螺桿式蒸汽壓縮熱泵系統性能試驗研究

肖芳，劉常峰，姚同林

（中國船舶重工集團公司第七一一研究所，上海201108）

螺桿式蒸汽壓縮熱泵系統性能試驗研究

肖芳*，劉常峰，姚同林

（中國船舶重工集團公司第七一一研究所，上海201108）

螺桿式蒸汽壓縮熱泵系統是一種以螺桿式壓縮機為核心設備的蒸汽能量利用裝置，在研制階段進行全蒸汽工況試驗測試，將有利于產品的性能預測和設計開發，并有效規避風險。本文進行了螺桿式蒸汽壓縮機熱泵系統全蒸汽工況的試驗研究。實驗結果表明，無油雙螺桿壓縮機在高溫蒸汽壓縮工況下性能表現出色，在較高壓比時能效系數仍能達到4.0以上。在壓縮過程中提高轉速，轉速每提升500 r/min，容積效率可提升約5%。對壓縮腔內進行噴液也可有效提升機組的效率，在連續補液的情況下，容積效率普遍有20%左右的提升。可通過進氣壓力較低工況下實驗結果，來預測相同壓比下進氣壓力較高工況下的機組性能。

螺桿壓縮機；熱泵；系統性能

0 引言

熱泵技術是近年來在全世界倍受關注的新能源技術[1]。國內對熱泵系統和工質的研究也開展得十分廣泛[2-8]。吸收式和蒸汽壓縮式是目前熱泵技術最主要的兩種類型。熱泵技術的研究主要集中于制冷的反向利用，采用的介質主要為氨水、R123、R245fa等制冷介質[9]。而在工業應用領域，作為最普遍的能量形式的水蒸汽用能領域，采用熱泵技術實現蒸汽的回收利用有著廣闊的應用前景[10]。

螺桿式蒸汽壓縮熱泵系統是一種以螺桿式壓縮機為核心設備的蒸汽能量利用裝置。其中，螺桿式壓縮機組是最為關鍵和核心的設備。由于獨特的結構特征，雙螺桿壓縮機是最適宜的水蒸汽壓縮機[11]。然而，鑒于蒸汽工況高溫、高壓的特殊性，目前國內該裝置的實際工程化應用案例并不多。高溫大壓比的壓縮機的研制進展緩慢[12]。

近年來，國內一些高端工藝螺桿壓縮機產品的制造商開始逐步涉獵節能領域[13-14]。為使螺桿式壓縮機組能適應高溫高壓蒸汽工況的應用，針對機組的主機結構、軸承、軸封關重部件及機組的系統設計，均需進行相應的關鍵技術研究和優化。然而，由于缺乏足夠的實際工況的應用數據和工程化應用的經驗，產品的應用存在較大風險。因此，搭建可模擬實際工況的試驗臺，并對產品的主要性能參數進行系統的測試和分析，對后續產品的工程化應用具有十分重要的意義。

1 試驗臺的搭建

為滿足產品開發過程的試驗要求，本文搭建了一套可實現水蒸汽工質全工況試驗的平臺。試驗臺現場照片如圖1。該平臺主要由螺桿式蒸汽壓縮熱泵系統模塊、蒸汽發生系統模塊和控制采集模塊組成。其主要組成部件如圖 2。其中，螺桿式蒸汽壓縮熱泵系統模塊由高溫工藝螺桿壓縮機主機、齒輪箱、主電機、完整的氣液系統及管路、完整的油路系統及管路、完整的軸封系統及管路、PLC控制柜、變頻柜等完整部件的產品樣機構成。蒸汽發生系統模塊由分離穩壓器、減溫穩壓器、水泵機組、完整的氣液系統及管路等組成。數據采集系統由壓力變送、熱電阻、流量計、振動分析儀、噪聲分析儀等測量和采集設備組成，并將采集數據傳輸至試驗中控臺。

該試驗臺主要可實現以下幾項功能：

1） 通過螺桿式蒸汽壓縮熱泵系統產品樣機向系統內輸入能量，通過入口噴水進而產生水蒸汽，最終實現全工況的水蒸汽運轉狀態，即水蒸汽含量達到99%以上；

2） 通過螺桿式蒸汽壓縮熱泵系統產品樣機的自帶變頻器，實現壓縮機轉速調節，從而實現氣量調節；

3） 通過試驗平臺排氣調節閥開度控制，實現壓縮機排氣壓力的調節，從而實現出口蒸汽飽和溫度調節；通過試驗平臺減壓調節閥開度控制，實現壓縮機吸氣壓力調節，從而實現入口蒸汽飽和溫度調節；

4） 通過螺桿式蒸汽壓縮熱泵系統產品樣機的壓縮機入口噴液量調節，實現壓縮機出口過熱或飽和狀態調節；通過試驗平臺過熱調節閥開度調節，實現壓縮機入口過熱度調節；

5） 通過溫度、壓力、流量、振動和功率等采集設備，測試不同工況下壓縮機主機的性能參數，觀察軸承、軸封等關重部件的運行情況。

圖1 試驗臺實物照片

2 試驗過程

螺桿式蒸汽壓縮熱泵產品樣機的試驗主要包括：機械運轉測試、熱磨合測試和性能測試。機械運轉和熱磨合測試采用空氣介質進行試驗，機械運轉測試主要考察產品在額定運行轉速下的機械運轉情況。熱磨合測試以空氣為試驗介質，通過合理的升溫試驗流程，對主機的熱態間隙進行檢驗及磨合。在完成機械運轉和熱磨合測試后，產品樣機轉入全蒸汽工況試驗臺進行性能測試。性能測試主要考察在蒸汽為介質的工況下的螺桿式蒸汽壓縮熱泵系統的性能表現，如機械運轉、主機氣量、消耗功率、效率和密封軸承的運行情況等。最終依據測試數據，繪制產品的性能曲線，確定產品的最優運行工況區間。同時也為產品的優化改進提供依據。

本文介紹的試驗中采用的樣機為自主開發和制造的無油雙螺桿壓縮機，陽轉子直徑為255 mm，長徑比為1.1，內容積比為2.0，主機的額定轉速為6,000 r/min，采用變頻電機進行轉速調節。在壓縮機入口處，設有噴液裝置，對主機噴冷卻水，以調節控制排氣溫度。在測試的過程中，壓縮機介質為水蒸汽含量達到95%（體積分數）以上水與空氣的混合物，基本認為測試工況為全水蒸汽工況。為了考察蒸汽壓縮機的性能表現，本研究對樣機進行了變轉速、變進排氣壓力以及變噴液量的工況試驗。通過分析這些數據，總結出轉速、壓比、進氣壓力以及噴液量對蒸汽壓縮機容積效率和絕熱效率等性能的影響。研究結果為確定該類產品的使用工況范圍、性能提升提供依據。

針對該樣機，主要收集了以下3種工況的性能參數：

1） 在恒定壓力下，調節主機轉速，觀察主機吸氣量及電機功率的變化情況；

2） 在恒定轉速下，調節壓比和壓差，觀察主機吸氣量及電機功率的變化情況；

3） 在恒定的轉速和壓力下，調節噴液量的變化，觀察主機吸氣量及電機功率的變化情況。

3 數據導出及試驗結果分析

3.1 數據導出

試驗中進氣體積流量和軸功率是主要采集數據。試驗平臺通過螺桿壓縮機做功不斷產生水蒸氣，并將系統中的空氣置換出來，從而不斷提高蒸汽含量。當蒸汽含量足夠高時，即認為置換結束。為保證所測壓縮機性能更接近純蒸汽條件下的運行性能，要求蒸汽純度必須達到99%以上。從而確保由此帶來的軸功率、進氣量的相對誤差低于0.1%。

進氣流量由孔板式流量計進行測量，由標準孔板、壓差變送器以及溫壓補償用的壓力變送器、熱電阻組成?？装迩昂笾惫芏伍L度分別超過管道通徑的10倍和5倍，因此流量測量誤差主要來自儀表測量誤差。儀表量程及精度如表1。

表1 主要儀表量程及精度

經綜合分析，各工況下進氣量的測量相對誤差均不超過1%。

3.2 轉速對效率的影響

在測試過程中，緩慢將轉速從3,600 r/min提升至5,700 r/min，保持進氣壓力在0.1 MPa(G)、排氣壓力在0.6 MPa(G)，壓比為3.5左右。

測試發現，壓縮機的容積效率和絕熱效率隨著轉速的升高而有顯著的增加。在本次樣機的測試中，將轉速每提升500r/min，容積效率可提升約5%，如圖3。這是由于提高齒頂速度后，通過壓縮機各間隙處的氣體相對泄露量將會減少，同時也就提高了壓縮機的容積效率[15]。而在本樣機的測試過程中，這種現象更為明顯。

圖3 轉速與效率變化關系

3.3 壓比和壓差對效率的影響

在此次試驗中，將壓比從1.47逐步升高到3.59。從測試的數據來看，總體上，隨著壓比的升高，主機的容積效率和絕熱效率都出現逐步下降的趨勢。特別是絕熱效率在壓比達到2.68之后，下降十分明顯，如圖 4?？赡艿脑蚍治鋈缦隆罕鹊脑黾?，使得主機內部的泄露增加，造成容積效率和絕熱效率的下降；由于樣機主機的排氣孔口是按照內容積比在2.0左右的參數設計的，按蒸汽的絕熱指數為1.33計算，內壓比約為2.5左右，當外壓比超過2.5時，逐漸形成過壓縮。當實際超過2.5越大時，過壓縮越嚴重，絕熱效率下降的趨勢越明顯。

圖4 壓比與效率變化關系

對螺桿式蒸汽壓縮熱泵系統的能效比（Coefficient of Performance，COP）進行了計算。在計算制熱量時，采用的是壓縮機出口壓力下的飽和蒸汽與飽和水的焓差作為依據，消耗能量依據的是壓縮機的電機功率。在壓比達到3.6時，樣機的COP值仍然可大于4.0（見圖5）。

圖5 壓比與COP變化關系

當壓比均在3.5左右時，進氣壓力為0.1 MPa(G)與進氣壓力為0.2 MPa(G)相比，進氣壓力越高，轉速對容積效率和絕熱效率的影響越大，如圖6和圖7。當壓縮機轉速從4,200 r/min升高到 5,700 r/min時，進氣壓力為0.1 MPa(G)時的容積效率提高了16.1%，絕熱效率提高了11.1%；進氣壓力為0.2 MPa(G)時的容積效率僅提高了22.2%，絕熱效率提高了14%。

圖6 不同進氣壓力轉速與容積效率的變化關系

圖7 不同進氣壓力轉速與絕熱效率的變化關系

從測試結果可以看出，在壓比為3.5時，在相同的轉速下，進氣壓力越大，容積效率和絕熱效率越低。這是因為壓比相同時進氣壓力越大，造成進排氣壓差越大，從而導致泄漏量增加，容積效率降低；但是從測試的情況來看，這種變化引起的容積效率下降并不明顯。但是在個別情況，如 5,700 r/min時，入口為0.2 MPa(G)的工況點容積效率較高，主要是由于測試過程中補液量增大，進而提升了該點的效率。

3.4 噴液量對效率的影響

由于入口噴液的計量數據并不完全，且熱泵系統中自帶氣液分離的循環噴液裝置，本次測試只能將測試結果分為連續補液和不補液兩組情況。這兩種操作的區別在于，打開補液，將較大地增加主機入口的噴液量；而關閉補液，主機入口僅依靠少量的循環噴液進行噴液。由圖8可以看出，補液的效果十分明顯，在連續補液的情況下，容積效率增加20%左右。采用濕壓縮的過程可以降低壓縮功耗，提高蒸汽壓縮機運行的可靠性和效率[16]。

圖8 不同噴液量與容積效率的變化關系

4 結論

1） 在軸承和軸封等其他設計和應用條件允許的前提下，提升轉速無疑是最經濟的提升單機氣量和效率的有效手段。由于泄露通道的泄露特性，這種特性在小型機組中更為明顯。

2） 無油螺桿壓縮機在蒸汽壓縮的領域非常適合在單級壓比較高的場合下應用，雖然高壓比會造成容積效率和絕熱效率的下降，但是COP值仍然可以保持在較高的水平。因此，單級即可實現高壓比、高溫升和較高的COP值，這是螺桿壓縮機在蒸汽熱泵應用領域非常大的優勢和特點。

3） 壓差即吸氣壓力對機組的效率有一定影響，但是從本次試驗情況來看并不明顯。因此，建議進行多組測試的論證；這樣可以通過進行較低的進氣壓力、相同的壓比工況來考察一些進排氣壓差較高的工況設下的性能參數，供選型設計時對效率預測的參考。

4） 噴液對主機的效率影響非常顯著，這也是螺桿式壓縮機作為蒸汽壓縮機非常大的優勢，而且噴入的液體可以作為副產，增加了出口的蒸汽質量流量，是一種非常經濟的方式。

5） 由于試驗測試的溫度均未超過200 ℃，在設計中并未考慮在高溫下熱變形對螺桿壓縮機主機的變形問題。在實際的蒸汽工況應用中，蒸汽管網中、高壓的工況下，工作溫度將超過300 ℃。由于螺桿主機的特殊結構，殼體的不規則變形可能會帶來轉子熱態間隙的不確定性，主機進出口短接的位移，主機底腳的變形位移，主機軸伸端的變形等一系列的問題。這些問題值得重視和認真考慮。

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Experimental Study on Performance of Screw Type Steam Compression Heat Pump System

XIAO Fang*, LIU Changfeng, YAO Tonglin
(Shanghai Marine Diesel Engine Research Institute, Shanghai, 201108)

The screw type steam compression heat pump system is a steam energy utilization device with screw compressor as the core equipment. In the development stage, the steam test is conducive to product performance prediction and design development, which can effectively avoid risks. In this paper, the experimental study on the steam condition of the screw type steam compression heat pump system is carried out. The test results show that oil free twin-screw compressor performswell under high temperature steam compression condition.The coefficient of performance can still reach more than 4.0 at high pressure ratio. In the compression process to improve the speed, when speed is increased by 500 r/min, the volumetric efficiency can be increased by about 5%.The injection to the compression chamber can also effectively improve the efficiency of the unit. In the case of continuous fluid infusion, the volume efficiency is generally improved by about 20%. The performance of the unit under the operation conditions with the same pressure ratio but higher inlet pressure can be predicted by the test results under the operation condition with lower inlet pressure.

Screw compressor; Heat pump; System performance

10.3969/j.issn.2095-4468.2017.05.108

*肖芳（1983-），女，高級工程師，碩士研究生。研究方向：螺桿機械產品。聯系地址：上海市閔行區華寧路3111號711研究所螺桿機械事業部，郵編：201108。聯系電話：13916418273。E-mail：13916418273@163.com。