tǒng)100)來描述本文公開的示例性控制器，其中HVAC系統(tǒng)100具有冷卻器102、 空氣處理單元104、泵106和閥108。水流的方向、水溫和構(gòu)件的構(gòu)造代表系統(tǒng)100的示例性 實施例。冷卻器102包括蒸發(fā)器103、壓縮機110、冷凝器105、和控制器107。圖2中示出了 圖1的HVAC系統(tǒng)100的壓縮機110。從入口到出口的關(guān)注構(gòu)件是入口導(dǎo)向葉片(IGV) 112 (其 通常由多個、優(yōu)選地由一組7個不彎曲的葉片構(gòu)成)、有22個后掠葉片的壓縮機(11個主葉 片，11個分流葉片)、通向管道擴散器116的無葉片小空間114、恒定截面積的收集器118、 和葉輪120。將工作氣體從蒸發(fā)器103抽出、進行壓縮、然后排放到冷凝器105?？稍谡舭l(fā) 器103、冷凝器105、和鄰近且在擴散器之前連通于無葉片空間114的充氣室中進行壓力測 量(見圖1)。當(dāng)然，應(yīng)該認(rèn)識到，VPF系統(tǒng)和壓縮機僅作為非限制性示例給出，其它構(gòu)造也 當(dāng)然完全落入本發(fā)明的寬廣范圍內(nèi)。容積式壓縮機和渦輪式壓縮機之間運行方面的一個主要區(qū)別在于一定流率下的 壓力升高或輸出壓頭，并且就此而言渦輪式壓縮機(為動態(tài)機器)的功輸入(單位質(zhì)量的 焓變)對于給定的轉(zhuǎn)子速度固有地受到限制。功輸入遵循歐拉方程Δ h = U2C e [U1C e ！(方程 1)其中，Ah=焓變[J/kg]；U1 =轉(zhuǎn)子入口處的輪速[m/s]；C01 =進入流的切向分量[m/s]；U2 =壓縮機出口處的轉(zhuǎn)子速度[m/s]；以及C02 =離開轉(zhuǎn)子的流的切向速度[m/s]。將由方程(1)給出的輸入壓頭或焓升高乘以質(zhì)量流率得到驅(qū)動壓縮機所需的功 率量。無論壓縮機遇到的是什么系統(tǒng)條件，都不能超過該功率量。換句話說，流量和壓頭的 這種一對一映射意味著系統(tǒng)條件(壓頭)的改變將迫使流量的相應(yīng)改變，從而導(dǎo)致功率的 改變。離心式壓縮機的功輸入限制的其它影響更加為人所知。有限的功輸入必然意味 著有限的功輸出，而這對壓縮機而言意味著有限的壓頭或壓力比能力。一旦所強加的壓頭 或壓力比(對于給定的IGV設(shè)置)超過壓縮機所能提供的最大壓頭或壓縮比(遵循壓縮 機-系統(tǒng)穩(wěn)定性)，所有的渦輪式壓縮機就會喘振。壓縮機將進入大的流量和壓力波動的運 行模式，功率消耗發(fā)生相應(yīng)的變化。雖然喘振保護驅(qū)動系統(tǒng)免于功率過載，但壓縮機不再正 常運行，并且在多次喘振循環(huán)之后單元控制將關(guān)閉壓縮機以防發(fā)生機械損壞。由于離心式壓縮機的功輸入由歐拉方程確定，因此在接近最大壓力比處或就在最 大壓力比處達到離心式壓縮機的峰值效率。固定速度離心式壓縮機將在其設(shè)計點處(即，接近最大壓力比處)具有很高的效率，但在較低壓頭條件下則會變差，因為功輸入基本保 持恒定。容積式壓縮機的效率，一般來說在設(shè)計條件下比離心式壓縮機的效率稍低，受在較 低壓力比條件下的運行的不利影響往往更小。固定速度、固定幾何結(jié)構(gòu)的壓縮機具有壓頭 和流量之間的唯一關(guān)系，或用冷卻器術(shù)語來說溫度升程(例如冷凝器飽和溫度和/或蒸發(fā) 器飽和溫度)和冷卻容量之間的唯一關(guān)系(見圖3)。這是升程與流量的固定的一對一映 射。靜止壓縮機構(gòu)件(例如，入口流量控制裝置，其將預(yù)漩渦賦予給進入可旋轉(zhuǎn)并變 窄流動通道的葉輪和擴散器葉片的流)的可變幾何結(jié)構(gòu)允許對固定速度離心式壓縮機進 行容量控制。這個效果由方程1量化，其中，入口速度的切向分量的改變降低壓縮機的壓 頭。雖然可使用其它的入口流量控制裝置，但是在水冷式冷卻器上通常采用可變?nèi)肟趯?dǎo)向 葉片來用于離心式壓縮機容量控制。這種可變幾何結(jié)構(gòu)允許壓縮機根據(jù)系統(tǒng)需求獨立地選 擇升程和容量。與壓頭和流量相關(guān)的單一壓縮機線現(xiàn)在由可能的壓頭/流量組合的二維區(qū) 域代替，其公知為壓縮機特性線圖并在圖4中示出。同樣，出于說明的目的且不應(yīng)以限制性含義理解，通過使用把入口導(dǎo)向葉片(IGV) 用作入口流量控制裝置的壓縮機系統(tǒng)來描述壓縮機特性線圖。每一個可能的壓頭/流量組 合均具有唯一的入口導(dǎo)向葉片角度位置和唯一的效率。壓縮機性能圖在容量方面可由完全 打開的入口導(dǎo)向葉片的性能曲線限制。壓縮機特性線圖上的喘振線確定了在特定IGV設(shè)置 下對于給定的流率壓縮機所能實現(xiàn)的最大壓頭。壓縮機喘振線是不同的入口導(dǎo)向葉片設(shè)置 角度下壓頭/流量特性的各個喘振點的連線。可在固定速度壓縮機的性能圖上繪制各種 入口導(dǎo)向葉片設(shè)置角度的線，所述入口導(dǎo)向葉片設(shè)置角度例如從切向測量，即，90為完全打 開，而00為完全關(guān)閉。本發(fā)明的發(fā)明人觀察到，在入口導(dǎo)向葉片設(shè)置角度和流率之間存在 明顯的非線性關(guān)系。固定速度離心式壓縮機的壓縮機喘振線的斜率隨流率增大。原因在于在較高 流率下，當(dāng)入口導(dǎo)向葉片打開得更多時，產(chǎn)生預(yù)漩渦而沒有很多節(jié)流作用，最終結(jié)果是方 程(1)中右側(cè)的第二項增大，因此導(dǎo)致壓縮機功輸入的降低，也從而導(dǎo)致壓頭的降低。壓 頭-流量曲線向更小的壓頭和更小的流量移動，但最大流量和最小流量即扼流和喘振流量 之間的差值差不多保持恒定，最大流量和最小流量即該導(dǎo)向葉片設(shè)置角度下近似的壓縮機 運行范圍。在較低流率下，導(dǎo)向葉片關(guān)閉得更多，并且除了提供更多預(yù)漩渦之外，開始充當(dāng)節(jié) 流裝置。如果非常接近離心式壓縮機，則節(jié)流裝置的阻力公知為能增大其穩(wěn)定運行的范圍， 從而在喘振發(fā)生之前允許較低流率。當(dāng)入口導(dǎo)向葉片關(guān)閉得更多時，這種現(xiàn)象本身呈現(xiàn)在 離心式壓縮機的壓頭/流量特性的形狀中。結(jié)果，壓縮機喘振線在較小流率下獲得更加水 平的斜率。在各種壓頭/流量組合下的效率通常比相應(yīng)的導(dǎo)向葉片打開角度更令人感興 趣。需要該效率來計算在多種可能運行條件下的季節(jié)平均壓縮機性能。離心式壓縮機性能 圖示出恒定效率線，其通常因這些輪廓的形狀而被稱作為“效率島”。在實際應(yīng)用中使用可變?nèi)肟趯?dǎo)向葉片對固定速度離心式壓縮機的控制是直觀的。 將針對水冷冷卻器上的離心式壓縮機的示例對此進行說明。離心式冷卻器的功能是輸送處 于給定溫度下的冷卻水。如果實際離開的冷卻水的溫度高于其設(shè)定點的值，則需要增大壓 縮機容量。這通過使入口導(dǎo)向葉片打開得更多來實現(xiàn)。如果離開的冷卻水的溫度低于所述
8設(shè)定點的值，這表明需要更小的容量，則將導(dǎo)向葉片關(guān)閉得更多。通過選擇入口導(dǎo)向葉片反 饋控制回路中的控制器動作和合適的時間常數(shù)，可以獲得離開的冷卻水與其設(shè)定點值具有 最小偏離的穩(wěn)定溫度。在壓縮機特性線圖上示出的效率島還指明對于每一個流率來說在何壓頭發(fā)生最 大效率。通過觀察性能圖(圖4)，可以看到對于固定速度的、入口導(dǎo)向葉片控制的壓縮機 而言，給定流率下的最大效率發(fā)生在接近喘振處?？稍诠潭ㄋ俣葔嚎s機特性線圖上繪制連 接每個流率下最大效率點的線。通過連接效率島的具有豎直斜率的點而形成該線。作為流率的函數(shù)的最大壓縮機效率的線位于接近喘振線處。位于該位置的原因仍 然由方程(1)給出。該方程確定了功輸入。顯然，給定功輸入下的最高壓頭導(dǎo)致最大效率。 較低的壓頭不需要方程(1)的功輸入，因此將導(dǎo)致較小的壓縮機效率。固定速度離心式壓 縮機的困境可能是，其峰值效率會被限制到接近其喘振線的狹窄運行范圍?？刂破鞯幕谀Ｐ偷那梆佋鶕?jù)所需要的運行條件例如壓力比和流率確定速 度和可變幾何結(jié)構(gòu)的何種組合會導(dǎo)致最大的壓縮機效率。由于壓縮機的峰值效率發(fā)生在接 近喘振處，因此需要對喘振線精確限定并對實際的壓縮機運行點進行精確測量。實際的壓 縮機運行條件通常根據(jù)壓頭和流量測量值來確定?？赏ㄟ^機器上已經(jīng)可用的儀器由吸入和排出壓力測量值相當(dāng)精確地計算壓縮機 壓頭。壓縮機流率通過蒸發(fā)器上方的熱平衡而間接獲得，這需要知道冷卻水側(cè)的流率和冷 卻器上的溫度降。傳統(tǒng)主/副冷卻水流系統(tǒng)設(shè)備的水流率是恒定的，使得冷卻器中水側(cè)的 溫度降成為壓縮機流量的指標(biāo)。由于冷卻器裝有進入和離開的冷卻水的溫度傳感器，因此 可在無需額外的水側(cè)流量測量值的情況下確定壓縮機的實際運行點。對于HVAC系統(tǒng)(參 見圖1)，冷卻水流率的改變需要額外的流量測量值，這在實際的現(xiàn)場安裝中也已證明是不 那么可靠和準(zhǔn)確的。本文描述的示例性控制系統(tǒng)繞開了這個障礙，并且不受這種可變主流 變化的影響。在較低的壓頭條件下達到較高的壓縮機效率需要減少功輸入?？勺儔嚎s機速度的 運行是允許為在較低壓頭下達到較高效率所需的功輸入減少的機制。變速運行在壓頭減小 方面比在流量減小方面更有效，這產(chǎn)生了不允許在低流量高壓頭條件下運行的壓縮機特性 線圖，而在低流量高壓頭條件下運行是許多應(yīng)用所需的。圖5示出了固定幾何結(jié)構(gòu)變速離 心式壓縮機的典型性能圖。例如，沒有可變幾何結(jié)構(gòu)的變速離心式壓縮機運行會導(dǎo)致壓縮 機在水冷卻冷卻器的運行期間偶爾遇到的低流量高壓頭條件下發(fā)生喘振。在低流量條件下 可能需要高達滿負載壓頭的85%的壓頭分?jǐn)?shù)。因此，添加逆變器以實現(xiàn)水冷冷卻器上所用 的離心式壓縮機的變速運行并不消除對入口導(dǎo)向葉片的需求。注意到變速離心式壓縮機的性能圖上喘振線和峰值效率線都近似直線是很重要 的。該特性并不遵循所謂的“風(fēng)機定律”，“風(fēng)機定律”認(rèn)為流量F與速度N成比例，壓頭H 與速度的平方成比例F N (方程 2)H N2 (方程 3)風(fēng)機定律令人滿意地適用于泵和風(fēng)機(不可壓縮流)，但不能準(zhǔn)確地描述壓縮機 的較低速度性能。圖6A和6B示出了 2.5 1壓力比離心式壓縮機在不同較低速度下的測 試數(shù)據(jù)。與風(fēng)機定律所表明的相比，流量隨速度降低得更快，壓頭隨速度降低得稍慢。對這種偏差的物理解釋基于可壓縮性的影響。由于旋轉(zhuǎn)葉輪的離心效應(yīng)導(dǎo)致靜壓隨葉輪半徑而 變化，因此離開2. 5 1壓力比離心式壓縮機的葉輪的氣體比進入該葉輪的氣體具有更大 的密度。為了保持最佳的葉輪傾角，葉輪入口流率趨于隨速度成比例降低，這是風(fēng)機定律的 特性。如果擴散器入口體積流率也隨速度成比例降低，則將會發(fā)生最佳的擴散器傾角。在 降低的葉輪速度下的較小入口流率使出口質(zhì)量流率隨速度成比例降低。然而，在降低的葉 輪速度下的葉輪出口密度的降低會使葉輪出口體積流率升高，從而部分地抵消由速度降低 所引起的體積流率降低。最終效果是對于最佳的擴散器傾角，壓縮機流率必須比與葉輪速 度成比例減少得更多。利用速度和入口導(dǎo)向葉片位置兩者影響壓縮機性能，控制邏輯變得更加復(fù)雜。壓 縮機特性線圖上的大多數(shù)壓頭/流量點均可以由具有不同效率的、無限數(shù)量的速度/入口 導(dǎo)向葉片組合來實現(xiàn)。變速控制邏輯的目的在于，總是尋找在該壓頭/流量組合下導(dǎo)致最 大壓縮機效率的那個速度/入口導(dǎo)向葉片組合。與根據(jù)離開的冷卻水的溫度和其設(shè)定點的 值之間的差值而僅僅打開或關(guān)閉入口導(dǎo)向葉片相比，壓縮機速度以及入口導(dǎo)向葉片設(shè)置角 度必須響應(yīng)于壓頭和/或流量的改變而改變。較高流量/較低壓頭的組合(圖5中沒有陰影線的區(qū)域)可由變速固定幾何結(jié)構(gòu) 覆蓋。通過只改變速度并讓導(dǎo)向葉片保持完全打開來獲得這些運行條件下的最佳壓縮機效 率。圖5中圖的陰影線區(qū)域只能通過入口導(dǎo)向葉片關(guān)閉和速度降低的組合來實現(xiàn)。圖7示 出了組合式變速變IGV圖的速度線和IGV位置以及其所導(dǎo)致的最佳部分負載效率。示出了 固定速度壓縮機性能和變速壓縮機性能之間在部分負載效率方面的明顯區(qū)別，盡管在該圖 的邊界(例如，喘振和扼流)處示出了相等的效率。如在許多水冷冷卻器應(yīng)用中所遇到的， 需要流量和壓頭之間的比例關(guān)系的具有部分負載條件的壓縮機應(yīng)用，顯示了變速運行的最 大益處。為了實現(xiàn)峰值效率，必須要知道壓縮機需要輸送的壓頭/流量組合。然后可利用 該信息來確定最佳的速度/入口導(dǎo)向葉片的組合，這在圖7中示出，該組合給出了該運行點 的最佳效率。對于無需關(guān)閉導(dǎo)向葉片就能實現(xiàn)的壓頭/流量組合，可單獨利用變速來進行 容量控制，并且入口導(dǎo)向葉片可保持完全打開。對于離心式冷卻器應(yīng)用，可根據(jù)能容易獲取的蒸發(fā)器和冷凝器飽和壓力測量值來 確定飽和溫度和壓頭。壓縮機的制冷劑流量不被直接測量，而是必須根據(jù)熱蒸發(fā)器上的熱 平衡來確定。所測得的冷卻水流率以及進入和離開的冷卻水的溫度確定由蒸發(fā)器中制冷劑 所吸收的熱量。已知了進入和離開蒸發(fā)器的制冷劑的熱力學(xué)狀態(tài)點，就可以根據(jù)蒸發(fā)器的 水側(cè)和制冷劑側(cè)之間的熱平衡來確定壓縮機流率?？蓮谋绢I(lǐng)域普通技術(shù)人員公知的前述壓 縮機測試得知對于該特定的壓頭/流量條件能導(dǎo)致最大壓縮機效率的速度/入口導(dǎo)向葉片 組合，然后可由控制器選擇該組合。變速壓縮機控制系統(tǒng)需要詳細的壓縮機性能信息以及 知曉壓縮機應(yīng)當(dāng)運行所在的實際運行點。VPF系統(tǒng)所遇到的冷卻水流率的改變近來已變得 更加普遍。冷卻水泵的變速控制為冷卻水站實現(xiàn)了大約5%的額外功率節(jié)約。這些系統(tǒng)對 變速冷卻器控制系統(tǒng)提出了更多需求。離心式壓縮機的性能傳統(tǒng)上由二維性能圖表示，其中豎直軸上為壓頭、壓力升高、 壓力比或升程，即冷凝器/蒸發(fā)器的飽和溫度的差值，水平軸上為體積流率、質(zhì)量流率或容 量。入口導(dǎo)向葉片設(shè)置角度是這種性能圖上的一個參數(shù)。本申請的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，流率和入
10口導(dǎo)向葉片設(shè)置角度的角色可顛倒。遵循該方法，可創(chuàng)建這樣的示例性性能圖豎直軸上仍 然為壓頭分?jǐn)?shù)，水平軸上為入口導(dǎo)向葉片設(shè)置角度，并且流量分?jǐn)?shù)作為參數(shù)。圖8A和8B示 出了這兩種壓縮機性能圖的并排比較。與水平軸上為流量分?jǐn)?shù)的情形相比，讓入口導(dǎo)向葉片設(shè)置角度在水平軸上來繪制 壓縮機性能圖的一個驚人的結(jié)果是，不同壓縮機構(gòu)造的喘振線具有更加一致的形狀。圖 9A和9B示出了在以無量綱形式繪制多個不同壓縮機的性能圖時通常遇到的不確定帶的寬 度。當(dāng)比較這兩幅圖的不確定帶時，圖9B中具有入口導(dǎo)向葉片設(shè)置角度的性能圖得到了更 加可預(yù)測的喘振線。當(dāng)繪制壓頭與入口導(dǎo)向葉片位置的關(guān)系圖(如圖9B所示)時對喘振的預(yù)測更加 一致的原因可從壓頭/流量圖(參見圖9A)中等IGV線的形狀來理解。等IGV曲線在接近 喘振處幾乎是水平的，意味著喘振點位置的不確定性在喘振時流量中的不確定性更甚于喘 振時壓頭中的不確定性。由于在繪制壓頭與IGV位置的關(guān)系圖時流量不是獨立參數(shù)，因此 圖9B中喘振的不確定性對于給定的入口導(dǎo)向葉片位置而言限于最大壓頭的不確定性，這 是較小的不確定性。由于控制器必須保證無喘振的運行，因此只允許壓縮機行為在喘振線下方運行。 壓縮機的峰值效率發(fā)生在接近喘振處，所以由于當(dāng)前運行點的不確定性而禁止變速壓縮機 在接近喘振線的某些特性線圖區(qū)域處運行將導(dǎo)致降低的壓縮機效率。因此，因為控制喘振 線對于各個壓縮機而言不是通用的，而是特定的，所以每個特定的壓縮機將具有必須在現(xiàn) 場確定的不同的喘振線。壓頭/IGV特性線圖示中喘振線位置的有限的不確定性允許限定通用的喘振線。 一種通過使用指數(shù)曲線形狀的良好逼近為H (IGV) =“ (Ηι,,ν ^" - Ei e"'K'l w (方程 4)其中，IGV =從切向測量的IGV的設(shè)置角度；其中，HICT = 9(I。=滿負載設(shè)計壓頭，可從壓縮機的數(shù)據(jù)發(fā)布中獲得；Higv^0. = 10%流量下的最小壓頭，可從數(shù)據(jù)發(fā)布中獲得；以及χ =可調(diào)節(jié)形狀參數(shù)，默認(rèn)值為0. 08 (參見圖10)。雖然這里示例性曲線用于演示 目的，但本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將認(rèn)識到并且明白，任何合適的曲線擬合/方程均可用來逼 近喘振線。如果需要，則可利用可調(diào)節(jié)形狀參數(shù)給機器提供如圖11所示不同的喘振線。對于 性能由壓頭/流量特性線圖表示的離心式壓縮機來說喘振線隨速度的變化在圖6A和6B中 示出。如果壓縮機性能由壓頭/IGV性能圖表示，則通過利用方程3給出的壓頭速度關(guān)系來 獲得在減小的速度下喘振線的位置。圖12示出了在減小的速度下喘振線預(yù)測，其中現(xiàn)在性 能是在示例性壓頭/IGV圖上示出。圖13A和13B示出了使用本文所述示例性控制器的VPF 冷卻器的測試結(jié)果。在大約十(10)個小時期間，VPF冷卻器在無喘振情況下運行，并且呈 現(xiàn)50%的VPF降低(參見圖13A和13B)。變速壓縮機具有明顯改善壓縮機的部分負載效率的潛力并且已經(jīng)成為對于可獲 得低成本逆變器的許多應(yīng)用來說的驅(qū)動器選擇。將變速應(yīng)用到壓縮機需要額外地了解壓縮 機特性，因為與泵、風(fēng)機和鼓風(fēng)機相反的是，由于可壓縮性效應(yīng)，壓縮機特性在較低速度下 會發(fā)生重大改變。一般來說，壓縮機流量隨速度降低得比線性關(guān)系下更快，而壓縮機壓頭比速度的平方減小得稍慢，這違反了單純的“風(fēng)機定律”。壓縮機流量和壓頭之間隨速度的確 切關(guān)系取決于壓縮機的詳細情況，例如葉輪后掠(角)、擴散器的選擇(無葉片的還是有葉 片的)、級數(shù)。對于在部分負載條件下(例如在水冷冷卻器中所遇到的)需要大壓頭的離心 式壓縮機應(yīng)用而言，單獨的變速不是控制選項。必須用可變幾何結(jié)構(gòu)控制對變速控制進行 補充。為了獲得變速壓縮機運行的全部益處，壓縮機速度必須總是降低到接近喘振的運行 點，在此峰值效率發(fā)生。為了找到用于速度以及入口 /出口流量控制裝置的最佳控制值，變速控制器需要 壓頭信息和流量信息兩者。因此，用于變速離心式壓縮機的許多控制方案更容易喘振，并且 沒有實現(xiàn)其最大效率潛力。與遵循利用壓頭與流量關(guān)系描述壓縮機性能的常規(guī)方法相比， 利用壓頭分?jǐn)?shù)與入口導(dǎo)向葉片位置關(guān)系能更精確地描述壓縮機喘振線。利用壓頭或者本文 所設(shè)想的某個等價性能參數(shù)或測量值與IGV設(shè)置角度的關(guān)系來對壓縮機進行繪圖還具有 允許冷卻器控制方案不依賴于流量信息的額外優(yōu)點。這樣的控制方案非常適合于可變主流 系統(tǒng)，在這種系統(tǒng)中冷卻水的流率不是恒定的，而是隨著運行條件變化。已經(jīng)描述了一個或多個實施例。然而，將會理解的是，可在不偏離本發(fā)明的精神和 范圍的情況下做出各種修改。因此，其它實施例在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種用于控制供暖、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)的運行的方法，包括提供供暖、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)，所述供暖、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)具有蒸發(fā)器、冷凝器、具有入口和出口的壓縮機、以及與所述入口或所述出口或者所述入口和所述出口兩者連通的至少一個流量控制裝置；測量所述供暖、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)的性能參數(shù)；確定指示喘振的發(fā)生的性能參數(shù)測量值；基于所述性能參數(shù)測量值確定所述供暖、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)的喘振線；以及基于所述性能參數(shù)獨立地控制所述至少一個流量控制裝置以抑制所述喘振的發(fā)生。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，測量所述性能參數(shù)包括以下步驟 在所述壓縮機的上游位置處測量所述供暖、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)的第一壓力； 在所述壓縮機的下游位置處測量所述供暖、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)的第二壓力；以及 確定壓力比。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，測量性能參數(shù)包括以下步驟 計算所述壓縮機的上游位置處的第一飽和溫度；計算所述壓縮機的下游位置處的第二飽和溫度；以及 確定飽和溫度差值。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，測量所述性能參數(shù)包括計算所述壓縮機的 壓頭。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，測量所述性能參數(shù)包括以下步驟 計算所述壓縮機的上游位置處的第一飽和壓力；計算所述壓縮機的下游位置處的第二飽和壓力；以及 確定飽和壓力差值。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，獨立地控制所述供暖、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)包括 控制下述中任意一個的運行壓縮機、或至少一個流量控制裝置、或者所述壓縮機和所述至 少一個流量控制裝置兩者。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述至少一個流量控制裝置包括至少一個 入口流量控制裝置、或至少一個出口流量控制裝置、或者至少一個入口流量控制裝置和至 少一個出口流量控制裝置兩者。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，獨立地控制包括控制所述壓縮機的速度。
9.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，獨立地控制包括增大所述壓縮機的所述速 度或者減小所述壓縮機的所述速度或者關(guān)閉所述壓縮機。
10.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，獨立地控制包括獨立地控制包括熱氣體旁 路的所述至少一個出口流量控制裝置。
11.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，獨立地控制包括獨立地控制所述至少一個 入口流量控制裝置的位置。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，獨立地控制包括獨立地控制以下入口流 量控制裝置中任意一種的位置，所述入口流量控制裝置包括風(fēng)門、排氣扇、格柵、閥和入口 導(dǎo)向葉片。
13.一種供暖、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)，包括蒸發(fā)器； 冷凝器；具有入口和出口的壓縮機；與所述入口或所述出口或者所述入口和所述出口兩者連通的至少一個流量控制裝置；以及控制器，所述控制器被利用對應(yīng)于指示喘振的發(fā)生的性能參數(shù)的信息進行了編程，并 且適于獨立地控制下述中的至少任意一個所述壓縮機、或所述至少一個流量控制裝置、或 者所述壓縮機和所述至少一個流量控制裝置兩者，并且適于抑制喘振的發(fā)生。
14.如權(quán)利要求13所述的供暖、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器被編程為 在所述壓縮機的上游位置處測量所述供暖、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)的第一壓力；在所述壓縮機的下游位置處測量所述供暖、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)的第二壓力；以及 確定指示喘振的發(fā)生的壓力比；基于所述壓力比確定所述供暖、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)的喘振線；以及基于所述壓力比獨立地控制所述至少一個流量控制裝置以抑制所述喘振的發(fā)生。
15.如權(quán)利要求13所述的供暖、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器被編程為 計算所述壓縮機的上游位置處的第一飽和溫度；計算所述壓縮機的下游位置處的第二飽和溫度；以及 確定指示所述喘振的發(fā)生的飽和溫度差值；基于所述飽和溫度差值確定所述供暖、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)的喘振線；以及基于所述飽和溫度差值獨立地控制所述至少一個流量控制裝置以抑制喘振的發(fā)生。
16.如權(quán)利要求13所述的供暖、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器被編程為 計算所述壓縮機的壓頭；確定指示所述喘振的發(fā)生的壓頭測量值； 基于所述壓頭確定喘振線；以及基于所述壓頭獨立地控制所述至少一個流量控制裝置以抑制喘振的發(fā)生。
17.如權(quán)利要求13所述的供暖、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器被編程為 計算所述壓縮機的上游位置處的第一飽和壓力；計算所述壓縮機的下游位置處的第二飽和壓力；以及 確定指示所述喘振的發(fā)生的飽和壓力差值； 基于所述飽和壓力差值確定喘振線；以及基于所述飽和壓力差值獨立地控制所述至少一個流量控制裝置以抑制喘振的發(fā)生。
18.如權(quán)利要求13所述的供暖、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)，其特征在于，所述壓縮機包括以下中 的任意一種固定速度壓縮機或變速壓縮機。
19.如權(quán)利要求13所述的供暖、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)，其特征在于，所述壓縮機包括以下中 的任意一種離心式壓縮機或軸流式壓縮機。
20.如權(quán)利要求13所述的供暖、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一個流量控制 裝置包括以下中的任意一種入口流量控制裝置、或出口流量控制裝置、或者入口流量控制 裝置和出口流量控制裝置兩者。
21.如權(quán)利要求20所述的供暖、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)，其特征在于，所述入口流量控制裝置包括以下中的任意一種風(fēng)門、排氣扇、格柵、閥和入口導(dǎo)向葉片。
22.如權(quán)利要求20所述的供暖、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)，其特征在于，所述出口流量控制裝置 包括以下中的任意一種可變幾何結(jié)構(gòu)擴散器或熱氣體旁路。
全文摘要
一種用于控制供暖、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)的運行的方法，概括地包括提供供暖、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)，所述系統(tǒng)具有蒸發(fā)器、冷凝器、具有入口和出口的壓縮機、以及至少一個流量控制裝置；測量所述供暖、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)的性能參數(shù)；確定指示喘振的發(fā)生的性能參數(shù)測量值；基于所述性能參數(shù)測量值確定所述供暖、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)的喘振線；以及基于所述性能參數(shù)獨立地控制所述至少一個流量控制裝置以抑制喘振的發(fā)生。
文檔編號F24F11/00GK101896773SQ200880120926
公開日2010年11月24日 申請日期2008年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月14日
發(fā)明者J·布拉什, L·G·特圖 申請人:開利公司