液位调节装置及其控制方法、制冷系统与流程

本发明涉及制冷技术领域，具体涉及一种液位调节装置及其控制方法。本发明还涉及一种制冷系统。

背景技术：

在大型冷库等低温制冷行业中，如采用直接供液方式，将引起各个末端设备供液量不足或不均，导致系统换热能力差且浪费能源，因此行业中普遍采用氟泵强制供液系统来制冷。但是，氟泵制冷系统中低压循环桶(即低压循环储液桶)的液位过低将引起供液量的不足并可能导致系统的抽空停机；低压循环桶的液位过高，将导致系统的吸气带液，最终引起压缩机液击，容易对其造成损毁。

目前，现有技术中普遍采用浮球式液位控制器对氟泵制冷系统的低压循环桶液位进行控制，此种方式能将液位保持在一定的区间内，即液位在该区间内波动，避免了液位的过高或过低，但此种方式无法避免低压循环桶液位波动的问题，造成末端库温变化剧烈，对于储存的货物容易造成变质，尤其是对于要求严格控制温度的医药、食品保鲜等领域，容易造成无法挽回的损失。

现有技术的液位控制方法存在上述问题的原因包括：(1)因为液位受浮球阀上下区间的控制，只能保证液位在一定区间内周期波动，无法稳定，周期性的液位大幅波动，造成系统的波动；(2)液位调节存在延时性，由于现有的调节过程只注重阶段性的液位是否满足，无法做到液位的实时动态平衡，因此无法达成实时温度的精细化控制。

技术实现要素：

基于上述现状，本发明的主要目的在于提供一种液位调节装置及其控制方法，能够实现对低压循环桶液位的实时精确控制，使低压循环桶的液位适中不波动。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

根据本发明的第一方面，一种液位调节装置，用于调节制冷系统中低压循环桶的液位，包括：

液位采集模块，用于采集所述低压循环桶的液位；

流量采集模块，用于采集所述低压循环桶的进液流量和吸气流量，其中，所述吸气流量为从所述低压循环桶到压缩机吸气端的气体流量；

流量调节模块，用于调节所述低压循环桶的进液流量；

控制模块，用于根据所述液位采集模块和所述流量采集模块采集到的数据控制所述流量调节模块，实现对所述低压循环桶的液位的实时调节。

优选地，所述液位采集模块包括液位传感器；

和/或，所述流量采集模块包括第一流量计和第二流量计，其中，所述第一流量计设置在所述低压循环桶的进液支路上，用于检测所述进液流量，所述第二流量计设置在连接所述低压循环桶和压缩机吸气端的吸气支路上，用于检测所述吸气流量；

和/或，所述流量调节模块包括进液控制阀，设置在所述低压循环桶的进液支路上。

优选地，所述液位传感器为电子式液位传感器；

和/或，所述进液支路的入口端连接所述制冷系统的回油器；

和/或，所述进液控制阀为电子膨胀阀。

根据本发明的第二方面，一种根据前面所述的液位调节装置的控制方法，包括步骤：

所述控制模块获取所述液位采集模块和所述流量采集模块采集到的数据并进行分析，根据分析的结果控制所述流量调节模块，实现对所述低压循环桶的液位的实时调节。

优选地，所述控制方法包括步骤：

s10、所述控制模块获取所述液位采集模块采集到的实时液位，并将所述实时液位与目标液位进行比较；

s20、所述控制模块根据实时液位与目标液位的关系控制所述流量调节模块，直至实时液位与所述目标液位相同；

s30、所述控制模块获取所述流量采集模块采集到的进液流量和吸气流量，并比较进液流量和吸气流量是否相等；

s40、所述控制模块根据进液流量和吸气流量的关系控制所述流量调节模块，直至进液流量和吸气流量相等。

优选地，所述流量调节模块包括电子膨胀阀，所述控制模块控制所述流量调节模块包括调节所述电子膨胀阀的开度。

优选地，步骤s20中，

若实时液位大于目标液位，则将所述电子膨胀阀关闭，直至实时液位与所述目标液位相同；

和/或，若实时液位等于目标液位，则保持所述电子膨胀阀的当前状态不变；

和/或，若实时液位小于目标液位，则记录每个采样周期的实时液位与目标液位的偏差量，并基于多个采样周期的所述偏差量确定所述电子膨胀阀的开度，直至实时液位与所述目标液位相同。

优选地，当实时液位小于目标液位时，按照下式确定电子膨胀阀的开度变化量：

△uk＝uk-uk-1＝kp(ywk-ywk-1)+kiywk+kd(ywk-2ywk-1+ywk-2)

其中，

△uk：第k个采样周期时，电子膨胀阀的开度变化量；

uk：第k个采样周期时，电子膨胀阀的开度；

uk-1：第k-1个采样周期时，电子膨胀阀的开度；

ywk：第k个采样周期时，低压循环桶实时液位与目标液位的偏差量；

ywk-1：第k-1个采样周期时，低压循环桶实时液位与目标液位的偏差量；

ywk-2：第k-2个采样周期时，低压循环桶实时液位与目标液位的偏差量；

kp：比例系数；

ki：积分系数；

kd：微分系数。

优选地，步骤s40中，

若进液流量和吸气流量相等，则保持所述电子膨胀阀的当前开度不变；

和/或，若进液流量和吸气流量不相等，则记录每个采样周期的进液流量和吸气流量的偏差量，并基于多个采样周期的所述偏差量确定所述电子膨胀阀的开度，直至进液流量和吸气流量相等。

优选地，当进液流量和吸气流量不相等时，按照下式确定电子膨胀阀的开度变化量：

△uk＝uk-uk-1＝k’p(qk-qk-1)+k’iqk+k’d(qk-2qk-1+qk-2)

其中，

△uk：第k个采样周期时，电子膨胀阀的开度变化量；

uk：第k个采样周期时，电子膨胀阀的开度；

uk-1：第k-1个采样周期时，电子膨胀阀的开度；

qk：第k个采样周期时，低压循环桶进液流量与吸气流量的偏差量；

qk-1：第k-1个采样周期时，低压循环桶进液流量与吸气流量的偏差量；

qk-2：第k-2个采样周期时，低压循环桶进液流量与吸气流量的偏差量；

k’p：比例系数；

k’i：积分系数；

k’d：微分系数。

优选地，所述流量采集模块采集到的进液流量与吸气流量均为质量流量。

本发明的另一目的在于提供一种制冷系统，能克服常规的氟泵制冷系统所存在的液位波动问题，从而实现供液平稳，系统温度调节稳定。技术方案如下：

一种制冷系统，包括低压循环桶和循环泵，所述循环泵与所述低压循环桶相连，用于将所述低压循环桶中的液体输送到末端设备进行冷量交换，所述制冷系统还包括前面述的液位调节装置，以用于调节所述低压循环桶的液位。

本发明的液位调节装置通过控制模块对流量调节模块的实时控制，并且在控制过程中能够根据采集到的液位数据和流量数据制定控制策略，能够实现对低压循环桶进行等量冷媒的补充，确保低压循环桶液位稳定，进而可保证系统温度调节稳定。

附图说明

以下将参照附图对根据本发明的液位调节装置及其控制方法、制冷系统的优选实施方式进行描述。图中：

图1为根据本发明的优选实施方式的液位调节装置的原理框图；

图2为根据本发明的优选实施方式的制冷系统的原理图；

图3为根据本发明的一种优选实施方式的液位调节控制流程图；

图4为根据本发明的另一种优选实施方式的液位调节控制流程图。

具体实施方式

首先参见图1，本发明的第一方面提供了一种液位调节装置，用于调节制冷系统中低压循环桶的液位，该液位调节装置包括：

液位采集模块100，用于采集所述低压循环桶的液位；

流量采集模块200，用于采集所述低压循环桶的进液流量和吸气流量，其中，所述吸气流量为从所述低压循环桶到压缩机吸气端的气体流量；

流量调节模块300，用于调节所述低压循环桶的进液流量；

控制模块400，用于根据所述液位采集模块100和所述流量采集模块200采集到的数据控制所述流量调节模块300，实现对所述低压循环桶的液位的实时调节。

本发明的液位调节装置不同于常规浮球式控制方案，不是将液位粗放地控制在某个区间内波动，而是通过控制模块对流量调节模块的实时控制，并且在控制过程中能够根据采集到的液位数据和流量数据制定控制策略，因而能够实现对低压循环桶进行等量冷媒的补充，即，使进液流量与吸气流量在质量上相等，确保低压循环桶液位稳定，进而可保证系统温度调节稳定。

参见图2，其中示出了一种具有本发明的液位调节装置的制冷系统(具体为氟泵制冷系统，但也可以是氨泵制冷系统)的一部分。

该氟泵制冷系统包括低压循环桶5和氟泵6，所述低压循环桶5用于存储低压液体、进行气液分离，所述氟泵6与所述低压循环桶5相连，用于将所述低压循环桶5中的制冷剂液体输送到末端设备进行冷量交换(参见图2中箭头“氟泵供液”)，从末端设备回来的制冷剂气液混合物再次回到低压循环桶5中(参见图2中箭头“末端回气”)，以进行气液分离。从制冷系统冷凝器(或储液器)中出来的液体，经进液支路(即，向低压循环桶5中供液的支路，在图示的实施方式中，进液支路连接回油器7和低压循环桶5)进入到低压循环桶5中，最终液体存储在低压循环桶5的下部，气体则通过吸气支路(即，连接低压循环桶5和压缩机吸气端的支路)送至压缩机吸气端(参见图2中箭头“接压缩机吸气”)。

常规的氟泵制冷系统中，例如受制冷系统负荷变化等的影响，进液支路的进液量和吸气支路的吸气量很难保证相等，由此导致低压循环桶5中液位的变化。

优选地，如图2所示，所述液位采集模块100包括液位传感器1，其连接至低压循环桶5，以便实时监测低压循环桶5的液位。

优选地，如图2所示，所述流量采集模块200包括第一流量计3和第二流量计4；其中，所述第一流量计3设置在所述低压循环桶5的进液支路上，用于检测所述进液流量；所述第二流量计4设置在所述吸气支路上，用于检测所述吸气流量。具体地，第一流量计3为液体流量计，第二流量计4为气体流量计，二者优选直接检测质量流量。

优选地，如图2所示，所述流量调节模块300包括进液控制阀2，设置在所述低压循环桶5的进液支路上，以控制进液支路的流量。

优选地，所述液位传感器1为电子式液位传感器；和/或，所述进液控制阀2为电子膨胀阀。

优选地，如图1所示，控制模块400可以包括数据分析识别中转模块401(如控制主板)和任务下达模块402(如电子膨胀阀驱动板)，其中，数据分析识别中转模块401用于接收液位采集模块100和流量采集模块200的输出数据，并进行分析判断，进而通过任务下达模块402控制流量调节模块300(如电子膨胀阀)。

本发明的液位调节装置采用全自动的阀件和检测元件，对于液位采取实时调节，能够实现供液的平稳，进而实现系统制冷的精准控制。

本发明的第二方面还提供了前面所述的液位调节装置的控制方法，包括步骤：

所述控制模块400获取所述液位采集模块100和所述流量采集模块200采集到的数据并进行分析，根据分析的结果控制所述流量调节模块300，实现对所述低压循环桶5的液位的实时调节。

优选地，如图3所示，所述控制方法包括步骤：

s10、所述控制模块400获取所述液位采集模块100采集到的实时液位，并将所述实时液位与目标液位进行比较，其中，目标液位可按实际要求进行设定；

s20、所述控制模块400根据实时液位与目标液位的关系控制所述流量调节模块300，直至实时液位与所述目标液位相同；

s30、所述控制模块400获取所述流量采集模块200采集到的进液流量和吸气流量，并比较进液流量和吸气流量是否相等；

s40、所述控制模块400根据进液流量和吸气流量的关系控制所述流量调节模块300，直至进液流量和吸气流量相等。

也即，本发明的控制方法首先根据液位的偏差进行调节，在将液位偏差消除后，再根据流量进行调节，最终确保进液流量和吸气流量相等，液位保持平稳。

优选地，所述流量调节模块300包括电子膨胀阀2，所述控制模块400控制所述流量调节模块300包括调节所述电子膨胀阀2的开度。

优选地，如图4所示，步骤s20中，

若实时液位大于目标液位，则将所述电子膨胀阀2关闭，直至实时液位与所述目标液位相同；

和/或，若实时液位等于目标液位，则保持所述电子膨胀阀2的当前状态不变(即，保持当前开度不变，如果当前状态为完全关闭，则继续保持完全关闭)；

和/或，若实时液位小于目标液位，则记录每个采样周期的实时液位与目标液位的偏差量，并基于多个采样周期的所述偏差量确定所述电子膨胀阀2的开度，直至实时液位与所述目标液位相同。

优选地，当实时液位小于目标液位时，按照下式确定电子膨胀阀的开度变化量：

△uk＝uk-uk-1＝kp(ywk-ywk-1)+kiywk+kd(ywk-2ywk-1+ywk-2)

其中，

△uk：第k个采样周期时，电子膨胀阀的开度变化量；

uk：第k个采样周期时，电子膨胀阀的开度；

uk-1：第k-1个采样周期时，电子膨胀阀的开度；

ywk：第k个采样周期时，低压循环桶实时液位与目标液位的偏差量；

ywk-1：第k-1个采样周期时，低压循环桶实时液位与目标液位的偏差量；

ywk-2：第k-2个采样周期时，低压循环桶实时液位与目标液位的偏差量；

kp：比例系数；其优选的取值范围为0.5～20；

ki：积分系数；其优选的取值范围为30～600；

kd：微分系数；其优选的取值范围为0～90。

优选地，步骤s40中，

若进液流量和吸气流量相等，则保持所述电子膨胀阀的当前开度不变；

和/或，若进液流量和吸气流量不相等，则记录每个采样周期的进液流量和吸气流量的偏差量，并基于多个采样周期的所述偏差量确定所述电子膨胀阀的开度，直至进液流量和吸气流量相等。

优选地，当进液流量和吸气流量不相等时，按照下式确定电子膨胀阀的开度变化量：

△uk＝uk-uk-1＝k’p(qk-qk-1)+k’iqk+k’d(qk-2qk-1+qk-2)

其中，

△uk：第k个采样周期时，电子膨胀阀的开度变化量；

uk：第k个采样周期时，电子膨胀阀的开度；

uk-1：第k-1个采样周期时，电子膨胀阀的开度；

qk：第k个采样周期时，低压循环桶进液流量与吸气流量的偏差量；

qk-1：第k-1个采样周期时，低压循环桶进液流量与吸气流量的偏差量；

qk-2：第k-2个采样周期时，低压循环桶进液流量与吸气流量的偏差量；

k’p：比例系数；其优选的取值范围为0.3～40；

k’i：积分系数；其优选的取值范围为20～500；

k’d：微分系数；其优选的取值范围为0～80。

也即，本发明的液位调节装置的优选控制方法的主要过程在于，在制冷系统中配合整个制冷设备运行时，由电子式液位传感器对低压循环桶5的液位进行实时监测，并把数据传递给控制模块400，由控制模块400分析判断实时液位与设定的目标液位的关系，根据不同情况有以下几种处理方式(参见图4)：

(1)当当前实时液位＜目标液位时，电子膨胀阀将依据液位变化情况进行调节，主要过程为通过每个周期记录的实时液位及与目标液位的偏差量，得出周期的液位偏差量，再运用pid调节比例、积分、微分调节思路，建立电子膨胀阀周期开度变化与周期液位偏差量之间的数学模型，即：

△uk＝uk-uk-1＝kp(ywk-ywk-1)+kiywk+kd(ywk-2ywk-1+ywk-2)

其中，kp、ki、kd可通过试验确定。

以此数学模型为核心建立控制程序，即可计算出当前需要调节的电子膨胀阀的开度。

(2)当当前实时液位＝目标液位时，电子膨胀阀停止按液位控制，将按照控制模块从第一流量计与第二流量计取得并分析出的流量偏差，建立与电子膨胀阀开度变化的数学模型，即：

△uk＝uk-uk-1＝k’p(qk-qk-1)+k’iqk+k’d(qk-2qk-1+qk-2)

其中，k’p、k’i、k’d可通过试验确定。

以此数学模型为核心建立控制程序，进一步进行开度调节，直至蒸发温度稳定后，电子膨胀阀保持当前开度不变。

(3)当当前实时液位＞目标液位时，电子膨胀阀将完全关死，直至电子式液位传感器检测到实时液位等于目标液位，随后将按第(2)种情况进行电子膨胀阀开度调节。

本发明的上述的调节过程通过液位控制的初步调控，再到以流量为条件的加强调控，能够妥善实现温度控制的平稳过渡及目标达到后的精准长久保持，实时的液位监控与流量监控能够双重预防液位及温度波动的产生，从而能够很好地满足对制冷精度要求高的各个领域的需求。

优选地，所述流量采集模块200采集到的进液流量与吸气流量均为质量流量，从而在控制程序中无需进行数值转换而可以直接进行比较判断，简化控制过程。

本发明的第三方面提供了一种制冷系统，特别是氟泵制冷系统，能克服常规的氟泵制冷系统所存在的液位波动问题，从而实现供液平稳，系统温度调节稳定。本发明的制冷系统也可以是氨泵制冷系统。

如图2所示，该制冷系统包括低压循环桶5和循环泵(对于氟泵制冷系统而言，为氟泵6)，所述循环泵与所述低压循环桶5相连，用于将所述低压循环桶5中的制冷剂液体输送到末端设备进行冷量交换，所述制冷系统还包括本发明前面述的液位调节装置，以用于调节所述低压循环桶5的液位。

相比于常规的氟泵制冷系统，本发明的氟泵制冷系统在液位控制方面至少存在以下优势：

(1)解决液位波动引起的调节温度波动的问题；

(2)对液位实时监控调节，能达到精确的制冷要求；

(3)智能化的程序控制，全自动的系统调节，可减少人工操作成本。

本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各优选方案可以自由地组合、叠加。

应当理解，上述的实施方式仅是示例性的，而非限制性的，在不偏离本发明的基本原理的情况下，本领域的技术人员可以针对上述细节做出的各种明显的或等同的修改或替换，都将包含于本发明的权利要求范围内。