離心式冷水機(jī)組液力傳動(dòng)技術(shù)研究

曹樹森　于　江　呂應(yīng)戰(zhàn)　殷遠(yuǎn)智

(中國(guó)第二重型機(jī)械集團(tuán)公司重型機(jī)械設(shè)計(jì)研究院，四川618013)

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離心式冷水機(jī)組液力傳動(dòng)技術(shù)研究

曹樹森于江呂應(yīng)戰(zhàn)殷遠(yuǎn)智

(中國(guó)第二重型機(jī)械集團(tuán)公司重型機(jī)械設(shè)計(jì)研究院，四川618013)

摘要：分析比較了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外離心式冷水機(jī)組傳動(dòng)方式及制冷量的調(diào)節(jié)方式。為了既利用變轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)方式來控制制冷量，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又避免變頻調(diào)速的缺點(diǎn)，且使變轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)方式能在大功率的離心式壓縮機(jī)上得以應(yīng)用，本文提出了一種新型的制冷量變轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)方式——液力傳動(dòng)調(diào)節(jié)方式(變量柱塞泵+沖擊式渦輪)，并論證了該調(diào)節(jié)方式的可行性。最后以美的公司生產(chǎn)的某一制冷量為3 870 kW的離心式制冷壓縮機(jī)為例，分析比較了改造后與傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)方式在部分負(fù)荷時(shí)的能耗，并計(jì)算了年運(yùn)行能耗及費(fèi)用。分析結(jié)果表明，對(duì)離心式冷水機(jī)組進(jìn)行改造后的節(jié)能效果顯著，有推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：節(jié)能；離心式；冷水機(jī)組；液力傳動(dòng)

1　離心式冷水機(jī)組現(xiàn)狀調(diào)查

當(dāng)前世界環(huán)境日益惡化，溫差顯著加大。在如今的現(xiàn)代建筑(尤其是大型建筑)中，中央空調(diào)的應(yīng)用已經(jīng)成為必不可少的條件之一，它能夠使生活在大樓里的人們生活質(zhì)量得到顯著改善，及工作效率獲得有效提高。雖然中央空調(diào)對(duì)人們生活質(zhì)量的改善是毋庸置疑的，但另一方面，它也帶來了巨大的能源消耗。最近這些年，我國(guó)的大中型城市,特別是在東南沿海地區(qū)的大中型城市，夏季中央空調(diào)的能源消耗正在大幅增加。中央空調(diào)電力消耗迅速增漲的趨勢(shì)已經(jīng)嚴(yán)重影響了電網(wǎng)的供電壓力，引起電網(wǎng)供電緊張。根據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示,最近這些年我國(guó)每年夏季中央空調(diào)耗電量已經(jīng)達(dá)到當(dāng)季全國(guó)所有用電負(fù)荷的1/3,大量電能被工業(yè)和民用的大型建筑所用的空調(diào)所消耗。尤其是各種類型的大型商業(yè)建筑中央空調(diào)的能源消耗幾乎占其總能耗的50%左右[1]。

當(dāng)前中央空調(diào)的設(shè)計(jì)容量是根據(jù)其所需要的最大負(fù)荷計(jì)算并設(shè)計(jì)的。中央空調(diào)幾乎全年在運(yùn)行，但是處于最大負(fù)荷狀態(tài)運(yùn)行的天數(shù)卻相對(duì)較少，一年只有幾十天，這種“大馬拉小車”的狀況導(dǎo)致我國(guó)中央空調(diào)系統(tǒng)普遍具有巨大能源浪費(fèi)的缺點(diǎn)，而且又沒有采取減少能源消耗的有力措施，因此直接導(dǎo)致“我國(guó)單位建筑的能源消耗是同緯度發(fā)達(dá)國(guó)家的3倍左右”[2]。中央空調(diào)的制冷負(fù)荷是動(dòng)態(tài)的，隨著環(huán)境及工作狀態(tài)的變化而改變。比如晝夜溫差、環(huán)境及人文狀態(tài)、氣候等等因素的改變都會(huì)影響中央空調(diào)的冷負(fù)荷。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，中央空調(diào)的冷負(fù)荷一般在5%～60%的范圍內(nèi)變化,而且每年70%以上的時(shí)間處于這種冷負(fù)荷狀態(tài)[3]。既然中央空調(diào)在實(shí)際運(yùn)行時(shí)的開機(jī)容量遠(yuǎn)小于裝機(jī)容量,那么對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造應(yīng)該具有很大的空間。

隨著世界環(huán)境溫室效應(yīng)的日益增加，最大程度的節(jié)能降耗是未來設(shè)備改造、創(chuàng)新設(shè)計(jì)的一大趨勢(shì)。另外隨著中國(guó)城鎮(zhèn)化水平的迅速提高，我國(guó)安裝大型中央空調(diào)的大型建筑大幅增加，其所帶來的建筑能耗以驚人的速度連年增加。為了改善中央空調(diào)所帶來的高能耗問題，具有較高性能參數(shù)的離心冷水機(jī)組在大型中央空調(diào)中的應(yīng)用迅速被市場(chǎng)所認(rèn)可。近年來離心式冷水機(jī)組的銷量不斷提高，市場(chǎng)總量的變化趨勢(shì)見表1。從表1可以看出，離心式冷水機(jī)組的市場(chǎng)總量呈現(xiàn)逐年遞增的趨勢(shì)，且增速較高。

表1　離心式冷水機(jī)組的市場(chǎng)總量(臺(tái)、套)變化趨勢(shì)[4～6]Table 1　The total market change trend for centrifugal chillers (piece, set)

2　當(dāng)前國(guó)內(nèi)外離心式冷水機(jī)組傳動(dòng)方式及制冷量的調(diào)節(jié)方式

2.1　離心式冷水機(jī)組傳動(dòng)方式

當(dāng)前，離心式冷水機(jī)組傳動(dòng)方式有兩種：采用電機(jī)+增速機(jī)+葉輪間接驅(qū)動(dòng)和采用電機(jī)+葉輪直接驅(qū)動(dòng)。

采用電機(jī)+增速機(jī)+葉輪間接驅(qū)動(dòng)的傳動(dòng)方式多用于單級(jí)壓縮。單級(jí)壓縮的冷水機(jī)組由于利用增速機(jī)提高了葉輪的轉(zhuǎn)速，所以運(yùn)動(dòng)部件小，且結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，壓縮效率也比較高，維修方便。另外，可以通過在排氣端安裝可以調(diào)節(jié)的散流滑塊，使單級(jí)壓縮的冷水機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行工況范圍優(yōu)于多級(jí)壓縮的冷水機(jī)組。

采用電機(jī)+葉輪直接驅(qū)動(dòng)的傳動(dòng)方式多用于多級(jí)壓縮。開利博士1922年發(fā)明了多級(jí)壓縮的離心式冷水機(jī)組，由于當(dāng)時(shí)對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)及傳熱學(xué)的研究處于初期階段，水平不高，因此采用三級(jí)離心式壓縮機(jī)。隨著氣體動(dòng)力學(xué)、傳熱學(xué)及材料學(xué)研究水平的迅速提高，具備了處理高亞音速下氣體壓縮的能力，且三級(jí)壓縮相較于單級(jí)壓縮在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上過于復(fù)雜，因此三級(jí)壓縮近些年已逐漸被單級(jí)壓縮取代。

2.2　離心式冷水機(jī)組制冷量調(diào)節(jié)的控制方式

當(dāng)前，離心式冷水機(jī)組制冷量調(diào)節(jié)的控制方式主要為四種：進(jìn)氣節(jié)流調(diào)節(jié)、葉輪進(jìn)口前安置轉(zhuǎn)動(dòng)葉片的調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)動(dòng)葉片擴(kuò)壓器及改變擴(kuò)壓器寬度的調(diào)節(jié)和變頻控制方式[7～9]。

1)進(jìn)氣節(jié)流調(diào)節(jié)方式。這種調(diào)節(jié)方式是最傳統(tǒng)也是最簡(jiǎn)單的控制方式。其在壓縮機(jī)進(jìn)口處安裝節(jié)流閥門。在小流量機(jī)器中，尤其當(dāng)原動(dòng)機(jī)軸轉(zhuǎn)速不能改變時(shí)經(jīng)常采用這種方式。該裝置簡(jiǎn)單，且利于手動(dòng)調(diào)節(jié)，但經(jīng)濟(jì)性較差。

2)葉輪進(jìn)口前安置轉(zhuǎn)動(dòng)葉片的調(diào)節(jié)方式。這種調(diào)節(jié)方式目前在離心式冷水機(jī)組中占主導(dǎo)地位，其調(diào)節(jié)的經(jīng)濟(jì)性較好，且調(diào)節(jié)的范圍較寬。但其缺點(diǎn)是當(dāng)其葉片轉(zhuǎn)動(dòng)角比較大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)節(jié)流。

3)轉(zhuǎn)動(dòng)葉片擴(kuò)壓器及改變擴(kuò)壓器寬度的調(diào)節(jié)方式。這種調(diào)節(jié)方法的調(diào)節(jié)范圍雖然也比較寬，但是其經(jīng)濟(jì)性比改變轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)口導(dǎo)葉的調(diào)節(jié)方式差。由于轉(zhuǎn)動(dòng)葉片擴(kuò)壓器裝置的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，且在擴(kuò)壓葉片上承受的作用力比較大，不利于調(diào)節(jié)，再有離心式冷水機(jī)組中應(yīng)用的擴(kuò)壓器基本上均為無導(dǎo)葉的，因此這種調(diào)節(jié)方式很少采用。

4)變頻控制方式。變頻控制方式的原理是通過控制壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)而控制壓縮機(jī)單位時(shí)間內(nèi)的排氣量，從而達(dá)到控制壓縮機(jī)制冷量的目的。采用變頻控制方式離心式冷水機(jī)組具備隨著負(fù)荷改變動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)功率的特性，使離心式冷水機(jī)組始終處于效率最高的工作狀態(tài)。變頻控制方式提高了中央空調(diào)的效率，降低了冷水機(jī)組的能耗，從而實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排的目標(biāo)。目前該控制方法具有較好的發(fā)展前景。

2.3　國(guó)內(nèi)外離心式冷水機(jī)組制冷量調(diào)節(jié)方式分析比較

從2.2節(jié)中的介紹及表2的對(duì)比結(jié)果中可以看出，目前離心式壓縮機(jī)的制冷量的調(diào)節(jié)方式大部分都采用轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)葉的調(diào)節(jié)方式。但這種調(diào)節(jié)方式在部分負(fù)荷時(shí)的經(jīng)濟(jì)性比較低，造成大量能源浪費(fèi)。變頻控制對(duì)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)制冷量的控制，具備隨用戶負(fù)荷動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)功率的特性，讓冷水機(jī)組始終處于最佳(最合理)的運(yùn)行狀態(tài)。變頻控制提高了空調(diào)器的效率，改善了冷水機(jī)組的運(yùn)行效果，從而實(shí)現(xiàn)了節(jié)能。但由于其成本高、設(shè)備復(fù)雜、對(duì)電網(wǎng)要求高、有高次諧波和輻射等缺點(diǎn)使其一般都應(yīng)用于制冷量2 000W以下的離心式冷水機(jī)組的壓縮機(jī)上，大功率的離心式壓縮機(jī)上較少使用。

3　離心式冷水機(jī)組制冷量液力傳動(dòng)調(diào)節(jié)方式的提出

為了既利用變頻調(diào)速通過改變壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速來控制制冷量，同時(shí)又避免變頻調(diào)速的缺點(diǎn)，使變轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)方式能在大功率的離心式壓縮機(jī)上得以應(yīng)用，本文提出了一種新型的制冷量變轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)方式——液力傳動(dòng)調(diào)節(jié)方式(變量柱塞泵+沖擊式渦輪)。該調(diào)節(jié)方式的運(yùn)行原理如圖1所示，它主要由電機(jī)、泵、油箱、蓄能器、壓力表、沖擊式渦輪及壓縮機(jī)等幾部分組成。其制冷量的調(diào)節(jié)方法為：當(dāng)外界所需冷負(fù)荷增加時(shí)，提高變量泵出油的壓力，從而提高渦輪的轉(zhuǎn)速(即壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速)，同時(shí)增大渦輪噴嘴開口，增加油液流量，從而增大渦輪的轉(zhuǎn)矩，使壓縮機(jī)吸氣量增大，制冷量上升；當(dāng)外界所需冷負(fù)荷減少時(shí)，減小變量泵出油的壓力，從而降低渦輪的轉(zhuǎn)速(即壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速)，同時(shí)減小渦輪噴嘴開口，降低油液流量，從而減小渦輪的轉(zhuǎn)矩，使壓縮機(jī)吸氣量減少，制冷量下降。

表2　國(guó)內(nèi)外離心式冷水機(jī)組制冷量調(diào)節(jié)方式分析比較Table 2　Analysis and comparison of refrigeration capacity regulating mode for centrifugal chillers at home and abroad

1—電機(jī)　2—泵　3—油箱　4—蓄能器

圖2　離心式壓縮機(jī)性能曲線圖

4　液力傳動(dòng)調(diào)節(jié)方式的可行性分析

4.1　液力傳動(dòng)調(diào)節(jié)制冷量方式的節(jié)能原理

離心式壓縮機(jī)的輸入功率滿足以下關(guān)系式：

式中，Ne為電機(jī)功率,W；k為常數(shù)；ΔPtf為氣態(tài)制冷劑的全壓,Pa； Vf為氣態(tài)制冷劑的體積流量,m3/s； η為壓縮機(jī)傳動(dòng)效率。

由流體力學(xué)理論可知，ΔPtf與轉(zhuǎn)速的平方成正比，Vf與轉(zhuǎn)速成正比。當(dāng)轉(zhuǎn)速由額定值n0降為n時(shí)，壓縮機(jī)電機(jī)的功耗為：

式中，n為轉(zhuǎn)速，r/s，n0為額定轉(zhuǎn)速，r/s，Ne0為額定功率,W。

由離心式壓縮機(jī)性能曲線圖(圖2)分析知：(1)當(dāng)轉(zhuǎn)速降低20%時(shí)，制冷量下降60%；效率與制冷量的比值Ne/Q0隨著轉(zhuǎn)速的降低開始逐漸升高。在轉(zhuǎn)速降低10%左右時(shí)，比值達(dá)到最高，隨后逐漸降低，但降低的斜率比較平緩；(2)冷凝器與蒸發(fā)器的溫差tk0-t0隨制冷量的減少而減少，即壓縮機(jī)的能量頭減少，從而也減少了比值Ne/Q0，加之制冷量減少時(shí)Ne要降低，所以有效功Ne降低特別快，經(jīng)濟(jì)性較高。

變量泵壓力P與流量Q的關(guān)系如圖3所示。

圖3　變量泵流量與壓力的關(guān)系圖

圖4　離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)矩與速度的關(guān)系

從圖3的曲線圖中可以看出，在變量泵壓力、流量的額定范圍內(nèi)，用戶可以根據(jù)需要獲得所需的任意值。

沖擊式渦輪轉(zhuǎn)矩T、轉(zhuǎn)速n與油液壓力P和流量Q的關(guān)系為：

式中，g為重力加速度，m/s2；P為油液壓力，Pa；Q為流量，m3/s。

由式3和式4中得出，當(dāng)提高油液的壓力時(shí)，轉(zhuǎn)速升高，同時(shí)增加油液的流量，增大沖擊式渦輪的轉(zhuǎn)矩；反之，當(dāng)降低油液的壓力時(shí)，轉(zhuǎn)速下降，同時(shí)減少油液的流量，減小沖擊式渦輪的轉(zhuǎn)矩。而離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)矩與速度的關(guān)系如圖4所示。離心式壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸入的轉(zhuǎn)矩成正比，即當(dāng)離心式壓縮機(jī)輸入轉(zhuǎn)矩增加時(shí)，其轉(zhuǎn)速相應(yīng)增加，反之，相應(yīng)減少。

通過以上分析，得出通過液力傳動(dòng)方式可以實(shí)現(xiàn)離心式壓縮機(jī)速度的無級(jí)調(diào)速，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)離心式冷水機(jī)組制冷量的無級(jí)調(diào)節(jié)。例如：當(dāng)轉(zhuǎn)速由100%降到70%，則體積流量相應(yīng)降到70%，壓力降到49%，而電機(jī)的功耗降到34.3%，也就是節(jié)約電能65.7%。

4.2　液力傳動(dòng)調(diào)節(jié)方式與傳統(tǒng)調(diào)節(jié)方式能耗的比較

以美的公司生產(chǎn)的某一制冷量為3 870 kW的離心式制冷壓縮機(jī)為例，對(duì)部分負(fù)荷狀態(tài)下液力傳動(dòng)調(diào)節(jié)方式與傳統(tǒng)調(diào)節(jié)方式的能耗進(jìn)行了比較，結(jié)果見表3、表4。其電機(jī):685 kW/3 000 r/min；輸出轉(zhuǎn)速:10 720 r/min；壓縮機(jī)輸入扭矩:579.66 Nm；壓縮機(jī)輸入功率:650.75 kW。設(shè)離心式制冷機(jī)組每天工作12 h，全年工作150天,每kWh電0.50元。

表3　液力傳動(dòng)調(diào)節(jié)方式與傳統(tǒng)調(diào)節(jié)方式能耗的比較Table 3　Comparison of energy consumption between hydraulic transmission regulation mode and the traditional regulation mode

表4　與液力傳動(dòng)控制相比較的耗電情況Table 4　Power consumption compared with that of hydraulic drive control

5　結(jié)論

利用液力傳動(dòng)(變量泵+渦輪)對(duì)離心式冷水機(jī)組進(jìn)行改造后，由于實(shí)現(xiàn)了離心式冷水機(jī)組平滑的無級(jí)啟動(dòng)，避免了啟動(dòng)時(shí)的電流沖擊和機(jī)械沖擊，有效地增加了電機(jī)和機(jī)組的使用壽命。同時(shí)與變頻控制方式相比，其不會(huì)產(chǎn)生變頻調(diào)速的高次諧波、高壓反射、輻射等缺點(diǎn)，且初期成本低，使變轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)方式能在大功率的離心式壓縮機(jī)上得以應(yīng)用。液力傳動(dòng)調(diào)節(jié)方式節(jié)能效果顯著，因而具有非常好的應(yīng)用前景。

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編輯肖紅原

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

作者簡(jiǎn)介：曹樹森(1977—)，男，博士研究生。主要研究方向：鍛壓設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)可靠性分析等。

收稿日期：2015—01—04

中圖分類號(hào)：TH137

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A