半封螺杆变频盐水机组节能分析及验证.pdf

第46卷第3期2023年9月Vol.46,No.3September.2023冷 藏 技 术Journal of Refrigeration Technology半封螺杆变频盐水机组节能分析及验证陈芳旭 屠永华 奚 晔(约克（无锡）空调冷冻设备有限公司亚太工业冷冻产品开发部 无锡 214111)摘 要 根据江森自控变频盐水机组的设计及应用特点，分析其部分负荷性能的影响因素。变转速控制压缩机实现部分负荷下仍具有高的绝热效率，经济器也可以始终保持运行，从而克服滑阀调节机组存在的缺点，保证机组在部分负荷下高效率运行。经过实际测试验证，变转速控制的部分负荷性能优势明显。另外，测试过程中，发现污垢系数对机组性能影响显著，在设计过程中需要特别考虑。关键词 盐水机组；部分负荷性能；变频；经济器；污垢系数Energy Saving Analysis and Verification of Semi-Hermetic Screw Brine Unit with VSDChen Fangxu Tu Yonghua Xi Ye(IR-ASIA,YORK(Wuxi)Air Conditioning and Refrigeration Co.Ltd.,Wuxi,214111,China)Abstract According to the design and application features of Johnson Control VSD brine unit,the influencing factors of partial load performance was analyzed.The variable speed control compressor can keep the high adiabatic efficiency in partial load with the economizer operation,so VSD unit can overcome the shortcomings of the slide valve regulating unit and ensure the high efficiency of the unit in partial load.The actual test proved that the variable speed control has the obvious advantages in partial load performance.In addition,per the testing report,it is found that the foul factor has a significant impact on the performance of brine chiller,which need special consideration in the design stage.Keywords brine chiller;partial load performance;inverter;economize;fouling factor通讯作者：陈芳旭，男，高级工程师，从事制冷产品的开发和设计。精细化工/制药等工业应用领域，盐水机组是其关键设备，也是能耗大户，通常用冷负荷随其产能和环境条件而变化。因此，盐水机组的部分负荷的性能决定了整个生产过程的能耗水平。常规盐水机组采用定频驱动压缩机，能量调节通过滑阀或柱塞阀调节来完成，部分负荷下的机组性能相比100%衰减严重，机组的综合能效低下。针对该问题，采用更先进的能力调节方式就非常必要。变频驱动压缩机，通过改变压缩机转速来调节机组的能力，可以有效的提高机组的部分负荷性能，蒸发温度越低，节能效果明显1。因此，对于盐水机组，蒸发温度通常比较低，深化分析验证变频驱动盐水机组节能的影响因素显的十分重要，从而可以更有针对性改善盐水机组节能设计，提高整个行业的能源利用水平。RXK产品简介在节能减排的宏观政策引导下，江森自控开发出RXK半封螺杆变频盐水机组，采用全变频的能调方式，以降低工业过程中的制冷能耗，减少CO2排放量。RXK产品是江森自控全新开发的工业应用的盐水机组，机组制冷能力最高可达1000 kW，可以为客户提供-30-5 的工艺盐水。图 1 RXK盐水机组Fig.RXK brine unitdoi:10.20094/j.issn.1674-0548.2023.03.0090第46卷第3期2023年9月Vol.46,No.3September.2023冷 藏 技 术Journal of Refrigeration Technology产品主要特点：工业级专用螺杆压缩机且全系列配置经济器，保证机组的基础效率；50200 Hz全变频能量调节，改善部分负荷效率；高效离心油分离器，排气带油量最高500 PPM。节能分析除了工业制冷机组的高可靠性外，RXK产品设计初期就重点关注机组的综合能源消耗，特别是部分负荷运行下的运行效率。对于螺杆压缩机的制冷机组，从以下几个方面来考虑提升机组的运行效率。.能调方式节能影响目前，市场上常见的螺杆压缩机能调结构有两种大类，分别是变转速调节和滑阀调节，而滑阀调节又分滑阀无极调节和滑阀分段调节。对于螺杆压缩机，比较常见的能调模式为滑阀调节，通过压缩机内置滑阀来改变压缩机吸气口的大小，调整压缩机的吸排气量，从而实现压缩机负荷的调整。如果滑阀位置可以连续无级的调整吸气口大小，则为滑阀无级调节；如果滑阀位置只能根据预设好的位置进行调整，则为分段式滑阀调节。滑阀调节系统简单易行，但随着压缩机吸气量的减小，压缩机的效率也会随之降低。分段式滑阀调节则无法实现压缩机负荷的连续调节，其容积效率同样也是分段的，综合而言，整体要低于无级滑阀调节的效率，约克典型的无级滑阀调节的压缩机效率如图2所示2。导致滑阀调节效率低的因素如下：（1）滑阀和转子间的泄露率随负荷降低而增加；（2）低滑阀位置时喷油对压缩机有效吸气能力的影响；（3）低滑阀位置时喷液冷却对压缩机有效吸气能力的影响；图 2 滑阀调节压缩机绝热效率Fig.The compressor adiabatic efficiency with sliding valve随着变频技术进步，变频调节已逐渐变为主流调节方式。目前江森自控旗下的工业制冷产品都已经配置变频驱动系统，通过改变压缩机转速来调节压缩机的负荷。相比滑阀能调方式，变频调节通过改变压缩机的转速来调节吸气量，有效克服上述不利因素。变转速调节的部分负荷性能相比滑阀调节更有优势。约克典型的变转速调节的压缩机绝热效率如图3所示2。图 3 转速调节压缩机绝热效率Fig.3 The compressor adiabatic efficiency with variable speed regulation对于工业盐水机组，换热器均基于最大工况设计，因此，在机组负荷下降的过程中，机组实际换热量变小，在换热器面积选定的情况下，实际蒸发温度会提高，冷凝温度会降低，即压缩机运行压缩比逐渐减小，压缩机效率随之有提高的趋势。对于盐水机组而言，机组性能的最终表现，是由压缩机部分负荷效率和压比变化影响两方面的影响而决定，具体需要实际测试来综合评价。.经济器节能影响由于螺杆压缩机的特殊结构，可以配置经济器来提高压缩机能力和性能，特别是低温冷冻应用，此方面的影响更为显著。有文献指出，在蒸发温度-30 的情况下，带经济器的压缩机性能系数COP可以提高21.7%3。因此，对于盐水机组，经济器成为提高机组性能的重要手段。由于经济器口补气口通常开在压缩机壳体上，位置相对固定。压缩机在部分负荷运行时，两种调节方式对经济器的功能影响有很大的不同。滑阀调节的压缩机，随滑阀位置的变动经济器补气将会和压缩机吸气口连通，此时，经济器将会失去作用。而变转速调节的压缩机，无论转速如何变动，经济器口始终保持在压缩基元容积内部，经济器都可以正常发挥作用。第46卷第3期2023年9月Vol.46,No.3September.2023冷 藏 技 术Journal of Refrigeration Technology因此，部分负荷下，变转速调节可以保持经济器正常工作，大幅提高部分负荷下的性能。约克压缩机典型工况下，配置经济器的压缩机的部分负荷性能对比如图4所示2。图 4 带经济器的压缩机部分负荷性能Fig.4 The compressor part load performance with economizer.3 换热器污垢影响机组换热器在运行一段时间后，不可避免会有杂质污垢沉积在换热器内，影响换热器换热性能，特别是换热器工艺水侧比较突出。工艺水侧，包括蒸发器和冷凝器，工业应用条件通常比较恶劣，很难避免污垢的产生。随着机组运行时间的推移，机组能力和性能都会有所下降。由于污垢情况与机组负荷没有关联，因此，整个负荷范围内，水侧污垢情况对于机组的性能的影响程度近似。对于工艺水侧的污垢影响，相应的产品标准（GB/T 18430.1-2007）中已经给出模拟评价方法4，可以依此标准测试。制冷剂侧，通常认为不会产生污垢。而喷液螺杆压缩机，由于压缩机排气含油量比较多，压缩机润滑油的聚集对换热器的影响则不能忽略。冷凝器一般不会存在润滑油聚集的问题，不需要特殊考虑。对于蒸发器，油温低粘度大，特别是在部分负荷下，制冷剂流速低，润滑油更是易在蒸发器中聚集，对蒸发器的换热产生较大影响。有研究发现，蒸发器中含油量超过3%，肯定对换热有负面影响4，因此，系统含油量对于机组性能也是不可忽视的因素。对于润滑油对机组性能的影响，目前还没有可靠的测试方法去衡量其单独的影响，但其最终影响可以通过整机的部分负荷性能来综合评价。在机组设计阶段，需要尽可能的控制进入系统制冷剂的含油量，以避免润滑油对换热性能的负面影响。3 性能验证为检验RXK产品部分负荷性能，江森自控委托权威的第三方机构进行性能测试，确保测试过程和结果准确可靠。图 5 测试机组Fig.5 The testing unit 机组测试条件如下：RXK40-BC 双压缩机并联机组；载冷剂，41%乙二醇溶液；盐水进/出温度，-10/-15；冷却水进/出温度，32/37；设计污垢系数，冷凝器水侧为0.086(m2.)/kW；蒸发器盐水侧为0.086(m2.)/kW；变工况性能：冷却水进水温度和流量保持100%不变，盐水出口温度和流量保持100%不变。3.机组部分负荷性能变速调节和滑阀调节标准部分负荷性能测试数据对比如图6所示，其中滑阀调节机组测试工况和污垢系数条件与上述条件相同，均配置经济器，测试基于GB/T 18430.1-2007规定的测试方法。根据测试数据，得出以下结论。（1）变速调节机组，由于经济器保持持续工作，整个部分负荷工况下，变频机组的性能都可以保持较高的水准，大部分能力范围高于100%负荷下的性能。（2）滑阀调节机组，部分负荷下，机组性能低于100%负荷，特别是经济器停止工作后（通常80%负荷），机组性能大幅下降。（3）变转速调节机组相比滑阀调节机组，性能差距随机组负荷的降低逐渐增大，在机组最小负荷下，转速调节COP相比滑阀调节提高113%（25%负荷），变转速调节机组节能效果明显。第46卷第3期2023年9月Vol.46,No.3September.2023冷 藏 技 术Journal of Refrigeration Technology图 6 盐水机组部分负荷性能测试结果Fig.6 The part load performance of the brine chiller3.污垢系数影响根据GB/T 18430.1-2007规定的污垢模拟测试方法测试，污垢系数对机组性能的影响的结果如图7所示，其中，标准污垢系数的测试数据为基准（100%）。图 7 污垢系数对于机组性能的影响Fig.7 Effect of fouling factor on part load performance有如下结论：（1）污垢系数影响机组制冷能力，新机组的实际能力高于额定能力4%5%；（2）机组输入功率变化不大，在1%之内；（3）污垢系数对COP有4%5%的影响；（4）部分负荷下，污垢系数对于性能的影响基本与100%负荷下相同。4 结论通过江森自控RXK半封螺杆变频机组的测试结果分析，有如下结论：（1）盐水机组采用转速调节是非常高效的能调模式，部分负荷下运行，大部分优于100%负荷的性能。（2）变转速调节盐水机组配置经济器，是提高机组部分负荷性能的有效方法。（3）新机组在无污垢情况下运行，机组能力会有4%5%的提高。因此，需要根据实际应用条件选择合适的设计污垢系数。如果水环境条件比较差，其维护保养不能有效保证的情况下，需要预留更高的设计污垢系数。（4）与传统滑阀调节相比，变速调节的盐水机组具备非常明显的节能优势，对于实现节能减排的目标具有重要意义。参考文献1 陈锐光.约克Vyper变频器在制冷螺杆压缩机组上节能应用J.冷藏技术,2011,34(1):26-29.2 Frick Cool-Ware（选型软件）,Johnson Controls,Inc,2022.3 丁明青,薛连政,张军荣,等.经济器对螺杆压缩机系统性能影响分析J.冷藏技术,2021,44(1):20-23.4 丁睿,郑钢,宋吉.润滑油对管内沸腾换热影响研究综J.流体机械,2006,34(11):80-84.5 全国冷冻空调设备标准化技术委员会.蒸汽压缩循环冷水（热泵）机组第1部分:工业或商业用及类似用途的冷水（热泵）机组:GB/T 18430.1-2007S.北京:中国标准出版社,2008.参考文献1 中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑抗震设计规范（2016年版）:GB 50011-2010S.北京:中国建筑工业出版社,2016.2 中国建筑科学研究院有限公司.混凝土升板结构技术标准:GB/T 50130-2018S.北京:中国建筑工业出版社,2018.3 中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑消能减震技术规程:JGJ 297-2013S.北京:中国建筑工业出版社,2013.（上接第4页）