變頻雙級離心式冷水機(jī)組原理及其控制分析

董凱軍 ，邵振華 ，王志強(qiáng) ，孫 欽 ，黃祥發(fā) ，黃志林 ，4

1 前言

冷水機(jī)組是大型公共建筑中常用的中央空調(diào)設(shè)備，其中離心式冷水機(jī)組因其有冷量大、能效高而得到廣泛的應(yīng)用［1］。離心式壓縮機(jī)通過葉輪對氣體作功，在葉輪和擴(kuò)壓器的流道內(nèi)利用離心升壓作用和降速擴(kuò)壓作用，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為氣體壓力能?？諝庹{(diào)節(jié)系統(tǒng)的冷負(fù)荷隨季節(jié)氣候和室內(nèi)人員數(shù)量而變化，在1年的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間內(nèi)，冷水機(jī)組主要在部分負(fù)荷下運(yùn)轉(zhuǎn)，因此，離心式冷水機(jī)組部分負(fù)荷下的高效運(yùn)行對降低全年能耗具有十分重要的意義。定頻離心式冷水機(jī)組是通過改變壓縮機(jī)的進(jìn)口導(dǎo)葉開度來實(shí)現(xiàn)制冷量調(diào)節(jié)，當(dāng)負(fù)荷降低時(shí)，降低導(dǎo)葉開度，制冷劑在流過導(dǎo)葉時(shí)存在沖擊和摩擦損失，使得部分負(fù)荷下壓縮機(jī)的壓縮效率下降［3］，建筑空調(diào)領(lǐng)域的離心式冷水機(jī)組大都存在“大馬拉小車”現(xiàn)象，因此適合采用變頻調(diào)速調(diào)節(jié)制冷量［4］，變頻機(jī)組避免了定頻離心式冷水機(jī)組降低導(dǎo)葉開度所帶來的沖擊和摩擦損失，具有顯著的節(jié)能效果。變頻離心式壓縮機(jī)電機(jī)輸入功率滿足以下關(guān)系式：

式中 P——電機(jī)功率

k——常數(shù)

?P——?dú)鈶B(tài)制冷劑的全壓

qv——?dú)鈶B(tài)制冷劑的體積流量

η——電機(jī)效率

壓頭?P、體積流量qv分別與電機(jī)轉(zhuǎn)速的二次方、一次方成正比，電機(jī)功率與電機(jī)轉(zhuǎn)速的三次方成正比，而離心式冷水機(jī)組制冷量與轉(zhuǎn)速的一次方成正比［5］，由此降低轉(zhuǎn)速一次方降低制冷量滿足部分負(fù)荷的同時(shí)，電機(jī)功率三次方降低，一定程度上提升機(jī)組部分負(fù)荷下的性能系數(shù)，保證了離心式冷水機(jī)組高低負(fù)荷下的高效運(yùn)行。相對于單級離心式冷水機(jī)組，雙級離心式冷水機(jī)組采用雙級壓縮技術(shù)，系統(tǒng)循環(huán)效率提高了5%～6%，同時(shí)又能夠最大限度地抑制喘振發(fā)生，運(yùn)行范圍增大［6］。變頻技術(shù)與雙級壓縮技術(shù)的結(jié)合廣泛應(yīng)用于離心式冷水機(jī)組當(dāng)中，本文依次介紹變頻雙級離心式冷水機(jī)組結(jié)構(gòu)、節(jié)流原理及其控制、回油方式、設(shè)備冷卻方式、喘振機(jī)理及其控制。

2 機(jī)組原理及結(jié)構(gòu)

變頻雙級離心式冷水機(jī)組主要由壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器、節(jié)流機(jī)構(gòu)、變頻器及經(jīng)濟(jì)器組成。圖1與圖2分別是帶有閃發(fā)式經(jīng)濟(jì)器的變頻雙級離心式冷水機(jī)組制冷循環(huán)圖與lg p-h圖［7-9］，該冷水機(jī)組的制冷量由電機(jī)轉(zhuǎn)速與入口導(dǎo)葉聯(lián)合調(diào)節(jié)，變頻器控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，間接控制壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，離心式壓縮機(jī)由電能驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生機(jī)械動(dòng)力，壓縮機(jī)將一級葉輪壓縮過的制冷劑氣體與來自于閃發(fā)式經(jīng)濟(jì)器的中溫中壓制冷劑氣體壓縮成高溫高壓的蒸汽，在冷凝器中高溫高壓的蒸汽通過換熱被冷卻水冷凝成高壓液體，從冷凝器出來的高壓液體經(jīng)過一級孔板后進(jìn)入閃發(fā)式經(jīng)濟(jì)器形成中間壓力的氣液混合物，閃發(fā)式經(jīng)濟(jì)器上部閃發(fā)的氣體溫度升高，同時(shí)不斷閃發(fā)致使閃發(fā)式經(jīng)濟(jì)器下部的液體過冷降溫，過冷降溫后的制冷劑液體經(jīng)過二級孔板節(jié)流到蒸發(fā)壓力后進(jìn)入蒸發(fā)器，蒸發(fā)器的制冷劑吸收低溫環(huán)境中的熱量而變?yōu)榈蛪簹怏w通過吸氣口被離心式壓縮機(jī)一級葉輪壓縮，閃發(fā)式經(jīng)濟(jì)器上部產(chǎn)生的閃蒸氣體與一級葉輪壓縮過的氣體混合被離心式壓縮機(jī)二級葉輪壓縮成高溫高壓的蒸汽，高溫高壓的蒸汽進(jìn)入冷凝器，如此完成一個(gè)制冷循環(huán)。

圖1 變頻雙級離心式冷水機(jī)組制冷循環(huán)

圖2 變頻雙級離心式冷水機(jī)組lg p-h曲線

3 機(jī)組節(jié)流原理及其控制

節(jié)流機(jī)構(gòu)是空調(diào)的組成部件之一，節(jié)流孔板是冷水機(jī)組常用的節(jié)流機(jī)構(gòu)，孔板作為節(jié)流元件時(shí)，因孔口大小不能調(diào)節(jié)，系統(tǒng)的節(jié)流特性不能始終保持在最佳狀態(tài)，特別是部分負(fù)荷時(shí)，孔板的節(jié)流能力與負(fù)荷匹配不好，往往在冷凝器與蒸發(fā)器之間設(shè)置液旁通。液旁通回路上設(shè)置電子膨脹閥的變頻雙級離心式冷水機(jī)組制冷循環(huán)如圖3所示，雙級孔板孔徑給定不可變，故對節(jié)流電子膨脹閥的控制是關(guān)鍵。目前所用到的節(jié)流電子膨脹閥控制方式，多采用將液位或吸排氣過熱度作為控制目標(biāo)，使機(jī)組運(yùn)行時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)節(jié)流電子膨脹閥開度至目標(biāo)值。液位控制方式是通過計(jì)算實(shí)際蒸發(fā)器液位與設(shè)定蒸發(fā)器液位的差值來調(diào)節(jié)電子膨脹閥的開度，而機(jī)組實(shí)際運(yùn)行時(shí)，蒸發(fā)器殼管內(nèi)為沸騰狀態(tài)，液位傳感器對實(shí)時(shí)液位的判斷存在很大的偏差，導(dǎo)致液位顯示值有很大的波動(dòng)，機(jī)組運(yùn)行極不穩(wěn)定。吸排氣過熱度控制方式是通過計(jì)算實(shí)際吸排氣過熱度與目標(biāo)過熱度的差值來調(diào)節(jié)電子膨脹閥的開度，由于離心式冷水機(jī)組的系統(tǒng)特性，吸氣過熱度遠(yuǎn)小于排氣過熱度，導(dǎo)致節(jié)流電子膨脹閥在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)時(shí)吸氣溫度并無明顯變化，造成嚴(yán)重控制盲區(qū)［10］，因此一般常采用排氣過熱度控制方式。以上所有控制方式均需要額外添加液位傳感器及溫度傳感器，添加了機(jī)組生產(chǎn)成本。

圖3 帶電子膨脹閥的變頻雙級離心式冷水機(jī)組制冷循環(huán)

孔板流量計(jì)算式：

式中 qm——制冷劑流量

ε——膨脹系數(shù)

C——流出系數(shù)

ρ1——上游液體密度

β——孔徑比

?p——孔板前后壓差

d——孔板孔徑

根據(jù)式（2）可以得到：制冷劑流量正相關(guān)于孔板孔徑和壓差，而電流正相關(guān)于制冷劑流量，反推得到孔板孔徑正相關(guān)于壓縮機(jī)電流，反相關(guān)于壓差；節(jié)流電子膨脹閥可以看作是變截流面積的節(jié)流孔板，基于此，提出了節(jié)流電子膨脹閥的經(jīng)驗(yàn)值控制方式，即節(jié)流電子膨脹閥的開度正相關(guān)于壓縮機(jī)電流，反相關(guān)于壓差。經(jīng)驗(yàn)值控制方式是通過實(shí)時(shí)的壓縮機(jī)電流值和高低壓差值計(jì)算出節(jié)流電子膨脹閥的開度值，以計(jì)算出來的開度值為控制目標(biāo)來調(diào)節(jié)電子膨脹閥，提高了控制的穩(wěn)定性及可靠性。相比現(xiàn)有液位控制方式和排氣過熱度控制方式，不需要液位傳感器和溫度傳感器，降低了機(jī)組成本。機(jī)組運(yùn)行過程當(dāng)中會(huì)遇到特殊工況，包括排氣過熱度過低和蒸發(fā)器低壓過低情況。當(dāng)排氣過熱度過低時(shí)，節(jié)流電子膨脹閥按照一定的方式降低電子膨脹閥的開度來防止壓縮機(jī)吸氣帶液；蒸發(fā)器壓力下降太快時(shí)，節(jié)流電子膨脹閥按照一定的方式增大電子膨脹閥的開度來防止蒸發(fā)壓力過低。

4 機(jī)組回油方式

按冷水機(jī)組回油的驅(qū)動(dòng)力不同，冷水機(jī)組回油方式有重力回油［11］、冷媒提純回油及引射回油，本文主要介紹冷媒提純回油及引射回油方式。

4.1 冷媒提純回油

在冷水機(jī)組運(yùn)行中，由于潤滑油不蒸發(fā)，進(jìn)入蒸發(fā)器中的潤滑油越來越多，冷媒的純度也越來越低，油箱中的潤滑油越來越少，使得制冷劑流動(dòng)不暢，制冷效果下降。冷媒提純裝置如圖4所示，連接管穿過冷媒提純裝置，蒸發(fā)器和冷凝器通過連接管連接，蒸發(fā)器上方通過油、制冷劑混合液輸送管連接冷媒提純裝置下方，冷凝器上方通過氣態(tài)制冷劑輸送管連接冷媒提純裝置上方，冷媒提純裝置下方通過油輸送管連接油箱入口，冷媒提純裝置上方還通過另一氣態(tài)制冷劑輸送管連接壓縮機(jī)入口［12］。

圖4 變頻雙級離心式冷水機(jī)組冷媒提純原理A～E.電磁閥

在機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)下，控制器控制B、C及E電磁閥的開啟，讓蒸發(fā)器里面的油、制冷劑混合液流入冷媒提純裝置內(nèi)，冷凝器的高溫制冷劑經(jīng)過連接管，對冷媒提純當(dāng)中的混合液升溫之后，冷媒提純裝置當(dāng)中的制冷劑便不斷蒸發(fā)形成氣體，回到壓縮機(jī)入口被壓縮，而混合液當(dāng)中剩下的潤滑油慢慢累積存在冷媒提純裝置內(nèi)，潤滑油積存一定時(shí)間后，控制器控制B，C和E電磁閥的關(guān)閉，并控制A，D電磁閥的開啟，冷凝器的高壓制冷劑氣體將冷媒提純裝置內(nèi)潤滑油壓送到壓縮機(jī)油箱入口處，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)回油。

4.2 引射回油

圖5 變頻雙級離心式冷水機(jī)組引射器回油示意

引射器是一種利用高壓高速的驅(qū)動(dòng)流去引射抽吸另一種流體的流體機(jī)械裝置，冷水機(jī)組引射器回油采用2次引射，如圖5所示。圖5（a）中，控制器控制電磁閥的開啟，從冷凝器引出高壓制冷劑蒸汽進(jìn)入引射器，含潤滑油與液態(tài)制冷劑的混合液體從蒸發(fā)器被抽吸出來，混合進(jìn)入壓縮機(jī)入口處，入口處的制冷劑氣體被壓縮機(jī)壓縮。液態(tài)的油沉積在壓縮機(jī)入口處，沉積在壓縮機(jī)入口處的潤滑油通過第二次引射被冷凝器高壓制冷劑蒸汽抽吸出來，混合進(jìn)入油箱入口處，如圖5（b）所示。通過2個(gè)引射過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)回油，冷媒純度得到提高。與第一個(gè)引射過程不同，第二個(gè)引射過程沒有電磁閥，一直處于常開狀態(tài)，若第一個(gè)引射器處于工作時(shí)，第二個(gè)引射器即起作用。對于變頻雙級離心式冷水機(jī)組，二級葉輪壓縮后的高壓制冷劑氣體或者一級葉輪壓縮后的制冷劑氣體壓力均高于蒸發(fā)壓力和壓縮機(jī)入口處的油壓力，驅(qū)動(dòng)流除了可選擇冷凝器當(dāng)中的高壓制冷劑蒸汽，也可選擇二級葉輪壓縮后的高壓制冷劑氣體或者一級葉輪壓縮后的中壓制冷劑氣體。

5 機(jī)組設(shè)備冷卻方式

冷水機(jī)組通過變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來滿足不同工況的要求，變頻器及電機(jī)的長期運(yùn)行導(dǎo)致其溫度較高，由此整個(gè)機(jī)組當(dāng)中需要冷卻的有變頻器與電機(jī)，可以用來冷卻變頻器與電機(jī)的工質(zhì)有機(jī)組自身的制冷劑及冷水機(jī)組制取的冷水，鑒于機(jī)組的安全性及機(jī)組成本，一般不采用機(jī)組自身制取的冷水來作為冷卻工質(zhì)，借助制冷劑工質(zhì)，冷卻的方法一般有高低壓差冷卻方式及引射冷卻方式［13］。引射冷卻原理與引射回油原理一樣，本文主要介紹高低壓差冷卻方式。

單級離心式冷水機(jī)組，冷凝器與蒸發(fā)器之間存在壓差，而對于變頻雙級離心式冷水機(jī)組，由于閃發(fā)式經(jīng)濟(jì)器的存在，除冷凝器與蒸發(fā)器之間存在壓差外，冷凝器與閃發(fā)式經(jīng)濟(jì)器、閃發(fā)式經(jīng)濟(jì)器與蒸發(fā)器之間也存在壓差，但冷凝器與閃發(fā)式經(jīng)濟(jì)器之間的壓差、閃發(fā)式經(jīng)濟(jì)器與蒸發(fā)器之間的壓差較小，一般利用冷凝器與蒸發(fā)器之間壓差作為驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行節(jié)流降溫，其原理如圖6所示。

圖6 雙級變頻離心式機(jī)組高低壓差冷卻原理示意

離心壓縮機(jī)的變頻柜、電機(jī)與從冷凝器引出的冷卻輸入管路連接，冷卻輸入管路上串聯(lián)節(jié)流孔板，同時(shí)節(jié)流孔板并聯(lián)冷卻電子膨脹閥，蒸發(fā)器與從離心壓縮機(jī)的變頻柜、電機(jī)腔引出的冷卻輸出管路連接；當(dāng)變頻模塊與電機(jī)繞組溫度超過設(shè)定溫度點(diǎn)后，單獨(dú)節(jié)流孔板不能很好地滿足其降溫效果，冷卻電子膨脹閥逐步打開，冷媒通過節(jié)流孔板與冷卻電子膨脹閥的節(jié)流降壓變?yōu)榈蜏氐蛪阂后w狀態(tài)，在變頻模塊與電機(jī)繞組表面通過汽化潛熱蒸發(fā)成氣體，蒸發(fā)形成的制冷劑氣體回到蒸發(fā)器，最后進(jìn)入壓縮機(jī)被壓縮，如此循環(huán)變頻模塊與電機(jī)繞組得到冷卻，保證了變頻器與電機(jī)的正常工作。

6 機(jī)組喘振機(jī)理及其控制

離心式壓縮機(jī)是一種速度型壓縮機(jī)，當(dāng)冷凝壓力超過壓縮機(jī)排氣壓力時(shí)，離心式壓縮機(jī)開始出現(xiàn)運(yùn)行不穩(wěn)定，制冷劑氣體開始從冷凝器向壓縮機(jī)倒流，壓縮機(jī)排氣壓力上升，當(dāng)上升到一定值，壓縮機(jī)又開始排氣，排氣壓力又下降，當(dāng)排氣口壓力下降到一定值時(shí)，又會(huì)引起氣體倒流，這種排氣壓力時(shí)降時(shí)升不穩(wěn)定的現(xiàn)象稱為喘振現(xiàn)象［14］。壓縮機(jī)運(yùn)行過程中喘振現(xiàn)象發(fā)生的機(jī)理大致分為低流量和高壓差兩類。降低離心式冷水機(jī)組的高低壓差、增大壓縮機(jī)吸入量是防止喘振的2個(gè)方法。壓縮機(jī)運(yùn)行過程中氣體流量通過壓縮機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉與電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，為了避免喘振的發(fā)生，導(dǎo)葉開度及電機(jī)轉(zhuǎn)速都需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)南拗?，因而冷水機(jī)組的運(yùn)行范圍在一定程度上受到限制［15］。現(xiàn)有技術(shù)中解決離心式冷水機(jī)組喘振現(xiàn)象的辦法大多是基于喘振機(jī)理在冷水機(jī)組上安裝熱氣旁通閥，控制器控制旁通閥的開啟，一方面增加壓縮機(jī)的吸氣量，排氣壓力得到提高，使得壓縮機(jī)遠(yuǎn)離喘振點(diǎn)，另一方面高溫高壓的制冷劑氣體直接進(jìn)入蒸發(fā)器，冷凝壓力減小，機(jī)組的高低壓差減小，排氣壓力大于冷凝壓力，然而熱氣旁通閥的開啟，從冷凝器旁通過來的氣態(tài)冷媒?jīng)]有節(jié)流降壓而是直接以氣體的形式回到蒸發(fā)器，冷媒?jīng)]有氣化蒸發(fā)，不具有制冷效果，但通過熱氣旁通過來的高壓氣體，仍需要經(jīng)過葉輪的壓縮，壓縮機(jī)功耗沒有得到減少，由此機(jī)組的性能系數(shù)大大降低。

對于變頻雙級離心式冷水機(jī)組，機(jī)組的制冷量調(diào)節(jié)遵循導(dǎo)葉優(yōu)先原則，由電機(jī)轉(zhuǎn)速與入口導(dǎo)葉聯(lián)合調(diào)節(jié)。變頻雙級離心式冷水機(jī)組優(yōu)先采用增大導(dǎo)葉開度的方式來提升氣體的流量從而防止喘振，若導(dǎo)葉開度與運(yùn)行頻率都達(dá)到額定值時(shí)仍無法避開喘振的情況下，則需開啟熱氣旁通閥來降低機(jī)組的高低壓差。為了得到機(jī)組的防喘線，須先得到機(jī)組喘振線，喘振線是通過喘振試驗(yàn)獲取，通過喘振實(shí)驗(yàn)測試得到一系列喘振時(shí)對應(yīng)的冷凝壓力、蒸發(fā)壓力及頻率，經(jīng)過擬合得到該壓縮機(jī)的喘振線，添加一定的喘振裕量即可得到該壓縮機(jī)的防喘線［16～20］。圖7為某離心式壓縮機(jī)導(dǎo)葉開度100%時(shí)的喘振線及防喘線。

圖7 變頻雙級離心式冷水機(jī)組喘振曲線與防喘曲線［20］

對喘振數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到喘振線為：

式中 y——該壓比下的擬合喘振頻率

x——實(shí)時(shí)冷凝壓力與蒸發(fā)壓力之比

設(shè)置4 Hz的喘振裕量，得到該壓縮機(jī)導(dǎo)葉開度100%時(shí)的防喘線為：

導(dǎo)葉從100%往下降時(shí)，相同頻率下離心式冷水機(jī)組制冷劑流量會(huì)隨導(dǎo)葉開度減小而減小，由機(jī)組喘振機(jī)理可知壓縮機(jī)的防喘能力下降，基于此對防喘線進(jìn)行頻率補(bǔ)償修正，上述壓縮機(jī)0～100%導(dǎo)葉開度下的防喘線為：

式中 d——導(dǎo)葉開度

A，B，C——系數(shù)

A，B及C之和為0，當(dāng)導(dǎo)葉開度為100%（d=1）時(shí)，頻率補(bǔ)償項(xiàng)為0。A，B及C的值按照經(jīng)驗(yàn)給定。同一系列的離心式冷水機(jī)組其壓頭一樣，離心式壓縮機(jī)壓頭由線速度決定，線速度為轉(zhuǎn)速與葉輪外徑之積，大冷量段壓縮機(jī)葉輪尺寸大于小冷量段壓縮機(jī)葉輪尺寸，由此可知大冷量段壓縮機(jī)額定頻率小于小冷量段壓縮機(jī)額定頻率，大冷量段壓縮機(jī)A，B及C的絕對值之和小于小冷量段壓縮機(jī)A，B及C的絕對值之和。

7 結(jié)論

（1）相對于定頻離心式冷水機(jī)組，變頻雙級離心式冷水機(jī)組采用變頻技術(shù)，極大地提高機(jī)組部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的性能系數(shù)；相對于單級離心式冷水機(jī)組，變頻雙級離心式冷水機(jī)組采用雙級壓縮技術(shù)，其機(jī)組循環(huán)效率得到提高。

（2）變頻雙級離心式冷水機(jī)組節(jié)流電子膨脹閥具有不同的控制方式，經(jīng)驗(yàn)值控制方式以計(jì)算出來的開度值為控制目標(biāo)來調(diào)節(jié)電子膨脹閥，無需傳感器，相比現(xiàn)有液位控制方式和排氣過熱度控制方式，降低了機(jī)組成本，提高了機(jī)組控制可靠性。

（3）變頻雙級離心式冷水機(jī)組常用冷媒提純及引射回油2種方式回油，以及采用高低壓差與引射方式冷卻設(shè)備。

（4）喘振現(xiàn)象是離心式冷水機(jī)組的固有特性，熱氣旁通是常用的基本防喘方式，對于變頻離心式冷水機(jī)組，機(jī)組實(shí)時(shí)計(jì)算出當(dāng)前導(dǎo)葉開度下的的防喘頻率，防喘頻率與當(dāng)前的運(yùn)行頻率進(jìn)行比較，作出對應(yīng)的控制，從而避免喘振現(xiàn)象的發(fā)生。

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