毕业设计（论文）-船用模块化冷水机组的研制与试验验证

PAGEPAGE3船用模块化冷水机组的研制与试验验证DesignandexperimentalverificationofModularTemperingUnitofShip学校：合肥工业大学学院：机械与汽车工程学院专业与班级：设计者：指导老师： 目录摘要················································（1）ABSTRACT·········································（1）绪言1当前舰船空调装置的现状································（1）1．2模块拼装式水冷空调····································（2）1．2．1模块拼装式水冷空调概述··························（2）1．2．2模块化空调的优缺点······························（2）1．3课题来源、内容与意义··································（4）MTU制冷系统原理制冷系统基本热力学原理·································（5）MTU系统设计原理······································（6）MTU系统设计压缩机选型及循环热力计算······························（7）3．1．1制冷压缩机·······································（7）3．1．2压缩机型号确定···································（7）3．1．3制冷循环热力计算计算·····························（8）冷凝器设计············································（10）3．2．1冷凝器··········································（10）3．2．2卧式壳管式冷凝器设计计算························（12）3．3蒸发器选型3．3．1蒸发器··········································（17）3．3．2板式换热器基本结构······························（19）3．3．3板式换热器选型设计······························（21）3．4制冷辅助设备选型······································（27）3．4．1节流机构········································（27） 3．4．2电磁阀选型······································（29） 3．4．3干燥过滤器选型··································（29） 3．4．4视液镜选型······································（30）MTU控制系统设计4．1制冷空调控制系统······································（31）4．2MTU对控制系统功能要求·······························（31）4．2．1自动控制系统功能································（31） 4．2．2MTU对自动控制系统的具体要求···················（33）4．3MTU电气系统设计·····································（35） 4．3．1现场控制箱······································（35） 4．3．2中央控制箱······································（36）MTU试验验证5．1MTU设计工况运行试验·································（38）5．2MTU最大运行工况试验·································（38）5．3MTU倾斜与摇摆试验···································（41）总结··························································（42）参考书目·····················································（43）摘要目前，国内外舰船用空调普遍存在质量低、故障多、型号杂、备件供应困难、管理难度大等问题。为解决上述一系列问题，本文对舰船用模快化水冷冷水机组进行了设计和研制。根据海上舰船用空调的技术条件，所研制的模块化水冷冷水机组的压缩机和蒸发器分别采用了先进的涡旋式压缩机和板式换热器，冷凝器采用了卧式壳管式冷凝器。机组的控制系统采用了可编程控制器PLC，对机组进行精确、有效的控制。本文不仅对冷凝器进行了精确的设计计算，还对板式蒸发器进行了详细的选型计算。经过对机组进行模拟试验和试验结果的分析和研究，得到的结果是所研制的舰船用模块化水冷冷水机组是成功的，完全可以解决上述问题。关键词舰船用模块化水冷冷水机组可编程控制器模拟试验ABSTRACTPresently，Air-conditionorsofshiphavelotsofproblemsatdomesticandabroad,suchasbadquanlity,mixedtypes,difficultsupplyofequipmentanddifficultmanagement.Inordertosolvethisproblems,thepaperhaveprocessdedtoresearchanddesignModularTemperingUnits(MTU)ofship.Accordingtothespecialconditionofship,inMTU,scrollcompressorandplate-typeevaporatorareused,anditscontrolsystemisPLCcontrolsystem,whichcancontrolMTUeasilyandeffectively.Thepapernotonlyprovidesthedesigncalculationofthecondensor,butalsoprovidestheselectioncalculationoftheplate-typeevaporator.ItisexperimentallyprovedthatthedesignofMTUisverysuccessful,anditcansolveallofthedifficultproblems.KeywordsMTUPLCsimulativeexperiemnt第二章MTU制冷系统原理2．1制冷系统基本热力学原理蒸汽压缩式制冷系统主要包括四大件，即压缩机、冷凝器、蒸发器和节流机构。这四大件通过管道连接成一个封闭的系统如图2.1所示。图2.1制冷系统图工质在蒸发器内与被冷却对象发生热量交换，吸收被冷却对象的热量并汽化，产生的低温低压蒸汽被压缩机吸入，经压缩后高压排出压缩过程需要消耗能量。压缩机排出的高温高压气态工质在冷凝器被常温冷却介质（水或空气）冷却，凝结成高压液体。高压液体经过节流机构时节流，变成低温低压湿蒸汽，进入蒸发器，其中的低压液体在蒸发器中汽化，实现制冷过程。所以，制冷系统的基本热力学原理是利用工质的状态变化，从低温热源吸热，向高温热源放热，消耗能量的补偿过程，其热力学原理图如图2.2所示。图2.2制冷系统热力学原理图2．2MTU系统设计原理MTU的制冷循环是一蒸汽压缩式制冷循环。压缩机通过吸气口从蒸发器中吸入低温低压的制冷剂蒸气，制冷剂蒸气在涡旋式压缩机中压缩，变成高温高压的制冷剂蒸气，从压缩机的排气口排出。高温高压的制冷剂蒸汽进入壳管式冷凝器，被从传热管中流过的冷却海水冷凝，冷凝后的液体经过干燥过滤器过虑。干燥过滤器把制冷剂液体中的水分和渣质过滤掉，以免堵塞热力膨胀阀。过虑后的制冷剂液体依次经过观察镜和电磁阀，观察镜的作用是便于我们观察管路中的制冷剂液体是否含有气泡和水分，而电磁阀的作用是机组停机后自动切断管路，防止制冷剂液体进入蒸发器，以免液击。制冷剂液体经过热力膨胀阀节流后，变成低温低压的制冷剂液体，进入蒸发器。在蒸发器中低温低压的制冷剂蒸发变成蒸气，同时从冷媒水中吸热，使冷媒水的温度变成7℃。随后又被吸入压缩机继续压缩，开始下一个循环。以下为系统原理图。图2.3系统原理图第三章MTU系统设计3．1制冷压缩机选型及循环热力计算3．1．1制冷压缩机制冷压缩机相当于制冷空调系统中的“心脏”。它在制冷系统中的作用在于：抽吸来自于蒸发器的制冷剂蒸气，并提高其温度和压力后，将它排向冷凝器。制冷压缩机根据其对制冷剂蒸气的压缩热力学性质可以分为容积型和速度型两大类。1．容积型压缩机在容积型压缩机中，一定容积的气体先被吸入到气缸中，继而在气缸中其容积被强制缩小，压力升高，当达到一定压力时气体便强制地从气缸排出。容积型压缩机的吸排气过程是间歇进行，其流动并非连续稳定的。容积型压缩机按其压缩部件的运动特点可分为两种形式：往复活塞式和回转式。2．速度型压缩机在速度型压缩机中，气体压力的增长是由气体的速度转化而来，即先使吸入的气流获得一定的高速，然后再使之缓慢下来，让其动量转化为气体的压力升高，而后排出。速度型压缩机中的压缩流程可以连续地进行，其流动是稳定的。在制冷和热泵系统中应用的速度型压缩机几乎都是离心式压缩机。3．1．2MTU压缩机型号确定舰船用模块化冷水机组的使用环境比较恶劣，因此选用合适船用的制冷压缩机致关重要。所设计MTU的制冷量为18kw，机组的体积比较小（体积为600×600×740），又由于使用环境的特殊性，要求机组的噪声尽可能低，振动尽可能小。考虑MTU的使用环境和特殊要求，经过众多类型的制冷压缩机的比较，最后确定选用涡旋式制冷压缩机。涡旋式制冷压缩机是20世纪80年代才发展起来的新型压缩机。它与活塞式制冷压缩机比较，在相同工作条件、相同制冷量下，体积可减少40％，重量减轻15％，输气系数提高30％，绝热效率提高约10％。与其它制冷压缩机相比，涡旋压缩机有如下特点：相邻两室的压差小，气体的泄漏量少；由于吸气、压缩、排气是同时连续地进行，压力上升速度较慢，因此转矩变化幅度小、振动小。没有余隙容积，故不存在引起输气系数下降的膨胀过程。无吸、排气阀，效率高，可靠性高，噪声低。由于采用气体支承机构，故允许带液压缩，一旦压缩腔内压力过高，可使动盘与静盘脱离，压力立即得到释放。机壳内腔为排气室，减少了吸气预热，提高了压缩机的输气系数。根据其制冷量为18kw，选用大连三洋压缩机生产厂生产的C-SC603H8H 型涡旋式制冷压缩机。3．1．3制冷循环热力计算3．2冷凝器设计3．2．1冷凝器冷凝器是制冷系统的一种热交换设备。高压、过热的制冷剂蒸汽在冷凝器中放出热量后，凝结成饱和液体或过冷液体，放出的热量被冷却介质带走。冷凝器按冷却方式可分为三种：空气冷却式冷凝器、水冷却式冷凝器和蒸发式和淋激式冷凝器。由于所设计的舰船用模块化冷水机组是采用海水冷却，故所采用的冷凝器型式应是水冷却式冷凝器。在水冷却式冷凝器中，制冷剂放出的热量被冷却水带走。水冷式冷凝器有壳管式、套管式、板片式等几种形式。冷却水可用天然水、自来水或者经冷却水塔冷却后的循环水。使用天然水时容易使冷凝器结垢，影响传热效果，因此必须经常清洗。耗水量不大的小型装置可以用自来水冷却。大、中型水冷式冷凝器用循环水冷却，以减少水耗。由于MTU是用于舰艇上，而且是用海水冷却，使用环境比较恶劣，在冷凝器的选择上对各种条件要给与充分的考虑。一般不适合选择板式换热器作为MTU的冷凝器。因为海水的水质比较差，里面有许多泥沙和藻类，容易堵塞板式换热器的流道或胀裂板片，而且会频繁的堵塞过滤器，导致机组的频繁报警。套管式冷凝器套管式冷凝器由两根或几根大小不同的管子组成。大管子内套小管子，小管子可以是一根，也可以有数根。制冷剂蒸汽从上部进入，凝结液从下部进入内管，吸热后从上部流出，制冷剂与冷却水之间为逆流换热。套管可以绕成螺旋型或弯成蛇管型。它的主要优点：结果简单，传热面积增减自如。由于它由标准构件组合而成，安装时无须另外加工；传热效率高。它是一种纯逆流型换热器，同时还可以选取合适的截面尺寸，以提高流体速度，增大两侧流体的给热系数。套管式换热器的缺点是占地面积大；单位传热面积金属消耗多，约为壳管式换热器的5倍；流阻大。卧式壳管式冷凝器卧式壳管式冷凝器的基本结构是由筒形外壳、管板、管束、和端盖组成。制冷剂蒸汽在管外凝结，凝液从筒底流出，冷却水在管内多次往返流动。卧式壳管式冷凝器常采用偶数流程，使进出水安装在同一端盖上，冷却水从下面的进水口流入，从上面的出水口流出。端盖用螺栓压紧在管板上。端盖和管板间用橡皮垫密封。端盖顶部有放气旋塞，以便供水时排出其中的空气。下部有放水旋塞，当冷凝器冬季停用时，用以排除其中的积水以免管子冻裂。卧式壳管式冷凝器的优点：构造简单、结构紧凑；金属消耗量少；制造工艺简单、造价较低；传热性能好。其缺点主要有：占地面积大、冷却水流阻比较大、重量大。以上介绍的两种冷凝器在其结构上、优缺点等方面各有千秋，但在特殊的使用条件下，两者还是有很大的不同。首先，由于使用海水冷却，海水的腐蚀性很强，套管式冷凝器的套管要使用钛合金，但国内还没有厂家能够生产钛合金套管式换热器，国外还没有类似的产品在国内销售。其次，由于海水中含有许多泥沙，海水从套管中流过时，对套管的磨损非常严重，大大减小了机组的使用寿命。虽然选用套管式冷凝器在整机的体积和重量方面有优于卧式壳管式，但由于上述原因，选用卧式壳管式冷凝器更为合适。3．2．2卧式壳管式冷凝器设计计算设计参数：制冷剂：R22冷却介质：海水制冷量：18000W蒸发温度：t0=1.5℃冷凝温度：tk=40℃海水进口温度：=30℃二、设计计算3．3蒸发器选型3．3．1蒸发器蒸发器是制冷装置的另一种热交换设备。对于制冷系统来说，它是制冷剂从系统外吸热的换热器。在蒸发器中，制冷剂的液体在较低的温度下沸腾，转变为蒸汽，并吸收被冷却物体或介质的热量。蒸发器是制取冷量并输出冷量的设备。按其被冷却介质的特性，蒸发器可以分为冷却液体载冷剂的蒸发器及冷却空气的蒸发器。MTU是以水作为载冷剂的，故应选择冷却液体制冷剂的蒸发器。冷却液体制冷剂的蒸发器常用的有三种类型：满液式蒸发器、干式蒸发器和板式蒸发器。满液式蒸发器满液式蒸发器一般是制冷剂在管外蒸发，而载冷剂在管内流动。其结构与卧式壳管式冷凝器类似，它也是有圆筒形的壳体和固接于两端管板上的直管管束，管束两端加有端盖。一般也是作成多流程，载冷剂的进、出口也是设在同一端盖上，从下方流入而从上方流出。工作时制冷剂的液体经节流以后，由蒸发器的底部或侧面进入，蒸发后的蒸汽从上部流出。满液式蒸发器工作时，壳体内应冲装相当数量的液体制冷剂，一般其静液面的高度为壳体直径的70％～80％，此时会有1～3排管子露在液面以上。满液式蒸发器的优点：构造简单、结构紧凑；金属消耗量少；制造工艺简单、造价较低；传热性能好。其主要缺点为：制冷剂的充装量大；当壳体直径较大时，由于液体静压力的影响，使下部的液体的蒸发温度提高，减少了蒸发器的传热温差；制冷剂中溶解的润滑油难以排出；以水作为载冷剂时，一般只能冷却到4～5℃，以防由于冷却不均衡而在有些管中使水结冰。干式壳管式蒸发器干式壳管式蒸发器是管内蒸发的卧式壳管式蒸发器。在这中蒸发器中，制冷剂在管内蒸发，而液体载冷剂在管外冷却。液体氟利昂经节流阀减压后，从端盖下部进入管内。随着在管内流动，吸收管外水的热量，液体氟利昂逐渐气化，蒸气从端盖上部接管返回压缩机。只要管内氟利昂的流速大于一定数值（4m/s），就可以保证润滑油顺利的返回压缩机。为了增加管外载冷剂流动速度，在壳体内横跨管簇装设折流板。折流板多作成圆缺形，而且缺口是上下相间装配。干式壳管式蒸发器不仅具有满液式蒸发器的优点，还克服了卧式壳管式的一些缺点，而且由于制冷剂在管内气化，管外被水包围，冷量损失较小；管外充水量较大,有一定的热稳定性，而且不会发生管子胀裂的现象。其缺点是：装配工艺较复杂；管外水垢清洗比较困难；折流板与壳体及管子之间存在间隙，影响载冷剂的正常流动及传热效果。（3）板片式换热器框架式板式换热器最常用的框架压板夹紧式。在这种结构中，金属板片安装在一个侧面有固定板和活动压紧板的框架内，并用夹紧螺栓夹紧。板片上装有密封垫片，将流体通道密封，并引导流体的流至各自的通道内。流体的流量、物理性质、压力降和温度差决定了板片的数量和尺寸。板片为波纹板，波纹板不仅提高了湍流程度，并形成了许多支撑点，足以承受介质间的压力差。框架式是可拆卸的，清洗较方便。②钎焊式可拆卸式板式换热器由于板片之间需要橡胶或其它材料的垫片密封，因此其受压和温度不能太高，一般压力≤2.5Mpa，温度≤160℃；另外，垫片的耐压性能、耐热性能、耐腐蚀性及弹性等都是有限的。钎焊式板式换热器克服了上述缺点，它是一系列波纹板片相互倒置，且波纹反向紧密地压合在一起予以钎焊，取消了垫片。其最高工作压力可达5.0Mpa，最高工作介质温度达400℃。2．板式换热器的流程组合流程：板式换热器内一种介质同一流动方向的一组并联流道。流道：在板式换热器内，相邻两块板片组成的介质流动通道。流程组合：将若干个流道按并联或串联的方式连接起来，以形成冷热介质通道的不同组合形式，称为板式换热器的流程组合。流程组合的表达式为：式中n 程数；mR热侧每程内并联的流道数；mL 冷侧每程内并联的流道数。流程组合是根据换热和流体阻力将计算，在满足工艺要求下确定。最简单的流程组合是“Z”形和“U”形，见图1，均属于单流程，两种流体一般用全逆留换热。与图1对应的板间流速分布见图2（图中仅示出乙流体）。a图为“Z”形流程组合b图为“U”形流程组合图3.3单流程组合

a“Z”形流程组合 b“U”形流程组合图3.4板间流速分布3．3．3板片蒸发器选型计算⑴板式换热器选型计算已知条件制冷剂：R22压缩机排量：137cm2/r供冷水温度：7℃回水温度：12℃水侧允许压降：≤0.10Mpa蒸发压力：P0＝0.51Mpa蒸发温度：t0＝1.5℃制冷量：Q0＝18kw入口干度：x1＝0.25出口干度：x2＝1.0

制冷剂质量流量：MR=0.105kg/s(378kg/h)允许压降：△P0＝0.04Mpa选Alfa－Laval的CB52型板式换热器，其板片的几何尺寸如下：单板有效流通面积：f＝0.05m3单通道横截面积：s＝0.21×10-3m2当量直径：de＝0.007m流程长度：L＝0.520m板厚：δ＝0.4×10-3m⑵选型计算物性参数3．4制冷辅助设备选型3．4．1节流机构节流机构是制冷装置中的重要部件之一，它的作用是将冷凝器或贮液器中冷凝压力下的饱和液体（或过冷液体），节流降至蒸发压力和蒸发温度，同时根据负荷的变化，调节进入蒸发器制冷剂的流量。常见的节流机构有四种：手动节流阀、浮球节流阀、热力膨胀阀、热电膨胀阀。鉴于MTU的使用环境和要求，节流机构选用热力膨胀阀较为合适。热力膨胀阀的选型热力膨胀阀的选型依据：①蒸发器的最大负荷；②蒸发温度；③冷凝温度；④液体过冷度；⑤通过热力膨胀阀的压力差。通过热力膨胀阀的压力降为冷凝压力和蒸发压力之差减去管道中和通过分液器等的压力降。(1)确定压力降制冷剂R22蒸发器负荷18kw蒸发温度1.5℃蒸发压力Pe＝5.1bar冷凝温度40℃冷凝压力Pc＝15.0bar为了确定膨胀阀的压力降，不仅要知道蒸发压力和冷凝压力，还要知道管路上的压力降。①在液体管路上的压力降△P1＝0.1bar；②安装在液管上的弯头、阀门、干燥过滤器等总的阻力损失△P2＝0.2bar；③在直立液体管路中的压力降△P3表3.4静压降△P3与直立液体管路高度差h的关系表MTU冷水机组的液管高度差h≈0.4m，则△P3≈0.047bar。经过膨胀阀总的压力降：P＝（Pc－Pe）－（△P1＋△P2＋△P3）≈（15.0－5.1）－（0.1＋0.2＋0.047）≈9.553bar确定热力膨胀阀的制冷量MTU冷水机组的制冷量为18kw，热力膨胀阀的制冷量要有20％～30％余量。则热力膨胀阀的制冷量：Qr＝18＋18×30％＝23.4kw（3）确定热力膨胀阀的型号经过比较，确定选用DANFOSS生产的固定流口热力膨胀阀。根据蒸发温度、阀的制冷量以及压力降，从以下的样本表中可知，选用型号为TDEX7.5的膨胀阀比较合适。表3.5热力膨胀阀样本表型号和名义制冷量流口号膨胀阀两端压力降△P（bar）246810121416蒸发温度+0℃TDEX4208.110.712.313.514.214.815.215.4TDEX63012.116.018.420.121.222.022.622.9TDEX7.54015.019.822.824.826.227.227.928.3TDEX81016.622.025.327.629.230.431.131.6TDEX112022.629.934.337.439.641.142.242.83．4．2电磁阀选型电磁阀是一种依靠电磁力自动启闭的截止阀。在中、小型空调器系统中，它串联在节流装置前的液体管道上，并于压缩机同接一个启动开关，即当压缩机开机时，电磁阀打开，接通系统管路，使制冷系统正常运行；当压缩机停机时，电磁阀自动切断液体管路，阻止制冷剂液体继续流向蒸发器，以防止压缩机在此启动时造成液击现象。经过比较以及根据MTU冷水机组的制冷量，选用DANFOSSS生产的型号为EVR10的电磁阀较为合适。3．4．3干燥过滤器选型在小型氟利昂制冷装置中，通常将过滤器与干燥器合为一体，称为干燥过滤器。干燥过滤器装在节流机构的前的液体管路上，用来吸附制冷剂所含的水分和渣质等，以防止热力膨胀阀流口堵塞。经过比较，选用DANFOSS公司生产的型号为DCL165s的干燥过滤器，接口为5/8in.。3．4．4视液镜选型视液镜不直接起保护作用，但它可以随时观察到制冷系统关键部位的内部状况，以便操作人员及时掌握系统运行是否正常。在不正常时，及时查找故障原因。这种监视对于安全保护也是必要的。它分为三中类型，即液流视液镜、液位视液镜和制冷剂含水量视液镜。MTU冷水机组选用的视液镜为制冷剂水量视液镜。在一般的液流视液镜中装入一只能显示含水量的纸心，就构成了水量视液镜。这种纸心在某种金属盐溶液中浸泡过。金属盐与制冷剂中的水分相遇发生化学反应生成水化物，视汉水量的不同，水化物呈现不同的颜色。视液镜的外环上有比色带，给出各种颜色所代表的含水量数值。经过比较和液体管径的大小，选用DANFOSS公司生产的型号为SGI16s的视液镜，接口为5/8×5/8in.。含水量(10－6)R12＜1515~35＞35R22＜6060~125＞125颜色绿色无色黄色表3.6SGI型水分指示器对R12和R22液体含水量的颜色反应第四章MTU控制系统设计4．1制冷空调控制系统制冷空调系统是由若干设备组成。这些设备的容量是按设计负荷选定的，但是在实际的运行过程中，负荷是变动的。自动控制的任务就是自动控制基本设备的实际输入量和输出量，使其与负荷相适应，以保证控制参数的要求，同时还要满足节能和安全生产的要求。自动控制的方式有模拟仪表控制和计算机控制两大类。模拟仪表只有硬件，因此在调整、投运和运行中都比较简单，只需通过硬件调整比例带(P)、积分时间（I）和微分时间（D）三个参数即可。随着制冷空调领域的发展，对制冷空调控制系统也提出了越来越高的要求。计算机技术的迅速发展，使得这种要求得以实现。在一些大、中型制冷空调系统中，越来越多地使用微型计算机进行控制与管理。这种控制方式不仅控制精度高，节能性好，而且更有利于安全运行和节约人力等。本次设计的模块化水冷冷水机组MTU所采用的控制系统是可编程控制器(PLC)控制系统。PLC能将系统的模拟量和开关量通过PLC的CPU进行集中处理，并通过指令控制设备的运行和执行机构的动作。PLC即可对单一机组进行控制，也可以对拼装起来的多台机组进行集中控制。下图为PLC控制系统原理图。图1PLC控制系统原理图PLC控制下的模块化冷水机组有以下几方面优点：无可比拟的可靠性——在模块化机组中，模块单元以步进方式达到空调所需的容量，这本身就使机组具有备用能力。使用模块化机组可大大减少设备发生重大故障的可能性。如果一台大型离心式压缩机发生故障，整个系统就失效。而使用模块化机组时，是用多台独立的制冷系统来满足与单台离心机组相同容量的制冷负荷的。假如其中一个系统发生故障，仍有很多个制冷系统可作备用。模块化机组提供了最大的备用能力，使制冷系统可靠地运行。以最高效率经济运行——按冷负荷不同，PLC自动地调整运行的压缩机台数，使输出的冷量与需求冷量作最佳匹配。这样不论负荷为多大（即使是在低负荷下），每个模块单元总是以其设计的最高效率运行，则整个模块机组也就总是以最节能的效率来运行。据有关资料显示，模块化机组与常规机组相比年运行费用可节约22—26％。节约空间——由于采用紧凑和组合单元的设计，安装模块化机组需要机房的空间大约是常规冷水机组的40％，而且不需要管道及蒸发器、冷凝器的拆卸空间。也可安装在任何无其他用途的狭小空间而不设专用机房。模块化机组与常规机组相比可节约占地面积约50％。重量轻、尺寸小——模块机组的重量约为其他同容量冷水机组的1／3，其尺寸之小可以用小车推着穿过门和走廊，也可用窄的电梯运送至高层，不一定用吊车，这样就节省了起吊机械设备和运输机械。灵活组合——因为模块机组为单元化设计，可以通过不同单元数的组合而组成多种单机组或多机组的系统。若要增加容量，可以再多加几个模块或选择适当数量的模块单元组成机组，接入已有的控制系统和冷水管道系统即可投入使用。另外，模块机组与常规机组还可相结合运行。模块机在部分负荷时运行，常规机组在满负荷下运行，常规机组运行时间可减少50％或更多。这样，模块化机组不仅可延长常规型机组的工作寿命，还可在低负荷下高效率运行，使得总能量费用降低。常规机组也可以并入模块机电脑统一控制。适宜于改建——由于安装方便，在建筑改建或增建的情况下，模块化冷水机组是十分理想的机组。如原有舰船无空调需增设空调时，使用模块机组最简单、最经济。只要找一个空地安装模块机即可实现。可大大减少投资费用，包括节省的运行费和维修费。安装要求低——安装模块机不一定必须有专用机房，一组组的模块可以安装在走廊上或放于露天，例如安装在船舱甲板上或走廊端头等。震动小、噪音低——模块化机组设计精良，并采取大幅度衰减噪声的措施和使用隔震装置，使机组震动很小。保养和维修费用低——PLC自动轮换启停每台压缩机，保证了每个单元的使用时间大致相同，延长了机组的使用寿命，降低了费用，比一般常规机组可减少保养和大修费用达60％以上。由于模块化设计使本身就具有备用能力，所以可在不停机不影响整个制冷系统的正常工作情况下进行维修。启动电流小、节省电器装置——模块化冷水机组在启动时由PLC控制压缩机依次启动。工作时，任意时刻的最大冲击电流只是一台小压缩机的启动电流加上正在运行的压缩机的工作电流。这不仅节省了控制启动所需的电能，而且也大大减少了对电网瞬间的最大冲击电流，使电力负荷降低，减少电器装置的容量。4．2MTU对控制系统功能要求4．2．1自动控制系统功能通过对各种制冷机组的工作流程和被控参数分析可知，自动控制系统可以总结为以下三个方面：系统控制：根据机组的工艺和规定的操作程序，启动或停止制冷机组及相关的设备。能量调节：根据外界负荷的变化，调整相关调节设备，如调节阀、变频器、压缩机的运行台数等，使制冷机组输出能量发生相应变化。状态监视和安全保护：监控制冷机组的运行状态，当机组发生故障时，能够立即采取相应的措施及报警。PLC具有强大的逻辑控制功能，其CPU支持各种运算，如基本数学运算、PID控制运算、数学函数运算等。因此通过编程，可以实现复杂的控制。以PLC为核心的控制系统具有控制、显示、手动操作、手动测试和自动运行等功能。可以完成一键开、关机，实行完全的自动启、停，并能够以远程的方式控制机组。4．2．2MTU对自动控制系统的具体要求（1）参数检测冷水机组的冷媒水出口温度：采用铂电阻（Pt100）传感器。检测铂电阻的变化信号，通过温度便送器将－50℃～＋100℃的温度信号转换成4～20mA的电流信号，送到PLC模拟量模块的输入口，检测值通过软件处理可知它们的实际温度与设定值比较，其结果经由PLC内部软件的处理，去控制压缩机的载负荷。（2）控制方式MTU控制系统设有“手动”和“自动”两种控制方式。通过旋钮实现两种控制方式的无扰动切换。手动控制：可直接通过控制面板的操作按钮，对可动设备进行单独操作（压缩机、冷媒水泵、调节阀、执行器），手动控制通常在调试阶段或紧急情况使用。系统无障碍存在时，通过控制面板上的旋钮选择“自动”控制，通过“自动”带灯按钮来控制整个装置的运行与停止。带灯按钮的“亮”或“灭”显示表示系统处于自动控制时的“运行”或“停止”状态。当系统处于运行状态时，控制面板其它按钮操作无效（急停按钮在任何控制方式下都有效）。控制参数①冷水机组冷媒水出口温度：冷媒水出口温度控制范围为7±1℃，将检测的冷媒水出口温度与设定值比较，其结果控制压缩机的运行载荷量。控制框图如下：图2冷媒水出口温度控制原理图冷水机组启停控制：当启动冷水机组时，依次启动冷媒水水泵、压缩机；当停止冷水机组时，依次停止压缩机、冷水机组水泵、冷媒水水泵。（4）故障检测与报警①压缩机过载、过热保护：压缩机启动回路热继电器对压缩机进行过载保护。当压缩机运行电流超过最大电流的1.1倍时，热继电器动作。另外，压缩机本身含有电子保护器，能对排气温度过高、电机运转过热进行综合保护。一旦保护，控制装置停止压缩机的运行。②压缩机排气压力过高保护：当压缩机排气压力超过2.2Mpa时，高压控制器动作保护。一旦保护，控制装置停止压缩机的运行。③压缩机吸气压力过低保护：当压缩机启动45分钟之后，其吸气压力低于0.24Mpa时，低压控制器动作保护。一旦保护，控制装置将停止压缩机的运行。④压缩机逆向保护器：当压缩机的外部接线引起相序的错误接法，逆向保护器会自动的切断压缩机接触线圈的电源，压缩机连锁停机。⑤冷水机组冷媒水出口流量保护：在系统运行时，当冷水机组冷媒水出口流量低于2.8m3/h时，安装在管道上的靶式流量开关动作报警。⑥冷媒水泵过载保护：当水泵启动回路热继电器动作时，表示冷媒水泵运行电流过大，水泵停止运行。控制装置报警并连锁停止冷水机组的运行。⑦冷媒水过滤器堵塞：当冷媒水过滤器压差控制器触电动作时，表示冷媒水过滤器堵塞，需要清洗或更换。此时，控制装置报警提示。⑧冷媒水防冻保护：当冷媒水出口温度＜4.5℃时，控制装置报警并连锁停机。4．3MTU电气系统设计MTU电路系统分为两大模块，即现场控制箱和中央控制箱。现场控制箱、中央控制箱、现场仪表以及冷水机组执行器之间的组成关系如图3所示。图3电气控制系统组成框架图4．3．1现场控制箱现场控制箱与MTU冷水机组组成一个整体，主要包括两大部分的元器件。其一是为MTU冷水机组输出或输入的开关量和模拟量而提供的一些接线端子；其二是一些保护器，它包括压缩机的相序保护器、热继电器、电流过载保护器等。其电气原理图如图4所示。图4现场控制箱电气原理图中央控制箱中央控制箱即可以对单一的模块化冷水机组进行控制和管理，也可以对拼凑在一起的多台模块化冷水机组进行集中的控制和管理。它主要包括PLC电源输入模块、PLC的中央处理器CPU模块、冷媒水泵控制的接线端子以及为现场控制箱传输过来的一些开关信号和模拟信号提供的接线端子。冷水机组开机后，机组的温度、压力等信号通过现场控制箱传输到中央控制箱，PLC的中央处理器CPU对这些信号进行集中处理，并与设定值相比较，然后做出控制策略或报警。中央控制箱的电气原理图如图5所示。图5中央控制箱电气原理图另外，压缩机的电加热器以及压缩机的供液电磁阀两端为220V的交流电压。为方便起见，从中央控制箱中接线，接于1、2两端。电路原理图如图6所示。图6第五章MTU试验验证1MTU设计工况运行试验表5.1MTU设计工况数据冷媒水进水温度设定12.00℃冷媒水出水温度7.00℃冷媒水进出水温差5.00℃冷却水进水温度30.00℃冷却水出水温度35.00℃冷却水温差5.00℃被试机电压380.00V电源频率50.00HzMTU在设计工况运行结果如表2所示。从表2可知，在设计工况下，各项指标符合国家标准。其中，原设计制冷量为18kw，检测出来的制冷量为19.734kw，制冷系数为3.309，基本符合国家标准（国家标准规定水冷冷水机组的性能系数不能低于3.30）。5．2MTU最大运行工况试验表5.2最大运行工况数据工况项目物理单位设定值冷媒水进水温度℃20.00冷媒水出水温度℃15.00冷媒水进出水温差℃5.00冷却水进水温度℃33.00冷却水出水温度℃38.00冷却水进出水温差℃5.00被试机电压V380.00电源频率Hz50.00表5.3设计工况测试数据测量项目物理单位No1No2No3No4No5No6No7平均值冷媒水进水温度℃12.08012.08512.06312.03812.03012.02812.02012.049冷媒水出水温度℃6.9506.9456.9146.8926.9106.9046.8906.915冷媒水进出水温差℃5.1305.1405.1495.1475.1205.1245.1305.134冷媒水侧压力损失kPa29.90030.00029.97130.00030.00030.04030.00029.987冷媒水流量m3/h3.3003.3003.2963.2983.3053.3003.3003.300冷却水进水温度℃30.06030.06530.06730.05330.06530.06630.06030.062冷却水出水温度℃35.05035.06035.06135.05335.06035.05635.06035.057冷却水进出水温差℃4.9904.9554.9944.995被试机电压V381.414被试机A相电流A10.284被试机B相电流A10.658被试机C相电流A11.251输入功率kw5.963电源频率Hz49.999功率因数%84.100主侧制冷量kw19.734制冷性能系数kw/kw3.309辅侧制冷量kw19.592主辅偏差％0.721热电偶13℃83.253热电偶14℃83.783热电偶15℃39.731表5.4设计工况测试数据测量项目物理单位No1No2No3No4No5No6No7平均值冷媒水进水温度℃20.95020.91320.93920.95020.93520.94520.95020.940冷媒水出水温度℃15.03015.00315.09815.08015.08015.08015.07015.063冷媒水进出水温差℃5.9205.9105.8415.8705.8555.8655.8805.877冷媒水侧压力损失kPa29.00029.03329.00029.00029.00028.95029.00028.998冷媒水流量m3/h3.2903.3033.2973.3003.3003.2903.3003.297冷却水进水温度℃33.28033.25033.04433.01032.99032.95032.93033.065冷却水出水温度℃38.89038.87038.66238.63038.62038.5808.57038.689冷却水进出水温差℃5.6105.6205.6185.6205.6305.6305.6405.624