变频离心式压缩机冷水机组

2010-06-19周子成

制冷 2010年1期

周子成

1 引言

冷水机组在空调系统里使用十分广泛。通常有蒸气压缩式冷水机组和吸收式冷水机组两类。蒸气压缩式冷水机组由压缩机、蒸发器、冷凝器、节流机构及其他辅助设备和管道等组成。按照压缩机种类的不同,分为容积式压缩机冷水组和速度式压缩机冷水机组两类。容积式压缩机冷水组包括往复活塞式、滚动活塞式、涡旋式和螺杆式压缩机等冷水机组,速度式压缩机冷水组目前只有离心式压缩机冷水机组一种。

变频技术在容积式压缩机冷水机组中应用较多,因为容积式压缩机的制冷量与转速成正比,变频技术比较容易实现。目前用得较多的是滚动活塞式和涡旋式压缩机冷水机组。

离心式压缩机压缩制冷剂气体的方式和容积式不同,它是通过高速旋转的叶轮对制冷剂气体作功,气体获得能量后,压力和流速提高,然后,在扩压器内将流速降低,压力继续提高,并从蜗壳排出,进入冷凝器。转速的改变不仅引起流量的改变,而且还会引起压力的改变,此外,当转速减小使流量减小后,气流在叶轮和扩压器流道里会造成冲击、旋涡和脱离,并且可能会产生喘振,这是离心式冷水机组使用变频技术的难点。

通常,空气调节系统的冷负荷随季节气候和室内居留人员数量而变化,空调用冷水机组的制冷量需要和它相匹配,也要相应的变化。在一年的运转时间内,满负荷制冷量的运转时间并不长,大部分是在部分负荷下运转。因此,部分负荷下的高效、节能对降低全年能耗具有十分重要的意义,这就是离心式压缩机冷水机组发展变频的动力。

2 大型变频离心式压缩机冷水机组

2.1 转速对离心式压缩机性能的影响

图1表示了制冷剂气体按照一元流动流过叶轮时的速度三角形。由绝对速度C、相对速度U和圆周速度W组成,下标1表示在叶轮进口处,下标2表示在叶轮出口处,图 (a)表示进口处速度三角形,图 (b)表示出口处速度三角形。将绝对速度分解成圆周方向的分速和垂直于圆周速度方向的分速,分别用下标u和下标r表示。因此,C1分解成C1r和C1u,C2分解成C2r和C2u。

图1 气体流过叶轮进口和出口时的速度三角形

从速度三角形可得出下列矢量方程:1kg气体流过叶轮时所获的能量,称为理论能量头 (kJ/kg),用 △hth表示,根据欧拉方程

式中:

u2,u1—叶轮的出口圆周速度,进口圆周速度(m/s);

式中:

C2u,C1u—叶轮出口绝对速度在圆周方向的分量,叶轮进口绝对速度在圆周方向的分量 (m/s);D2,D1—叶轮出口直径,叶轮进口直径,m;

n—转速,r/min;

π—圆周率。

从式 (6)可看出,在叶轮直径一定时,圆周速度U和转速n成正比。

又从式 (5)看出,由于C2u＞1,C1u=0,因此,当转速n增大时,U2增大,理论能量头 △hth增大。理论能量头是叶轮加给1kg气体的能量,这部分能量的主要部分在流出压缩机时转变成压力能。因此,当转速增高时,从离心式压缩机流出的气体压力也增高。反之,当转速降低时,从离心式压缩机流出的气体压力也降低。

制冷剂气体流过叶轮的体积流量,是叶轮流道的断面积与垂直于断面积的流速的乘积。质量流量是体积流量与密度的乘积。质量流量的大小代表离心式压缩机制冷量的大小。从图1的速度三角形可以看出,对于一台结构尺寸一定的压缩机,转速越高,叶轮出口的圆周速度U2也越大,这时的绝对速度在垂直于断面的分量C2r也越大,因此,离心式压缩机的流量也越大,压缩机的制冷量也越大,反之,转速越低,制冷量越小。这就说明,用变频电机驱动的离心压缩机,通过改变频率,使转速变化,就可改变制冷量。

2.2 变频离心式压缩机冷水机组比定频离心式冷水机组节能的原因

从图1的叶轮进口速度三角形可以看出,气流的相对速度W1是由圆周速度U1和绝对速度C1合成的。若进口无预旋,C1=C1r。

对于定频离心式压缩机,在部分负荷时,气体流过叶轮流道的流量减小,C1r值减小,而圆周速度U1不变,因此相对速度W1的大小和方向都变化。相对速度W1的方向是用相对速度和圆周速度之间的夹角β1表示,相对速度W1方向变化就是β1角变化。

对于变频离心式压缩机,在部分负荷时,气体流过叶轮流道的流量减小,C1r值减小,但由于转速也减小,圆周速度U1也减小,在合理的设计下,可使相对速度W1的方向 (β1角)接近不变,或变化得较小,但不论怎样,总是比定频时变化要小。

这种定频和变频压缩机W的变化关系,发生在整个叶轮流道里。

在离心式压缩机设计时,叶轮流道的形状,应和相对速度的方向一致,即叶轮的叶片进口弯曲角应等于 β1,叶片出口弯曲角应等于 β2,通常是按照额定制冷量时的参数设计的。在部分负荷时,制冷量减小,气体流过叶轮的流速也减小,即Cr减小,而流道的几何形状是不变的。对于定频离心压缩机,由于转速不变,叶轮的圆周速度不变,因此相对速度的方向就要改变,和流道的方向不一致,这时气流就会产生冲击损失、旋涡损失、脱离损失,甚至局部产生倒流,这些损失都使离心式压缩机的效率降低、耗功增大。而对于变频压缩机,当部分负荷制冷量减小时,气体流过叶轮的Cr减小,同时圆周速度U也减小,使相对速度的方向改变得小一些,或接近不变。这样,气体流过叶轮时的损失就会小一些,因而使离心式压缩机的效率降低得少一些。这就是变频离心式压缩机冷水机组在部分负荷下运转时,比定频离心式冷水机组节能的原因。当然,部分负荷时转速降低,消耗在轴与轴承的摩擦功率也减小。

但是,变频离心式压缩机也不能在全部部分负荷时都能满足相对速度方向变化小的要求,一般是在制冷量接近满负荷时相对速度方向变化较小,而制冷量越接近零时,变化越大。因此,变频离心式压缩机在部分负荷运行时,并不是只调节频率,而是要与其他调节方法同时配合使用。例如,某公司的变频离心式冷水机组部分负荷的调节方式设计成:当制冷量在额定值的100%至70%时,仅采用变频降低转速来调节制冷量,而在 70%以下时,采用变频降低转速同时配合使用进口导叶调节的方式来调节制冷量。

此外,扩压器的流道也需要调节,对于无叶扩压器,是将两个平行壁面中的一个设计成可移动的壁面,或者是采用一个移动挡板,当部分负荷时,随着气体流量的减小,调节移动部件和固定壁面之间的距离,使其减小,因此扩压器进口的流道断面积缩小,减少气流进入扩压器时的冲击和避免倒流。

2.3 变频离心式压缩机冷水机组与定频离心式冷水机组节能性能的比较

大型离心式压缩机空调用冷水机组大部分时间是在部分负荷下运转,在这些时间里,往往气候不是最炎热,环境温度比较低,离心式冷水机组工作的冷凝温度比较低,因此,变频离心式冷水机组由于部分负荷转速降低造成排气压力降低,也能与较低的冷却水温度相适应。分析表明,通常变频离心式冷水机组能比定频离心式冷水机组年节电30%～35%,在特殊的部分负荷点运行时,可以比定频离心式冷水机组节电75%。一般情况下,在2～3年内,变频离心式压缩机冷水机组所节省的运行费用,可以补偿变频离心冷水机组和定频离心冷水机组初始投资的差价。

图2是制冷量2000kW的变频离心式冷水机组和定频离心式冷水机组在各个部分负荷下的性能系数COP的比较。可以看出,制冷量在100%到90%时,变频机和定频机的COP差别很小,因为这时变频机的转速和定频机的转速差异很小。从90%到10%时,COP的差异就很大,变频机的COP比定频机高很多,因此,在部分负荷时,变频机较定频机有明显的节能效果。

评价冷水机组的节能性能,通常采用 “综合部分负荷值IPLV(Integrated Part-Load Value)”作为全年效率评价指标,它最早是由美国提出并规定在ARI 550/590标准和ASHRAE的相关标准里,现在我国标准中也用它作为评价指标。IPLV是从不同负荷下的效率比例和冷却水温度与实际运转条件相似时加权平均计算出来的,IPLV的英制单位是kW/冷吨,IPLV值越小,节能性能越高。我国常用国际单位制的COP(kW/kW)可从它换算出来,COP值越大,节能性能越高,英、美国家过去使用的英制单位的能效比EER[(Btu/h)/kW]也可从它换算出来,IPLV的计算公式如下:

图2 变频和定频离心式冷水机组部分负荷时COP的比较

式中:

A—冷却水进口温度29.4℃时在100%负荷下的效率;

B—冷却水进口温度23.9℃时在75%负荷下的效率;

C—冷却水进口温度18.3℃时在50%负荷下的效率;

D—冷却水进口温度18.3℃时在25%负荷下的效率;

使用式 (7)时,制冷水的出水温度保持在定值6.7℃。

美国ASHRAE标准规定,对制冷量大于1054kW的离心式冷水机组的 IPLV(kW/冷吨)、COP(kW/kW)、EER[(Btu/h)/kW]的值应符合表1的规定。

表2表示了麦克维尔1580kW变频离心冷水机组与定频离心冷水机组IPLV的比较。

美国开利公司19XRV系列变频离心式冷水机组的IPLV值为0.37～0.42kW/冷吨。

表1 离心式冷水机组的IPLV、COP、EER值

表2 麦克维尔1580kW变频离心冷水机组与定频离心冷水机组IPLV的比较

表3表示了日本三菱重工的ETI系列定频和变频离心冷水机组部分负荷全年效率COP、最大COP和全年耗电量的比较。

变频离心式冷水机组还具有以下的一些优点:

a)降低启动电流;

b)降低扭矩,延长电机寿命;

c)功率因数较高,降低额定电流;

d)电机零部件较少,减少维修;

e)降低了部分负荷时的转速,使机组运转噪声比定频机低,通常可降低5dB(A)左右。

表3 三菱重工的ETI系列定频和变频离心冷水机组部分负荷全年效率COP、最大COP和全年耗电量的比较

3 磁悬浮变频离心压缩机冷水机组

3.1 磁悬浮的工作原理和优点

离心式压缩机所消耗的功,包括叶轮对气体所作的功和轴旋转时与轴承间摩擦消耗的功。磁悬浮离心式压缩机的叶轮、电机转子安设在一条轴上,两端被支承在轴承上。在起动时,变频电机将转速慢慢升高,依靠磁力的作用,将轴向上浮起,旋转的轴与轴承脱离。摩擦功减低到很小。因而降低了压缩机消耗在轴与轴承间的摩擦功率,轴承消耗的功率从常规离心式压缩机的10kW降低到磁悬浮压缩机的0.2kW,使压缩机的效率提高。

图3表示了磁悬浮旋转部件 (轴和叶轮)和轴承配合的结构图,磁悬浮轴承由前径向轴承、后径向轴承和轴向轴承组成。通过Y轴位移传感器和Z轴位移传感器检测控制,使轴保持在要求的悬浮位置上。

通过X轴位移传感器检测控制,使轴保持在要求的轴向位置上,精度达到0.00127mm。

图3 磁悬浮轴和轴承的配合结构

图4是一台变频磁悬浮压缩机的结构。磁悬浮压缩机采用磁悬浮数控轴承和高性能传感器,它利用稀土永磁体和电磁体间产生的强力磁场来实现对压缩机轴的悬浮。在运转时受磁力的作用,轴被悬浮起来,不与轴承接触,保证在运转时轴与转子精确定位。同时,轴承不需要润滑油,避免了普通压缩机内部复杂的润滑油系统,大大提高了机组可靠性。由于整个制冷系统中没有润滑油循环,热交换器表面没有润滑油热阻,提高了换热器传热效率,也提高了机组能效。该系列压缩机为两级压缩,有两个叶轮,由集成变频直流同步无刷变频电机驱动,轴承为无油润滑磁轴承,内置数字电子设备。部分负荷时通过变频调速并配合进口导叶调节。转速范围在18000～48000r/min,起动电流只有2A。采用数控电力电子设备,集成压缩机、电子膨胀阀、冷水机组控制的最佳化运行。监控多达150个系统参数。当突然停电时,由于高速旋转的转子的惯性,将会继续旋转一定的时间,这时电机成为发电机,发出的电力对蓄电池充电,使蓄电池保持至少60秒的电力,以便能控制磁悬浮的轴缓慢地降落到轴承上。当出现严重故障时,由专门设计的降落轴承承受转子,避免引起损坏。降落轴承有碳滚动轴承和陶瓷轴承两种,碳滚动轴承能承受100次硬着落。陶瓷轴承具有更好的耐热、更高的可靠性。

图4 磁悬浮离心式压缩机结构图

3.2 磁悬浮变频离心压缩机冷水机组的性能

这种技术最早由捷丰公司获得专利,后丹佛斯-托波库公司购买了专利,1993年开发,2003年开始销售,其结构如图4所示。压缩机为两级、半开式叶轮,整个系列有TT300、TT400和TT500三种型号,TT300制冷量316kW(90冷吨),TT400冷量 527kW(150冷吨)。TT300转速为 18000～48000r/min,起动电流仅2A。压缩机重量只有常规压缩机的1/5,占地面积为常规压缩机的1/2。压缩机长788mm,宽518mm,高482mm,重120kg,使用环保制冷剂R134a。该压缩机赢得了一系列国际上声望很高的奖项,包括美国国家环保总署(EPA)颁发的 “气候保护”奖,美国供暖、制冷、空调工程师学会组织的美国制冷空调及供热展览会(ASHRAE/AHR)“能源创新”奖、加拿大 “节能”奖和澳大利亚 “AIRAH制冷”奖等。

使用这种压缩机的冷水机组有水冷冷凝器和风