單、雙級(jí)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(dāng)今世界共同關(guān)注的熱點(diǎn)，也是今后長(zhǎng)期存在的問題。我國(guó)是能源生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)，面對(duì)新世紀(jì)，如何保持能源、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展是我們面對(duì)的一個(gè)重大戰(zhàn)略問題。而我國(guó)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?zé)嵩础⑾颦h(huán)境排放廢物”的單向型模式，將給我國(guó)未來(lái)的能源供應(yīng)和環(huán)境保護(hù)帶來(lái)巨大壓力。單、雙級(jí)耦合熱泵系統(tǒng)（Single-double stage coupling heat pump syst

2、em，簡(jiǎn)稱SDSCHPS）是一種以熱泵理論為基礎(chǔ)，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(lǐng)域?yàn)橥苿?dòng)熱泵技術(shù)在北方應(yīng)用而進(jìn)行系統(tǒng)創(chuàng)新的一個(gè)成功案例，具有較高的實(shí)際推廣價(jià)值。但是，由于SDSCHPS結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、制熱運(yùn)行時(shí)環(huán)境的特殊性、運(yùn)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(yùn)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(lǐng)域的多數(shù)故障檢測(cè)與診斷系統(tǒng)僅有當(dāng)溫度、壓力等超過預(yù)設(shè)值時(shí)切斷設(shè)備的

3、功能，既難以對(duì)設(shè)備當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，又無(wú)法提供故障產(chǎn)生的具體原因和解決故障的具體措施，導(dǎo)致了暖通空調(diào)設(shè)備的運(yùn)行可靠性下降、維護(hù)與維修費(fèi)用的增加和大量不必要的能源浪費(fèi)。為提高SDSCHPS的運(yùn)行可靠性、節(jié)能性和智能化管理水平，為其在我國(guó)北方地區(qū)的推廣應(yīng)用提供有力保障，本文對(duì)系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的主要故障進(jìn)行深入分析和實(shí)驗(yàn)研究，探求系統(tǒng)在低溫環(huán)境下的運(yùn)行規(guī)律及故障與其征兆之間的關(guān)系，并初步構(gòu)建融合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(chǔ)和理論框架。
　　應(yīng)用層次分解法，分別構(gòu)建SDSCHPS中兩大主要設(shè)備——空氣/水熱泵機(jī)組和水/水熱泵機(jī)組的故障樹，采用故障樹分析法對(duì)SDSCHPS中可能出現(xiàn)的各種故障進(jìn)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(fèi)用比例作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)這些故障進(jìn)行重要度分析，找出構(gòu)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(jī)組在“非健康”狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)性能會(huì)有所降低，本文提出一種基于廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（GRNN）的SDSCHPS狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法，充分利用GRNN良好的預(yù)測(cè)能力，通過對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)制熱能效比EER預(yù)測(cè)值和實(shí)際值的比較分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)SDSCHPS的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，完成了設(shè)備故障檢測(cè)與診斷的第一個(gè)任務(wù)。并通過實(shí)驗(yàn)測(cè)取不同室外環(huán)境和運(yùn)行模式下SDSCHPS的性能參數(shù)，并以此作為樣本，通過擬合訓(xùn)練和預(yù)測(cè)分析，驗(yàn)證所

6、構(gòu)建的GRNN模型應(yīng)用于SDSCHPS狀態(tài)監(jiān)測(cè)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(duì)其進(jìn)行故障診斷和推理所需要的特征參數(shù)和測(cè)點(diǎn)布置；并應(yīng)用定性理論分析方法，對(duì)SDSCHPS制冷系統(tǒng)的常見軟故障與特征參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行定性分析，并分別構(gòu)建SDSCHPS中空氣／水熱泵機(jī)組和水／水熱泵機(jī)組的制冷系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)軟故障模式庫(kù)；然后分別構(gòu)建SDSCHPS不同運(yùn)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(shí)現(xiàn)了對(duì)SDSCHPS中制冷系統(tǒng)故障的實(shí)時(shí)診斷及推理。
　　通過實(shí)驗(yàn)研究空氣源熱泵機(jī)組在不同程度的室外換熱器堵塞故障工況下，其主要運(yùn)行特性參數(shù)和性能參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，驗(yàn)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(jī)組室外換熱器傳熱效果不佳軟故障發(fā)生時(shí)，故障與征兆之間對(duì)應(yīng)關(guān)系的準(zhǔn)確性，并深入分析室外換熱器堵塞故障對(duì)整個(gè)空氣源熱泵機(jī)組運(yùn)行工況和性能的危害。
　　通過實(shí)驗(yàn)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(jī)組主要運(yùn)行參數(shù)和性能參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，并深入分析除霜故障對(duì)機(jī)組的運(yùn)行工況和性能的危害；同時(shí)，利用概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（PNN）良好的模式識(shí)別能力，構(gòu)建一個(gè)簡(jiǎn)單的除霜故障診斷模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)空氣源熱泵機(jī)組除霜故障的實(shí)時(shí)檢測(cè)和診斷；為減少除霜故障的發(fā)生，本文還提出一種改進(jìn)的除霜控制方法，即基于室外風(fēng)機(jī)電流和盤管溫度的除霜控制方法，利用實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)該方法的可行性進(jìn)行分析驗(yàn)證，并設(shè)計(jì)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(cè)量值之間存在冗余關(guān)系，以信息融合理論為基礎(chǔ)，以人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）為工具，提出一種多傳感器故障診斷及容錯(cuò)方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)SDSCHPS中多傳感器的故障診斷及信號(hào)恢復(fù)。并結(jié)合一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析驗(yàn)證該方法對(duì)SDSCHPS中常見傳感器的四類故障的診斷及容錯(cuò)效果。
　　針對(duì)傳統(tǒng)的專家系統(tǒng)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于故障診斷時(shí)各自存在的不足，并根據(jù)SDSCHPS的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和運(yùn)行模式，提出一種融合人工神經(jīng)

10、網(wǎng)絡(luò)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(luò)各自的缺點(diǎn)，有充分利用了二者的長(zhǎng)處，解決了單獨(dú)應(yīng)用專家系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所無(wú)法解決的問題。同時(shí)，深入研究SDSCHPS分布式診斷過程中診斷任務(wù)的分析與分解、各子任務(wù)的求解、各子任務(wù)解的綜合等問題，初步構(gòu)建SDSCHPS的分布式故障診斷智能系統(tǒng)框架，從而為SDSCHPS進(jìn)行故障診斷系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。
　　本文的研究工作對(duì)推進(jìn)SDSCHPS智能型機(jī)電一體化、延長(zhǎng)