离心式冷水机组液力传动技术研究

曹树森　于　江　吕应战　殷远智

(中国第二重型机械集团公司重型机械设计研究院，四川618013)



离心式冷水机组液力传动技术研究

曹树森于江吕应战殷远智

(中国第二重型机械集团公司重型机械设计研究院，四川618013)

摘要：分析比较了当前国内外离心式冷水机组传动方式及制冷量的调节方式。为了既利用变转速的调节方式来控制制冷量，从而实现节能的优点，同时又避免变频调速的缺点，且使变转速的调节方式能在大功率的离心式压缩机上得以应用，本文提出了一种新型的制冷量变转速的调节方式——液力传动调节方式(变量柱塞泵+冲击式涡轮)，并论证了该调节方式的可行性。最后以美的公司生产的某一制冷量为3 870 kW的离心式制冷压缩机为例，分析比较了改造后与传统的调节方式在部分负荷时的能耗，并计算了年运行能耗及费用。分析结果表明，对离心式冷水机组进行改造后的节能效果显著，有推广价值。

关键词：节能；离心式；冷水机组；液力传动

1　离心式冷水机组现状调查

当前世界环境日益恶化，温差显著加大。在如今的现代建筑(尤其是大型建筑)中，中央空调的应用已经成为必不可少的条件之一，它能够使生活在大楼里的人们生活质量得到显著改善，及工作效率获得有效提高。虽然中央空调对人们生活质量的改善是毋庸置疑的，但另一方面，它也带来了巨大的能源消耗。最近这些年，我国的大中型城市,特别是在东南沿海地区的大中型城市，夏季中央空调的能源消耗正在大幅增加。中央空调电力消耗迅速增涨的趋势已经严重影响了电网的供电压力，引起电网供电紧张。根据统计显示,最近这些年我国每年夏季中央空调耗电量已经达到当季全国所有用电负荷的1/3,大量电能被工业和民用的大型建筑所用的空调所消耗。尤其是各种类型的大型商业建筑中央空调的能源消耗几乎占其总能耗的50%左右[1]。

当前中央空调的设计容量是根据其所需要的最大负荷计算并设计的。中央空调几乎全年在运行，但是处于最大负荷状态运行的天数却相对较少，一年只有几十天，这种“大马拉小车”的状况导致我国中央空调系统普遍具有巨大能源浪费的缺点，而且又没有采取减少能源消耗的有力措施，因此直接导致“我国单位建筑的能源消耗是同纬度发达国家的3倍左右”[2]。中央空调的制冷负荷是动态的，随着环境及工作状态的变化而改变。比如昼夜温差、环境及人文状态、气候等等因素的改变都会影响中央空调的冷负荷。根据统计，中央空调的冷负荷一般在5%～60%的范围内变化,而且每年70%以上的时间处于这种冷负荷状态[3]。既然中央空调在实际运行时的开机容量远小于装机容量,那么对中央空调系统进行节能改造应该具有很大的空间。

随着世界环境温室效应的日益增加，最大程度的节能降耗是未来设备改造、创新设计的一大趋势。另外随着中国城镇化水平的迅速提高，我国安装大型中央空调的大型建筑大幅增加，其所带来的建筑能耗以惊人的速度连年增加。为了改善中央空调所带来的高能耗问题，具有较高性能参数的离心冷水机组在大型中央空调中的应用迅速被市场所认可。近年来离心式冷水机组的销量不断提高，市场总量的变化趋势见表1。从表1可以看出，离心式冷水机组的市场总量呈现逐年递增的趋势，且增速较高。

表1　离心式冷水机组的市场总量(台、套)变化趋势[4～6]Table 1　The total market change trend for centrifugal chillers (piece, set)

2　当前国内外离心式冷水机组传动方式及制冷量的调节方式

2.1　离心式冷水机组传动方式

当前，离心式冷水机组传动方式有两种：采用电机+增速机+叶轮间接驱动和采用电机+叶轮直接驱动。

采用电机+增速机+叶轮间接驱动的传动方式多用于单级压缩。单级压缩的冷水机组由于利用增速机提高了叶轮的转速，所以运动部件小，且结构相对简单，压缩效率也比较高，维修方便。另外，可以通过在排气端安装可以调节的散流滑块，使单级压缩的冷水机组的稳定运行工况范围优于多级压缩的冷水机组。

采用电机+叶轮直接驱动的传动方式多用于多级压缩。开利博士1922年发明了多级压缩的离心式冷水机组，由于当时对空气动力学及传热学的研究处于初期阶段，水平不高，因此采用三级离心式压缩机。随着气体动力学、传热学及材料学研究水平的迅速提高，具备了处理高亚音速下气体压缩的能力，且三级压缩相较于单级压缩在系统结构上过于复杂，因此三级压缩近些年已逐渐被单级压缩取代。

2.2　离心式冷水机组制冷量调节的控制方式

当前，离心式冷水机组制冷量调节的控制方式主要为四种：进气节流调节、叶轮进口前安置转动叶片的调节、转动叶片扩压器及改变扩压器宽度的调节和变频控制方式[7～9]。

1)进气节流调节方式。这种调节方式是最传统也是最简单的控制方式。其在压缩机进口处安装节流阀门。在小流量机器中，尤其当原动机轴转速不能改变时经常采用这种方式。该装置简单，且利于手动调节，但经济性较差。

2)叶轮进口前安置转动叶片的调节方式。这种调节方式目前在离心式冷水机组中占主导地位，其调节的经济性较好，且调节的范围较宽。但其缺点是当其叶片转动角比较大时，会出现节流。

3)转动叶片扩压器及改变扩压器宽度的调节方式。这种调节方法的调节范围虽然也比较宽，但是其经济性比改变转动进口导叶的调节方式差。由于转动叶片扩压器装置的结构非常复杂，且在扩压叶片上承受的作用力比较大，不利于调节，再有离心式冷水机组中应用的扩压器基本上均为无导叶的，因此这种调节方式很少采用。

4)变频控制方式。变频控制方式的原理是通过控制压缩机的转速进而控制压缩机单位时间内的排气量，从而达到控制压缩机制冷量的目的。采用变频控制方式离心式冷水机组具备随着负荷改变动态调节系统功率的特性，使离心式冷水机组始终处于效率最高的工作状态。变频控制方式提高了中央空调的效率，降低了冷水机组的能耗，从而实现了节能减排的目标。目前该控制方法具有较好的发展前景。

2.3　国内外离心式冷水机组制冷量调节方式分析比较

从2.2节中的介绍及表2的对比结果中可以看出，目前离心式压缩机的制冷量的调节方式大部分都采用转动导叶的调节方式。但这种调节方式在部分负荷时的经济性比较低，造成大量能源浪费。变频控制对压缩机转速进行调节，实现对制冷量的控制，具备随用户负荷动态调节系统功率的特性，让冷水机组始终处于最佳(最合理)的运行状态。变频控制提高了空调器的效率，改善了冷水机组的运行效果，从而实现了节能。但由于其成本高、设备复杂、对电网要求高、有高次谐波和辐射等缺点使其一般都应用于制冷量2 000W以下的离心式冷水机组的压缩机上，大功率的离心式压缩机上较少使用。

3　离心式冷水机组制冷量液力传动调节方式的提出

为了既利用变频调速通过改变压缩机的转速来控制制冷量，同时又避免变频调速的缺点，使变转速的调节方式能在大功率的离心式压缩机上得以应用，本文提出了一种新型的制冷量变转速的调节方式——液力传动调节方式(变量柱塞泵+冲击式涡轮)。该调节方式的运行原理如图1所示，它主要由电机、泵、油箱、蓄能器、压力表、冲击式涡轮及压缩机等几部分组成。其制冷量的调节方法为：当外界所需冷负荷增加时，提高变量泵出油的压力，从而提高涡轮的转速(即压缩机的转速)，同时增大涡轮喷嘴开口，增加油液流量，从而增大涡轮的转矩，使压缩机吸气量增大，制冷量上升；当外界所需冷负荷减少时，减小变量泵出油的压力，从而降低涡轮的转速(即压缩机的转速)，同时减小涡轮喷嘴开口，降低油液流量，从而减小涡轮的转矩，使压缩机吸气量减少，制冷量下降。

表2　国内外离心式冷水机组制冷量调节方式分析比较Table 2　Analysis and comparison of refrigeration capacity regulating mode for centrifugal chillers at home and abroad

1—电机　2—泵　3—油箱　4—蓄能器

图2　离心式压缩机性能曲线图

4　液力传动调节方式的可行性分析

4.1　液力传动调节制冷量方式的节能原理

离心式压缩机的输入功率满足以下关系式：

式中，Ne为电机功率,W；k为常数；ΔPtf为气态制冷剂的全压,Pa； Vf为气态制冷剂的体积流量,m3/s； η为压缩机传动效率。

由流体力学理论可知，ΔPtf与转速的平方成正比，Vf与转速成正比。当转速由额定值n0降为n时，压缩机电机的功耗为：

式中，n为转速，r/s，n0为额定转速，r/s，Ne0为额定功率,W。

由离心式压缩机性能曲线图(图2)分析知：(1)当转速降低20%时，制冷量下降60%；效率与制冷量的比值Ne/Q0随着转速的降低开始逐渐升高。在转速降低10%左右时，比值达到最高，随后逐渐降低，但降低的斜率比较平缓；(2)冷凝器与蒸发器的温差tk0-t0随制冷量的减少而减少，即压缩机的能量头减少，从而也减少了比值Ne/Q0，加之制冷量减少时Ne要降低，所以有效功Ne降低特别快，经济性较高。

变量泵压力P与流量Q的关系如图3所示。

图3　变量泵流量与压力的关系图

图4　离心式压缩机转矩与速度的关系

从图3的曲线图中可以看出，在变量泵压力、流量的额定范围内，用户可以根据需要获得所需的任意值。

冲击式涡轮转矩T、转速n与油液压力P和流量Q的关系为：

式中，g为重力加速度，m/s2；P为油液压力，Pa；Q为流量，m3/s。

由式3和式4中得出，当提高油液的压力时，转速升高，同时增加油液的流量，增大冲击式涡轮的转矩；反之，当降低油液的压力时，转速下降，同时减少油液的流量，减小冲击式涡轮的转矩。而离心式压缩机转矩与速度的关系如图4所示。离心式压缩机的转速与输入的转矩成正比，即当离心式压缩机输入转矩增加时，其转速相应增加，反之，相应减少。

通过以上分析，得出通过液力传动方式可以实现离心式压缩机速度的无级调速，进而实现离心式冷水机组制冷量的无级调节。例如：当转速由100%降到70%，则体积流量相应降到70%，压力降到49%，而电机的功耗降到34.3%，也就是节约电能65.7%。

4.2　液力传动调节方式与传统调节方式能耗的比较

以美的公司生产的某一制冷量为3 870 kW的离心式制冷压缩机为例，对部分负荷状态下液力传动调节方式与传统调节方式的能耗进行了比较，结果见表3、表4。其电机:685 kW/3 000 r/min；输出转速:10 720 r/min；压缩机输入扭矩:579.66 Nm；压缩机输入功率:650.75 kW。设离心式制冷机组每天工作12 h，全年工作150天,每kWh电0.50元。

表3　液力传动调节方式与传统调节方式能耗的比较Table 3　Comparison of energy consumption between hydraulic transmission regulation mode and the traditional regulation mode

表4　与液力传动控制相比较的耗电情况Table 4　Power consumption compared with that of hydraulic drive control

5　结论

利用液力传动(变量泵+涡轮)对离心式冷水机组进行改造后，由于实现了离心式冷水机组平滑的无级启动，避免了启动时的电流冲击和机械冲击，有效地增加了电机和机组的使用寿命。同时与变频控制方式相比，其不会产生变频调速的高次谐波、高压反射、辐射等缺点，且初期成本低，使变转速的调节方式能在大功率的离心式压缩机上得以应用。液力传动调节方式节能效果显著，因而具有非常好的应用前景。

参考文献

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[10]徐忠.离心式压缩机原理[M].北京:机械工业出版社,1990.

编辑肖红原

ResearchonHydraulicTransmissionTechnologyforCentrifugalChillers

CaoShusen，YuJiang，LvYingzhan，YinYuanzhi

Abstract：This paper analyzes and compares the current drive mode of centrifugal chiller and regulation mode of refrigerating capacity at home and abroad. For controlling the refrigerating capacity by variable speed regulating mode in order to realize the advantages of energy saving, and avoiding the disadvantage of frequency control of motor speed, and applying the adjusting way of variable speed to the high power of centrifugal compressor, this paper puts forward a new kind of adjustment way of refrigerating capacity variable speed, that is hydraulic drive regulating mode (variable plunger pump and impact turbine) and proves the feasibility of the regulating mode. Finally, taking the centrifugal refrigeration compressor with refrigerating capacity 3 870 kW produced by Beauty Company as an example, energy consumption under partial load between reformed mode and traditional mode is analyzed and compared, and the annual operating energy consumption and cost are calculated. The analysis results show that the energy-saving effect of centrifugal chiller is significant after transformation, and it has promotion value.

Key words：energy saving; centrifugal; water chilling unit; hydraulic transmission

作者简介：曹树森(1977—)，男，博士研究生。主要研究方向：锻压设备结构设计、机械结构可靠性分析等。

收稿日期：2015—01—04

中图分类号：TH137

文献标志码：A