滑阀调节和变速调节螺杆并联机组在速冻行业的应用

河南千年冷冻设备有限公司 王莉娜

滑阀调节和变速调节螺杆并联机组在速冻行业的应用

河南千年冷冻设备有限公司 王莉娜

螺杆制冷压缩机的理论输气量为：Vl=CψCnn L D2。式中Vl为理论输气量，Cψ为螺杆扭角系数，Cn为螺杆面积利用系数，n为转速，L为螺杆有效工作长度，D为螺杆公称直径。

传统的能量调节方法有滑阀调节和变速调节，其中滑阀调节原理如下：滑阀调节螺杆压缩机在转子高压侧设置了一个能轴向移动的滑阀，通过其轴向移动，改变螺杆的有效工作长度，使负荷在10%～100%之间调节。当滑阀与固定端紧密接触时，基元容积Vc充气量最大，由吸入端吸入的气体经压缩后全部排出，负荷为100%；当滑阀向排气端移动时，滑阀后缘与固定端形成一个与吸气端相通的泄逸通道，使螺杆有效长度变短，基元容积将减至Vb，排气量减少，相对的制冷量也减少，从而达到负荷调节的目的。采用滑阀调节螺杆压缩机虽可实现负荷的无级调节，但随负荷的减少，机组的COP（性能系数）也将下降。机组COP随负荷的变化用SCOP（相对性能系数）表示，随负荷的减少，SCOP逐渐降低，尤其在10%～60%负荷时，下降明显。所以采用滑阀调节螺杆制冷压缩机负荷，当输气量低于额定输气量的50%时，因螺杆有效长度较短，内压比降低较多，使等容压缩到排气压力的附加功耗较大，虽然负荷降低了，但功耗下降并不明显，致使机组效率陡降。所以滑阀调节螺杆压缩机在部分负荷工作时是不经济的。

变速调节螺杆压缩机的原理如下：螺杆制冷压缩机输气量与转速成正比，改变压缩机转速可达到调节输气量目的。但转速的变化会影响机组的相对泄漏量及摩擦损失功，进而影响螺杆制冷压缩机效率。在转速较低时，因泄漏导致的容积效率和绝热效率的下降量陡增。高转速时，泄漏对效率的影响较小，在2 000～6 000r/min范围内，容积效率和绝热效率变化很小。这是因为转速较高时，压缩机的容积流量增大，体现在效率曲线上为绝热效率的增加。但随着转速的增加，又引起摩擦损失功率的增加，造成机械效率下降。所以，总的看来，随着转速的增加，转速对效率的影响将逐渐减少。也就是说，在一定转速范围内，转速变化对泄漏量的影响很小。故在该范围内采用转速调节制冷量时，压缩机功耗的下降将与负荷的减少成正比，可使机器保持较高的效率和优越的性能。所以在该转速范围内用变速法调节负荷是非常经济的。但每台螺杆压缩机都有其自身的最佳转速，过分低于最佳转速，效率将大为下降。同时，电机的调速也有其变速范围，过低的转速亦会使电机工作不稳定，效率降低，故变速调节只适用于60%～100%负荷范围内的调节。

一、项目概况

项目所在地位于广西，需要建成冻结牛皮的三层平网隧道，隧道内温度为－（2±2）°C，进货温度为25～30°C，出货温度为0～4°C，客户需求冷量为200kW，蒸发温度为－11°C，冷凝温度为+35°C。选用台湾“复盛”公司的螺杆压缩机，型号为SRL140B-MP，数量3台，其中一台为变速调节螺杆压缩机，另外两台为滑阀调节螺杆压缩机。该项目于2010年4月投入使用，每天工作2个班次，每班次10h。其制冷系统示意图如图1所示。

二、机组自动控制原理

该系统主要由ABB变频器、三菱PLC、A/D、D/A、施耐德接触器、复盛压缩机等组成控制系统。其自动控制原理如图2所示。

如图2所示，系统运行时先加载变速调节螺杆压缩机，使其在60%～100%负荷范围内调节。如果负荷在上升，可以选择其余2台滑阀调节压缩机中运行时间短的进行加载，并使其在短时间的加载完成后工作在100%负荷，然后根据负荷调节变速调节压缩机在60%～100%负荷范围内调节。如果负荷在增加，再选择滑阀调节压缩机中运行时间最短的进行加载，并使其在短时间的加载完成后工作在100%负荷。在负荷减少时，先卸载变速调节的压缩机到60%负荷，如果负荷继续减少，选择运行时间最长的滑阀调节螺杆压缩机进行卸载；如果负荷还在减少，最后卸载变速调节螺杆压缩机，直至停机。根据以上的调节方式，可以使机组负荷在20%～100%的范围内实现无级调节。

三、变速调节的数学模型

针对变速调节螺杆压缩机负荷的调节速度，笔者建立了全新的数学模型进行控制。该数学模型即y=f(X)，式中，X=吸气压力测量值与吸气压力设定值之间的差值，y=变速调节螺杆压缩机调节速度。PLC实时测量吸气压力，并实时将吸气压力测量值和吸气压力设定值之间进行差值计算，然后根据数学模型，计算出变速调节压缩机的调节速度。比如：设定压力为3.5bara，测量压力为4.5bara，根据函数计算出来的调节速度为5，那么变频器就可以通过PLC控制，按照每秒增加5Hz的频率进行加载；如果测量压力变为3.6bara，根据函数计算出来的调节速度为1，那么变频器就可以通过PLC控制，按照每秒1Hz的频率进行加载；同理可进行卸载。采用这种建立数学模型的控制方式可将速冻隧道温度控制在±0.6K的范围内。

四、采用电磁阀组作为节流阀

热力膨胀阀及机械式调节阀在制冷和空调行业广泛地被用于过热度及制冷剂流量的控制。但是随着系统对能效比、温度控制、操作范围等方面的要求不断提高，近年来国外普遍采用电子膨胀阀。

我国企业目前普遍采用热力膨胀阀作为节流阀，只有部分企业使用电子膨胀阀。与热力膨胀阀相比，电子膨胀阀具有过热度控制精确、变负荷和工况适用性好、控制灵敏度高、机组启动阶段瞬态流量控制性能优越等优点。

河南千年冷冻设备有限公司在工程项目中应用了电子膨胀阀和热力膨胀阀。从提高系统的能效比、对过热度控制的精确性等方面考虑，电子膨胀阀有很大的优点，但是电子膨胀阀价格昂贵、配件繁多（需要阀体、控制器、显示器、温度传感器、压力传感器等）。并且在使用过程中还发现，由于电子膨胀阀对步进电机的控制采用的是开环控制，阀体容易出现丢步。比如，根据过热度信号，需要产生200个脉冲来关闭阀体，但是由于丢步，需要采用240个脉冲关闭阀体。而电子膨胀阀在发出200个脉冲后，就认为已经关闭了膨胀阀，这个时候膨胀阀阀体就有可能出现关闭不严的情况，导致制冷剂灌入蒸发器，在开机时容易形成湿压缩。

本系统打破了热力膨胀阀或电子膨胀阀作为节流阀的传统，采用电磁阀组作为节流阀。将压力传感器和温度传感器放在蒸发器出口处，温度传感器传回的数据在PLC里面被定义为回气温度Th，压力传感器传回的数据在PLC里面被定义为蒸发压力Pe，蒸发压力Pe对应的温度被定义为蒸发温度Te，回气温度Th减去蒸发温度Te，即是由PLC计算的过热度。通过PLC控制不等数量的冷量的电磁阀组的开启，从而达到对蒸发器过热度的控制。该方式首先在速冻隧道上面进行应用。此前，在采用其他方式作为节流阀时，速冻隧道温度从+25°C降到-35°C需要30～40min左右；采用新方法后，其降温时间缩短到14～16min，节能效果显著。

五、项目创新之处

1. 将滑阀调节螺杆压缩机和变速调节螺杆压缩机并联，避免了滑阀压缩机在部分负荷下的不经济运行，集成了滑阀压缩机在满负荷时节能和变速调节压缩机在部分负荷时节能的优点，实现了机组的节能控制。

2. 建立了数学模型y=f（X）（X=吸气压力测量值与吸气压力设定值之间的差值，y=变速调节螺杆压缩机调节速度）。根据此数学模型，可以计算出变速调节压缩机的调节速度和并联机组的加载和卸载的速度，据此可以避免压缩机频繁启动，达到节能和提高设备可靠性的目的。

3. 打破传统的热力膨胀阀或电子膨胀阀作为节流阀的传统，采用电磁阀组作为节流阀，控制蒸发器出口的过热度。

六、结论

采用以上创新方式，整个制冷系统可实现节能17%左右，取得里较好的节能效果。