螺桿式蒸汽壓縮熱泵系統(tǒng)性能試驗(yàn)研究

肖芳，劉常峰，姚同林

（中國船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所，上海201108）

螺桿式蒸汽壓縮熱泵系統(tǒng)性能試驗(yàn)研究

肖芳*，劉常峰，姚同林

（中國船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所，上海201108）

螺桿式蒸汽壓縮熱泵系統(tǒng)是一種以螺桿式壓縮機(jī)為核心設(shè)備的蒸汽能量利用裝置，在研制階段進(jìn)行全蒸汽工況試驗(yàn)測試，將有利于產(chǎn)品的性能預(yù)測和設(shè)計開發(fā)，并有效規(guī)避風(fēng)險。本文進(jìn)行了螺桿式蒸汽壓縮機(jī)熱泵系統(tǒng)全蒸汽工況的試驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，無油雙螺桿壓縮機(jī)在高溫蒸汽壓縮工況下性能表現(xiàn)出色，在較高壓比時能效系數(shù)仍能達(dá)到4.0以上。在壓縮過程中提高轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速每提升500 r/min，容積效率可提升約5%。對壓縮腔內(nèi)進(jìn)行噴液也可有效提升機(jī)組的效率，在連續(xù)補(bǔ)液的情況下，容積效率普遍有20%左右的提升。可通過進(jìn)氣壓力較低工況下實(shí)驗(yàn)結(jié)果，來預(yù)測相同壓比下進(jìn)氣壓力較高工況下的機(jī)組性能。

螺桿壓縮機(jī)；熱泵；系統(tǒng)性能

0 引言

熱泵技術(shù)是近年來在全世界倍受關(guān)注的新能源技術(shù)[1]。國內(nèi)對熱泵系統(tǒng)和工質(zhì)的研究也開展得十分廣泛[2-8]。吸收式和蒸汽壓縮式是目前熱泵技術(shù)最主要的兩種類型。熱泵技術(shù)的研究主要集中于制冷的反向利用，采用的介質(zhì)主要為氨水、R123、R245fa等制冷介質(zhì)[9]。而在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，作為最普遍的能量形式的水蒸汽用能領(lǐng)域，采用熱泵技術(shù)實(shí)現(xiàn)蒸汽的回收利用有著廣闊的應(yīng)用前景[10]。

螺桿式蒸汽壓縮熱泵系統(tǒng)是一種以螺桿式壓縮機(jī)為核心設(shè)備的蒸汽能量利用裝置。其中，螺桿式壓縮機(jī)組是最為關(guān)鍵和核心的設(shè)備。由于獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征，雙螺桿壓縮機(jī)是最適宜的水蒸汽壓縮機(jī)[11]。然而，鑒于蒸汽工況高溫、高壓的特殊性，目前國內(nèi)該裝置的實(shí)際工程化應(yīng)用案例并不多。高溫大壓比的壓縮機(jī)的研制進(jìn)展緩慢[12]。

近年來，國內(nèi)一些高端工藝螺桿壓縮機(jī)產(chǎn)品的制造商開始逐步涉獵節(jié)能領(lǐng)域[13-14]。為使螺桿式壓縮機(jī)組能適應(yīng)高溫高壓蒸汽工況的應(yīng)用，針對機(jī)組的主機(jī)結(jié)構(gòu)、軸承、軸封關(guān)重部件及機(jī)組的系統(tǒng)設(shè)計，均需進(jìn)行相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)研究和優(yōu)化。然而，由于缺乏足夠的實(shí)際工況的應(yīng)用數(shù)據(jù)和工程化應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，產(chǎn)品的應(yīng)用存在較大風(fēng)險。因此，搭建可模擬實(shí)際工況的試驗(yàn)臺，并對產(chǎn)品的主要性能參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的測試和分析，對后續(xù)產(chǎn)品的工程化應(yīng)用具有十分重要的意義。

1 試驗(yàn)臺的搭建

為滿足產(chǎn)品開發(fā)過程的試驗(yàn)要求，本文搭建了一套可實(shí)現(xiàn)水蒸汽工質(zhì)全工況試驗(yàn)的平臺。試驗(yàn)臺現(xiàn)場照片如圖1。該平臺主要由螺桿式蒸汽壓縮熱泵系統(tǒng)模塊、蒸汽發(fā)生系統(tǒng)模塊和控制采集模塊組成。其主要組成部件如圖 2。其中，螺桿式蒸汽壓縮熱泵系統(tǒng)模塊由高溫工藝螺桿壓縮機(jī)主機(jī)、齒輪箱、主電機(jī)、完整的氣液系統(tǒng)及管路、完整的油路系統(tǒng)及管路、完整的軸封系統(tǒng)及管路、PLC控制柜、變頻柜等完整部件的產(chǎn)品樣機(jī)構(gòu)成。蒸汽發(fā)生系統(tǒng)模塊由分離穩(wěn)壓器、減溫穩(wěn)壓器、水泵機(jī)組、完整的氣液系統(tǒng)及管路等組成。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由壓力變送、熱電阻、流量計、振動分析儀、噪聲分析儀等測量和采集設(shè)備組成，并將采集數(shù)據(jù)傳輸至試驗(yàn)中控臺。

該試驗(yàn)臺主要可實(shí)現(xiàn)以下幾項(xiàng)功能：

1） 通過螺桿式蒸汽壓縮熱泵系統(tǒng)產(chǎn)品樣機(jī)向系統(tǒng)內(nèi)輸入能量，通過入口噴水進(jìn)而產(chǎn)生水蒸汽，最終實(shí)現(xiàn)全工況的水蒸汽運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，即水蒸汽含量達(dá)到99%以上；

2） 通過螺桿式蒸汽壓縮熱泵系統(tǒng)產(chǎn)品樣機(jī)的自帶變頻器，實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)氣量調(diào)節(jié)；

3） 通過試驗(yàn)平臺排氣調(diào)節(jié)閥開度控制，實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)排氣壓力的調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)出口蒸汽飽和溫度調(diào)節(jié)；通過試驗(yàn)平臺減壓調(diào)節(jié)閥開度控制，實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)吸氣壓力調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)入口蒸汽飽和溫度調(diào)節(jié)；

4） 通過螺桿式蒸汽壓縮熱泵系統(tǒng)產(chǎn)品樣機(jī)的壓縮機(jī)入口噴液量調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)出口過熱或飽和狀態(tài)調(diào)節(jié)；通過試驗(yàn)平臺過熱調(diào)節(jié)閥開度調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)入口過熱度調(diào)節(jié)；

5） 通過溫度、壓力、流量、振動和功率等采集設(shè)備，測試不同工況下壓縮機(jī)主機(jī)的性能參數(shù)，觀察軸承、軸封等關(guān)重部件的運(yùn)行情況。

圖1 試驗(yàn)臺實(shí)物照片

2 試驗(yàn)過程

螺桿式蒸汽壓縮熱泵產(chǎn)品樣機(jī)的試驗(yàn)主要包括：機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)測試、熱磨合測試和性能測試。機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)和熱磨合測試采用空氣介質(zhì)進(jìn)行試驗(yàn)，機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)測試主要考察產(chǎn)品在額定運(yùn)行轉(zhuǎn)速下的機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)情況。熱磨合測試以空氣為試驗(yàn)介質(zhì)，通過合理的升溫試驗(yàn)流程，對主機(jī)的熱態(tài)間隙進(jìn)行檢驗(yàn)及磨合。在完成機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)和熱磨合測試后，產(chǎn)品樣機(jī)轉(zhuǎn)入全蒸汽工況試驗(yàn)臺進(jìn)行性能測試。性能測試主要考察在蒸汽為介質(zhì)的工況下的螺桿式蒸汽壓縮熱泵系統(tǒng)的性能表現(xiàn)，如機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)、主機(jī)氣量、消耗功率、效率和密封軸承的運(yùn)行情況等。最終依據(jù)測試數(shù)據(jù)，繪制產(chǎn)品的性能曲線，確定產(chǎn)品的最優(yōu)運(yùn)行工況區(qū)間。同時也為產(chǎn)品的優(yōu)化改進(jìn)提供依據(jù)。

本文介紹的試驗(yàn)中采用的樣機(jī)為自主開發(fā)和制造的無油雙螺桿壓縮機(jī)，陽轉(zhuǎn)子直徑為255 mm，長徑比為1.1，內(nèi)容積比為2.0，主機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為6,000 r/min，采用變頻電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。在壓縮機(jī)入口處，設(shè)有噴液裝置，對主機(jī)噴冷卻水，以調(diào)節(jié)控制排氣溫度。在測試的過程中，壓縮機(jī)介質(zhì)為水蒸汽含量達(dá)到95%（體積分?jǐn)?shù)）以上水與空氣的混合物，基本認(rèn)為測試工況為全水蒸汽工況。為了考察蒸汽壓縮機(jī)的性能表現(xiàn)，本研究對樣機(jī)進(jìn)行了變轉(zhuǎn)速、變進(jìn)排氣壓力以及變噴液量的工況試驗(yàn)。通過分析這些數(shù)據(jù)，總結(jié)出轉(zhuǎn)速、壓比、進(jìn)氣壓力以及噴液量對蒸汽壓縮機(jī)容積效率和絕熱效率等性能的影響。研究結(jié)果為確定該類產(chǎn)品的使用工況范圍、性能提升提供依據(jù)。

針對該樣機(jī)，主要收集了以下3種工況的性能參數(shù)：

1） 在恒定壓力下，調(diào)節(jié)主機(jī)轉(zhuǎn)速，觀察主機(jī)吸氣量及電機(jī)功率的變化情況；

2） 在恒定轉(zhuǎn)速下，調(diào)節(jié)壓比和壓差，觀察主機(jī)吸氣量及電機(jī)功率的變化情況；

3） 在恒定的轉(zhuǎn)速和壓力下，調(diào)節(jié)噴液量的變化，觀察主機(jī)吸氣量及電機(jī)功率的變化情況。

3 數(shù)據(jù)導(dǎo)出及試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 數(shù)據(jù)導(dǎo)出

試驗(yàn)中進(jìn)氣體積流量和軸功率是主要采集數(shù)據(jù)。試驗(yàn)平臺通過螺桿壓縮機(jī)做功不斷產(chǎn)生水蒸氣，并將系統(tǒng)中的空氣置換出來，從而不斷提高蒸汽含量。當(dāng)蒸汽含量足夠高時，即認(rèn)為置換結(jié)束。為保證所測壓縮機(jī)性能更接近純蒸汽條件下的運(yùn)行性能，要求蒸汽純度必須達(dá)到99%以上。從而確保由此帶來的軸功率、進(jìn)氣量的相對誤差低于0.1%。

進(jìn)氣流量由孔板式流量計進(jìn)行測量，由標(biāo)準(zhǔn)孔板、壓差變送器以及溫壓補(bǔ)償用的壓力變送器、熱電阻組成?？装迩昂笾惫芏伍L度分別超過管道通徑的10倍和5倍，因此流量測量誤差主要來自儀表測量誤差。儀表量程及精度如表1。

表1 主要儀表量程及精度

經(jīng)綜合分析，各工況下進(jìn)氣量的測量相對誤差均不超過1%。

3.2 轉(zhuǎn)速對效率的影響

在測試過程中，緩慢將轉(zhuǎn)速從3,600 r/min提升至5,700 r/min，保持進(jìn)氣壓力在0.1 MPa(G)、排氣壓力在0.6 MPa(G)，壓比為3.5左右。

測試發(fā)現(xiàn)，壓縮機(jī)的容積效率和絕熱效率隨著轉(zhuǎn)速的升高而有顯著的增加。在本次樣機(jī)的測試中，將轉(zhuǎn)速每提升500r/min，容積效率可提升約5%，如圖3。這是由于提高齒頂速度后，通過壓縮機(jī)各間隙處的氣體相對泄露量將會減少，同時也就提高了壓縮機(jī)的容積效率[15]。而在本樣機(jī)的測試過程中，這種現(xiàn)象更為明顯。

圖3 轉(zhuǎn)速與效率變化關(guān)系

3.3 壓比和壓差對效率的影響

在此次試驗(yàn)中，將壓比從1.47逐步升高到3.59。從測試的數(shù)據(jù)來看，總體上，隨著壓比的升高，主機(jī)的容積效率和絕熱效率都出現(xiàn)逐步下降的趨勢。特別是絕熱效率在壓比達(dá)到2.68之后，下降十分明顯，如圖 4。可能的原因分析如下。壓比的增加，使得主機(jī)內(nèi)部的泄露增加，造成容積效率和絕熱效率的下降；由于樣機(jī)主機(jī)的排氣孔口是按照內(nèi)容積比在2.0左右的參數(shù)設(shè)計的，按蒸汽的絕熱指數(shù)為1.33計算，內(nèi)壓比約為2.5左右，當(dāng)外壓比超過2.5時，逐漸形成過壓縮。當(dāng)實(shí)際超過2.5越大時，過壓縮越嚴(yán)重，絕熱效率下降的趨勢越明顯。

圖4 壓比與效率變化關(guān)系

對螺桿式蒸汽壓縮熱泵系統(tǒng)的能效比（Coefficient of Performance，COP）進(jìn)行了計算。在計算制熱量時，采用的是壓縮機(jī)出口壓力下的飽和蒸汽與飽和水的焓差作為依據(jù)，消耗能量依據(jù)的是壓縮機(jī)的電機(jī)功率。在壓比達(dá)到3.6時，樣機(jī)的COP值仍然可大于4.0（見圖5）。

圖5 壓比與COP變化關(guān)系

當(dāng)壓比均在3.5左右時，進(jìn)氣壓力為0.1 MPa(G)與進(jìn)氣壓力為0.2 MPa(G)相比，進(jìn)氣壓力越高，轉(zhuǎn)速對容積效率和絕熱效率的影響越大，如圖6和圖7。當(dāng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速從4,200 r/min升高到 5,700 r/min時，進(jìn)氣壓力為0.1 MPa(G)時的容積效率提高了16.1%，絕熱效率提高了11.1%；進(jìn)氣壓力為0.2 MPa(G)時的容積效率僅提高了22.2%，絕熱效率提高了14%。

圖6 不同進(jìn)氣壓力轉(zhuǎn)速與容積效率的變化關(guān)系

圖7 不同進(jìn)氣壓力轉(zhuǎn)速與絕熱效率的變化關(guān)系

從測試結(jié)果可以看出，在壓比為3.5時，在相同的轉(zhuǎn)速下，進(jìn)氣壓力越大，容積效率和絕熱效率越低。這是因?yàn)閴罕认嗤瑫r進(jìn)氣壓力越大，造成進(jìn)排氣壓差越大，從而導(dǎo)致泄漏量增加，容積效率降低；但是從測試的情況來看，這種變化引起的容積效率下降并不明顯。但是在個別情況，如 5,700 r/min時，入口為0.2 MPa(G)的工況點(diǎn)容積效率較高，主要是由于測試過程中補(bǔ)液量增大，進(jìn)而提升了該點(diǎn)的效率。

3.4 噴液量對效率的影響

由于入口噴液的計量數(shù)據(jù)并不完全，且熱泵系統(tǒng)中自帶氣液分離的循環(huán)噴液裝置，本次測試只能將測試結(jié)果分為連續(xù)補(bǔ)液和不補(bǔ)液兩組情況。這兩種操作的區(qū)別在于，打開補(bǔ)液，將較大地增加主機(jī)入口的噴液量；而關(guān)閉補(bǔ)液，主機(jī)入口僅依靠少量的循環(huán)噴液進(jìn)行噴液。由圖8可以看出，補(bǔ)液的效果十分明顯，在連續(xù)補(bǔ)液的情況下，容積效率增加20%左右。采用濕壓縮的過程可以降低壓縮功耗，提高蒸汽壓縮機(jī)運(yùn)行的可靠性和效率[16]。

圖8 不同噴液量與容積效率的變化關(guān)系

4 結(jié)論

1） 在軸承和軸封等其他設(shè)計和應(yīng)用條件允許的前提下，提升轉(zhuǎn)速無疑是最經(jīng)濟(jì)的提升單機(jī)氣量和效率的有效手段。由于泄露通道的泄露特性，這種特性在小型機(jī)組中更為明顯。

2） 無油螺桿壓縮機(jī)在蒸汽壓縮的領(lǐng)域非常適合在單級壓比較高的場合下應(yīng)用，雖然高壓比會造成容積效率和絕熱效率的下降，但是COP值仍然可以保持在較高的水平。因此，單級即可實(shí)現(xiàn)高壓比、高溫升和較高的COP值，這是螺桿壓縮機(jī)在蒸汽熱泵應(yīng)用領(lǐng)域非常大的優(yōu)勢和特點(diǎn)。

3） 壓差即吸氣壓力對機(jī)組的效率有一定影響，但是從本次試驗(yàn)情況來看并不明顯。因此，建議進(jìn)行多組測試的論證；這樣可以通過進(jìn)行較低的進(jìn)氣壓力、相同的壓比工況來考察一些進(jìn)排氣壓差較高的工況設(shè)下的性能參數(shù)，供選型設(shè)計時對效率預(yù)測的參考。

4） 噴液對主機(jī)的效率影響非常顯著，這也是螺桿式壓縮機(jī)作為蒸汽壓縮機(jī)非常大的優(yōu)勢，而且噴入的液體可以作為副產(chǎn)，增加了出口的蒸汽質(zhì)量流量，是一種非常經(jīng)濟(jì)的方式。

5） 由于試驗(yàn)測試的溫度均未超過200 ℃，在設(shè)計中并未考慮在高溫下熱變形對螺桿壓縮機(jī)主機(jī)的變形問題。在實(shí)際的蒸汽工況應(yīng)用中，蒸汽管網(wǎng)中、高壓的工況下，工作溫度將超過300 ℃。由于螺桿主機(jī)的特殊結(jié)構(gòu)，殼體的不規(guī)則變形可能會帶來轉(zhuǎn)子熱態(tài)間隙的不確定性，主機(jī)進(jìn)出口短接的位移，主機(jī)底腳的變形位移，主機(jī)軸伸端的變形等一系列的問題。這些問題值得重視和認(rèn)真考慮。

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Experimental Study on Performance of Screw Type Steam Compression Heat Pump System

XIAO Fang*, LIU Changfeng, YAO Tonglin
(Shanghai Marine Diesel Engine Research Institute, Shanghai, 201108)

The screw type steam compression heat pump system is a steam energy utilization device with screw compressor as the core equipment. In the development stage, the steam test is conducive to product performance prediction and design development, which can effectively avoid risks. In this paper, the experimental study on the steam condition of the screw type steam compression heat pump system is carried out. The test results show that oil free twin-screw compressor performswell under high temperature steam compression condition.The coefficient of performance can still reach more than 4.0 at high pressure ratio. In the compression process to improve the speed, when speed is increased by 500 r/min, the volumetric efficiency can be increased by about 5%.The injection to the compression chamber can also effectively improve the efficiency of the unit. In the case of continuous fluid infusion, the volume efficiency is generally improved by about 20%. The performance of the unit under the operation conditions with the same pressure ratio but higher inlet pressure can be predicted by the test results under the operation condition with lower inlet pressure.

Screw compressor; Heat pump; System performance

10.3969/j.issn.2095-4468.2017.05.108

*肖芳（1983-），女，高級工程師，碩士研究生。研究方向：螺桿機(jī)械產(chǎn)品。聯(lián)系地址：上海市閔行區(qū)華寧路3111號711研究所螺桿機(jī)械事業(yè)部，郵編：201108。聯(lián)系電話：13916418273。E-mail：13916418273@163.com。