熱氣旁通在凝汽式汽輪機驅動螺桿制冷壓縮機中的應用

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動通常采用電動機驅動，結構簡單，體積小、效率高、壽命長、可以輕松實現高速驅動。采用汽輪機來驅動也是可行的，一般都是采用背壓式汽輪機來驅動，簡單可靠，安裝方便，而采用凝汽式汽輪機驅動螺桿制冷壓縮機則復雜得多。由于汽輪機可以調節(jié)轉速，所以對整個系統的能級調節(jié)不再使用壓縮機自帶的能級滑閥來調節(jié)，而采用通過汽輪機的轉速調節(jié)來調節(jié)能級。然而，為了避免汽輪機出現振動及避開臨界轉速，一般汽輪機的轉速都控制在一定范圍內自動調節(jié)，大約在額定轉速的60% ～100%運行，而制冷系統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。同時汽輪機開機前一般都要經過較長時間的暖機，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%無級可調要求且保證汽輪機平穩(wěn)連續(xù)運行，設計一套熱氣旁通機構即可實現。本文詳細介紹了熱氣旁通在凝汽式汽輪機驅動螺桿制冷壓縮機中的應用實例，供用戶或設計者參考。

1 汽輪機的結構及工作原理

汽輪機是將蒸汽的熱能轉換成動能，然后轉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，熱能轉變?yōu)閯幽埽苿愚D子旋轉，動能轉變?yōu)闄C械能。由于動能轉變?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。轉子包括主軸、葉輪、動葉片(或直接裝有動葉片的鼓形轉子，整鍛轉子)和聯軸器等。為了保證安全和有效工作，汽輪機還配置有調節(jié)安全系統、油系統及各種輔助設備等。

2 螺桿制冷壓縮機的能級調節(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能級的無級調節(jié)。一般有以下三種方式來調節(jié)能級:

1.滑閥控制:壓縮機自帶滑閥調節(jié)機構，通過油壓來驅動油活塞來回運動，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%無級調節(jié);

2.轉速調節(jié):壓縮機的輸氣量與壓縮機的轉速成正比，可以通過變頻電機或變頻器來改變壓縮機的轉速，達到調節(jié)能級的目的，同樣調節(jié)汽輪機的轉速也可以達到調節(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，相當于壓縮機排氣直接導流到吸氣，壓縮機做無用功，制冷劑不參與到系統制冷循環(huán)中。

3 熱氣旁通的應用實例

陜西某化工廠訂購了一套采用全凝式汽輪機驅動的螺桿壓縮機制冷系統，系統以R717作為制冷劑，要求最大制冷量9200 kW，正常7600 kW，系統的蒸發(fā)溫度為1℃，對應的壓力為446 kPa(A)，冷凝溫度為40℃，對應壓力為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，最高轉速11025 r/min，為避免振動和臨界轉速區(qū)域，汽輪機轉速范圍設定在7350～11025 r/min。汽輪機轉速在11025 r/min時，通過齒輪箱變速后對應壓縮機的轉速為1500 r/min，此時為最大負荷;汽輪機轉速在7350 r/min時，對應壓縮機的轉速為1000 r/min，即系統的負荷只能在67%～100%通過汽輪機的轉速無級調節(jié)，當系統負荷降低到67%以下時，汽輪機的轉速將隨之降低，汽輪機將出現喘振現象，汽輪機將不能正常運行，此時開啟熱氣旁通機構，將壓縮機排氣(熱氣)節(jié)流降溫后回到壓縮機的吸氣口，使汽輪機的轉速維持在7350 r/min以上。

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

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

熱氣旁通調節(jié)機構由熱氣旁通調節(jié)閥和噴液調節(jié)閥組成，熱氣旁通調節(jié)閥的開度通過壓縮機吸氣壓力伺服調節(jié)，當系統需求制冷量降低，系統提供制冷劑氨蒸汽量減少，壓縮機吸氣壓力將會降低，當吸氣壓力降低到400 kPa(A)時，熱氣旁通主閥的電磁導閥和噴液管線的電磁閥同時打開，熱氣旁通調節(jié)閥的壓力導閥通過感知吸氣管線壓力的變化自動調節(jié)熱氣旁通調節(jié)閥的開啟度，噴液調節(jié)閥則會根據熱氣旁通閥節(jié)流后氣體的過熱度自動調節(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 熱氣旁通機構調試方案

設置熱氣旁通機構，首次調試是非常重要的，由于系統比較龐大，熱氣旁通量也很大，如果調節(jié)閥的開度或開啟壓力與系統不匹配，將導致汽輪機不能正常運行。如下程序是首次調節(jié)方案，經現場調試，滿足設計要求。

1.確認已關閉手動節(jié)流閥和已開啟熱氣旁通用供液手閥;

2.關閉電磁閥1和2前的手動角閥(共2個);

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

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

5.大致估算出需要調整的圈數m(0.3/0.745×n);

6.手動調高汽輪機轉速，使吸氣壓力恒定在0.29 MPa左右，此時EVM電磁導閥打開;

7.手動調低汽輪機轉速，使吸氣壓力恒定在0.3 MPa;

8.緩慢逆時針旋轉開啟背壓調節(jié)閥(CVC)調節(jié)桿，旋轉圈數應接近步驟5計算出的圈數m，當聽見PM閥有氣流通過的聲音，停止調節(jié)(CVC)調節(jié)桿，此時CVC閥的開啟壓力已調定，以后不用再調節(jié);

9.順時針旋轉2個熱力膨脹閥(TEA85－85)的過熱度調節(jié)桿約16圈，調節(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，將系統改為自動運行。

5 結論

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

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

［2］侯曼西.工業(yè)汽輪機［M］.重慶大學出版社，1995.