單、雙級耦合熱泵系統(tǒng)故障分析與診斷研究.pdf

1、能源和環(huán)保問題是當今世界共同關注的熱點，也是今后長期存在的問題。我國是能源生產(chǎn)和消費大國，面對新世紀，如何保持能源、經(jīng)濟和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展是我們面對的一個重大戰(zhàn)略問題。而我國北方目前常用的幾種供暖方式，大都是“熱源消耗高品位能源、向建筑物室內(nèi)提供低溫熱源、向環(huán)境排放廢物”的單向型模式，將給我國未來的能源供應和環(huán)境保護帶來巨大壓力。單、雙級耦合熱泵系統(tǒng)（Single-double stage coupling heat pump syst

2、em，簡稱SDSCHPS）是一種以熱泵理論為基礎，以“生態(tài)循環(huán)供暖”為理念的新型熱泵供暖系統(tǒng)，該系統(tǒng)是HVAC&R領域為推動熱泵技術在北方應用而進行系統(tǒng)創(chuàng)新的一個成功案例，具有較高的實際推廣價值。但是，由于SDSCHPS結構的復雜性、制熱運行時環(huán)境的特殊性、運行模式的多樣性和多種故障的漸變性等原因，使得系統(tǒng)運行的可靠性、制熱效率和使用壽命受到一定影響。而目前HVAC&R領域的多數(shù)故障檢測與診斷系統(tǒng)僅有當溫度、壓力等超過預設值時切斷設備的

3、功能，既難以對設備當前的運行狀態(tài)進行監(jiān)測，又無法提供故障產(chǎn)生的具體原因和解決故障的具體措施，導致了暖通空調(diào)設備的運行可靠性下降、維護與維修費用的增加和大量不必要的能源浪費。為提高SDSCHPS的運行可靠性、節(jié)能性和智能化管理水平，為其在我國北方地區(qū)的推廣應用提供有力保障，本文對系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的主要故障進行深入分析和實驗研究，探求系統(tǒng)在低溫環(huán)境下的運行規(guī)律及故障與其征兆之間的關系，并初步構建融合人工神經(jīng)網(wǎng)絡和專家系統(tǒng)的分布式故障診斷智能系

4、統(tǒng)模型，從而為SDSCHPS的故障診斷系統(tǒng)的開發(fā)提供較為完善的研究基礎和理論框架。
　　應用層次分解法，分別構建SDSCHPS中兩大主要設備——空氣/水熱泵機組和水/水熱泵機組的故障樹，采用故障樹分析法對SDSCHPS中可能出現(xiàn)的各種故障進行深入研究，按其出現(xiàn)部位，將其故障主要分為三大類，即制冷系統(tǒng)故障、除霜故障和控制系統(tǒng)故障。并采用故障出現(xiàn)頻率和維修費用比例作為評價指標，對這些故障進行重要度分析，找出構建SDSCHPS故障診斷系

5、統(tǒng)所需研究的重要故障和常見故障。
　　由于熱泵機組在“非健康”狀態(tài)下運行時性能會有所降低，本文提出一種基于廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡（GRNN）的SDSCHPS狀態(tài)監(jiān)測方法，充分利用GRNN良好的預測能力，通過對系統(tǒng)運行時制熱能效比EER預測值和實際值的比較分析，實現(xiàn)對SDSCHPS的狀態(tài)監(jiān)測，完成了設備故障檢測與診斷的第一個任務。并通過實驗測取不同室外環(huán)境和運行模式下SDSCHPS的性能參數(shù)，并以此作為樣本，通過擬合訓練和預測分析，驗證所

6、構建的GRNN模型應用于SDSCHPS狀態(tài)監(jiān)測的可行性和有效性。
　　分析了SDSCHPS中制冷系統(tǒng)的常見故障及其特征，確定對其進行故障診斷和推理所需要的特征參數(shù)和測點布置；并應用定性理論分析方法，對SDSCHPS制冷系統(tǒng)的常見軟故障與特征參數(shù)之間的關系進行定性分析，并分別構建SDSCHPS中空氣／水熱泵機組和水／水熱泵機組的制冷系統(tǒng)標準軟故障模式庫；然后分別構建SDSCHPS不同運行模式下制冷系統(tǒng)基于GRNN的故障診斷和基于規(guī)則

7、的故障推理模型，實現(xiàn)了對SDSCHPS中制冷系統(tǒng)故障的實時診斷及推理。
　　通過實驗研究空氣源熱泵機組在不同程度的室外換熱器堵塞故障工況下，其主要運行特性參數(shù)和性能參數(shù)的動態(tài)變化規(guī)律，驗證了前文通過定性理論分析所獲取的典型故障之一，即空氣源熱泵機組室外換熱器傳熱效果不佳軟故障發(fā)生時，故障與征兆之間對應關系的準確性，并深入分析室外換熱器堵塞故障對整個空氣源熱泵機組運行工況和性能的危害。
　　通過實驗研究了在正常除霜、提前除霜和

8、滯后除霜等不同除霜工況下，空氣源熱泵機組主要運行參數(shù)和性能參數(shù)的動態(tài)變化規(guī)律，并深入分析除霜故障對機組的運行工況和性能的危害；同時，利用概率神經(jīng)網(wǎng)絡（PNN）良好的模式識別能力，構建一個簡單的除霜故障診斷模型，實現(xiàn)了對空氣源熱泵機組除霜故障的實時檢測和診斷；為減少除霜故障的發(fā)生，本文還提出一種改進的除霜控制方法，即基于室外風機電流和盤管溫度的除霜控制方法，利用實驗結果對該方法的可行性進行分析驗證，并設計出該除霜控制方法的基本流程。

9、>　　由于SDSCHPS控制系統(tǒng)中的多傳感器測量值之間存在冗余關系，以信息融合理論為基礎，以人工神經(jīng)網(wǎng)絡（ANN）為工具，提出一種多傳感器故障診斷及容錯方法，實現(xiàn)了對SDSCHPS中多傳感器的故障診斷及信號恢復。并結合一組實驗數(shù)據(jù)，分析驗證該方法對SDSCHPS中常見傳感器的四類故障的診斷及容錯效果。
　　針對傳統(tǒng)的專家系統(tǒng)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡應用于故障診斷時各自存在的不足，并根據(jù)SDSCHPS的結構特點和運行模式，提出一種融合人工神經(jīng)

10、網(wǎng)絡和專家系統(tǒng)的分布式故障診斷智能系統(tǒng)，既克服了專家系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡各自的缺點，有充分利用了二者的長處，解決了單獨應用專家系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡所無法解決的問題。同時，深入研究SDSCHPS分布式診斷過程中診斷任務的分析與分解、各子任務的求解、各子任務解的綜合等問題，初步構建SDSCHPS的分布式故障診斷智能系統(tǒng)框架，從而為SDSCHPS進行故障診斷系統(tǒng)開發(fā)及應用提供了理論基礎。
　　本文的研究工作對推進SDSCHPS智能型機電一體化、延長