螺桿式制冷機組運行過程中冷凍油溫度的控制

摘要：對螺桿式制冷機組的冷凍油溫度進行控制，能有效提高制冷機組的運行效率，有利于制冷機組的發展。本文分析了雙級螺桿式機組油路系統，從兩個方面對機組運行前的油溫控制進行了說明，闡述了機組運行初始階段的油溫控制，為制冷機組的穩定運行提供了保障，期望能給人們這方面有益的參考。

關鍵詞：螺桿式制冷機組；油溫控制；PID控制系統；分析

引言

隨著我國經濟的不斷增長，各行業對制冷機組的使用越來越多，制冷機組的應用也隨之而變得廣泛起來。但是在實際運行當中，如果沒有很好地對冷凍油溫度進行控制，就會對制冷機組的設備造成損害。因此如何做好制冷機組運行初始階段的油溫控制工作就顯得十分必要。下面就此進行討論分析。

1 雙級螺桿式機組油路系統

系統采用半封閉雙級變頻螺桿式壓縮機1，制冷劑為R22，蒸發溫度范圍為-60～-30℃，冷凍油型號為3GS，機組運行時注入壓縮機的冷凍油最佳溫度范圍為40～60℃。

系統中，冷凍油起到了密封轉子間隙、冷卻氣體制冷劑和及潤滑壓縮機運動部件從而提高容積效率的作用。過低的冷凍油溫度會使其溶解制冷劑的能力增強，令冷凍油黏度及潤滑能力降低，加速壓縮機運動部件的機械磨損。

國內大部分冷庫機房均無供暖措施，在寒冷地區如果機組運轉率較低，機房內的溫度會降至0℃以下。尤其是機組在低環境溫度下長期待機時，油氣分離器內貯存的冷凍油被周圍環境冷卻至較低的溫度，此時機組開機運行可能對螺桿式壓縮機造成損害。因此，螺桿式機組運行初始階段的油溫控制就顯得十分必要。

2機組運行前的油溫控制

2.1 機組運行前油溫控制的重要性

雙級螺桿式制冷機組運行時的環境溫度一般要求在0～40℃之間，但是在冬季氣溫較低的情況下，如果機組較長時間停機，油氣分離器中貯存的潤滑油溫度也會隨之降低，黏度增大而溶解大量制冷劑。在不同油溫及壓力條件下，制冷劑R22在冷凍油3GS中的溶解度如圖1所示。

圖1 制冷劑R22在冷凍油3GS中的溶解度曲線

隨著冷凍油中制冷劑溶解度的增加，冷凍油的黏度明顯降低，而油溫越高，冷凍油的黏度也會越低。

對于雙級螺桿式制冷機組，油氣分離器中的油溫過低，將會導致供給壓縮機的冷凍油中的制冷劑溶解量增大，導致冷凍油黏度降低、壓縮機軸承潤滑不足，從而造成壓縮機損傷。而冷凍油中的制冷劑溶解量增大會導致油飛散量增加，油氣分離器分油效率降低，大量冷凍油被帶入系統從而造成給油量不足，如壓縮機供油中斷將可能導致壓縮機燒毀。而冷凍油大量進入蒸發器會導致其熱交換能力低下，冷卻效果變差會導致吸氣過熱度降低。注入壓縮機中的冷凍油中如含有大量制冷劑，會對熱交換量產生影響，造成排氣溫度過低，導致惡性循環。

因此，對于雙級螺桿式制冷系統，根據壓縮機生產廠家的建議，需控制R22制冷劑在3GS冷凍油中的溶解度在5%～20%的范圍，可以認為對于壓縮機是安全可靠的。而在開機前，如油溫保持在45℃以上，就基本可以保證制冷劑溶解度控制在允許的范圍內。

在相同的制冷劑溶解度條件下，油溫越高，其黏度會大幅降低，從而使壓縮機的8FD0動部件之間無法形成油膜，使其密封性及容積效率降低。而過高的冷凍油溫度會使其冷卻能力降低，壓縮機排氣溫度過高，易造成報警及容積效率降低。因此，過低或過高的冷凍油溫度對螺桿式制冷機組的運行都是不利的，機組開始運行時需將油氣分離器中的油溫控制在合適的范圍內。

2.2 機組運行前的油溫控制方法

雙級螺桿式制冷機組在開機初始階段，為使注入壓縮機的3GS冷凍油中制冷劑R22的溶解度控制在合適的范圍內，將油氣分離器2設計成如圖2所示形式。

圖2 油氣分離器外觀簡圖

低油位報警器下方安裝有內置電加熱器，當機組停機時，可產生熱量對油氣分離器內部的潤滑油加熱。油溫傳感器對油氣分離器中的潤滑油溫度進行檢測，其檢測的溫度信號輸入PLC控制器，由其控制電加熱器的開啟或關閉。一般認為將油氣分離器中冷凍油溫度的目標值控制在45～60℃之間是合適的。

由于油氣分離器中被電加熱器加熱的潤滑油向上流動，潤滑油在豎直方向由上至下存在逐漸降低的溫度梯度，而電加熱器附近的潤滑油溫度較油氣分離器中其他處的溫度要高。因此，油溫傳感器安裝在低油位報警器下方并遠離電加熱器處。這樣所檢測的溫度最接近于油氣分離器本體底部出油管處的潤滑油溫度。可在油氣分離器筒體上焊接一個一端縮口的縮口銅管，將油溫傳感器裝入縮口銅管后用硅膠將感溫探頭固定在縮口銅管內部，銅管外部接口塞入橡膠塞。

3 機組運行初始階段的油溫控制

3.1 機組運行初始階段的油溫特點

當油氣分離器內的冷凍油溫度達到使用條件后，螺桿式制冷機組開機運行。此時壓縮機排氣側所攜帶的高溫冷凍油與油氣分離器中溫度較低的冷凍油不斷混合，使得油氣分離器內的冷凍油溫度不斷上升，直到達到穩定狀態。此時出油管排出的冷凍油溫度接近恒定值，由于油氣分離器向外界散失了部分熱量，此時冷凍油溫度稍低于排氣溫度。

根據熱力學計算公式，冷凍油在冷卻過程中的冷卻負荷（W）為

（1）

式中：c為冷凍油的比熱容（J/（kg·℃））； 為冷凍油的質量流量（kg/s）；Δt為冷凍油經過板式換熱器冷卻后的溫度變化（℃）。

以蒸發溫度-50℃工況為例，將冷凍油冷卻目標溫度設置為50℃，通過式（1）可得，在不同冷凝溫度下機組開機運行初始階段，隨著油氣分離器出油溫度的變化，在螺桿式制冷機組開機運行的初始階段，油冷負荷是一個逐漸升高的變化過程。冷凝溫度越高，油氣分離器出油溫度所能達到的最大值越高。當出油溫度達到最大值后，油冷卻負荷逐漸穩定。

3.2 機組運行初始階段油冷卻控制優化改進

由于在機組運行初始階段，油冷卻負荷是一個從零開始逐漸升高的過程，因此對應油冷系統，很難選定某種型號的熱力膨脹閥，使油溫穩定在40～60℃使用范圍內。此時熱力膨脹閥的開啟必將導致冷凍油溫度劇烈下降，低于機組運行時所要求的冷凍油最低溫度。同時，供液電磁閥將不斷啟停，油溫波動使板式換熱器存在因熱應力沖擊造成泄漏的危險。

為了減小機組運行初始階段油溫波動對板式換熱器造成熱應力沖擊，將原系統中的熱力膨脹閥改為電子膨脹閥，并使用PID控制器對電子膨脹閥進行自動調節的控制方式，油氣分離器設置了電加熱器。其中冷凍油控制目標值為toil=50℃，電磁閥在冷凍油溫度t>47℃時開啟，t<47℃時關閉。

該系統采用PID控制法，圖3中R（t）是油溫的期望值，即toil=50℃，y（t）是系統的實際輸出，即冷凍油冷卻后測得的溫度t，兩者構成控制偏差e（t）（e（t）=R（t）-y（t）=50-t）即PID控制器的輸入。函數u（t）作為PID控制器的輸出信號，它是通過對偏差信號e（t）的比例（P），積分（I）和微分（D）運算后得到的。u（t）也是被控對象的輸入信號，它給電子膨脹閥驅動電機輸入0～480的脈沖信號，使其開度連續增大或減小，從而使進入換熱器的制冷劑流量m（t）改變。換熱器可視為有滯后的一階對象，由其來實現冷凍油的冷卻功能。

圖3 PID控制系統原理

3.3 油冷卻控制系統改進后的油溫控制效果

使用改造后的油冷系統，對庫溫-42℃的冷庫，環境溫度為24℃的情況下，在機組開機運行后對注入壓縮機的油溫情況進行了測試。其中冷凍油控制目標值為toil=50℃，油氣分離器中的電加熱器在機組運行前將油溫加熱至45℃。

圖4所示為對應系統改造后機組運行初始階段的注入壓縮機的冷凍油溫度變化曲線。通過測試結果可知，機組開始運行后，隨著油溫逐漸升高，電子膨脹閥開始工作。雖然從油氣分離器分離出的冷凍油溫度不斷升高，但由于PID控制器對電子膨脹閥閥口開度的調節，使得冷卻后注入壓縮機的冷凍油溫度波動幅度保持在10℃以內，并且不超出40～60℃的使用范圍。隨著螺桿式制冷機組冷凝壓力及壓縮機排氣溫度不斷升高，油溫波動均值逐漸升高。直到運行時間達到26min左右時，排氣溫度瞬間升高至66℃，又下降至42℃。隨后冷凍油溫度逐漸上升，并穩定在目標值50℃附近。

圖4 系統改造后機組運行初始階段的油溫變化

圖5所示為對應改造前機組運行初始階段注入壓縮機的冷凍油溫度變化曲線。通過測試結果可見，當油分離器分離出的冷凍油溫度升高至50℃以后，注入壓縮機的冷凍油溫度不斷波動變化，波動幅度超過25℃，且最低溫度達到33℃，不在40～60℃的使用范圍。

圖5 系統改造前機組運行初始階段的油溫變化

通過比較改造前后的油溫變化曲線可知，在開機運行的初始階段，PID控制法可使油氣分離器分離出的冷凍油溫度不斷升高的情況下，使注入壓縮機的油溫保持較低的波動幅度，明顯低于改造前的油溫控制系統。盡管目前使用的PID控制法對油溫控制仍有一定的滯后性，在油溫穩定前存在一次瞬間的波動情況，但與改造前系統相比油溫波動情況明顯改善，并可使注入壓縮機的油溫穩定在目標值。如何通過改進目前PID控制器使用的運算改善其對油溫控制的滯后性，是下一步研究和改進的方向。

4 結語

綜上所述，使用由PLC控制并有加熱器的油氣分離器，可以使螺桿式制冷機組在低溫環境下也能正常運行。使用PID控制系統進行冷凍油冷卻，可以有效降低機組運行后的供油溫度波動幅度，使油溫值得到穩定。這樣不僅明顯降低壓縮機的故障率，而且能使板式換熱器的危險泄露大幅降低，值得我們推廣應用。

參考文獻：

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