牛寨换流站螺杆冷水机组频繁启停问题诊断与分析

张杰 何其愚 丁汉林 马晨昱 李更达 郭明登 夏子军 乔超

1 南网超高压输电公司曲靖局

2 云南新天地人工环境工程有限公司

0 引言

螺杆压缩机是大容量制冷空调系统的最常用压缩机，以零部件数量少，无往复运动和摩擦运动等易损构件、运行可靠而著称。牛寨换流站使用螺杆压缩机的区域包括阀厅和中控楼通风空调系统。这些空调系统相互独立，每个系统由冷水机组，水泵及水系统，组合空调，电气及控制系统等组成，如图1 所示，具有对阀厅温湿度控制（包括升温降温、加湿降湿）和空气过滤功能。

图1 牛寨换流站阀厅空调

螺杆压缩机细分的种类很多，牛寨换流站使用的都是半封闭单级双螺杆压缩机。螺杆压缩机通过容量滑阀调节器容量输出，理论上其容量输出可以在一定范围内无级调节，但部分压缩机生产厂家为保证压缩机运转的可靠性，能量输出仍采用分级控制，有的甚至不带调节功能。实际运行中一般应控制单压缩机容量，长时间运行，最小比例一般不能小于50%，短时间可以小于50%。

1 牛寨换流站压缩机启停控制

牛寨换流站的螺杆压缩机即采用0、25%、50%、75%、100%的分级控制方式，其能量输出有0、67.5kW、135 kW、202.5 kW、270 kW 五个级别。

压缩机的容量输出与启停控制并不由压缩机自身决定，而是通过冷水机组的控制系统由回水的温度决定。

牛寨换流站的压缩机启停供水温度范围设置为7/12 ℃，当供水温度高于12 ℃时压缩机启动，当供水温度低于7 ℃时，压缩机停止运行。这是一个合理的常规设置。

在这一过程中，当回水温度大幅降低时，压缩机也会逐步减载，最终回水温度接近7 ℃时，压缩机会在最低输出容量50%级别运行。当压缩机输出容量维持50%级别而回水温度仍然降低到7 ℃以下，压缩机会将负荷减到25%，短时间后（一般为几十秒钟，各厂家设置有所不同）将停机。

2 故障的表现和特征

针对螺杆压缩机的主要故障，首先要提取故障特征信息，据此分析故障产生的原因和故障机理，判断故障部位，根据不同的故障提供诊断方法和现场治理措施。

2.1 自控系统数据记录情况

牛寨换流站通风空调系统正常运行时，阀厅温湿度能满足使用要求，但却存在阀厅空调系统中螺杆冷水机组启停过于频繁，几年来已多次出现压缩机烧坏的故障现象。表1 是根据自控系统数据生成的压缩机启停时间表。

表1 数据中，10 台压缩机有7 台每次启停运行时间在1 h 以内，最少的仅0.34 h。这还仅是平均值，在冬季气温低空调负荷低的情况下，每次运行的时间则会更短。

螺杆机频繁启停的情况在夏季冬季同样存在，只是冬季更为频繁而已。这是符合逻辑的，因为夏季有建筑热负荷，冬季该项负荷少甚至为负值。

表1 2016 年06 月止2017 年06 月压缩机启停情况表

虽然说标准规范和设计文件一般不会对冷水机组压缩机的启停次数提出要求或限制，但一般中央空调工程中，冷水机组是应该长时间连续运行的，至少几小时甚至连续几天，这样一方面可以减少启停次数、延长机组寿命，另一方面也是在保持运行工况的稳定，使空调房间的温度更稳定一些。

牛寨换流站如此的运行工况确实是一种异常启停。在其他保护机构正常、运行环境正常的情况下，多次的压缩机烧坏，显然与压缩机的频繁启停密切相关，毕竟每次启停都给压缩机带来大的负荷冲击。

2.2 现场实测螺杆机启停

为准确掌握螺杆机的起停情况，核实历史数据的可靠性，对换流站运行中的各台螺杆压缩机进行了现场启停测试，现场测试环境条件如表2 所示。

表2 现场测试环境条件

实测结果表明：各螺杆压缩机均每次运行18～20 min，然后都在准确的5 min 之后重新启动。

3 频繁启停故障原因分析

螺杆压缩机出现频繁启停对安全生产是一种潜在隐患，必须分析其原因，并据此制定针对性的故障诊断和维护策略，从而真正的提升螺杆压缩机的工作稳定性。

在现场实测过程中，观察到了以下情况：

1）螺杆压缩机和整个冷水机组的启停过程正常，启动后运行正常。

2）供水温度从低往高升至12 ℃时压缩机启动，供水温度逐步下降。

3）一段时间后压缩机逐步减负荷。

4）供水温度低至7 ℃时压缩机完全停机。

5）停机后五分钟后准时开始启动。

6）停机后供水温度逐步上升，到三分钟时温度达到12 ℃，到五分钟时达15.5 ℃，其水温上升曲线如图2 所示。

图2 螺杆压缩机启停过程水温上升曲线图

根据这样一个与供水温度密切相关和有规律的实测结果，可以初步判断，螺杆压缩机的频繁启停，与供水温度直接相关。

3.1 运行中的螺杆压缩机停机原因

牛寨换流站的压缩机启停供水温度范围设置为7/12 ℃，当供水温度高于12 ℃时压缩机启动，供水温度低于7 ℃时，压缩机停止运行。在这种机制下，随着冷水机组回水温度降低，螺杆压缩机也会逐步减载，直至停车。

3.2 螺杆机组会在停机后5 min 再准时启动

螺杆机停机后三分钟供水温度即已达到螺杆机的启动温度12 ℃，但这时螺杆机没有启动，而是一直等到5 min，这个5 min 是阀厅冷水机组设定的保护时间，避免重复启动时间过短而损坏机组。

3.3 阀厅螺杆机频繁启停分析

牛寨换流站压缩机频繁启停，说明其空调系统的供水温度不停在7～12 ℃之间变化。因此，要找到其频繁启停的原因，就要分析造成温度大幅度来回变动的因素。

3.3.1 阀厅负荷水平计算

为找到解决螺杆机组频繁启停的问题和解决办法，对阀厅负荷进行分析。由于刚停机时冷水机组蒸发器内尚有剩余制冷剂，对水温有一定影响，3 min 后这影响基本消除。以3～5 min 这个区间的温度变化来分析阀厅负荷。

系统所配水泵参数为：流量51.2 m3/h，扬程31.2 m，可以保证系统的水流量≥51.2 m3/h。

根据参考文献[1]可知系统水容量为0.986 t，那么在时间段3～5 min 的范围内，系统的水循环次数N 由式（1）计算。

式中：q 为水流量；t 为时间；V 为系统水容量。

代入数据计算得：N=51.2×2/60/0.986＝1.73

因此，这个时间段测温点的温升可以视为整个水系统的温升，阀厅所体现的负荷由式（2）估算。

式中：Q 为热量；c 为水的比热容，取4.18 kJ/(kg·℃)；m为质量；Δt 为水温变化量。

代入数据计算得：Q=0.986×1000×(15.5-12)×4.18/(2×60)=120 kW

综合考虑到一些其它因素，包括当压缩机运行时系统内水温更低、阀厅空气与水的温差更大、阀厅传递给水的热量更多等，可以认为阀厅负荷为≥120 kW。

根据螺杆压缩机的启停原理，当回水温度接近7 ℃时，压缩机会在最低输出容量50%级别运行。而螺杆机在50%负荷下水温仍继续降低导致停机，那么可以确认负荷小于270×50%＝135 kW。

再综合考虑到以下因素：

①螺杆机在夏季也频繁启停，这意味着夏季负荷也在135 kW 以内。

②阀厅属于高大空间，高于阀厅设备的顶部空间可以不考虑为负荷。

③多年以来的阀厅平均负荷约60%。

从以上的分析来看，确认在2018 年12 月2 日观测期内，阀厅负荷基本保持在120～135 kW 之间，即50%以下的状态。

3.3.2 阀厅负荷的变化对螺杆机影响

作为冷水机组的核心部件，螺杆压缩机给机组回水降温，再通过供给冷冻水给阀厅降温。水温变化，会受到环境温度也就是阀厅空气温度变化的影响，回水温度与阀厅空调负荷直接相关，因此螺杆机的启停和载荷与阀厅负荷直接关联。

阀厅空调负荷来自于两方面。一是常规的建筑热负荷，包括气温高时通过墙体由外往里传递的热量、照明热负荷。二是阀厅电气设备的发热量，该部分热量大部分已经阀冷系统带出室外，但不可避免仍有部分热量散入阀厅室内。

冷水机组的供水、回水的每次循环，都会带走阀厅热量，降低阀厅气温。阀厅负荷大小就会影响到回水的温度，进而对螺杆压缩机的工作状态产生影响。

3.3.3 设备选型的影响

根据螺杆机启停控制原理，当回水温度大幅降低时，压缩机也会逐步减载，当回水温度接近7 ℃时，压缩机会在最低输出容量50%级别运行。当空调系统的供水温度降到7 ℃，冷水机组的最低容量输出仍大于阀厅的空调负荷时，运行中的螺杆压缩机则会出现停机情况。

在设备选型方面，牛寨换流站选用270 kW 的半封闭单级双螺杆压缩机。如前所述，螺杆机在50%负荷下水温仍继续降低导致停机，可以确认其负荷小于：270×50%＝135 kW。实际结果表明，选型设备的容量过大，导致当前空调负荷比最低设备容量还小。这种问题周而复始，是引发螺杆机反复启停的重要原因之一。

4 解决方案

根据实测结果及原因分析，牛寨换流站螺杆压缩机频繁启停问题的解决可以考虑三个方案。

4.1 更改运行控制方式

通过分析可以知道，压缩机的频繁启停更容易发生与空调负荷低的时候，而空调负荷低则意味着室外气温也低，因此当室外气温偏低的时候可以考虑全新风运行方式。

按阀厅空调系统设计图纸，阀厅设计温湿度如下：温度为10～50 ℃。相对湿度为25%～60%。房间正压值为5～30 Pa[2-3]。

根据云南昭通地区的气象资料，在绝大部分情况下，甚至在极端高低温情况下，采用全新风方式、不启用冷水机组，都可以保证阀厅温度在设计的10～50 ℃范围内。而实际运行的过程中，阀厅显示的温度范围为18～30 ℃。原阀厅空调控制系统已设置：室外温度低于12 ℃时，直接启用不需要冷水机组的全新风方式。这样做，既可以节能，也可以减少螺杆压缩机的启停次数、尤其减少冷水机组的低负荷运行时间、提高压缩机寿命。

虽然这个方案只是针对低温季节，但却不失为一个可选的方案。

4.2 设置蓄冷箱扩大系统热容量

扩大系统热容量，是保留目前设备情况下的一个可行方式。在系统外设置蓄冷水箱，让冷水机组高负荷运行，往阀厅供冷的同时降低水箱的温度，当冷水机组达到设定低温后，因为蓄冷水箱的存在，系统水温上升到设定的启动温度会更缓慢。从而明显减少螺杆压缩机的启停次数。

一般来讲，这样的方案宜保留蓄冷箱的蓄冷量可满足系统半小时以上负荷需要。这样的话压缩机每次启停间隔根据负荷不同可达一小时以上。

按前述负荷120 kW、水温差7-12 ℃考虑，半小时运行所需要的水容量为120/(12-7)/4.18×1800=10335kg ≈10 t。

即建议根据场地的条件情况，设置10～20 t 的蓄冷箱。

这一方案虽不能保证冷水机组的连续稳定运行，但也可以大幅降低螺杆机的启停次数，延长压缩机寿命，提高了系统可靠性。同时水温波动幅度更小，更有利于阀厅温度稳定。

需要注意的是，蓄冷箱结构设计时特别应注意避免进出水的短路，还应注意水箱里水流及其形成的温度场，以保证最优的蓄冷效率。如果存在白天用电和晚上用电的明显成本差异，也可以考虑冰蓄冷。

4.3 更换设备

既然螺杆压缩机运行中的停机是源于冷水机组的最低容量输出仍大于阀厅的空调负荷，那么自然可以考虑降低冷水机组的容量来避免压缩机停机。

要解决频繁启停的问题，宜选用低容量的多台设备组成一个系统（模块化机组）、或者选用多个制冷系统的单台机组。可配置容量70 kW 的模块化机组，数量6 台。其中2～3 台正常使用，其余备用。

这一方案除解决螺杆压缩机的频繁启停以外，还提高了系统的可靠性，可在条件允许时采用。

5 结论

综上所述，换流站需要全年运行于制冷工况，随着季节的变化和阀厅运行参数的变化，阀厅空调负荷变化非常大。在这种情况下，单级螺杆压缩机的单台冷水机组难以满足如此负荷变化，从而导致一系列问题，并提供三个解决方案。

1）当室外气温偏低的时候可以考虑全新风运行的方式。

2）设置蓄冷箱扩大系统热容量。

3）选用低容量的多台设备组成一个系统（模块化机组），或者选用多个制冷系统的单台机组。