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(duì)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(duì)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(duì)于單級(jí)離心式冷水機(jī)組，雙級(jí)離心式冷水機(jī)組采用雙級(jí)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(jí)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(jí)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(jí)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(jí)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(jí)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(jí)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(jí)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(jí)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(jí)葉輪壓縮過的氣體混合被離心式壓縮機(jī)二級(jí)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(jí)離心式冷水機(jī)組制冷循環(huán)

圖2 變頻雙級(jí)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(jí)離心式冷水機(jī)組制冷循環(huán)如圖3所示，雙級(jí)孔板孔徑給定不可變，故對(duì)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(duì)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(jí)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(rùn)滑油不蒸發(fā)，進(jìn)入蒸發(fā)器中的潤(rùn)滑油越來越多，冷媒的純度也越來越低，油箱中的潤(rùn)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(jí)離心式冷水機(jī)組冷媒提純?cè)鞟～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(duì)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(rùn)滑油慢慢累積存在冷媒提純裝置內(nèi)，潤(rùn)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(rùn)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(jí)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(rùn)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(rùn)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(duì)于變頻雙級(jí)離心式冷水機(jī)組，二級(jí)葉輪壓縮后的高壓制冷劑氣體或者一級(jí)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(jí)葉輪壓縮后的高壓制冷劑氣體或者一級(jí)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(zhǎng)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(jí)離心式冷水機(jī)組，冷凝器與蒸發(fā)器之間存在壓差，而對(duì)于變頻雙級(jí)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(jí)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］?，F(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(duì)于變頻雙級(jí)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(jí)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(cè)試得到一系列喘振時(shí)對(duì)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(jí)離心式冷水機(jī)組喘振曲線與防喘曲線［20］

對(duì)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(duì)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(duì)值之和小于小冷量段壓縮機(jī)A，B及C的絕對(duì)值之和。

7 結(jié)論

（1）相對(duì)于定頻離心式冷水機(jī)組，變頻雙級(jí)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(duì)于單級(jí)離心式冷水機(jī)組，變頻雙級(jí)離心式冷水機(jī)組采用雙級(jí)壓縮技術(shù)，其機(jī)組循環(huán)效率得到提高。

（2）變頻雙級(jí)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(jí)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(duì)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(duì)應(yīng)的控制，從而避免喘振現(xiàn)象的發(fā)生。

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