滑閥調節和變速調節螺桿并聯機組在速凍行業的應用

河南千年冷凍設備有限公司 王莉娜

滑閥調節和變速調節螺桿并聯機組在速凍行業的應用

河南千年冷凍設備有限公司 王莉娜

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

傳統的能量調節方法有滑閥調節和變速調節，其中滑閥調節原理如下：滑閥調節螺桿壓縮機在轉子高壓側設置了一個能軸向移動的滑閥，通過其軸向移動，改變螺桿的有效工作長度，使負荷在10%～100%之間調節。當滑閥與固定端緊密接觸時，基元容積Vc充氣量最大，由吸入端吸入的氣體經壓縮后全部排出，負荷為100%；當滑閥向排氣端移動時，滑閥后緣與固定端形成一個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，從而達到負荷調節的目的。采用滑閥調節螺桿壓縮機雖可實現負荷的無級調節，但隨負荷的減少，機組的COP（性能系數）也將下降。機組COP隨負荷的變化用SCOP（相對性能系數）表示，隨負荷的減少，SCOP逐漸降低，尤其在10%～60%負荷時，下降明顯。所以采用滑閥調節螺桿制冷壓縮機負荷，當輸氣量低于額定輸氣量的50%時，因螺桿有效長度較短，內壓比降低較多，使等容壓縮到排氣壓力的附加功耗較大，雖然負荷降低了，但功耗下降并不明顯，致使機組效率陡降。所以滑閥調節螺桿壓縮機在部分負荷工作時是不經濟的。

變速調節螺桿壓縮機的原理如下：螺桿制冷壓縮機輸氣量與轉速成正比，改變壓縮機轉速可達到調節輸氣量目的。但轉速的變化會影響機組的相對泄漏量及摩擦損失功，進而影響螺桿制冷壓縮機效率。在轉速較低時，因泄漏導致的容積效率和絕熱效率的下降量陡增。高轉速時，泄漏對效率的影響較小，在2 000～6 000r/min范圍內，容積效率和絕熱效率變化很小。這是因為轉速較高時，壓縮機的容積流量增大，體現在效率曲線上為絕熱效率的增加。但隨著轉速的增加，又引起摩擦損失功率的增加，造成機械效率下降。所以，總的看來，隨著轉速的增加，轉速對效率的影響將逐漸減少。也就是說，在一定轉速范圍內，轉速變化對泄漏量的影響很小。故在該范圍內采用轉速調節制冷量時，壓縮機功耗的下降將與負荷的減少成正比，可使機器保持較高的效率和優越的性能。所以在該轉速范圍內用變速法調節負荷是非常經濟的。但每臺螺桿壓縮機都有其自身的最佳轉速，過分低于最佳轉速，效率將大為下降。同時，電機的調速也有其變速范圍，過低的轉速亦會使電機工作不穩定，效率降低，故變速調節只適用于60%～100%負荷范圍內的調節。

一、項目概況

項目所在地位于廣西，需要建成凍結牛皮的三層平網隧道，隧道內溫度為－（2±2）°C，進貨溫度為25～30°C，出貨溫度為0～4°C，客戶需求冷量為200kW，蒸發溫度為－11°C，冷凝溫度為+35°C。選用臺灣“復盛”公司的螺桿壓縮機，型號為SRL140B-MP，數量3臺，其中一臺為變速調節螺桿壓縮機，另外兩臺為滑閥調節螺桿壓縮機。該項目于2010年4月投入使用，每天工作2個班次，每班次10h。其制冷系統示意圖如圖1所示。

二、機組自動控制原理

該系統主要由ABB變頻器、三菱PLC、A/D、D/A、施耐德接觸器、復盛壓縮機等組成控制系統。其自動控制原理如圖2所示。

如圖2所示，系統運行時先加載變速調節螺桿壓縮機，使其在60%～100%負荷范圍內調節。如果負荷在上升，可以選擇其余2臺滑閥調節壓縮機中運行時間短的進行加載，并使其在短時間的加載完成后工作在100%負荷，然后根據負荷調節變速調節壓縮機在60%～100%負荷范圍內調節。如果負荷在增加，再選擇滑閥調節壓縮機中運行時間最短的進行加載，并使其在短時間的加載完成后工作在100%負荷。在負荷減少時，先卸載變速調節的壓縮機到60%負荷，如果負荷繼續減少，選擇運行時間最長的滑閥調節螺桿壓縮機進行卸載；如果負荷還在減少，最后卸載變速調節螺桿壓縮機，直至停機。根據以上的調節方式，可以使機組負荷在20%～100%的范圍內實現無級調節。

三、變速調節的數學模型

針對變速調節螺桿壓縮機負荷的調節速度，筆者建立了全新的數學模型進行控制。該數學模型即y=f(X)，式中，X=吸氣壓力測量值與吸氣壓力設定值之間的差值，y=變速調節螺桿壓縮機調節速度。PLC實時測量吸氣壓力，并實時將吸氣壓力測量值和吸氣壓力設定值之間進行差值計算，然后根據數學模型，計算出變速調節壓縮機的調節速度。比如：設定壓力為3.5bara，測量壓力為4.5bara，根據函數計算出來的調節速度為5，那么變頻器就可以通過PLC控制，按照每秒增加5Hz的頻率進行加載；如果測量壓力變為3.6bara，根據函數計算出來的調節速度為1，那么變頻器就可以通過PLC控制，按照每秒1Hz的頻率進行加載；同理可進行卸載。采用這種建立數學模型的控制方式可將速凍隧道溫度控制在±0.6K的范圍內。

四、采用電磁閥組作為節流閥

熱力膨脹閥及機械式調節閥在制冷和空調行業廣泛地被用于過熱度及制冷劑流量的控制。但是隨著系統對能效比、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。

我國企業目前普遍采用熱力膨脹閥作為節流閥，只有部分企業使用電子膨脹閥。與熱力膨脹閥相比，電子膨脹閥具有過熱度控制精確、變負荷和工況適用性好、控制靈敏度高、機組啟動階段瞬態流量控制性能優越等優點。

河南千年冷凍設備有限公司在工程項目中應用了電子膨脹閥和熱力膨脹閥。從提高系統的能效比、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點，但是電子膨脹閥價格昂貴、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現，由于電子膨脹閥對步進電機的控制采用的是開環控制，閥體容易出現丟步。比如，根據過熱度信號，需要產生200個脈沖來關閉閥體，但是由于丟步，需要采用240個脈沖關閉閥體。而電子膨脹閥在發出200個脈沖后，就認為已經關閉了膨脹閥，這個時候膨脹閥閥體就有可能出現關閉不嚴的情況，導致制冷劑灌入蒸發器，在開機時容易形成濕壓縮。

本系統打破了熱力膨脹閥或電子膨脹閥作為節流閥的傳統，采用電磁閥組作為節流閥。將壓力傳感器和溫度傳感器放在蒸發器出口處，溫度傳感器傳回的數據在PLC里面被定義為回氣溫度Th，壓力傳感器傳回的數據在PLC里面被定義為蒸發壓力Pe，蒸發壓力Pe對應的溫度被定義為蒸發溫度Te，回氣溫度Th減去蒸發溫度Te，即是由PLC計算的過熱度。通過PLC控制不等數量的冷量的電磁閥組的開啟，從而達到對蒸發器過熱度的控制。該方式首先在速凍隧道上面進行應用。此前，在采用其他方式作為節流閥時，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，其降溫時間縮短到14～16min，節能效果顯著。

五、項目創新之處

1. 將滑閥調節螺桿壓縮機和變速調節螺桿壓縮機并聯，避免了滑閥壓縮機在部分負荷下的不經濟運行，集成了滑閥壓縮機在滿負荷時節能和變速調節壓縮機在部分負荷時節能的優點，實現了機組的節能控制。

2. 建立了數學模型y=f（X）（X=吸氣壓力測量值與吸氣壓力設定值之間的差值，y=變速調節螺桿壓縮機調節速度）。根據此數學模型，可以計算出變速調節壓縮機的調節速度和并聯機組的加載和卸載的速度，據此可以避免壓縮機頻繁啟動，達到節能和提高設備可靠性的目的。

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

六、結論

采用以上創新方式，整個制冷系統可實現節能17%左右，取得里較好的節能效果。