螺桿壓縮機(jī)在制冷系統(tǒng)上的國(guó)產(chǎn)化改進(jìn)應(yīng)用分析

周 強(qiáng) 楊 東 余曉霞 胡 錦 李 剛

（寧波巨化化工科技有限公司）

螺桿式制冷壓縮機(jī)是一種高轉(zhuǎn)速的壓縮機(jī)，它利用兩根互相嚙合的螺桿做相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來(lái)壓縮氣體。 螺桿式壓縮機(jī)機(jī)殼內(nèi)裝有一對(duì)互相嚙合的螺旋形陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子，兩轉(zhuǎn)子都有幾個(gè)凹形齒且互相反向旋轉(zhuǎn)，主轉(zhuǎn)子（又稱陽(yáng)轉(zhuǎn)子或凸轉(zhuǎn)子）通過(guò)由發(fā)動(dòng)機(jī)或電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)（多數(shù)為電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)），另一轉(zhuǎn)子（又稱陰轉(zhuǎn)子或凹轉(zhuǎn)子）由主轉(zhuǎn)子通過(guò)噴油形成的油膜進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，或由主轉(zhuǎn)子端和凹轉(zhuǎn)子端的同步齒輪驅(qū)動(dòng)。 理論上驅(qū)動(dòng)過(guò)程中沒(méi)有金屬接觸的螺旋轉(zhuǎn)子凹槽經(jīng)過(guò)吸氣口時(shí)充滿氣體，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子凹槽被機(jī)殼壁封閉，形成壓縮腔室，當(dāng)轉(zhuǎn)子凹槽封閉后，潤(rùn)滑油被噴入壓縮腔室，起密封、冷卻和潤(rùn)滑作用。 當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)壓縮潤(rùn)滑劑+氣體（簡(jiǎn)稱油氣混合物）時(shí)，壓縮腔室容積減小，向排氣口壓縮油氣混合物。 當(dāng)壓縮腔室經(jīng)過(guò)排氣口時(shí)，油氣混合物從壓縮機(jī)排出，完成一個(gè)吸氣→壓縮→排氣的過(guò)程［1］。

某公司冷凍系統(tǒng)采用氟利昂R32作為制冷劑，利用R32氣液兩相變化產(chǎn)生的吸、放熱過(guò)程，形成熱量的轉(zhuǎn)移，來(lái)冷卻某種工藝介質(zhì)。 該公司冷凍系統(tǒng)原有8套雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)組，分別由2套制冷量872 kW和6套制冷量1 105 kW的制冷機(jī)組組成。 近年，由于新項(xiàng)目建設(shè)發(fā)展的需要，現(xiàn)有的制冷系統(tǒng)不能完全滿足工藝設(shè)計(jì)需求，急需新增制冷機(jī)組以增加制冷量。

在近年的技術(shù)改造過(guò)程中，該公司工程技術(shù)人員在分析原有裝置中某合資品牌螺桿壓縮機(jī)的運(yùn)行缺陷后，經(jīng)過(guò)技術(shù)方案論證、行業(yè)市場(chǎng)調(diào)研和與相關(guān)專業(yè)廠家技術(shù)交流后，選擇采用某國(guó)產(chǎn)品牌噴油螺桿壓縮機(jī)代替原有裝置中某合資品牌壓縮機(jī)完成制冷工藝流程，并在改造過(guò)程中進(jìn)行一系列的工藝流程優(yōu)化和關(guān)鍵部件本質(zhì)安全提升。

1 原有壓縮機(jī)缺陷分析

1.1 機(jī)械缺陷

公司原本使用的某進(jìn)口合資品牌雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)，主機(jī)部分采用進(jìn)口機(jī)頭，國(guó)內(nèi)撬裝。 經(jīng)過(guò)十多年的運(yùn)行和維護(hù)，逐步暴露出該雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)一些影響長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行的缺陷，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

a. 滑閥卡頓、加減載不靈。 滑閥加減載主要利用平衡活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，而平衡活塞上使用的O形密封圈長(zhǎng)期浸泡在潤(rùn)滑油中， 再加上往復(fù)運(yùn)動(dòng)的磨損，平均使用壽命約為16 000 h。在達(dá)到使用年限后會(huì)因磨損導(dǎo)致平衡活塞內(nèi)漏，引起滑閥卡頓。 停機(jī)時(shí)滑閥處于高位無(wú)法減載，再開(kāi)機(jī)時(shí)，機(jī)組帶載啟動(dòng)，容易引起電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)負(fù)載過(guò)高損壞。

b. 油氣分離工藝設(shè)計(jì)不合理。壓縮機(jī)配備一只臥式油氣分離器，內(nèi)裝油分離芯，高溫高壓的油氣混合物先經(jīng)過(guò)擋板碰撞進(jìn)行重力分離，再通過(guò)高性能纖維的油分離芯，達(dá)到過(guò)濾聚結(jié)分離油霧的效果。 實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中分離效果并不好，尤其是在壓縮機(jī)啟停時(shí)會(huì)出現(xiàn)大量奔油，導(dǎo)致油氣分離器內(nèi)潤(rùn)滑油隨著R32進(jìn)入后系統(tǒng)蒸發(fā)器中，既容易引起潤(rùn)滑油液位低跳機(jī)，又會(huì)導(dǎo)致后系統(tǒng)蒸發(fā)器形成油膜降低傳熱效果。

c. 機(jī)械密封處滲漏頻繁。 設(shè)備選用普通單端面機(jī)械密封， 冬季停機(jī)后R32易冷凝并混合于潤(rùn)滑油中。機(jī)組再啟動(dòng)時(shí)，混有R32的潤(rùn)滑油逐漸升溫直至汽化，R32的汽化影響機(jī)械密封端面油膜的形成，加劇機(jī)械密封摩擦副的磨損，造成潤(rùn)滑油大量泄漏。

d. 機(jī)組設(shè)計(jì)強(qiáng)制潤(rùn)滑，配備單臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的齒輪油泵，運(yùn)行過(guò)程中，齒輪油泵需要持續(xù)運(yùn)行，容易因輔配油泵故障造成主機(jī)跳停。 齒輪泵存在一個(gè)微小的閉死容積，易出現(xiàn)困油現(xiàn)象，噪音增加，運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)［2］。

e. 潤(rùn)滑油冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理。所選用的油溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)核心為油溫三通閥， 閥內(nèi)配有1只熱力式感溫包元件，實(shí)際使用過(guò)程中，頻繁發(fā)生感溫包失靈引起三通閥卡頓、反應(yīng)滯后，造成油溫升高，存在跳機(jī)風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 原有工藝介紹

原有壓縮工況根據(jù)工藝和介質(zhì)特點(diǎn)選用噴油螺桿壓縮機(jī)，采用大型配組雙級(jí)螺桿機(jī)組，由1臺(tái)型號(hào)XB-62、 制冷量約877 kW的低壓級(jí)螺桿壓縮機(jī)和1臺(tái)型號(hào)為S-50、制冷量約1 105 kW的高壓級(jí)螺桿壓縮機(jī)組合而成。 其中，低壓級(jí)壓縮機(jī)進(jìn)口壓力0.12 MPa，排氣壓力0.70 MPa，配用電機(jī)355 kW；高壓級(jí)壓縮機(jī)進(jìn)口壓力0.70 MPa，排氣壓力1.60 MPa，配用電機(jī)315 kW。

1.2.1 制冷工藝流程

原有制冷工藝流程如下：

a. 來(lái)自裝置各蒸發(fā)器用戶的溫度約在－15～20 ℃、壓力約0.12 MPa的過(guò)熱R32蒸氣，進(jìn)入氣液分離器分離后，少量液滴（主要為油）與氣相分離，R32蒸氣進(jìn)入低壓級(jí)壓縮機(jī)壓縮，壓力上升至約0.45～0.60 MPa、 溫度上升至60～80 ℃后與經(jīng)中冷器汽化來(lái)的低溫R32蒸氣混合后進(jìn)入高壓級(jí)壓縮機(jī)吸氣管中，以降低高壓級(jí)壓縮機(jī)吸氣溫度至5～20 ℃，通過(guò)高壓級(jí)壓縮機(jī)壓縮，壓力上升至約1.2～1.5 MPa、溫度上升至60～85 ℃。

b. 壓力約1.2～1.5 MPa、 溫度60～85 ℃的高壓、過(guò)熱R32蒸氣進(jìn)入循環(huán)水冷凝器，冷凝下來(lái)的液態(tài)R32溫度約25～30 ℃，儲(chǔ)存于R32受槽中。

c. R32受槽中， 液相R32通過(guò)一級(jí)干式蒸發(fā)器，利用R32的潛熱，汽化相變提供殼程冷量，將殼程液相R32溫度降低至5～15 ℃， 汽化的R32蒸氣進(jìn)入高壓級(jí)壓縮機(jī)進(jìn)口管。 出一級(jí)干式蒸發(fā)器的液相R32又通過(guò)二級(jí)干式蒸發(fā)器，將液相R32溫度降低至約－18～－10 ℃， 汽化的R32蒸氣進(jìn)入低壓級(jí)壓縮機(jī)進(jìn)口1/3處。 液相R32經(jīng)壓差輸送至各蒸發(fā)器使用。

1.2.2 工藝缺陷

原有工藝存在冷量使用不合理的情況。 某公司現(xiàn)有多套制冷機(jī)組， 總制冷能力7 908 kW，主要用于液化某工藝介質(zhì)和為冷媒系統(tǒng)供冷，此工藝介質(zhì)對(duì)應(yīng)壓力下的蒸發(fā)溫度為－25 ℃， 因此該公司統(tǒng)一配備了－40 ℃蒸發(fā)制冷工藝， 而冷媒系統(tǒng)供冷控制指標(biāo)為－21～－12 ℃， 僅需－25 ℃蒸發(fā)制冷工藝即可滿足需求。 目前用于工藝介質(zhì)供冷的－40 ℃蒸發(fā)制冷量需求為5 815 kW， 用于冷媒系統(tǒng)供冷的－25 ℃蒸發(fā)制冷量需求為2 035 kW。

－40 ℃對(duì)應(yīng)的蒸發(fā)壓力約0.12 MPa， 壓縮至1.5 MPa供用戶使用，壓縮比約為12.5。 螺桿壓縮機(jī)壓縮比為5～9， 因此必須配備電動(dòng)機(jī)額定功率分別為400、315 kW的兩級(jí)壓縮機(jī)組。 冷媒用戶－25 ℃蒸發(fā)制冷工藝的蒸發(fā)壓力為0.3 MPa，在同樣的排氣壓力下，壓縮比為5，相差一倍。 因此冷媒用戶供冷過(guò)程中，存在人為提高蒸發(fā)壓力且電功消耗存在極大浪費(fèi)的不合理現(xiàn)象。

經(jīng)分析， 該公司制冷流程結(jié)合R32的蒸發(fā)溫度和壓力可以分為兩個(gè)梯度蒸發(fā)制冷，原工藝介質(zhì)液化采用－40 ℃蒸發(fā)工藝，蒸發(fā)壓力為0.15 MPa；冷媒系統(tǒng)供冷則采用－25 ℃蒸發(fā)制冷工藝， 蒸發(fā)壓力為0.3 MPa。

2 國(guó)產(chǎn)化改進(jìn)方案及實(shí)施情況

結(jié)合原有壓縮機(jī)的使用經(jīng)驗(yàn)，該公司技術(shù)人員分析原有壓縮機(jī)的問(wèn)題后，出于降低檢修故障率、安全環(huán)保提標(biāo)、節(jié)能降耗的需求，結(jié)合公司整體冷量平衡，經(jīng)多方調(diào)研，優(yōu)化冷量布局、合理梯級(jí)利用冷量， 并在設(shè)備結(jié)構(gòu)方面做優(yōu)化更新：新增一臺(tái)國(guó)內(nèi)某品牌單級(jí)螺桿壓縮機(jī)， 進(jìn)口壓力0.25 MPa，排氣壓力1.50 MPa，壓縮比為6，該機(jī)組采用單級(jí)壓縮，專供冷媒系統(tǒng)使用。 相比原配組雙級(jí)螺桿機(jī)組，可減少一臺(tái)制冷量400 kW的壓縮機(jī)，大幅減少電能消耗。

該品牌壓縮機(jī)使用原材料檔次較高，除了機(jī)殼與合資品牌一樣為球墨鑄鐵外，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子采用鍛鋼加工，使用刀具為瑞典專用刀具，壓縮機(jī)車(chē)間均為最先進(jìn)的加工中心， 并配備有母床、三坐標(biāo)檢測(cè)儀等高端設(shè)備。 在產(chǎn)品檢驗(yàn)方面擁有多種規(guī)格的專用轉(zhuǎn)子間隙調(diào)整檢測(cè)儀、擁有多功能三坐標(biāo)儀、對(duì)原材料的機(jī)械性能試驗(yàn)也有專門(mén)的檢驗(yàn)檢測(cè)設(shè)備，現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)品零部件標(biāo)識(shí)齊全并有跡可循， 產(chǎn)品加工單簽名和檢測(cè)數(shù)據(jù)均有效流轉(zhuǎn)，為零部件的可靠性提供了有力保障。 壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)、制造按照API 619執(zhí)行，采用變頻調(diào)節(jié)，能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍（30%～100%）的節(jié)能調(diào)節(jié)。 具體機(jī)械和工藝優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

a. 所使用機(jī)械密封為國(guó)際知名品牌定制的波紋管密封，具有加工精度高、彈性回彈量均勻、更換動(dòng)靜環(huán)方便的優(yōu)點(diǎn)。 該密封也可根據(jù)用戶需求定制，產(chǎn)品關(guān)鍵部件滿足需求。 相比于原合資品牌采用的普通單端面機(jī)械密封，無(wú)論是使用壽命還是防滲漏方面都有極大的改進(jìn)。

b. 機(jī)組吸入口前的氣液分離器由單只臥式分離器改為兩只串聯(lián)式立式分離器，大幅降低了液位波動(dòng)時(shí)容易引起氣液分離器液位高而造成冰機(jī)跳機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)。

c. 針對(duì)冬季低溫天氣長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)導(dǎo)致的氟利昂R32易溶解在潤(rùn)滑油中，造成潤(rùn)滑失效，啟機(jī)時(shí)，使轉(zhuǎn)子軸承部位磨損的情況。 在國(guó)產(chǎn)化應(yīng)用改造中， 該公司工程技術(shù)人員經(jīng)過(guò)充分研究、論證，決定在壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子鍛鋼加工成型后，在型線表面和軸頸部位采用激光熔覆技術(shù)使材料表面硬度增強(qiáng)到HRC55以上，大幅提高了抗磨性能。

d. 油冷卻器換熱面積在原計(jì)算書(shū)的基礎(chǔ)上提高至150%， 最大可能避免了夏季高溫天氣時(shí)，因油冷卻器換熱面積不夠引起潤(rùn)滑油溫度高導(dǎo)致的機(jī)組跳機(jī)現(xiàn)象。

e. 常用的熱力式油溫三通閥，易卡死、反應(yīng)滯后， 容易造成機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中油溫異常跳機(jī)。在此次新項(xiàng)目改造中， 選配氣動(dòng)式調(diào)節(jié)閥組，提高了可靠性和穩(wěn)定性。

f. 機(jī)組配備的油泵方面， 此次改造采用最先進(jìn)的軸頭螺桿泵主泵+電機(jī)驅(qū)動(dòng)輔泵技術(shù)， 主泵采用軸頭螺桿泵。 開(kāi)機(jī)前啟動(dòng)輔泵，機(jī)組正常運(yùn)行后，輔泵停泵，此時(shí)主泵軸頭泵隨陽(yáng)轉(zhuǎn)子一同運(yùn)轉(zhuǎn)，負(fù)責(zé)供油。 螺桿泵相較于齒輪泵，具有流量平穩(wěn)、壓力脈動(dòng)小、有自吸能力、噪聲低、效率高、壽命長(zhǎng)且工作可靠的優(yōu)點(diǎn)，螺桿泵依靠密閉容積的移動(dòng)來(lái)工作，不存在閉死容積，因而不存在因困油引起的噪音和運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)，且輸送介質(zhì)時(shí)不形成渦流、維修簡(jiǎn)便，節(jié)能和降材效果顯著［3］。 此項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用不僅減少了油泵電功消耗，還提高了機(jī)組運(yùn)行可靠性。

g. 工藝流程方面，推進(jìn)冷量梯級(jí)利用技術(shù)，將原設(shè)計(jì)中蒸發(fā)器－40 ℃梯級(jí)使用，一部分低溫工藝介質(zhì)采用原有兩級(jí)壓縮制冷工藝，液相R32在－40 ℃蒸發(fā)后將需要低溫冷卻的工藝介質(zhì)冷卻到－30 ℃液化， 另一部分直接采用一級(jí)壓縮制冷工藝， 液相R32在－25 ℃蒸發(fā)后用于－15 ℃冷媒系統(tǒng)冷卻降溫，由于該部分R32壓縮比減半，壓縮機(jī)僅需單級(jí)壓縮就可以滿足工藝需求， 僅需一臺(tái)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，在同樣滿足工藝需求的前提下，大幅減少了用電量，提高了冷量合理利用率（圖1）。

圖1 冷凍系統(tǒng)用戶分布圖

冷媒系統(tǒng)優(yōu)化后， 單級(jí)壓縮制冷工藝如圖2 所示。 蒸發(fā)器用戶出口的－25 ℃的氣相R32進(jìn)入氣液分離器和吸氣過(guò)濾器后，經(jīng)過(guò)單級(jí)壓縮進(jìn)入兩級(jí)油分離器，高壓氣態(tài)R32進(jìn)入冷凝器冷凝液化后存入儲(chǔ)液器中， 在壓差的作用下進(jìn)入經(jīng)濟(jì)器殼程， 從殼程引出一小部分R32 經(jīng)節(jié)流降壓后進(jìn)入經(jīng)濟(jì)器的管程蒸發(fā)后并入壓縮機(jī)吸氣口， 使得主流程殼程液態(tài)R32 的溫度降低，低溫的R32 液體進(jìn)入冷媒蒸發(fā)器用戶，在冷媒蒸發(fā)器中0.3 MPa 蒸發(fā)至－25 ℃的氣相R32 完成換熱后再次進(jìn)入下一個(gè)壓縮機(jī)壓縮循環(huán)。

圖2 改造后的冰機(jī)流程簡(jiǎn)圖

3 改造后效益和性能對(duì)比

3.1 性能測(cè)試

國(guó)產(chǎn)化壓縮機(jī)應(yīng)用改造方案經(jīng)過(guò)詳細(xì)設(shè)計(jì)、制造、安裝、調(diào)試后開(kāi)機(jī)成功連入系統(tǒng)帶負(fù)荷運(yùn)行。 經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行，機(jī)組進(jìn)行了滿負(fù)荷測(cè)試，目前該壓縮機(jī)帶4臺(tái)冷媒換熱器，這4臺(tái)蒸發(fā)器所需制冷量合計(jì)140 kW， 壓縮機(jī)設(shè)計(jì)制冷量148 kW，這4臺(tái)蒸發(fā)器占機(jī)組設(shè)計(jì)負(fù)荷的95%，壓縮機(jī)實(shí)際運(yùn)行滑閥90%，滿足設(shè)計(jì)負(fù)荷能力測(cè)試。機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，各儀表參數(shù)在指標(biāo)范圍，主要工藝參數(shù)，控制點(diǎn)指標(biāo)符合要求，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 運(yùn)行成本效益

同等制冷量（1 440 kW）情況下，原冰機(jī)的COP值（機(jī)組制冷量與機(jī)組能耗之比）約為1.65，則需電機(jī)功率約1440÷1.65=872 kW。 本項(xiàng)目投運(yùn)后，實(shí)測(cè)電機(jī)功率為710 kW，預(yù)計(jì)每小時(shí)節(jié)約電量162 kW·h，工業(yè)用電價(jià)格按照每千瓦時(shí)0.70元計(jì)算，每年可節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用90.72萬(wàn)元。

4 項(xiàng)目改造經(jīng)驗(yàn)借鑒

由于國(guó)產(chǎn)化噴油螺桿壓縮機(jī)在某公司制冷工況首次使用，在本次改造中該公司先后對(duì)原設(shè)計(jì)工藝做出如下改進(jìn)，值得同行借鑒：

a. 在壓縮機(jī)機(jī)頭關(guān)鍵部件的制作環(huán)節(jié)，采用獨(dú)有的加工工藝，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子鍛鋼加工后均在型線表面和軸頸部位經(jīng)激光熔覆來(lái)提高其硬度。

b. 關(guān)鍵部件均選用全球先進(jìn)品牌。

c. 使用約翰克蘭定制的波紋管機(jī)械密封，具有加工精度高、彈性回彈量均勻和更換動(dòng)靜環(huán)方便的優(yōu)點(diǎn)。 該密封也可以根據(jù)用戶需求定制，產(chǎn)品關(guān)鍵部件滿足需求。

5 結(jié)束語(yǔ)

在總結(jié)德國(guó)進(jìn)口某品牌螺桿制冷壓縮機(jī)歷史運(yùn)行記錄的基礎(chǔ)上，在新項(xiàng)目建設(shè)中，有針對(duì)性地進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化應(yīng)用改造，從項(xiàng)目投產(chǎn)后的效果來(lái)看， 無(wú)論是在機(jī)組和系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性上，還是日常維護(hù)成本方面， 都取得了較明顯的改善，極大地提高運(yùn)營(yíng)績(jī)效。 更重要的是，維持生產(chǎn)系統(tǒng)同負(fù)荷工況的冷量平衡上，所需的電耗明顯降低，取得很好的節(jié)能效果。 改造過(guò)程中的工藝設(shè)計(jì)優(yōu)化、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選型、控制方式優(yōu)化和聯(lián)鎖保護(hù)優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)，可為其他相似工況提供參考，同時(shí)也為噴油螺桿壓縮機(jī)應(yīng)用在其他易汽化介質(zhì)積累寶貴的經(jīng)驗(yàn)。