牛寨換流站螺桿冷水機組頻繁啟停問題診斷與分析

張杰 何其愚 丁漢林 馬晨昱 李更達 郭明登 夏子軍 喬超

1 南網超高壓輸電公司曲靖局

2 云南新天地人工環境工程有限公司

0 引言

螺桿壓縮機是大容量制冷空調系統的最常用壓縮機，以零部件數量少，無往復運動和摩擦運動等易損構件、運行可靠而著稱。牛寨換流站使用螺桿壓縮機的區域包括閥廳和中控樓通風空調系統。這些空調系統相互獨立，每個系統由冷水機組，水泵及水系統，組合空調，電氣及控制系統等組成，如圖1 所示，具有對閥廳溫濕度控制（包括升溫降溫、加濕降濕）和空氣過濾功能。

圖1 牛寨換流站閥廳空調

螺桿壓縮機細分的種類很多，牛寨換流站使用的都是半封閉單級雙螺桿壓縮機。螺桿壓縮機通過容量滑閥調節器容量輸出，理論上其容量輸出可以在一定范圍內無級調節，但部分壓縮機生產廠家為保證壓縮機運轉的可靠性，能量輸出仍采用分級控制，有的甚至不帶調節功能。實際運行中一般應控制單壓縮機容量，長時間運行，最小比例一般不能小于50%，短時間可以小于50%。

1 牛寨換流站壓縮機啟停控制

牛寨換流站的螺桿壓縮機即采用0、25%、50%、75%、100%的分級控制方式，其能量輸出有0、67.5kW、135 kW、202.5 kW、270 kW 五個級別。

壓縮機的容量輸出與啟停控制并不由壓縮機自身決定，而是通過冷水機組的控制系統由回水的溫度決定。

牛寨換流站的壓縮機啟停供水溫度范圍設置為7/12 ℃，當供水溫度高于12 ℃時壓縮機啟動，當供水溫度低于7 ℃時，壓縮機停止運行。這是一個合理的常規設置。

在這一過程中，當回水溫度大幅降低時，壓縮機也會逐步減載，最終回水溫度接近7 ℃時，壓縮機會在最低輸出容量50%級別運行。當壓縮機輸出容量維持50%級別而回水溫度仍然降低到7 ℃以下，壓縮機會將負荷減到25%，短時間后（一般為幾十秒鐘，各廠家設置有所不同）將停機。

2 故障的表現和特征

針對螺桿壓縮機的主要故障，首先要提取故障特征信息，據此分析故障產生的原因和故障機理，判斷故障部位，根據不同的故障提供診斷方法和現場治理措施。

2.1 自控系統數據記錄情況

牛寨換流站通風空調系統正常運行時，閥廳溫濕度能滿足使用要求，但卻存在閥廳空調系統中螺桿冷水機組啟停過于頻繁，幾年來已多次出現壓縮機燒壞的故障現象。表1 是根據自控系統數據生成的壓縮機啟停時間表。

表1 數據中，10 臺壓縮機有7 臺每次啟停運行時間在1 h 以內，最少的僅0.34 h。這還僅是平均值，在冬季氣溫低空調負荷低的情況下，每次運行的時間則會更短。

螺桿機頻繁啟停的情況在夏季冬季同樣存在，只是冬季更為頻繁而已。這是符合邏輯的，因為夏季有建筑熱負荷，冬季該項負荷少甚至為負值。

表1 2016 年06 月止2017 年06 月壓縮機啟停情況表

雖然說標準規范和設計文件一般不會對冷水機組壓縮機的啟停次數提出要求或限制，但一般中央空調工程中，冷水機組是應該長時間連續運行的，至少幾小時甚至連續幾天，這樣一方面可以減少啟停次數、延長機組壽命，另一方面也是在保持運行工況的穩定，使空調房間的溫度更穩定一些。

牛寨換流站如此的運行工況確實是一種異常啟停。在其他保護機構正常、運行環境正常的情況下，多次的壓縮機燒壞，顯然與壓縮機的頻繁啟停密切相關，畢竟每次啟停都給壓縮機帶來大的負荷沖擊。

2.2 現場實測螺桿機啟停

為準確掌握螺桿機的起停情況，核實歷史數據的可靠性，對換流站運行中的各臺螺桿壓縮機進行了現場啟停測試，現場測試環境條件如表2 所示。

表2 現場測試環境條件

實測結果表明：各螺桿壓縮機均每次運行18～20 min，然后都在準確的5 min 之后重新啟動。

3 頻繁啟停故障原因分析

螺桿壓縮機出現頻繁啟停對安全生產是一種潛在隱患，必須分析其原因，并據此制定針對性的故障診斷和維護策略，從而真正的提升螺桿壓縮機的工作穩定性。

在現場實測過程中，觀察到了以下情況：

1）螺桿壓縮機和整個冷水機組的啟停過程正常，啟動后運行正常。

2）供水溫度從低往高升至12 ℃時壓縮機啟動，供水溫度逐步下降。

3）一段時間后壓縮機逐步減負荷。

4）供水溫度低至7 ℃時壓縮機完全停機。

5）停機后五分鐘后準時開始啟動。

6）停機后供水溫度逐步上升，到三分鐘時溫度達到12 ℃，到五分鐘時達15.5 ℃，其水溫上升曲線如圖2 所示。

圖2 螺桿壓縮機啟停過程水溫上升曲線圖

根據這樣一個與供水溫度密切相關和有規律的實測結果，可以初步判斷，螺桿壓縮機的頻繁啟停，與供水溫度直接相關。

3.1 運行中的螺桿壓縮機停機原因

牛寨換流站的壓縮機啟停供水溫度范圍設置為7/12 ℃，當供水溫度高于12 ℃時壓縮機啟動，供水溫度低于7 ℃時，壓縮機停止運行。在這種機制下，隨著冷水機組回水溫度降低，螺桿壓縮機也會逐步減載，直至停車。

3.2 螺桿機組會在停機后5 min 再準時啟動

螺桿機停機后三分鐘供水溫度即已達到螺桿機的啟動溫度12 ℃，但這時螺桿機沒有啟動，而是一直等到5 min，這個5 min 是閥廳冷水機組設定的保護時間，避免重復啟動時間過短而損壞機組。

3.3 閥廳螺桿機頻繁啟停分析

牛寨換流站壓縮機頻繁啟停，說明其空調系統的供水溫度不停在7～12 ℃之間變化。因此，要找到其頻繁啟停的原因，就要分析造成溫度大幅度來回變動的因素。

3.3.1 閥廳負荷水平計算

為找到解決螺桿機組頻繁啟停的問題和解決辦法，對閥廳負荷進行分析。由于剛停機時冷水機組蒸發器內尚有剩余制冷劑，對水溫有一定影響，3 min 后這影響基本消除。以3～5 min 這個區間的溫度變化來分析閥廳負荷。

系統所配水泵參數為：流量51.2 m3/h，揚程31.2 m，可以保證系統的水流量≥51.2 m3/h。

根據參考文獻[1]可知系統水容量為0.986 t，那么在時間段3～5 min 的范圍內，系統的水循環次數N 由式（1）計算。

式中：q 為水流量；t 為時間；V 為系統水容量。

代入數據計算得：N=51.2×2/60/0.986＝1.73

因此，這個時間段測溫點的溫升可以視為整個水系統的溫升，閥廳所體現的負荷由式（2）估算。

式中：Q 為熱量；c 為水的比熱容，取4.18 kJ/(kg·℃)；m為質量；Δt 為水溫變化量。

代入數據計算得：Q=0.986×1000×(15.5-12)×4.18/(2×60)=120 kW

綜合考慮到一些其它因素，包括當壓縮機運行時系統內水溫更低、閥廳空氣與水的溫差更大、閥廳傳遞給水的熱量更多等，可以認為閥廳負荷為≥120 kW。

根據螺桿壓縮機的啟停原理，當回水溫度接近7 ℃時，壓縮機會在最低輸出容量50%級別運行。而螺桿機在50%負荷下水溫仍繼續降低導致停機，那么可以確認負荷小于270×50%＝135 kW。

再綜合考慮到以下因素：

①螺桿機在夏季也頻繁啟停，這意味著夏季負荷也在135 kW 以內。

②閥廳屬于高大空間，高于閥廳設備的頂部空間可以不考慮為負荷。

③多年以來的閥廳平均負荷約60%。

從以上的分析來看，確認在2018 年12 月2 日觀測期內，閥廳負荷基本保持在120～135 kW 之間，即50%以下的狀態。

3.3.2 閥廳負荷的變化對螺桿機影響

作為冷水機組的核心部件，螺桿壓縮機給機組回水降溫，再通過供給冷凍水給閥廳降溫。水溫變化，會受到環境溫度也就是閥廳空氣溫度變化的影響，回水溫度與閥廳空調負荷直接相關，因此螺桿機的啟停和載荷與閥廳負荷直接關聯。

閥廳空調負荷來自于兩方面。一是常規的建筑熱負荷，包括氣溫高時通過墻體由外往里傳遞的熱量、照明熱負荷。二是閥廳電氣設備的發熱量，該部分熱量大部分已經閥冷系統帶出室外，但不可避免仍有部分熱量散入閥廳室內。

冷水機組的供水、回水的每次循環，都會帶走閥廳熱量，降低閥廳氣溫。閥廳負荷大小就會影響到回水的溫度，進而對螺桿壓縮機的工作狀態產生影響。

3.3.3 設備選型的影響

根據螺桿機啟停控制原理，當回水溫度大幅降低時，壓縮機也會逐步減載，當回水溫度接近7 ℃時，壓縮機會在最低輸出容量50%級別運行。當空調系統的供水溫度降到7 ℃，冷水機組的最低容量輸出仍大于閥廳的空調負荷時，運行中的螺桿壓縮機則會出現停機情況。

在設備選型方面，牛寨換流站選用270 kW 的半封閉單級雙螺桿壓縮機。如前所述，螺桿機在50%負荷下水溫仍繼續降低導致停機，可以確認其負荷小于：270×50%＝135 kW。實際結果表明，選型設備的容量過大，導致當前空調負荷比最低設備容量還小。這種問題周而復始，是引發螺桿機反復啟停的重要原因之一。

4 解決方案

根據實測結果及原因分析，牛寨換流站螺桿壓縮機頻繁啟停問題的解決可以考慮三個方案。

4.1 更改運行控制方式

通過分析可以知道，壓縮機的頻繁啟停更容易發生與空調負荷低的時候，而空調負荷低則意味著室外氣溫也低，因此當室外氣溫偏低的時候可以考慮全新風運行方式。

按閥廳空調系統設計圖紙，閥廳設計溫濕度如下：溫度為10～50 ℃。相對濕度為25%～60%。房間正壓值為5～30 Pa[2-3]。

根據云南昭通地區的氣象資料，在絕大部分情況下，甚至在極端高低溫情況下，采用全新風方式、不啟用冷水機組，都可以保證閥廳溫度在設計的10～50 ℃范圍內。而實際運行的過程中，閥廳顯示的溫度范圍為18～30 ℃。原閥廳空調控制系統已設置：室外溫度低于12 ℃時，直接啟用不需要冷水機組的全新風方式。這樣做，既可以節能，也可以減少螺桿壓縮機的啟停次數、尤其減少冷水機組的低負荷運行時間、提高壓縮機壽命。

雖然這個方案只是針對低溫季節，但卻不失為一個可選的方案。

4.2 設置蓄冷箱擴大系統熱容量

擴大系統熱容量，是保留目前設備情況下的一個可行方式。在系統外設置蓄冷水箱，讓冷水機組高負荷運行，往閥廳供冷的同時降低水箱的溫度，當冷水機組達到設定低溫后，因為蓄冷水箱的存在，系統水溫上升到設定的啟動溫度會更緩慢。從而明顯減少螺桿壓縮機的啟停次數。

一般來講，這樣的方案宜保留蓄冷箱的蓄冷量可滿足系統半小時以上負荷需要。這樣的話壓縮機每次啟停間隔根據負荷不同可達一小時以上。

按前述負荷120 kW、水溫差7-12 ℃考慮，半小時運行所需要的水容量為120/(12-7)/4.18×1800=10335kg ≈10 t。

即建議根據場地的條件情況，設置10～20 t 的蓄冷箱。

這一方案雖不能保證冷水機組的連續穩定運行，但也可以大幅降低螺桿機的啟停次數，延長壓縮機壽命，提高了系統可靠性。同時水溫波動幅度更小，更有利于閥廳溫度穩定。

需要注意的是，蓄冷箱結構設計時特別應注意避免進出水的短路，還應注意水箱里水流及其形成的溫度場，以保證最優的蓄冷效率。如果存在白天用電和晚上用電的明顯成本差異，也可以考慮冰蓄冷。

4.3 更換設備

既然螺桿壓縮機運行中的停機是源于冷水機組的最低容量輸出仍大于閥廳的空調負荷，那么自然可以考慮降低冷水機組的容量來避免壓縮機停機。

要解決頻繁啟停的問題，宜選用低容量的多臺設備組成一個系統（模塊化機組）、或者選用多個制冷系統的單臺機組。可配置容量70 kW 的模塊化機組，數量6 臺。其中2～3 臺正常使用，其余備用。

這一方案除解決螺桿壓縮機的頻繁啟停以外，還提高了系統的可靠性，可在條件允許時采用。

5 結論

綜上所述，換流站需要全年運行于制冷工況，隨著季節的變化和閥廳運行參數的變化，閥廳空調負荷變化非常大。在這種情況下，單級螺桿壓縮機的單臺冷水機組難以滿足如此負荷變化，從而導致一系列問題，并提供三個解決方案。

1）當室外氣溫偏低的時候可以考慮全新風運行的方式。

2）設置蓄冷箱擴大系統熱容量。

3）選用低容量的多臺設備組成一個系統（模塊化機組），或者選用多個制冷系統的單臺機組。