河南千年冷凍設(shè)備有限公司 王莉娜

滑閥調(diào)節(jié)和變速調(diào)節(jié)螺桿并聯(lián)機(jī)組在速凍行業(yè)的應(yīng)用

河南千年冷凍設(shè)備有限公司 王莉娜

螺桿制冷壓縮機(jī)的理論輸氣量為：Vl=CψCnn L D2。式中Vl為理論輸氣量，Cψ為螺桿扭角系數(shù)，Cn為螺桿面積利用系數(shù)，n為轉(zhuǎn)速，L為螺桿有效工作長度，D為螺桿公稱直徑。

傳統(tǒng)的能量調(diào)節(jié)方法有滑閥調(diào)節(jié)和變速調(diào)節(jié)，其中滑閥調(diào)節(jié)原理如下：滑閥調(diào)節(jié)螺桿壓縮機(jī)在轉(zhuǎn)子高壓側(cè)設(shè)置了一個(gè)能軸向移動(dòng)的滑閥，通過其軸向移動(dòng)，改變螺桿的有效工作長度，使負(fù)荷在10%～100%之間調(diào)節(jié)。當(dāng)滑閥與固定端緊密接觸時(shí)，基元容積Vc充氣量最大，由吸入端吸入的氣體經(jīng)壓縮后全部排出，負(fù)荷為100%；當(dāng)滑閥向排氣端移動(dòng)時(shí)，滑閥后緣與固定端形成一個(gè)與吸氣端相通的泄逸通道，使螺桿有效長度變短，基元容積將減至Vb，排氣量減少，相對的制冷量也減少，從而達(dá)到負(fù)荷調(diào)節(jié)的目的。采用滑閥調(diào)節(jié)螺桿壓縮機(jī)雖可實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的無級調(diào)節(jié)，但隨負(fù)荷的減少，機(jī)組的COP（性能系數(shù)）也將下降。機(jī)組COP隨負(fù)荷的變化用SCOP（相對性能系數(shù)）表示，隨負(fù)荷的減少，SCOP逐漸降低，尤其在10%～60%負(fù)荷時(shí)，下降明顯。所以采用滑閥調(diào)節(jié)螺桿制冷壓縮機(jī)負(fù)荷，當(dāng)輸氣量低于額定輸氣量的50%時(shí)，因螺桿有效長度較短，內(nèi)壓比降低較多，使等容壓縮到排氣壓力的附加功耗較大，雖然負(fù)荷降低了，但功耗下降并不明顯，致使機(jī)組效率陡降。所以滑閥調(diào)節(jié)螺桿壓縮機(jī)在部分負(fù)荷工作時(shí)是不經(jīng)濟(jì)的。

變速調(diào)節(jié)螺桿壓縮機(jī)的原理如下：螺桿制冷壓縮機(jī)輸氣量與轉(zhuǎn)速成正比，改變壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速可達(dá)到調(diào)節(jié)輸氣量目的。但轉(zhuǎn)速的變化會(huì)影響機(jī)組的相對泄漏量及摩擦損失功，進(jìn)而影響螺桿制冷壓縮機(jī)效率。在轉(zhuǎn)速較低時(shí)，因泄漏導(dǎo)致的容積效率和絕熱效率的下降量陡增。高轉(zhuǎn)速時(shí)，泄漏對效率的影響較小，在2 000～6 000r/min范圍內(nèi)，容積效率和絕熱效率變化很小。這是因?yàn)檗D(zhuǎn)速較高時(shí)，壓縮機(jī)的容積流量增大，體現(xiàn)在效率曲線上為絕熱效率的增加。但隨著轉(zhuǎn)速的增加，又引起摩擦損失功率的增加，造成機(jī)械效率下降。所以，總的看來，隨著轉(zhuǎn)速的增加，轉(zhuǎn)速對效率的影響將逐漸減少。也就是說，在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速變化對泄漏量的影響很小。故在該范圍內(nèi)采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)制冷量時(shí)，壓縮機(jī)功耗的下降將與負(fù)荷的減少成正比，可使機(jī)器保持較高的效率和優(yōu)越的性能。所以在該轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)用變速法調(diào)節(jié)負(fù)荷是非常經(jīng)濟(jì)的。但每臺(tái)螺桿壓縮機(jī)都有其自身的最佳轉(zhuǎn)速，過分低于最佳轉(zhuǎn)速，效率將大為下降。同時(shí)，電機(jī)的調(diào)速也有其變速范圍，過低的轉(zhuǎn)速亦會(huì)使電機(jī)工作不穩(wěn)定，效率降低，故變速調(diào)節(jié)只適用于60%～100%負(fù)荷范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)。

一、項(xiàng)目概況

項(xiàng)目所在地位于廣西，需要建成凍結(jié)牛皮的三層平網(wǎng)隧道，隧道內(nèi)溫度為－（2±2）°C，進(jìn)貨溫度為25～30°C，出貨溫度為0～4°C，客戶需求冷量為200kW，蒸發(fā)溫度為－11°C，冷凝溫度為+35°C。選用臺(tái)灣“復(fù)盛”公司的螺桿壓縮機(jī)，型號為SRL140B-MP，數(shù)量3臺(tái)，其中一臺(tái)為變速調(diào)節(jié)螺桿壓縮機(jī)，另外兩臺(tái)為滑閥調(diào)節(jié)螺桿壓縮機(jī)。該項(xiàng)目于2010年4月投入使用，每天工作2個(gè)班次，每班次10h。其制冷系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

二、機(jī)組自動(dòng)控制原理

該系統(tǒng)主要由ABB變頻器、三菱PLC、A/D、D/A、施耐德接觸器、復(fù)盛壓縮機(jī)等組成控制系統(tǒng)。其自動(dòng)控制原理如圖2所示。

如圖2所示，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)先加載變速調(diào)節(jié)螺桿壓縮機(jī)，使其在60%～100%負(fù)荷范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。如果負(fù)荷在上升，可以選擇其余2臺(tái)滑閥調(diào)節(jié)壓縮機(jī)中運(yùn)行時(shí)間短的進(jìn)行加載，并使其在短時(shí)間的加載完成后工作在100%負(fù)荷，然后根據(jù)負(fù)荷調(diào)節(jié)變速調(diào)節(jié)壓縮機(jī)在60%～100%負(fù)荷范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。如果負(fù)荷在增加，再選擇滑閥調(diào)節(jié)壓縮機(jī)中運(yùn)行時(shí)間最短的進(jìn)行加載，并使其在短時(shí)間的加載完成后工作在100%負(fù)荷。在負(fù)荷減少時(shí)，先卸載變速調(diào)節(jié)的壓縮機(jī)到60%負(fù)荷，如果負(fù)荷繼續(xù)減少，選擇運(yùn)行時(shí)間最長的滑閥調(diào)節(jié)螺桿壓縮機(jī)進(jìn)行卸載；如果負(fù)荷還在減少，最后卸載變速調(diào)節(jié)螺桿壓縮機(jī)，直至停機(jī)。根據(jù)以上的調(diào)節(jié)方式，可以使機(jī)組負(fù)荷在20%～100%的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無級調(diào)節(jié)。

三、變速調(diào)節(jié)的數(shù)學(xué)模型

針對變速調(diào)節(jié)螺桿壓縮機(jī)負(fù)荷的調(diào)節(jié)速度，筆者建立了全新的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行控制。該數(shù)學(xué)模型即y=f(X)，式中，X=吸氣壓力測量值與吸氣壓力設(shè)定值之間的差值，y=變速調(diào)節(jié)螺桿壓縮機(jī)調(diào)節(jié)速度。PLC實(shí)時(shí)測量吸氣壓力，并實(shí)時(shí)將吸氣壓力測量值和吸氣壓力設(shè)定值之間進(jìn)行差值計(jì)算，然后根據(jù)數(shù)學(xué)模型，計(jì)算出變速調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的調(diào)節(jié)速度。比如：設(shè)定壓力為3.5bara，測量壓力為4.5bara，根據(jù)函數(shù)計(jì)算出來的調(diào)節(jié)速度為5，那么變頻器就可以通過PLC控制，按照每秒增加5Hz的頻率進(jìn)行加載；如果測量壓力變?yōu)?.6bara，根據(jù)函數(shù)計(jì)算出來的調(diào)節(jié)速度為1，那么變頻器就可以通過PLC控制，按照每秒1Hz的頻率進(jìn)行加載；同理可進(jìn)行卸載。采用這種建立數(shù)學(xué)模型的控制方式可將速凍隧道溫度控制在±0.6K的范圍內(nèi)。

四、采用電磁閥組作為節(jié)流閥

熱力膨脹閥及機(jī)械式調(diào)節(jié)閥在制冷和空調(diào)行業(yè)廣泛地被用于過熱度及制冷劑流量的控制。但是隨著系統(tǒng)對能效比、溫度控制、操作范圍等方面的要求不斷提高，近年來國外普遍采用電子膨脹閥。

我國企業(yè)目前普遍采用熱力膨脹閥作為節(jié)流閥，只有部分企業(yè)使用電子膨脹閥。與熱力膨脹閥相比，電子膨脹閥具有過熱度控制精確、變負(fù)荷和工況適用性好、控制靈敏度高、機(jī)組啟動(dòng)階段瞬態(tài)流量控制性能優(yōu)越等優(yōu)點(diǎn)。

河南千年冷凍設(shè)備有限公司在工程項(xiàng)目中應(yīng)用了電子膨脹閥和熱力膨脹閥。從提高系統(tǒng)的能效比、對過熱度控制的精確性等方面考慮，電子膨脹閥有很大的優(yōu)點(diǎn)，但是電子膨脹閥價(jià)格昂貴、配件繁多（需要閥體、控制器、顯示器、溫度傳感器、壓力傳感器等）。并且在使用過程中還發(fā)現(xiàn)，由于電子膨脹閥對步進(jìn)電機(jī)的控制采用的是開環(huán)控制，閥體容易出現(xiàn)丟步。比如，根據(jù)過熱度信號，需要產(chǎn)生200個(gè)脈沖來關(guān)閉閥體，但是由于丟步，需要采用240個(gè)脈沖關(guān)閉閥體。而電子膨脹閥在發(fā)出200個(gè)脈沖后，就認(rèn)為已經(jīng)關(guān)閉了膨脹閥，這個(gè)時(shí)候膨脹閥閥體就有可能出現(xiàn)關(guān)閉不嚴(yán)的情況，導(dǎo)致制冷劑灌入蒸發(fā)器，在開機(jī)時(shí)容易形成濕壓縮。

本系統(tǒng)打破了熱力膨脹閥或電子膨脹閥作為節(jié)流閥的傳統(tǒng)，采用電磁閥組作為節(jié)流閥。將壓力傳感器和溫度傳感器放在蒸發(fā)器出口處，溫度傳感器傳回的數(shù)據(jù)在PLC里面被定義為回氣溫度Th，壓力傳感器傳回的數(shù)據(jù)在PLC里面被定義為蒸發(fā)壓力Pe，蒸發(fā)壓力Pe對應(yīng)的溫度被定義為蒸發(fā)溫度Te，回氣溫度Th減去蒸發(fā)溫度Te，即是由PLC計(jì)算的過熱度。通過PLC控制不等數(shù)量的冷量的電磁閥組的開啟，從而達(dá)到對蒸發(fā)器過熱度的控制。該方式首先在速凍隧道上面進(jìn)行應(yīng)用。此前，在采用其他方式作為節(jié)流閥時(shí)，速凍隧道溫度從+25°C降到-35°C需要30～40min左右；采用新方法后，其降溫時(shí)間縮短到14～16min，節(jié)能效果顯著。

五、項(xiàng)目創(chuàng)新之處

1. 將滑閥調(diào)節(jié)螺桿壓縮機(jī)和變速調(diào)節(jié)螺桿壓縮機(jī)并聯(lián)，避免了滑閥壓縮機(jī)在部分負(fù)荷下的不經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，集成了滑閥壓縮機(jī)在滿負(fù)荷時(shí)節(jié)能和變速調(diào)節(jié)壓縮機(jī)在部分負(fù)荷時(shí)節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組的節(jié)能控制。

2. 建立了數(shù)學(xué)模型y=f（X）（X=吸氣壓力測量值與吸氣壓力設(shè)定值之間的差值，y=變速調(diào)節(jié)螺桿壓縮機(jī)調(diào)節(jié)速度）。根據(jù)此數(shù)學(xué)模型，可以計(jì)算出變速調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的調(diào)節(jié)速度和并聯(lián)機(jī)組的加載和卸載的速度，據(jù)此可以避免壓縮機(jī)頻繁啟動(dòng)，達(dá)到節(jié)能和提高設(shè)備可靠性的目的。

3. 打破傳統(tǒng)的熱力膨脹閥或電子膨脹閥作為節(jié)流閥的傳統(tǒng)，采用電磁閥組作為節(jié)流閥，控制蒸發(fā)器出口的過熱度。

六、結(jié)論

采用以上創(chuàng)新方式，整個(gè)制冷系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)節(jié)能17%左右，取得里較好的節(jié)能效果。