變頻離心式壓縮機冷水機組

2010-06-19 13:36:40周子成

制冷 2010年1期

周子成

1 引言

冷水機組在空調系統里使用十分廣泛。通常有蒸氣壓縮式冷水機組和吸收式冷水機組兩類。蒸氣壓縮式冷水機組由壓縮機、蒸發器、冷凝器、節流機構及其他輔助設備和管道等組成。按照壓縮機種類的不同,分為容積式壓縮機冷水組和速度式壓縮機冷水機組兩類。容積式壓縮機冷水組包括往復活塞式、滾動活塞式、渦旋式和螺桿式壓縮機等冷水機組,速度式壓縮機冷水組目前只有離心式壓縮機冷水機組一種。

變頻技術在容積式壓縮機冷水機組中應用較多,因為容積式壓縮機的制冷量與轉速成正比,變頻技術比較容易實現。目前用得較多的是滾動活塞式和渦旋式壓縮機冷水機組。

離心式壓縮機壓縮制冷劑氣體的方式和容積式不同,它是通過高速旋轉的葉輪對制冷劑氣體作功,氣體獲得能量后,壓力和流速提高,然后,在擴壓器內將流速降低,壓力繼續提高,并從蝸殼排出,進入冷凝器。轉速的改變不僅引起流量的改變,而且還會引起壓力的改變,此外,當轉速減小使流量減小后,氣流在葉輪和擴壓器流道里會造成沖擊、旋渦和脫離,并且可能會產生喘振,這是離心式冷水機組使用變頻技術的難點。

通常,空氣調節系統的冷負荷隨季節氣候和室內居留人員數量而變化,空調用冷水機組的制冷量需要和它相匹配,也要相應的變化。在一年的運轉時間內,滿負荷制冷量的運轉時間并不長,大部分是在部分負荷下運轉。因此,部分負荷下的高效、節能對降低全年能耗具有十分重要的意義,這就是離心式壓縮機冷水機組發展變頻的動力。

2 大型變頻離心式壓縮機冷水機組

2.1 轉速對離心式壓縮機性能的影響

圖1表示了制冷劑氣體按照一元流動流過葉輪時的速度三角形。由絕對速度C、相對速度U和圓周速度W組成,下標1表示在葉輪進口處,下標2表示在葉輪出口處,圖 (a)表示進口處速度三角形,圖 (b)表示出口處速度三角形。將絕對速度分解成圓周方向的分速和垂直于圓周速度方向的分速,分別用下標u和下標r表示。因此,C1分解成C1r和C1u,C2分解成C2r和C2u。

圖1 氣體流過葉輪進口和出口時的速度三角形

從速度三角形可得出下列矢量方程:1kg氣體流過葉輪時所獲的能量,稱為理論能量頭 (kJ/kg),用 △hth表示,根據歐拉方程

式中:

u2,u1—葉輪的出口圓周速度,進口圓周速度(m/s);

式中:

C2u,C1u—葉輪出口絕對速度在圓周方向的分量,葉輪進口絕對速度在圓周方向的分量 (m/s);D2,D1—葉輪出口直徑,葉輪進口直徑,m;

n—轉速,r/min;

π—圓周率。

從式 (6)可看出,在葉輪直徑一定時,圓周速度U和轉速n成正比。

又從式 (5)看出,由于C2u＞1,C1u=0,因此,當轉速n增大時,U2增大,理論能量頭 △hth增大。理論能量頭是葉輪加給1kg氣體的能量,這部分能量的主要部分在流出壓縮機時轉變成壓力能。因此,當轉速增高時,從離心式壓縮機流出的氣體壓力也增高。反之,當轉速降低時,從離心式壓縮機流出的氣體壓力也降低。

制冷劑氣體流過葉輪的體積流量,是葉輪流道的斷面積與垂直于斷面積的流速的乘積。質量流量是體積流量與密度的乘積。質量流量的大小代表離心式壓縮機制冷量的大小。從圖1的速度三角形可以看出,對于一臺結構尺寸一定的壓縮機,轉速越高,葉輪出口的圓周速度U2也越大,這時的絕對速度在垂直于斷面的分量C2r也越大,因此,離心式壓縮機的流量也越大,壓縮機的制冷量也越大,反之,轉速越低,制冷量越小。這就說明,用變頻電機驅動的離心壓縮機,通過改變頻率,使轉速變化,就可改變制冷量。

2.2 變頻離心式壓縮機冷水機組比定頻離心式冷水機組節能的原因

從圖1的葉輪進口速度三角形可以看出,氣流的相對速度W1是由圓周速度U1和絕對速度C1合成的。若進口無預旋,C1=C1r。

對于定頻離心式壓縮機,在部分負荷時,氣體流過葉輪流道的流量減小,C1r值減小,而圓周速度U1不變,因此相對速度W1的大小和方向都變化。相對速度W1的方向是用相對速度和圓周速度之間的夾角β1表示,相對速度W1方向變化就是β1角變化。

對于變頻離心式壓縮機,在部分負荷時,氣體流過葉輪流道的流量減小,C1r值減小,但由于轉速也減小,圓周速度U1也減小,在合理的設計下,可使相對速度W1的方向 (β1角)接近不變,或變化得較小,但不論怎樣,總是比定頻時變化要小。

這種定頻和變頻壓縮機W的變化關系,發生在整個葉輪流道里。

在離心式壓縮機設計時,葉輪流道的形狀,應和相對速度的方向一致,即葉輪的葉片進口彎曲角應等于 β1,葉片出口彎曲角應等于 β2,通常是按照額定制冷量時的參數設計的。在部分負荷時,制冷量減小,氣體流過葉輪的流速也減小,即Cr減小,而流道的幾何形狀是不變的。對于定頻離心壓縮機,由于轉速不變,葉輪的圓周速度不變,因此相對速度的方向就要改變,和流道的方向不一致,這時氣流就會產生沖擊損失、旋渦損失、脫離損失,甚至局部產生倒流,這些損失都使離心式壓縮機的效率降低、耗功增大。而對于變頻壓縮機,當部分負荷制冷量減小時,氣體流過葉輪的Cr減小,同時圓周速度U也減小,使相對速度的方向改變得小一些,或接近不變。這樣,氣體流過葉輪時的損失就會小一些,因而使離心式壓縮機的效率降低得少一些。這就是變頻離心式壓縮機冷水機組在部分負荷下運轉時,比定頻離心式冷水機組節能的原因。當然,部分負荷時轉速降低,消耗在軸與軸承的摩擦功率也減小。

但是,變頻離心式壓縮機也不能在全部部分負荷時都能滿足相對速度方向變化小的要求,一般是在制冷量接近滿負荷時相對速度方向變化較小,而制冷量越接近零時,變化越大。因此,變頻離心式壓縮機在部分負荷運行時,并不是只調節頻率,而是要與其他調節方法同時配合使用。例如,某公司的變頻離心式冷水機組部分負荷的調節方式設計成:當制冷量在額定值的100%至70%時,僅采用變頻降低轉速來調節制冷量,而在 70%以下時,采用變頻降低轉速同時配合使用進口導葉調節的方式來調節制冷量。

此外,擴壓器的流道也需要調節,對于無葉擴壓器,是將兩個平行壁面中的一個設計成可移動的壁面,或者是采用一個移動擋板,當部分負荷時,隨著氣體流量的減小,調節移動部件和固定壁面之間的距離,使其減小,因此擴壓器進口的流道斷面積縮小,減少氣流進入擴壓器時的沖擊和避免倒流。

2.3 變頻離心式壓縮機冷水機組與定頻離心式冷水機組節能性能的比較

大型離心式壓縮機空調用冷水機組大部分時間是在部分負荷下運轉,在這些時間里,往往氣候不是最炎熱,環境溫度比較低,離心式冷水機組工作的冷凝溫度比較低,因此,變頻離心式冷水機組由于部分負荷轉速降低造成排氣壓力降低,也能與較低的冷卻水溫度相適應。分析表明,通常變頻離心式冷水機組能比定頻離心式冷水機組年節電30%～35%,在特殊的部分負荷點運行時,可以比定頻離心式冷水機組節電75%。一般情況下,在2～3年內,變頻離心式壓縮機冷水機組所節省的運行費用,可以補償變頻離心冷水機組和定頻離心冷水機組初始投資的差價。

圖2是制冷量2000kW的變頻離心式冷水機組和定頻離心式冷水機組在各個部分負荷下的性能系數COP的比較。可以看出,制冷量在100%到90%時,變頻機和定頻機的COP差別很小,因為這時變頻機的轉速和定頻機的轉速差異很小。從90%到10%時,COP的差異就很大,變頻機的COP比定頻機高很多,因此,在部分負荷時,變頻機較定頻機有明顯的節能效果。

評價冷水機組的節能性能,通常采用 “綜合部分負荷值IPLV(Integrated Part-Load Value)”作為全年效率評價指標,它最早是由美國提出并規定在ARI 550/590標準和ASHRAE的相關標準里,現在我國標準中也用它作為評價指標。IPLV是從不同負荷下的效率比例和冷卻水溫度與實際運轉條件相似時加權平均計算出來的,IPLV的英制單位是kW/冷噸,IPLV值越小,節能性能越高。我國常用國際單位制的COP(kW/kW)可從它換算出來,COP值越大,節能性能越高,英、美國家過去使用的英制單位的能效比EER[(Btu/h)/kW]也可從它換算出來,IPLV的計算公式如下:

圖2 變頻和定頻離心式冷水機組部分負荷時COP的比較

式中:

A—冷卻水進口溫度29.4℃時在100%負荷下的效率;

B—冷卻水進口溫度23.9℃時在75%負荷下的效率;

C—冷卻水進口溫度18.3℃時在50%負荷下的效率;

D—冷卻水進口溫度18.3℃時在25%負荷下的效率;

使用式 (7)時,制冷水的出水溫度保持在定值6.7℃。

美國ASHRAE標準規定,對制冷量大于1054kW的離心式冷水機組的 IPLV(kW/冷噸)、COP(kW/kW)、EER[(Btu/h)/kW]的值應符合表1的規定。

表2表示了麥克維爾1580kW變頻離心冷水機組與定頻離心冷水機組IPLV的比較。

美國開利公司19XRV系列變頻離心式冷水機組的IPLV值為0.37～0.42kW/冷噸。

表1 離心式冷水機組的IPLV、COP、EER值

表2 麥克維爾1580kW變頻離心冷水機組與定頻離心冷水機組IPLV的比較

表3表示了日本三菱重工的ETI系列定頻和變頻離心冷水機組部分負荷全年效率COP、最大COP和全年耗電量的比較。

變頻離心式冷水機組還具有以下的一些優點:

a)降低啟動電流;

b)降低扭矩,延長電機壽命;

c)功率因數較高,降低額定電流;

d)電機零部件較少,減少維修;

e)降低了部分負荷時的轉速,使機組運轉噪聲比定頻機低,通常可降低5dB(A)左右。

表3 三菱重工的ETI系列定頻和變頻離心冷水機組部分負荷全年效率COP、最大COP和全年耗電量的比較

3 磁懸浮變頻離心壓縮機冷水機組

3.1 磁懸浮的工作原理和優點

離心式壓縮機所消耗的功,包括葉輪對氣體所作的功和軸旋轉時與軸承間摩擦消耗的功。磁懸浮離心式壓縮機的葉輪、電機轉子安設在一條軸上,兩端被支承在軸承上。在起動時,變頻電機將轉速慢慢升高,依靠磁力的作用,將軸向上浮起,旋轉的軸與軸承脫離。摩擦功減低到很小。因而降低了壓縮機消耗在軸與軸承間的摩擦功率,軸承消耗的功率從常規離心式壓縮機的10kW降低到磁懸浮壓縮機的0.2kW,使壓縮機的效率提高。

圖3表示了磁懸浮旋轉部件 (軸和葉輪)和軸承配合的結構圖,磁懸浮軸承由前徑向軸承、后徑向軸承和軸向軸承組成。通過Y軸位移傳感器和Z軸位移傳感器檢測控制,使軸保持在要求的懸浮位置上。

通過X軸位移傳感器檢測控制,使軸保持在要求的軸向位置上,精度達到0.00127mm。

圖3 磁懸浮軸和軸承的配合結構

圖4是一臺變頻磁懸浮壓縮機的結構。磁懸浮壓縮機采用磁懸浮數控軸承和高性能傳感器,它利用稀土永磁體和電磁體間產生的強力磁場來實現對壓縮機軸的懸浮。在運轉時受磁力的作用,軸被懸浮起來,不與軸承接觸,保證在運轉時軸與轉子精確定位。同時,軸承不需要潤滑油,避免了普通壓縮機內部復雜的潤滑油系統,大大提高了機組可靠性。由于整個制冷系統中沒有潤滑油循環,熱交換器表面沒有潤滑油熱阻,提高了換熱器傳熱效率,也提高了機組能效。該系列壓縮機為兩級壓縮,有兩個葉輪,由集成變頻直流同步無刷變頻電機驅動,軸承為無油潤滑磁軸承,內置數字電子設備。部分負荷時通過變頻調速并配合進口導葉調節。轉速范圍在18000～48000r/min,起動電流只有2A。采用數控電力電子設備,集成壓縮機、電子膨脹閥、冷水機組控制的最佳化運行。監控多達150個系統參數。當突然停電時,由于高速旋轉的轉子的慣性,將會繼續旋轉一定的時間,這時電機成為發電機,發出的電力對蓄電池充電,使蓄電池保持至少60秒的電力,以便能控制磁懸浮的軸緩慢地降落到軸承上。當出現嚴重故障時,由專門設計的降落軸承承受轉子,避免引起損壞。降落軸承有碳滾動軸承和陶瓷軸承兩種,碳滾動軸承能承受100次硬著落。陶瓷軸承具有更好的耐熱、更高的可靠性。

圖4 磁懸浮離心式壓縮機結構圖

3.2 磁懸浮變頻離心壓縮機冷水機組的性能

這種技術最早由捷豐公司獲得專利,后丹佛斯-托波庫公司購買了專利,1993年開發,2003年開始銷售,其結構如圖4所示。壓縮機為兩級、半開式葉輪,整個系列有TT300、TT400和TT500三種型號,TT300制冷量316kW(90冷噸),TT400冷量 527kW(150冷噸)。TT300轉速為 18000～48000r/min,起動電流僅2A。壓縮機重量只有常規壓縮機的1/5,占地面積為常規壓縮機的1/2。壓縮機長788mm,寬518mm,高482mm,重120kg,使用環保制冷劑R134a。該壓縮機贏得了一系列國際上聲望很高的獎項,包括美國國家環保總署(EPA)頒發的 “氣候保護”獎,美國供暖、制冷、空調工程師學會組織的美國制冷空調及供熱展覽會(ASHRAE/AHR)“能源創新”獎、加拿大 “節能”獎和澳大利亞 “AIRAH制冷”獎等。

使用這種壓縮機的冷水機組有水冷冷凝器和風