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摘要：对螺杆式制冷机组的冷冻油温度进行控制，能有效提高制冷机组的运行效率，有利于制冷机组的发展。本文分析了双级螺杆式机组油路系统，从两个方面对机组运行前的油温控制进行了说明，阐述了机组运行初始阶段的油温控制，为制冷机组的稳定运行提供了保障，期望能给人们这方面有益的参考。
关键词：螺杆式制冷机组；油温控制；PID控制系统；分析
引言
随着我国经济的不断增长，各行业对制冷机组的使用越来越多，制冷机组的应用也随之而变得广泛起来。但是在实际运行当中，如果没有很好地对冷冻油温度进行控制，就会对制冷机组的设备造成损害。因此如何做好制冷机组运行初始阶段的油温控制工作就显得十分必要。下面就此进行讨论分析。
1 双级螺杆式机组油路系统
系统采用半封闭双级变频螺杆式压缩机1，制冷剂为R22，蒸发温度范围为-60～-30℃，冷冻油型号为3GS，机组运行时注入压缩机的冷冻油最佳温度范围为40～60℃。
系统中，冷冻油起到了密封转子间隙、冷却气体制冷剂和及润滑压缩机运动部件从而提高容积效率的作用。过低的冷冻油温度会使其溶解制冷剂的能力增强，令冷冻油黏度及润滑能力降低，加速压缩机运动部件的机械磨损。
国内大部分冷库机房均无供暖措施，在寒冷地区如果机组运转率较低，机房内的温度会降至0℃以下。尤其是机组在低环境温度下长期待机时，油气分离器内贮存的冷冻油被周围环境冷却至较低的温度，此时机组开机运行可能对螺杆式压缩机造成损害。因此，螺杆式机组运行初始阶段的油温控制就显得十分必要。
2机组运行前的油温控制
2.1 机组运行前油温控制的重要性
双级螺杆式制冷机组运行时的环境温度一般要求在0～40℃之间，但是在冬季气温较低的情况下，如果机组较长时间停机，油气分離器中贮存的润滑油温度也会随之降低，黏度增大而溶解大量制冷剂。在不同油温及压力条件下，制冷剂R22在冷冻油3GS中的溶解度如图1所示。
图1 制冷剂R22在冷冻油3GS中的溶解度曲线
随着冷冻油中制冷剂溶解度的增加，冷冻油的黏度明显降低，而油温越高，冷冻油的黏度也会越低。
对于双级螺杆式制冷机组，油气分离器中的油温过低，将会导致供给压缩机的冷冻油中的制冷剂溶解量增大，导致冷冻油黏度降低、压缩机轴承润滑不足，从而造成压缩机损伤。而冷冻油中的制冷剂溶解量增大会导致油飞散量增加，油气分离器分油效率降低，大量冷冻油被带入系统从而造成给油量不足，如压缩机供油中断将可能导致压缩机烧毁。而冷冻油大量进入蒸发器会导致其热交换能力低下，冷却效果变差会导致吸气过热度降低。注入压缩机中的冷冻油中如含有大量制冷剂，会对热交换量产生影响，造成排气温度过低，导致恶性循环。
因此，对于双级螺杆式制冷系统，根据压缩机生产厂家的建议，需控制R22制冷剂在3GS冷冻油中的溶解度在5%～20%的范围，可以认为对于压缩机是安全可靠的。而在开机前，如油温保持在45℃以上，就基本可以保证制冷剂溶解度控制在允许的范围内。
在相同的制冷剂溶解度条件下，油温越高，其黏度会大幅降低，从而使压缩机的8FD0动部件之间无法形成油膜，使其密封性及容积效率降低。而过高的冷冻油温度会使其冷却能力降低，压缩机排气温度过高，易造成报警及容积效率降低。因此，过低或过高的冷冻油温度对螺杆式制冷机组的运行都是不利的，机组开始运行时需将油气分离器中的油温控制在合适的范围内。
2.2 机组运行前的油温控制方法
双级螺杆式制冷机组在开机初始阶段，为使注入压缩机的3GS冷冻油中制冷剂R22的溶解度控制在合适的范围内，将油气分离器2设计成如图2所示形式。
图2 油气分离器外观简图
低油位报警器下方安装有内置电加热器，当机组停机时，可产生热量对油气分离器内部的润滑油加热。油温传感器对油气分离器中的润滑油温度进行检测，其检测的温度信号输入PLC控制器，由其控制电加热器的开启或关闭。一般认为将油气分离器中冷冻油温度的目标值控制在45～60℃之间是合适的。
由于油气分离器中被电加热器加热的润滑油向上流动，润滑油在竖直方向由上至下存在逐渐降低的温度梯度，而电加热器附近的润滑油温度较油气分离器中其他处的温度要高。因此，油温传感器安装在低油位报警器下方并远离电加热器处。这样所检测的温度最接近于油气分离器本体底部出油管处的润滑油温度。可在油气分离器筒体上焊接一个一端缩口的缩口铜管，将油温传感器装入缩口铜管后用硅胶将感温探头固定在缩口铜管内部，铜管外部接口塞入橡胶塞。
3 机组运行初始阶段的油温控制
3.1 机组运行初始阶段的油温特点
当油气分离器内的冷冻油温度达到使用条件后，螺杆式制冷机组开机运行。此时压缩机排气侧所携带的高温冷冻油与油气分离器中温度较低的冷冻油不断混合，使得油气分离器内的冷冻油温度不断上升，直到达到稳定状态。此时出油管排出的冷冻油温度接近恒定值，由于油气分离器向外界散失了部分热量，此时冷冻油温度稍低于排气温度。
根据热力学计算公式，冷冻油在冷却过程中的冷却负荷（W）为
（1）
式中：c为冷冻油的比热容（J/（kg·℃））； 为冷冻油的质量流量（kg/s）；Δt为冷冻油经过板式换热器冷却后的温度变化（℃）。
以蒸发温度-50℃工况为例，将冷冻油冷却目标温度设置为50℃，通过式（1）可得，在不同冷凝温度下机组开机运行初始阶段，随着油气分离器出油温度的变化，在螺杆式制冷机组开机运行的初始阶段，油冷负荷是一个逐渐升高的变化过程。冷凝温度越高，油气分离器出油温度所能达到的最大值越高。当出油温度达到最大值后，油冷却负荷逐渐稳定。
3.2 机组运行初始阶段油冷却控制优化改进 由于在机组运行初始阶段，油冷却负荷是一个从零开始逐渐升高的过程，因此对应油冷系统，很难选定某种型号的热力膨胀阀，使油温稳定在40～60℃使用范围内。此时热力膨胀阀的开启必将导致冷冻油温度剧烈下降，低于机组运行时所要求的冷冻油最低温度。同时，供液电磁阀将不断启停，油温波动使板式换热器存在因热应力冲击造成泄漏的危险。
为了减小机组运行初始阶段油温波动对板式换热器造成热应力冲击，将原系统中的热力膨胀阀改为电子膨胀阀，并使用PID控制器对电子膨胀阀进行自动调节的控制方式，油气分离器设置了电加热器。其中冷冻油控制目标值为toil=50℃，电磁阀在冷冻油温度t>47℃时开启，t<47℃时关闭。
该系统采用PID控制法，图3中R（t）是油温的期望值，即toil=50℃，y（t）是系统的实际输出，即冷冻油冷却后测得的温度t，两者构成控制偏差e（t）（e（t）=R（t）-y（t）=50-t）即PID控制器的输入。函数u（t）作为PID控制器的输出信号，它是通过对偏差信号e（t）的比例（P），积分（I）和微分（D）运算后得到的。u（t）也是被控对象的输入信号，它给电子膨胀阀驱动电机输入0～480的脉冲信号，使其开度连续增大或减小，从而使进入换热器的制冷剂流量m（t）改变。换热器可视为有滞后的一阶对象，由其来实现冷冻油的冷却功能。
图3 PID控制系统原理
3.3 油冷却控制系统改进后的油温控制效果
使用改造后的油冷系統，对库温-42℃的冷库，环境温度为24℃的情况下，在机组开机运行后对注入压缩机的油温情况进行了测试。其中冷冻油控制目标值为toil=50℃，油气分离器中的电加热器在机组运行前将油温加热至45℃。
图4所示为对应系统改造后机组运行初始阶段的注入压缩机的冷冻油温度变化曲线。通过测试结果可知，机组开始运行后，随着油温逐渐升高，电子膨胀阀开始工作。虽然从油气分离器分离出的冷冻油温度不断升高，但由于PID控制器对电子膨胀阀阀口开度的调节，使得冷却后注入压缩机的冷冻油温度波动幅度保持在10℃以内，并且不超出40～60℃的使用范围。随着螺杆式制冷机组冷凝压力及压缩机排气温度不断升高，油温波动均值逐渐升高。直到运行时间达到26min左右时，排气温度瞬间升高至66℃，又下降至42℃。随后冷冻油温度逐渐上升，并稳定在目标值50℃附近。
图4 系统改造后机组运行初始阶段的油温变化
图5所示为对应改造前机组运行初始阶段注入压缩机的冷冻油温度变化曲线。通过测试结果可见，当油分离器分离出的冷冻油温度升高至50℃以后，注入压缩机的冷冻油温度不断波动变化，波动幅度超过25℃，且最低温度达到33℃，不在40～60℃的使用范围。
图5 系统改造前机组运行初始阶段的油温变化
通过比较改造前后的油温变化曲线可知，在开机运行的初始阶段，PID控制法可使油气分离器分离出的冷冻油温度不断升高的情况下，使注入压缩机的油温保持较低的波动幅度，明显低于改造前的油温控制系统。尽管目前使用的PID控制法对油温控制仍有一定的滞后性，在油温稳定前存在一次瞬间的波动情况，但与改造前系统相比油温波动情况明显改善，并可使注入压缩机的油温稳定在目标值。如何通过改进目前PID控制器使用的运算改善其对油温控制的滞后性，是下一步研究和改进的方向。
4 结语
综上所述，使用由PLC控制并有加热器的油气分离器，可以使螺杆式制冷机组在低温环境下也能正常运行。使用PID控制系统进行冷冻油冷却，可以有效降低机组运行后的供油温度波动幅度，使油温值得到稳定。这样不仅明显降低压缩机的故障率，而且能使板式换热器的危险泄露大幅降低，值得我们推广应用。
参考文献：
[1]刘莉宏.基于智能控制的PID控制方式的研究[J].北京工业职业技术学院学报，2012，11（2）.
[2]吴春明.氟利昂经济器螺杆制冷压缩机组常见故障及处理[J].中国科技博览，2013.
关键词：螺杆式制冷机组；油温控制；PID控制系统；分析
引言
随着我国经济的不断增长，各行业对制冷机组的使用越来越多，制冷机组的应用也随之而变得广泛起来。但是在实际运行当中，如果没有很好地对冷冻油温度进行控制，就会对制冷机组的设备造成损害。因此如何做好制冷机组运行初始阶段的油温控制工作就显得十分必要。下面就此进行讨论分析。
1 双级螺杆式机组油路系统
系统采用半封闭双级变频螺杆式压缩机1，制冷剂为R22，蒸发温度范围为-60～-30℃，冷冻油型号为3GS，机组运行时注入压缩机的冷冻油最佳温度范围为40～60℃。
系统中，冷冻油起到了密封转子间隙、冷却气体制冷剂和及润滑压缩机运动部件从而提高容积效率的作用。过低的冷冻油温度会使其溶解制冷剂的能力增强，令冷冻油黏度及润滑能力降低，加速压缩机运动部件的机械磨损。
国内大部分冷库机房均无供暖措施，在寒冷地区如果机组运转率较低，机房内的温度会降至0℃以下。尤其是机组在低环境温度下长期待机时，油气分离器内贮存的冷冻油被周围环境冷却至较低的温度，此时机组开机运行可能对螺杆式压缩机造成损害。因此，螺杆式机组运行初始阶段的油温控制就显得十分必要。
2机组运行前的油温控制
2.1 机组运行前油温控制的重要性
双级螺杆式制冷机组运行时的环境温度一般要求在0～40℃之间，但是在冬季气温较低的情况下，如果机组较长时间停机，油气分離器中贮存的润滑油温度也会随之降低，黏度增大而溶解大量制冷剂。在不同油温及压力条件下，制冷剂R22在冷冻油3GS中的溶解度如图1所示。
图1 制冷剂R22在冷冻油3GS中的溶解度曲线
随着冷冻油中制冷剂溶解度的增加，冷冻油的黏度明显降低，而油温越高，冷冻油的黏度也会越低。
对于双级螺杆式制冷机组，油气分离器中的油温过低，将会导致供给压缩机的冷冻油中的制冷剂溶解量增大，导致冷冻油黏度降低、压缩机轴承润滑不足，从而造成压缩机损伤。而冷冻油中的制冷剂溶解量增大会导致油飞散量增加，油气分离器分油效率降低，大量冷冻油被带入系统从而造成给油量不足，如压缩机供油中断将可能导致压缩机烧毁。而冷冻油大量进入蒸发器会导致其热交换能力低下，冷却效果变差会导致吸气过热度降低。注入压缩机中的冷冻油中如含有大量制冷剂，会对热交换量产生影响，造成排气温度过低，导致恶性循环。
因此，对于双级螺杆式制冷系统，根据压缩机生产厂家的建议，需控制R22制冷剂在3GS冷冻油中的溶解度在5%～20%的范围，可以认为对于压缩机是安全可靠的。而在开机前，如油温保持在45℃以上，就基本可以保证制冷剂溶解度控制在允许的范围内。
在相同的制冷剂溶解度条件下，油温越高，其黏度会大幅降低，从而使压缩机的8FD0动部件之间无法形成油膜，使其密封性及容积效率降低。而过高的冷冻油温度会使其冷却能力降低，压缩机排气温度过高，易造成报警及容积效率降低。因此，过低或过高的冷冻油温度对螺杆式制冷机组的运行都是不利的，机组开始运行时需将油气分离器中的油温控制在合适的范围内。
2.2 机组运行前的油温控制方法
双级螺杆式制冷机组在开机初始阶段，为使注入压缩机的3GS冷冻油中制冷剂R22的溶解度控制在合适的范围内，将油气分离器2设计成如图2所示形式。
图2 油气分离器外观简图
低油位报警器下方安装有内置电加热器，当机组停机时，可产生热量对油气分离器内部的润滑油加热。油温传感器对油气分离器中的润滑油温度进行检测，其检测的温度信号输入PLC控制器，由其控制电加热器的开启或关闭。一般认为将油气分离器中冷冻油温度的目标值控制在45～60℃之间是合适的。
由于油气分离器中被电加热器加热的润滑油向上流动，润滑油在竖直方向由上至下存在逐渐降低的温度梯度，而电加热器附近的润滑油温度较油气分离器中其他处的温度要高。因此，油温传感器安装在低油位报警器下方并远离电加热器处。这样所检测的温度最接近于油气分离器本体底部出油管处的润滑油温度。可在油气分离器筒体上焊接一个一端缩口的缩口铜管，将油温传感器装入缩口铜管后用硅胶将感温探头固定在缩口铜管内部，铜管外部接口塞入橡胶塞。
3 机组运行初始阶段的油温控制
3.1 机组运行初始阶段的油温特点
当油气分离器内的冷冻油温度达到使用条件后，螺杆式制冷机组开机运行。此时压缩机排气侧所携带的高温冷冻油与油气分离器中温度较低的冷冻油不断混合，使得油气分离器内的冷冻油温度不断上升，直到达到稳定状态。此时出油管排出的冷冻油温度接近恒定值，由于油气分离器向外界散失了部分热量，此时冷冻油温度稍低于排气温度。
根据热力学计算公式，冷冻油在冷却过程中的冷却负荷（W）为
（1）
式中：c为冷冻油的比热容（J/（kg·℃））； 为冷冻油的质量流量（kg/s）；Δt为冷冻油经过板式换热器冷却后的温度变化（℃）。
以蒸发温度-50℃工况为例，将冷冻油冷却目标温度设置为50℃，通过式（1）可得，在不同冷凝温度下机组开机运行初始阶段，随着油气分离器出油温度的变化，在螺杆式制冷机组开机运行的初始阶段，油冷负荷是一个逐渐升高的变化过程。冷凝温度越高，油气分离器出油温度所能达到的最大值越高。当出油温度达到最大值后，油冷却负荷逐渐稳定。
3.2 机组运行初始阶段油冷却控制优化改进 由于在机组运行初始阶段，油冷却负荷是一个从零开始逐渐升高的过程，因此对应油冷系统，很难选定某种型号的热力膨胀阀，使油温稳定在40～60℃使用范围内。此时热力膨胀阀的开启必将导致冷冻油温度剧烈下降，低于机组运行时所要求的冷冻油最低温度。同时，供液电磁阀将不断启停，油温波动使板式换热器存在因热应力冲击造成泄漏的危险。
为了减小机组运行初始阶段油温波动对板式换热器造成热应力冲击，将原系统中的热力膨胀阀改为电子膨胀阀，并使用PID控制器对电子膨胀阀进行自动调节的控制方式，油气分离器设置了电加热器。其中冷冻油控制目标值为toil=50℃，电磁阀在冷冻油温度t>47℃时开启，t<47℃时关闭。
该系统采用PID控制法，图3中R（t）是油温的期望值，即toil=50℃，y（t）是系统的实际输出，即冷冻油冷却后测得的温度t，两者构成控制偏差e（t）（e（t）=R（t）-y（t）=50-t）即PID控制器的输入。函数u（t）作为PID控制器的输出信号，它是通过对偏差信号e（t）的比例（P），积分（I）和微分（D）运算后得到的。u（t）也是被控对象的输入信号，它给电子膨胀阀驱动电机输入0～480的脉冲信号，使其开度连续增大或减小，从而使进入换热器的制冷剂流量m（t）改变。换热器可视为有滞后的一阶对象，由其来实现冷冻油的冷却功能。
图3 PID控制系统原理
3.3 油冷却控制系统改进后的油温控制效果
使用改造后的油冷系統，对库温-42℃的冷库，环境温度为24℃的情况下，在机组开机运行后对注入压缩机的油温情况进行了测试。其中冷冻油控制目标值为toil=50℃，油气分离器中的电加热器在机组运行前将油温加热至45℃。
图4所示为对应系统改造后机组运行初始阶段的注入压缩机的冷冻油温度变化曲线。通过测试结果可知，机组开始运行后，随着油温逐渐升高，电子膨胀阀开始工作。虽然从油气分离器分离出的冷冻油温度不断升高，但由于PID控制器对电子膨胀阀阀口开度的调节，使得冷却后注入压缩机的冷冻油温度波动幅度保持在10℃以内，并且不超出40～60℃的使用范围。随着螺杆式制冷机组冷凝压力及压缩机排气温度不断升高，油温波动均值逐渐升高。直到运行时间达到26min左右时，排气温度瞬间升高至66℃，又下降至42℃。随后冷冻油温度逐渐上升，并稳定在目标值50℃附近。
图4 系统改造后机组运行初始阶段的油温变化
图5所示为对应改造前机组运行初始阶段注入压缩机的冷冻油温度变化曲线。通过测试结果可见，当油分离器分离出的冷冻油温度升高至50℃以后，注入压缩机的冷冻油温度不断波动变化，波动幅度超过25℃，且最低温度达到33℃，不在40～60℃的使用范围。
图5 系统改造前机组运行初始阶段的油温变化
通过比较改造前后的油温变化曲线可知，在开机运行的初始阶段，PID控制法可使油气分离器分离出的冷冻油温度不断升高的情况下，使注入压缩机的油温保持较低的波动幅度，明显低于改造前的油温控制系统。尽管目前使用的PID控制法对油温控制仍有一定的滞后性，在油温稳定前存在一次瞬间的波动情况，但与改造前系统相比油温波动情况明显改善，并可使注入压缩机的油温稳定在目标值。如何通过改进目前PID控制器使用的运算改善其对油温控制的滞后性，是下一步研究和改进的方向。
4 结语
综上所述，使用由PLC控制并有加热器的油气分离器，可以使螺杆式制冷机组在低温环境下也能正常运行。使用PID控制系统进行冷冻油冷却，可以有效降低机组运行后的供油温度波动幅度，使油温值得到稳定。这样不仅明显降低压缩机的故障率，而且能使板式换热器的危险泄露大幅降低，值得我们推广应用。
参考文献：
[1]刘莉宏.基于智能控制的PID控制方式的研究[J].北京工业职业技术学院学报，2012，11（2）.
[2]吴春明.氟利昂经济器螺杆制冷压缩机组常见故障及处理[J].中国科技博览，2013.