離心式冷水機組防喘振措施分析

呂 肖,陳 亮

(廣州日立冷機有限公司,廣東510935)

0 引言

離心式冷水機組是大、中型空調(diào)工程中應用最多的機型,尤其是單機制冷量在1200kW以上時,設(shè)計時宜選用離心式機組。離心式冷水機組同其它類型機組相比,離心式冷水機組性能系數(shù)值高,一般在5.0以上,30%負荷運行可實現(xiàn)無極調(diào)節(jié),其耗能指標均為最小。而且,離心式冷水機組運動部件少,故障率低,可靠性高,機組無需大修,只需水系統(tǒng)的清洗,維修費用低。但離心式冷水機組在運行中容易產(chǎn)生喘振 (surge)故障,喘振發(fā)生時機身會產(chǎn)生強烈的振動,機組的制冷劑壓力和壓縮機電流忽高忽低變化劇烈,并伴隨著間歇的、很沉悶的氣流噪聲。過于頻繁的喘振還會損壞擴壓器和葉輪,給用戶的使用帶來諸多的不便和不安全因素。所以,喘振在運行中應該絕對避免。

1 離心式制冷壓縮機的構(gòu)造和原理[1]

1.1 離心式制冷壓縮機構(gòu)造

圖1為兩級離心式制冷壓縮機的基本結(jié)構(gòu),其主要部件包括有能量加入的部件——葉輪,無能量加入的固定元件,如吸氣室、擴壓器、彎道、回流器和蝸殼等。在壓縮機理論中常常順著氣體流動路線,將壓縮機分成若干個級。所謂級就是由一個葉輪和與之相配合的固定元件構(gòu)成的基本單元。各個元件的作用:

圖1 離心式壓縮機結(jié)構(gòu)示意

1)進氣室

通常進氣室是機殼的一部分,其作用是把氣體均勻地引入葉輪進行壓縮。

2)葉輪

葉輪是壓縮機中最重要的部件。氣體在葉輪中隨葉輪高速旋轉(zhuǎn),由于受離心力的作用,以及葉輪內(nèi)的擴壓作用,使氣體通過葉輪后的壓力升高,此外,氣體的速度能也同樣得到提高。因此,從能量轉(zhuǎn)換觀點來看,壓縮機中的葉輪是將機械能傳給氣體,可以認為葉輪是使氣體能量提高的唯一途徑。

3)擴壓器

氣體從葉輪流出時,具有較高的流動流速。為了將這部分動能充分地轉(zhuǎn)變?yōu)閯菽?以提高氣體的壓力,緊接著在葉輪后設(shè)置了流通面積逐漸擴大的擴壓器。一般擴壓器分為無葉型、葉片型、直壁型擴壓器等多種型式。無論何種擴壓器隨著直徑的增大,通流面積都隨之增加,使氣體流速逐漸減慢,壓力得到提高。

4)彎道

在多級離心式壓縮機中,為了把從擴壓器出來的氣體引導到下一級去繼續(xù)壓縮,設(shè)有使氣流拐彎的彎道。它是由機殼和隔板構(gòu)成的。

5)回流器

回流器的作用是使氣流按所要求的方向均勻進入下一級,由隔板和導流葉片組成,通常隔板和導流葉片整體鑄造在一起。

6)蝸室

蝸室的主要目的是把擴壓器后面或葉輪后面的氣體匯集起來,并引導氣體流向排氣管道,此外,在匯集氣體的過程中,由于蝸殼外徑的逐漸增大和通流截面的漸漸擴大,對氣體也起到一定的降速擴壓作用。

1.2 離心式制冷壓縮機的工作原理

離心式制冷壓縮機工作時制冷劑蒸汽由吸氣口軸向進入吸氣室,并在吸氣室的導流作用引導下,由蒸發(fā)器 (或中間冷卻器)來的制冷劑蒸汽均勻地進入高速旋轉(zhuǎn)的葉輪 (它是離心式制冷壓縮機的重要部件,因為只有通過葉輪才能將能量傳給氣體)。氣體在葉片作用下,一邊跟著葉輪作高速旋轉(zhuǎn),一邊由于受離心力的作用,在葉片中作擴壓流動,從而使氣體的壓力和速度都得到提高。由葉輪出來的氣體再進入截面積逐漸擴大的擴壓器 (因為氣體從葉輪流出時具有較高的流速,擴壓器便把動能部分地轉(zhuǎn)化為壓力能,從而提高氣體的壓力)。氣體流過擴壓器時速度減小,而壓力則進一步提高。經(jīng)擴壓器后氣體匯集到蝸殼中,再經(jīng)排氣口引導至中間冷卻器或冷凝器中。

2 離心式冷水機組喘振機理及危害

2.1 離心式冷水機組的喘振機理

離心式冷水機機組是由離心式制冷壓縮機、蒸發(fā)器、冷凝器、節(jié)流機構(gòu)和調(diào)節(jié)機構(gòu)以及各種控制元件組成的整體機組。圖2為離心式冷水機組運行簡圖。制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)吸收載冷劑水的熱量進行制冷,蒸發(fā)吸熱后的制冷劑濕蒸汽被壓縮機壓縮成高溫高壓氣體,經(jīng)水冷冷凝器冷凝后變成液體,液態(tài)制冷劑經(jīng)膨脹閥節(jié)流進入蒸發(fā)器再循環(huán),從而制取7～12℃冷凍水供空調(diào)末端空氣調(diào)節(jié)。

圖2 離心式冷水機組運行流程

2.1.1 小流量產(chǎn)生喘振的機理

當壓縮機在設(shè)計點工作時,氣流的進氣角基本上等于工作葉輪的進口幾何角,氣流順利地進入流道工作,一般不出現(xiàn)附面層脫離現(xiàn)象,損失小,如圖3a所示。壓縮機葉輪流道內(nèi)氣體流量的減少時,按照壓縮機的特性曲線,其運行的工況點引向高壓縮比方向。這時氣流方向的改變在葉輪入口產(chǎn)生較大的正沖角,使得葉輪葉片上的非工作面產(chǎn)生嚴重的氣流脫離現(xiàn)象,氣動損失增大,并且破壞了正常流動[2],如圖3b所示。氣體在葉片擴壓器中的流動情況也與工作葉輪中的類似,當流道內(nèi)氣體流量減少到某一值后,葉道進口氣流的方向就和葉片進口角很不一致,沖角大大增加,在非工作面引起流道中氣流邊界層嚴重分離,使流道進出口出現(xiàn)強烈的氣流脈動。

圖3 流量變換時葉輪進口的流動對比

在壓縮機的運轉(zhuǎn)過程中,流量不斷減小至Qmin值,壓縮機流道中出現(xiàn)流動嚴重惡化情形,這時葉輪不能有效提高氣體的壓力,導致壓縮機出口壓力降低,但是系統(tǒng)管網(wǎng)的壓力沒有瞬間相應地降下來(冷凝器的壓力),從而氣流就會從冷凝器倒流向壓縮機,一直到冷凝壓力低于壓縮機出口壓力為止,這時倒流停止,壓縮機的排量增加,壓縮機恢復正常工作。而實際上壓縮機在這種條件下的總負荷很小,限制了壓縮機的排量,壓縮機的排量又慢慢減小,氣體又產(chǎn)生倒流,如此反復,在系統(tǒng)中產(chǎn)生了周期性的氣流振蕩現(xiàn)象,這種現(xiàn)象稱為喘振。

2.1.2 高負荷產(chǎn)生喘振的機理

由于離心式制冷壓縮機的葉輪結(jié)構(gòu)形式一般都是后彎型,所以理論揚程曲線是一條單調(diào)遞減的直線[3]。考慮壓縮機的損失:機械損失、容積損失、摩擦損失、沖擊渦流損失等,離心式制冷壓縮機的理論性能曲線和實際性能曲線如圖4所示。其中A點為實際揚程最高點 (點A將實際性能曲線分為左支與右支)。機組運行在0到QB區(qū)域內(nèi),QA點的附近是最佳工作區(qū)。高于實際揚程線的外部區(qū)域都是喘振區(qū)域。

圖4 離心式制冷壓縮機的特性曲線

由圖4可知,隨著負荷的增大,冷凝溫度逐漸升高,冷凝壓力也會升高。如果所要求的冷水水溫比較低,則蒸發(fā)壓力也就比較低,如果這時室外的氣溫很高,濕度又大 (此工況在我國南方沿海地區(qū)的夏季比較常見),則冷卻塔的換熱效果下降,冷卻水溫升高,隨之冷凝壓力也升高。同時如果還有冷卻水量不足、制冷系統(tǒng)中有不凝性氣體、換熱管結(jié)垢等現(xiàn)象使冷凝壓力進一步提高,則要求壓縮機的壓頭也要進一步提高。一旦冷凝器和蒸發(fā)器的壓力差大于壓縮機的揚程,冷凝器中的氣體就會倒流,喘振現(xiàn)象發(fā)生。在圖4中可直觀理解,只要機組運行線在實際揚程線以內(nèi),機組就可以平穩(wěn)運行;超過了實際揚程線,機組就會發(fā)生喘振。此外,高負荷也會改變管網(wǎng)的特性曲線,即管網(wǎng)特性曲線左移,迫使機組運行在實際特性曲線左支上。在這種條件下,管網(wǎng)流量的減少極易誘發(fā)系統(tǒng)內(nèi)氣流周期性的震蕩,即喘振現(xiàn)象的產(chǎn)生[4]。

2.2 喘振運行的危害

喘振現(xiàn)象對壓縮機十分有害,主要表現(xiàn)在以下幾個方面:

1)喘振時由于氣流強烈的脈動和周期性震蕩,會使機組工況大幅度地波動,對一些工藝要求嚴格場合,會破壞其系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2)會使葉片強烈振動,葉輪應力大大增加,噪聲加劇。

3)引起靜部件的摩擦與碰撞,使壓縮機的軸產(chǎn)生彎曲變形,嚴重時會產(chǎn)生軸向竄動,碰壞葉輪。

4)加劇軸承、軸頸的磨損,破壞潤滑油膜的穩(wěn)定性,使軸承合金產(chǎn)生疲勞裂紋,甚至燒毀。

5)損壞壓縮機的級間密封及軸封,使壓縮機效率降低。影響與壓縮機相連的其他設(shè)備的正常運轉(zhuǎn),干擾操作人員的正常工作,使一些測量儀表儀器準確性降低,甚至失靈。

一般機組的排氣量、壓力比、排氣壓力和氣體密度越大,發(fā)生的喘振越嚴重,危害越大。

3 防喘振措施

3.1 制冷劑管路旁通設(shè)計

旁通設(shè)計在離心機組防喘振應用中屬于等流量控制范疇。它通過旁通閥使冷凝器中的高壓氣體或液體進到蒸發(fā)器中,降低冷凝器的壓力并提高蒸發(fā)器的壓力,降低了壓縮機的壓頭,同時增加了壓縮機的流量,以此改善工況來防止喘振。雖然這種調(diào)節(jié)方法是不經(jīng)濟的[5],但從設(shè)計成熟性、生產(chǎn)經(jīng)濟性考慮,多數(shù)離心機組廠家都有旁通設(shè)計的成熟產(chǎn)品。筆者所屬日立冷機公司的產(chǎn)品,在單獨旁通冷媒液體時,機組可以在20%低負荷情況下穩(wěn)定運行;氣體和液體雙重旁通設(shè)計時,可以保證機組在10%左右的低負荷狀態(tài)下運行。

3.2 進口導葉控制

進口導葉使葉輪進口的絕對速度有預旋,從歐拉公式[1]可知導葉旋轉(zhuǎn)不僅使能量頭改變,同時也使流量改變達到調(diào)節(jié)制冷量的目的。通過導流葉片的調(diào)節(jié)可以使壓縮機在最大壓頭下任意點運行。當機組負荷降低時,導流葉片開始關(guān)閉,機組平穩(wěn)減載到所需的負載。采用進口導葉調(diào)節(jié)可使喘振點在很小制冷量處才發(fā)生。例如美國開利公司和重慶通用機器廠 (現(xiàn)已被美的集團收購)生產(chǎn)的制冷機組,采用改變進口導葉及無葉擴壓器出口寬度的雙重調(diào)節(jié),可以做到在10%負荷下不喘振,但此時的空轉(zhuǎn)功率較大,亦不經(jīng)濟。

3.3 改變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)

壓縮機轉(zhuǎn)速改變,壓縮機的性能曲線將隨著移動,可以增加穩(wěn)定工況區(qū)域,它適用于蒸汽輪機、燃氣輪機拖動的機組,是一種比較經(jīng)濟的調(diào)節(jié)方法,只是調(diào)節(jié)后的工作點不一定是最高效率點。但對電動機拖動的機組,為了便于變速,就要用直流機組或采用變頻方法,這會使設(shè)備大大復雜化,同時造價也高。不過在離心式冷水機組市場份額中,仍然有以交流異步變頻和磁懸浮為代表的品牌機組,例如約克、麥克維爾、三菱、格力等。需指明一點,若考慮實際運行能耗、設(shè)備投入、調(diào)試維修等諸多因素,行業(yè)中也普遍存在另一個觀點——“所有壓縮機中,離心壓縮機也許是最不適合于使用變頻技術(shù)的”。

3.4 多級壓縮設(shè)計

離心式壓縮機出口的速度可分解為切向速度和徑向速度。切向速度取決于葉輪的直徑與葉輪的轉(zhuǎn)速,徑向速度與制冷劑流量成正比。要有效避免喘振,必須控制好速度與切向速度的夾角不能小于一定值。特靈公司的離心機組是主流品牌中極少數(shù)采用三級壓縮技術(shù)的典型產(chǎn)品。在保證壓比的前提下,采用低轉(zhuǎn)速設(shè)計,降低切向速度的同時保持徑向速度,提高速度與切向速度的夾角,從而克服喘振問題。通常情況可在10%～20%低負荷區(qū)運行不發(fā)生喘振。不過喘振是離心式壓縮機的固有屬性,只要低負荷運行到喘振流量,多級離心機照樣喘振,而且任何一級發(fā)生喘振,都會影響到整臺機組的正常工作。

3.5 采用可轉(zhuǎn)動的擴壓器調(diào)節(jié)

具有葉片擴壓器的離心壓縮機,其性能曲線較陡,且當流量減小時,往往首先在葉片擴壓器出現(xiàn)嚴重分離導致喘振。但如能改變擴壓器的進口角以適應來流角,則可使性能曲線向小流量區(qū)大幅度移動,擴大穩(wěn)定工況范圍,使喘振流量大為降低,達到防喘振的目的,并且壓力和效率變化很小[6]。該防喘振控制方式,在開利的產(chǎn)品中已得到具體的應用,但目前而言,此調(diào)節(jié)機構(gòu)復雜不說,其運行低負荷時仍須采用熱氣旁通予以輔助調(diào)節(jié)。

3.6 可移動式擴壓腔

喘振的誘發(fā)因素是冷凝壓力與蒸發(fā)壓力壓差過高或壓縮機流量過低。也就是說在部分負荷時喘振是很容易發(fā)生的。對于離心機組來說,當運行負荷降低時,壓縮機的導葉逐漸關(guān)閉,吸氣量降低,如果擴壓腔的通道面積不變,則氣體的流速降低。當氣體的流速無法克服擴壓腔的阻力損失時,氣流會出現(xiàn)停滯,由于氣體動能的下降,轉(zhuǎn)化的壓力能也降低。當氣流體壓力小于排氣管網(wǎng)的壓力時,氣流發(fā)生倒流,喘振發(fā)生。麥克維爾的DistinctionTM系列機組采用了此控制方式,其雙級壓縮離心式冷水機組可在5%的低負荷運行[7]。

3.7 多級進口導葉調(diào)節(jié)控制

這種控制主要針對多級壓縮機型。由上已知,為了使離心壓縮機能在較寬的流量范圍內(nèi)穩(wěn)定工作,常用進口導葉對其進行調(diào)節(jié),為了達到更好的調(diào)節(jié)性能,在每一級的葉輪進口處安裝可轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)流量的導葉機構(gòu),對進氣氣流進行限流、預旋,減少進氣損失,降低喘振發(fā)生幾率。三菱離心式冷水機組已采用了此調(diào)節(jié)手段,并和其舊機型的調(diào)節(jié)方式做了相關(guān)的試驗對比。其產(chǎn)品采用 “進口導葉+熱氣旁通+變速”復合調(diào)節(jié)形式,可使機組在20%～50%的低負荷區(qū)高效運行[8]。

3.8 優(yōu)化設(shè)計配置方案

離心式冷水機組預防喘振除了從機組設(shè)計考慮出發(fā),還可全面考慮機組運行環(huán)境及外圍配置。

1)在項目選型時,特殊使用場合要特殊應對設(shè)計。例如日本工業(yè)協(xié)會針對本國的環(huán)境特點,冷凍機標準冷卻水的進出口的設(shè)計溫度定為 32～37℃。用來削弱潮濕悶熱的自然環(huán)境對機組運行產(chǎn)生的不利因素;

2)如果項目工程的冷負荷波動較大,但周期明顯,頻率不大,可選擇雙機頭的離心機組或離心機組搭配螺桿機組的運行方案。盡量避免離心壓縮機在低負荷下工作運行;

3)監(jiān)測蒸發(fā)壓力、冷凝器壓力、冷凍水/冷卻水水溫、冷凍水流量等核心要素,開發(fā)相關(guān)控制程序,使機組能夠在避開喘振的工況下穩(wěn)定運行,增強機組的自適應能力。

4 總結(jié)

目前離心式壓縮機技術(shù)已發(fā)展得頗為完善,離心式冷水機組在市場中的應用也較為成熟。但筆者認為,在當前的基礎(chǔ)上再次分析離心式冷水機組的喘振機理及其防喘振措施是十分有必要的。希望本文能夠為業(yè)內(nèi)相關(guān)技術(shù)人員帶來一定的幫助,為今后離心式冷水機組的開發(fā)應用提供一定的指導或借鑒意義。

[1]徐忠.離心壓縮機原理[M].北京:機械工業(yè)出版社,1990

[2]宋芳,王宇.離心式制冷壓縮機的喘振與預防措施[J].山西建筑,2008,34(17):340-341

[3]屠大雁,劉鶴年,馬祥王官,等.流體力學與流體機械[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1994

[4]何灝彥.離心式壓縮機的喘振成因及防止措施 [J].化工設(shè)計通訊,2003,29(4):45-48

[5]繆道平,吳業(yè)正,鄔志敏,等.制冷壓縮機[M].北京:機械工業(yè)出版社,2001

[6]姜培正.過程流體機械[M].北京:化學工業(yè)出版社,2001

[7]McQuay Air Conditioning Application Guide AG 31-002:10-11

[8]Wataru Seki,Kenji Ueda,Yoshinori Shirakata et al Technical Review[J].Mitsubishi Heavy Industries,Ltd 2006,43(2):40-44