劉 輝

(大連冷凍機股份有限公司，遼寧大連116033)

目前，螺桿制冷壓縮機的驅(qū)動通常采用電動機驅(qū)動，結(jié)構(gòu)簡單，體積小、效率高、壽命長、可以輕松實現(xiàn)高速驅(qū)動。采用汽輪機來驅(qū)動也是可行的，一般都是采用背壓式汽輪機來驅(qū)動，簡單可靠，安裝方便，而采用凝汽式汽輪機驅(qū)動螺桿制冷壓縮機則復(fù)雜得多。由于汽輪機可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，所以對整個系統(tǒng)的能級調(diào)節(jié)不再使用壓縮機自帶的能級滑閥來調(diào)節(jié)，而采用通過汽輪機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)來調(diào)節(jié)能級。然而，為了避免汽輪機出現(xiàn)振動及避開臨界轉(zhuǎn)速，一般汽輪機的轉(zhuǎn)速都控制在一定范圍內(nèi)自動調(diào)節(jié)，大約在額定轉(zhuǎn)速的60% ～100%運行，而制冷系統(tǒng)中負荷的波動范圍一般都比較大，這樣就不能保證在用戶負荷在100%～10%無級可調(diào)。同時汽輪機開機前一般都要經(jīng)過較長時間的暖機，正常運行后也不希望負荷來回波動，更不希望頻繁開停機，為滿足用戶負荷100%～10%無級可調(diào)要求且保證汽輪機平穩(wěn)連續(xù)運行，設(shè)計一套熱氣旁通機構(gòu)即可實現(xiàn)。本文詳細介紹了熱氣旁通在凝汽式汽輪機驅(qū)動螺桿制冷壓縮機中的應(yīng)用實例，供用戶或設(shè)計者參考。

1 汽輪機的結(jié)構(gòu)及工作原理

汽輪機是將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)換成動能，然后轉(zhuǎn)化成機械能的蝸輪式機械。在汽輪機中，蒸汽在噴嘴中發(fā)生膨脹，壓力降低，速度增加，熱能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽?，推動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，動能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能。由于動能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的方式不同，便有不同工作原理的汽輪機，可分為沖動式汽輪機和反動式汽輪機。由于進入汽輪機的蒸汽熱力特性不同，便有不同形式的汽輪機，可分為凝汽式汽輪機和背壓式汽輪機。排汽在低于大氣壓力的真空狀態(tài)下進入凝汽器凝結(jié)成水，稱為凝汽式汽輪機。排汽大于大氣壓力，排汽全部供熱用戶使用。當(dāng)排汽作為其他中、低壓汽輪機的工作蒸汽時，稱為背壓式汽輪機，亦稱前置式汽輪機。

汽輪機本體主要由靜子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。靜子包括汽缸、隔板、靜葉柵、進排汽部分、端汽封以及軸承、軸承座等。轉(zhuǎn)子包括主軸、葉輪、動葉片(或直接裝有動葉片的鼓形轉(zhuǎn)子，整鍛轉(zhuǎn)子)和聯(lián)軸器等。為了保證安全和有效工作，汽輪機還配置有調(diào)節(jié)安全系統(tǒng)、油系統(tǒng)及各種輔助設(shè)備等。

2 螺桿制冷壓縮機的能級調(diào)節(jié)

螺桿制冷壓縮機屬于容積式壓縮機，優(yōu)點突出，其中一個顯著特點就是可實現(xiàn)能級的無級調(diào)節(jié)。一般有以下三種方式來調(diào)節(jié)能級:

1.滑閥控制:壓縮機自帶滑閥調(diào)節(jié)機構(gòu)，通過油壓來驅(qū)動油活塞來回運動，從而拖動滑閥移動，滑閥的移動可使部分吸入氣體不被壓縮，能級可以從100% ～10%無級調(diào)節(jié);

2.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié):壓縮機的輸氣量與壓縮機的轉(zhuǎn)速成正比，可以通過變頻電機或變頻器來改變壓縮機的轉(zhuǎn)速，達到調(diào)節(jié)能級的目的，同樣調(diào)節(jié)汽輪機的轉(zhuǎn)速也可以達到調(diào)節(jié)能級的目的;

3.熱氣旁通:將壓縮機排氣(熱氣)節(jié)流降溫后回到壓縮機的吸氣口，增加壓縮機的吸入量，相當(dāng)于壓縮機排氣直接導(dǎo)流到吸氣，壓縮機做無用功，制冷劑不參與到系統(tǒng)制冷循環(huán)中。

3 熱氣旁通的應(yīng)用實例

陜西某化工廠訂購了一套采用全凝式汽輪機驅(qū)動的螺桿壓縮機制冷系統(tǒng)，系統(tǒng)以R717作為制冷劑，要求最大制冷量9200 kW，正常7600 kW，系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度為1℃，對應(yīng)的壓力為446 kPa(A)，冷凝溫度為40℃，對應(yīng)壓力為1556 kPa(A)。選用K50螺桿制冷壓縮機，理論輸氣量為9388 m3/h，在名義工況下，壓縮機轉(zhuǎn)速為1500 r/min時制冷量9200 kW，軸功率 1900 kW，配用凝汽式汽輪機NK25/28/25，額定功率2000 kW，最高轉(zhuǎn)速11025 r/min，為避免振動和臨界轉(zhuǎn)速區(qū)域，汽輪機轉(zhuǎn)速范圍設(shè)定在7350～11025 r/min。汽輪機轉(zhuǎn)速在11025 r/min時，通過齒輪箱變速后對應(yīng)壓縮機的轉(zhuǎn)速為1500 r/min，此時為最大負荷;汽輪機轉(zhuǎn)速在7350 r/min時，對應(yīng)壓縮機的轉(zhuǎn)速為1000 r/min，即系統(tǒng)的負荷只能在67%～100%通過汽輪機的轉(zhuǎn)速無級調(diào)節(jié)，當(dāng)系統(tǒng)負荷降低到67%以下時，汽輪機的轉(zhuǎn)速將隨之降低，汽輪機將出現(xiàn)喘振現(xiàn)象，汽輪機將不能正常運行，此時開啟熱氣旁通機構(gòu)，將壓縮機排氣(熱氣)節(jié)流降溫后回到壓縮機的吸氣口，使汽輪機的轉(zhuǎn)速維持在7350 r/min以上。

圖1 熱氣旁通機構(gòu)Fig.1 Hot gas by pass mechanism

旁通量的多少由用戶的負荷來自動匹配，主要反映在系統(tǒng)吸氣壓力的變化上。當(dāng)系統(tǒng)需求冷量大于6440 kW，采用調(diào)節(jié)汽輪機轉(zhuǎn)速控制壓縮機吸氣壓力穩(wěn)定在設(shè)定值控制范圍內(nèi)［446 kPa(A)～426 kPa(A)］，當(dāng)系統(tǒng)需求冷量小于6440 kW時，汽輪機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在7350 r/min，通過熱氣旁通調(diào)節(jié)機構(gòu)控制壓縮機吸氣壓力穩(wěn)定在［400 kPa(A)～420 kPa(A)］，此時，系統(tǒng)負荷可以變化，而汽輪機的轉(zhuǎn)速沒有變化，變化的只是旁通量。

熱氣旁通調(diào)節(jié)機構(gòu)由熱氣旁通調(diào)節(jié)閥和噴液調(diào)節(jié)閥組成，熱氣旁通調(diào)節(jié)閥的開度通過壓縮機吸氣壓力伺服調(diào)節(jié)，當(dāng)系統(tǒng)需求制冷量降低，系統(tǒng)提供制冷劑氨蒸汽量減少，壓縮機吸氣壓力將會降低，當(dāng)吸氣壓力降低到400 kPa(A)時，熱氣旁通主閥的電磁導(dǎo)閥和噴液管線的電磁閥同時打開，熱氣旁通調(diào)節(jié)閥的壓力導(dǎo)閥通過感知吸氣管線壓力的變化自動調(diào)節(jié)熱氣旁通調(diào)節(jié)閥的開啟度，噴液調(diào)節(jié)閥則會根據(jù)熱氣旁通閥節(jié)流后氣體的過熱度自動調(diào)節(jié)噴液量，確保旁通的過熱氨蒸汽和噴入的氨制冷劑液體在混合器混合后，溫度降低至5～15℃，然后進入壓縮機的吸氣管路。具體流程見圖1。

4 熱氣旁通機構(gòu)調(diào)試方案

設(shè)置熱氣旁通機構(gòu)，首次調(diào)試是非常重要的，由于系統(tǒng)比較龐大，熱氣旁通量也很大，如果調(diào)節(jié)閥的開度或開啟壓力與系統(tǒng)不匹配，將導(dǎo)致汽輪機不能正常運行。如下程序是首次調(diào)節(jié)方案，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)試，滿足設(shè)計要求。

1.確認(rèn)已關(guān)閉手動節(jié)流閥和已開啟熱氣旁通用供液手閥;

2.關(guān)閉電磁閥1和2前的手動角閥(共2個);

3.逆時針旋轉(zhuǎn)CVC閥調(diào)節(jié)桿到頭，然后順時針擰CVC調(diào)節(jié)桿到頭，記下圈數(shù)n(順時針擰的圈數(shù));

4.CVC 閥調(diào)整范圍為 －0.045 ～0.7 MPa，計算每圈對應(yīng)壓力(0.745 MPa/n);

5.大致估算出需要調(diào)整的圈數(shù)m(0.3/0.745×n);

6.手動調(diào)高汽輪機轉(zhuǎn)速，使吸氣壓力恒定在0.29 MPa左右，此時EVM電磁導(dǎo)閥打開;

7.手動調(diào)低汽輪機轉(zhuǎn)速，使吸氣壓力恒定在0.3 MPa;

8.緩慢逆時針旋轉(zhuǎn)開啟背壓調(diào)節(jié)閥(CVC)調(diào)節(jié)桿，旋轉(zhuǎn)圈數(shù)應(yīng)接近步驟5計算出的圈數(shù)m，當(dāng)聽見PM閥有氣流通過的聲音，停止調(diào)節(jié)(CVC)調(diào)節(jié)桿，此時CVC閥的開啟壓力已調(diào)定，以后不用再調(diào)節(jié);

9.順時針旋轉(zhuǎn)2個熱力膨脹閥(TEA85－85)的過熱度調(diào)節(jié)桿約16圈，調(diào)節(jié)過熱度到最大值;

10.開啟電磁閥1前的手動角閥;

11.開啟電磁閥2前的手動角閥;

12.觀測吸氣溫度是否正常，觀測壓縮機是否帶液;

13.如一切正常，將系統(tǒng)改為自動運行。

5 結(jié)論

通過陜西某化工廠的應(yīng)用實例說明，螺桿制冷壓縮機不僅可用電動機驅(qū)動，用凝汽式汽輪機驅(qū)動也是可行的。由于制冷系統(tǒng)的負荷波動范圍比較大，且系統(tǒng)的負荷一般都采用汽輪機的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)，用凝汽式汽輪機驅(qū)動時需要考慮用戶負荷波動對汽輪機運行的影響。經(jīng)過實例證明，通過熱氣旁通機構(gòu)，完全可保證凝汽式汽輪機驅(qū)動的螺桿制冷系統(tǒng)平穩(wěn)連續(xù)運行。

［1］邢子文.螺桿壓縮機—理論、設(shè)計及應(yīng)用［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2000.

［2］侯曼西.工業(yè)汽輪機［M］.重慶大學(xué)出版社，1995.