定频螺杆式冷水机组分段负荷加卸载研究

杨二玲  王瑞强

珠海格力电器股份有限公司   广东珠海 519070

摘要：本文介绍了定频螺杆式冷水机组加卸载的原理及现行常规控制中存在的问题，并针对定频螺杆式冷水机组提出了分段负荷加卸载的思路。分段负荷加卸载，具体解释就是将定频螺杆式冷水机组的整个能量调节范围（0～100%）分成几个区间，针对不同区间采用不同的加卸载控制方式。笔者通过文献综述、试验验证和数据分析，发现无级分段式负荷加卸载方式对定频螺杆式冷水机组的性能具有显著的影响。该研究既实现了无级能量调节，保证不同的目标负荷需求，又能适应螺杆压缩机个体差异性的情况，对提升定频螺杆式冷水机组的运行能效以及长期可靠性具有一定的指导作用。

关键词：螺杆式冷水机组;加卸载;分段负荷;可靠性

Abstract: This paper introduces the principle of loading and unloading of fixed-frequency screw chiller and the problems existing in the current conventional control, and puts forward the idea of segmental load loading and unloading for fixed-frequency screw chiller. Segmented load loading and unloading, the specific explanation is to pide the whole energy regulation range of fixed frequency screw chiller (0～100%) into several intervals, and adopt different loading and unloading control methods for different intervals. Through literature review, test verification and data analysis, it is found that the stepless piecewise load loading and unloading mode has a significant impact on the performance of fixed-frequency screw chiller. This research not only realizes stepless energy regulation to ensure different target load requirements, but also ADAPTS to the inpidual differences of screw compressors, which has a certain guiding role in improving the operation energy efficiency and long-term reliability of fixed-frequency screw chiller.

Key words: Screw chiller; Loading and unloading; Stage load; Reliability

1引言

定频螺杆式冷水机组因其冷量运行范围广（200~2000kW）、运行成本低、结构紧凑、安装方便等特点，广泛应用于各类办公楼宇、工业、商业或生产工艺流程的降温等各种场合。定频螺杆式冷水机组的主要功能是为用户提供符合温度要求范围的冷（热）水。因此，机组加卸载是否可靠，将直接影响冷水机组能否按需求的负荷运行，进而对冷水机组出水温度的稳定性产生影响，长期下去，会降低冷水机组的运行可靠性。

2定频螺杆式压缩机加卸载原理介绍

螺杆式压缩机按转子的数量不同，分为单螺杆压缩机和双螺杆压缩机。因双螺杆压缩机相对于单螺杆压缩机在型线设计、受力情况等方面有明显优势，目前制冷行业内以双螺杆压缩机为主，且由于滑阀调节为连续调节，能保证压缩机高效率地进行负荷调节，所以被广泛使用。下面简要介绍一下双螺杆压缩机的滑阀调节工作原理。

双螺杆压缩机主要由机体、阳转子、阴转子、电机、滑阀、油活塞等零部件组成。油活塞和滑阀之间通过连杆连接。当有加卸载需求时，通过油压推动油活塞运行，带动滑阀运动，从而改变转子的有效工作长度，进而改变压缩机的排气量，实现机组冷量输出的变化。滑阀、油活塞的连接情况如下图1所示。

图1 滑阀调节加卸载控制原理图

3螺杆压缩机常规加卸载方法及存在的问题

3.1螺杆压缩机常规加卸载方法

如上图1所示，定频螺杆式压缩机是由四个加卸载阀组成，分别是：25%卸载电磁阀、50%卸载电磁阀、75%卸载电磁阀和100%加载电磁阀。为了实现冷水机组冷量输出在25%~100%之间进行连续的调节的目标，常规的控制方式是在螺杆机加卸载中使用100%加载电磁阀和25%卸载电磁阀这两个阀。当机组有负荷加载需求时，给100%加载电磁阀通电；有负荷卸载需求时，给25%卸载电磁阀通电；有负荷保持需求时，100%加载电磁阀和25%卸载电磁阀均断电。另外，为了保证负荷调节的稳定性，多数冷水机组厂家会采用脉冲的方式来对上述两个电磁阀进行通电断电控制。即，通电A秒后断开B秒。

3.2 存在的问题

采用常规的加卸载方式会出现系统运行不平稳的情况，体现在如下4个方面：

(1)开机加载非常缓慢。滑阀是利用吸排气压差来进行加卸载，首次开机时，因系统建立的吸排气压差小，此时采用脉冲控制的方式，每次注入的油量很少，从而导致螺杆压缩机加载异常缓慢，难以满足水温调节需求。

(2)加载过快导致机组低压下降过快，甚至造成低压保护或压缩机频繁启停。为解决压缩机加载缓慢的问题，常规的做法是修改脉冲，就是增加100%电磁阀通电时间，减少其断电时间。但此种情况下，受压缩机个体化差异的影响，有些压缩机就会出现加载过快的情况，即压缩机极短时间内加至满载。压缩机加载过快，会造成两方面的影响：1）节流装置调节开度跟不上，导致机组低压持续下降，甚至出现低压保护。2）机组加载过快，导致水温下降迅速，压缩机很快进入待机，过后水温上升，压缩机再次开启，如此频繁动作，明显减少压缩机使用寿命。如下图2所示，笔者以R22制冷剂为例，对压缩机加载过快对低压的影响，绘制如下图。横坐标为时间，单位：秒；纵坐标为压力，单位：kPa。红色曲线为低压曲线。

图2 开机时低压压力变化曲线图

(3)难以适应客户特定的需求：目前随着冷水机组应用场合的拓展，有些用户对冷水机组开机加载时间有要求，即从有开机需求到达到目标负荷要求时间上有规定，比如快速加载需求，快速卸载需求等等，这个时候，常规的脉冲加载因控制单一，就很难保证冷水机组满足相应的要求，不具备以用户需求为导向的设计理念。

4分段负荷加卸载控制研究

为解决上述存在的问题，笔者提出了一个开机时的分段无级加卸载的思路。

(1)由传统的2个电磁阀脉冲调节参与变成4个电磁阀参与加卸载控制。

(2)根据需求负荷的判断，来分别逐级调度4个电磁阀的通断电。

(3)加卸载时采用逐级判断需求负荷即按照40%、60%、80%进行逐级判断，例如：如果需求负荷大于80%时，采用50%、75%逐级通电的方式进行加卸载。

表1 分段无级加卸载电磁阀状态表

运行状态	负荷需求	需求负荷判断	电磁阀状态
刚开机时	加载	需求负荷＜40%	100%开	脉冲通电
		40%≤需求负荷＜60%	100%开，50%开	持续通电
		60%≤需求负荷＜80%	100%开，75%开	持续通电
		需求负荷≥80%	100%开	持续通电
正常容量调节运行时	加载	需求负荷＜40%	100%开	脉冲通电
		40%≤需求负荷＜60%	100%开，50%开	脉冲通电
		60%≤需求负荷＜80%	100%开，75%开	脉冲通电
		需求负荷≥80%	100%开	脉冲通电
	卸载	需求负荷＜80%	75%开	脉冲通电
		需求负荷＜60%	50%开	脉冲通电
		需求负荷＜40%	25%开	脉冲通电

按照如上的加卸载思路，由于冷水机组刚开机时，根据负荷需求采用的是持续通电或脉冲通电（负荷需求较小时），可以有效解决机组开机时加载困难或客户要求开机快速加载需求负荷的问题。同时，冷水机组每次都会判断需求负荷来进行分段加卸载，不会出现加载过快，节流机构调节跟不上造成的低压过低的问题。同时，在冷水机组正常容量调节运行过程中，仍采取常规的无级脉冲加卸载的方式，从而体现了常规控制方式中负荷连续（无级）调节的优点，实现水温的恒定性，不会出现卸载过快，节流机构关小不及时造成的压缩机吸气带液的问题。

5 测试方法及数据分析

5.1测试方法

笔者采用某螺杆式冷水机组样机进行测试，机组在相同的工况下，负荷需求均是满载需求下，采用两种不同的加载方式进行测试。

(1)常规脉冲加载：通电A秒，断开B秒。

(2)无级分段加载：100%加载电磁阀持续通电，然后根据负荷需求逐级打开或关闭50%、75%等电磁阀。通电时间为C秒。实验结果如图3。

因卸载和长期运行时保留了脉冲控制的方式，为保证测试数据的简单易对比，此处不再列卸载及长期运行时脉冲调节的测试方法与数据。

5.2试验曲线及结果

(1)常规脉冲加载：实验曲线如图2。

(2)无级分段加载：实验曲线如下图3所示，横坐标为时间，单位：秒；纵坐标为低压压力，单位：℃。红色曲线为低压压力曲线。

图3开机时低压压力变化曲线图

由图1可见，由常规脉冲加载方法，可能导致低压下降过快（较深的V型），低压降至350kPa(对应的蒸发温度是-10℃) 以下，有冻坏壳管的影响。

由图3可见，采用负荷分段加载方法，机组根据实际需求负荷进行逐级的加载，每次加载时，低压有一个V型，但低压最低是475kPa(对应蒸发温度是-1.5℃)，且很快就上去了，除了这个点，蒸发温度就没有低于0℃的了，可以明显看出此加载方式相对于常规加卸载，低压下降很小，且由曲线可知，节流机构后续能快速跟上这个下降的速度，有效保证了换热器的运行可靠性，且机组在50%、75%负荷下分别进行缓冲保持，对于机组启动加载过程中的运行平稳性有重要意义。但同时机组在10分钟以内不仅实现了机组负荷加至满负荷，满足特定用户对于机组开机加载速度的要求，且冷冻水温平稳下降，从而有效的解决了机组频繁启停的问题。

综上对比，笔者提出的新型加载方式，对于压缩机及壳管式换热器的运行寿命，对于节流机构的调节都有很大程度的改善，进一步提升了螺杆式冷水机组的长期运行可靠性与使用寿命，同时保留卸载时和正常运行时的脉冲方式，从而保证了长期运行时出水温度的平稳。

6 结论

本文中提出的一种新型负荷分段的加卸载控制方式，既能有效解决冷水机组开机加载缓慢（或不加载），又避免冷水机组运行过程中加卸载过快对压缩机、壳管等部件造成的损坏，且同时满足特定用户对于机组开机加载速度的要求，对于切实有效提高机组的运行可靠性具有重要意义。

参考文献

[1]吴业正、李红旗、张华等.制冷压缩机第3版.北京:机械工业出版社，2017.11

[2]郑贤德等.制冷原理与装置第2版.北京:机械工业出版社，2008.3

[3]康勇等.过程流体机械第2版.化学工业出版社，2016.9

[4]匡奕珍等.制冷压缩机.北京：机械工业出版社，2015.9

[5]邢子文等.螺杆压缩机理论、设计及应用.北京：机械工业出版社，2000.6

[6]李宪光等.工业制冷集成*技术与应用第2版.北京：机械工业出版社，2022.3