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    • “雙碳”目標下螺桿制冷壓縮機的技術發展趨勢
    •   來源:制冷與空調
    • 2022-04-28
     我國目前已是世界上最大的制冷設備生產國和消費市場,與此相對應,壓縮機等關鍵部件的技術水平和產品質量也不斷得到提高,很多產品的性能達到了國際先進水平。其中,螺桿制冷壓縮機是一種重要的制冷設備,具有容量調節方便、工況適應性強、性能可靠等優點,在大中型制冷空調和冷凍冷藏設備中得到了廣泛地應用。
      為了應對全球氣候變化,我國提出了“2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和”這一重大戰略目標。制冷行業與國民經濟各部門和社會生活各方面緊密相連,在碳中和背景下,將迎來重要的發展機遇,也將面臨一系列新的挑戰。螺桿制冷壓縮機作為制冷系統的核心部件,降低其碳排放量對實現制冷系統降碳、助力我國“雙碳”戰略目標具有重要意義。
      螺桿制冷壓縮機的全生命周期排碳環節主要包括原材料獲取、加工制造、產品運輸、運行維護和報廢回收5個方面。然而螺桿制冷機的服務年限通常超過20年,控制產品在長期運行過程中的碳排放才是重中之重。根據數據統計,運維環節碳排放量在全生命周期中的占比達到了85%以上,因此,螺桿制冷壓縮機的節能減排的重點仍需放在產品能效的提高上。本文以螺桿制冷壓縮機為研究重點,基于對行業痛點問題的深入研究,提出了一系列螺桿制冷機能效提升技術,并探討了其低碳化應用場景,以期為“雙碳”目標下螺桿制冷機的發展趨勢指明方向。
      1  螺桿制冷壓縮機能效提升技術
      螺桿制冷壓縮機作為蒸氣壓縮制冷系統中最大的耗能部件,是整條產業鏈中技術含量高、開發制造難度較大的產品,其品質直接影響到系統的能效,因此,螺桿壓縮機的能效提升對于用能系統的綠色轉型有重大意義。本文基于對行業現存問題的深入研究,進而提出了包括型線優化、變導程設計、自適應多孔封嚴涂層的使用、潤滑油精細化管理、永磁變頻技術、兩級壓縮級間補氣技術和智慧運行技術7種新型能效提升技術,并對其作用原理與優化效果進行了探討,為未來壓縮機的優化設計提供新思路,助力“雙碳”目標的如期實現。
      1.1  型線優化
      螺桿制冷壓縮機最核心的部件是相互嚙合的轉子,而轉子型線是螺桿制冷機的重要構成要素,直接影響了接觸線、泄漏三角形、封閉容積與齒間面積等幾何特性,也從根本上決定了螺桿制冷機的泄漏特性、熱力性能、動力性能和可靠性,因此轉子型線的開發是其設計中的核心技術。國內外著名螺桿壓縮機生產廠家都是由高效轉子型線的開發而成功占領市場。
      經過多年的研究,轉子型線的設計計算方法
      已得到了總結,但近些年轉子型線的設計方法仍在不斷改進。新方法之一是采用貝塞爾曲線、NURBS等替代常規曲線作為組成齒曲線,以切矢量構建曲率漸變曲線,通過改變節點權重、增加控制點以及移動控制點來靈活的對型線進行優化,實際型線的優化案例如圖1所示;另一新方法是采用基于逆向工程的嚙合線法構建型線,通過構造嚙合線,直接控制幾何特性,基本原理見圖2。
      
      圖1  包絡法型線優化
      
      圖2  嚙合線法型線優化
      此外,可針對具體制冷劑種類、壓縮機容量和運行工況,開發出專門的高效轉子理論型線,并考慮轉子運行過程中的受力變形、受熱膨脹和加工及裝配過程中的誤差,合理配置實際型線的間隙分布。
      1.2  變導程設計
      應用于螺桿真空泵的變導程螺桿轉子由于其優秀的使用性能而得到了長足地發展,國內外很多學者也針對變導程螺桿真空泵做了各方面詳實的研究。這對于雙螺桿制冷壓縮機導程設計而言有較大的借鑒意義,變導程設計一般將導程較長的部分放在吸氣側,其最大的優勢是可以直接增大排氣孔口,降低排氣流動阻力。此外,在壓縮過程方面,恒定導程的壓縮速度始終是勻速的;而對于變導程而言,導程較長的部分壓縮較快,導程較短的部分則壓縮較緩,這意味著更低的壓縮多方指數與更高的效率。
      目前主要有3種導程設計形式,結構示意如圖3所示。其中,恒導程為最常見的形式,由于其便捷的設計方法、成熟的加工工藝而被目前市面上基本所有雙螺桿制冷壓縮機使用;多段導程設計為簡單的物理拼接,在不同的壓縮段采用了不同的恒定導程,目前已有成品樣機。然而多段導程壓縮過程中的壓縮速度突變將不可避免地導致一定的噪聲、振動甚至性能的問題;漸變導程的螺桿轉子尚在開發之中,相比于多段導程設計,該形式壓縮過程平穩、吸排氣順暢,制約其發展的主要原因在于加工難度較高,加工工藝不成熟以及加工時間較長、資金成本過高。
     
      圖3  導程設計形式示意圖
      1.3  自適應多孔封嚴涂層
      對于穩定工作的螺桿制冷壓縮機而言,其吸氣端溫度略低于裝配溫度而排氣端溫度則顯著高于裝配溫度。在復雜溫度、壓力場的耦合作用下,螺桿轉子將發生膨脹、收縮、扭轉變形等各種復合應變,這種不規則的應變特性造成了轉子間隙的不均勻變化,可能導致轉子摩擦甚至卡死。增大設計間隙是確保壓縮機安全運行的有效手段,但會增大壓縮機泄漏量并降低能效。采用自適應多孔封嚴涂層可有效減小間隙,是提高航空發動機性能的重要手段,已初步在螺桿制冷壓縮機中得到應用。
      自適應多孔封嚴涂層一般由基相、潤滑相和大量微小孔洞組成?;嘀饕WC涂層自己強度以及與基體的結合強度;潤滑相主要作用則為降低硬度,提高涂層塑性;微小孔洞由制備過程中加入的造孔相形成。噴涂有該涂層的轉子在工作時,涂層上的部分微小孔洞將被壓縮,實現轉子間隙的自適應調節,進而保證了最小的安全運行間隙,對于提升螺桿制冷機的能效而言具有重要潛力,其效果如圖4所示。
     
      圖4  自適應多孔封嚴涂層轉子
      1.4  潤滑油精細化管理
      潤滑油對于螺桿制冷壓縮機性能的優劣起到至關重要的影響,其作用大致有如下幾個方面:提高壓縮腔的密封性,減少泄漏;實現轉子嚙合區域的潤滑,減少摩擦功耗;冷卻工質,提高絕熱效率;降低運行噪聲。轉子腔噴油孔開設位置和噴油量的選擇對螺桿制冷機很重要。對于噴油孔開設位置,過于靠前時會導致被壓縮工質提前加熱,而過于靠后則會導致換熱不充分,進而增大壓縮機的實際壓縮功耗。對于噴油量,過少時轉子嚙合區域無法實現充分潤滑,可能導致摩擦磨損、振動噪聲等問題;而噴油量過多時,會出現攪油損失過大等一系列問題。噴油量增大對螺桿制冷機絕熱效率的影響如圖5所示,在全工況下,隨著潤滑油油量的增大,實測絕熱效率都會有一定程度的降低;這種降低幅度在低溫工況下更加明顯,隨著油氣體積比增大0.1%,絕熱效率最大降低了2%。因此,根據特定形式的制冷機和制冷工質,以定制化選擇匹配潤滑油、合理規劃設計噴油孔開設位置和噴油量的潤滑油精細化管理成為了螺桿制冷壓縮機能效提升重點。
      
      圖5  噴油量對制冷機絕熱效率的影響
      KAUDER K等根據大量試驗研究,對潤滑油在壓縮腔內部的實際作用機理進行了解釋。他們認為,潤滑油在壓縮腔內實際是以薄膜的形式覆蓋在壓縮腔表面的,理想的油膜厚度將恰好實現對嚙合間隙、齒頂間隙等的密封;而當油膜厚度過大時,會出現積油現象(圖6),此處的積油將隨著轉子的旋轉而被輸送到排氣端,從而增大壓縮機的實際功耗。BENES G等通過雙螺桿壓縮機的光學測量,驗證了上述理論的可靠性。根據理論,噴入壓縮腔內部的油從吸氣到排氣過程由于密封間隙而均勻消耗,因此當排氣結束時油體積接近于零時的油量即為最佳噴油量。
      
      圖6  潤滑油作用機理
      1.5  永磁變頻技術
      螺桿制冷壓縮機容量調節的方法包括啟停調節、滑閥調節以及變頻調節等,但以滑閥調節為主的傳統容量調節方式在實際使用中存在各種問題。首先,當壓縮機處于部分負荷時,其能效衰減嚴重(圖7),滑閥有效工作長度與螺桿制冷壓縮機能效存在一定的正相關關系,當滑閥有效工作長度縮短(部分負荷運行)時,其能效將大幅下降;其次,在實際使用滑閥調節時,隨著滑閥位置的輕微變化,螺桿制冷壓縮機冷量跳躍的現象比較明顯;此外,隨著制冷機使用年限的增長,滑閥油活塞處由于磨損而導致密封性變差,可能會出現工況無法維持、自動加卸載等問題,影響其在工程中的正常使用。
      
      圖7  滑閥有效工作長度與能效的關系
      相比于傳統調節方式,變頻調節具有調節范圍大、結構簡單等優勢,可以有效提高螺桿制冷壓縮機在部分負載下的能效。CHEN W Q等通過建立半封閉螺桿式制冷壓縮機的集總參數模型,并結合螺桿式制冷機部分負荷工作過程,對滑閥和變頻兩種方式調節下壓縮機的性能進行了模擬對比,結果表明,螺桿制冷機采用變頻調節在功耗、排氣量以及繞組定子溫度特性上有更好的表現。永磁同步變頻電機驅動的雙螺桿制冷壓縮機的結構示意如圖8所示,永磁變頻電機在寬轉速范圍下的高效穩定運轉,有效提升了螺桿制冷機全工況范圍的運行性能。目前,變頻驅動已在中央空調用螺桿制冷壓縮機中獲得了廣泛應用,也正在快速推廣應用于各種熱泵和冷凍冷藏裝備中。特別是通過變頻調節容量、通過滑閥調節內容積比的變頻變容積比螺桿制冷機,實現了容量和內容積比的相互獨立調節,能精準高效地實時匹配制冷系統的運行工況和負荷,特別適合于負荷與工況變化范圍要求高的應用場合。
      1.6  補氣技術
      當螺桿制冷壓縮機應用于高壓比、大溫差工況時,單級壓縮由于過大的壓差而往往存在嚴重的振動、噪聲、泄漏、能效過低等性能問題,雙級壓縮也因此得到了廣泛地認可與關注。中間補氣技術由于可以控制壓縮過程的溫度、提升壓縮能效而被廣泛應用于低溫空氣源熱泵領域,尤其是在渦旋壓縮機和滾動轉子壓縮機上。然而目前針對雙螺桿制冷壓縮機中間補氣的研究依舊局限于單級壓縮機,WU H G等通過CFD模擬與試驗結合的方法,研究了補氣壓力對于單級雙螺桿壓縮機性能的影響。對于雙螺桿制冷壓縮機的補氣,由于物理結構的限制,目前一些企業通常是用冷卻電機與潤滑油后的高壓制冷劑在吸氣結束之后補入以增大制冷量,但這往往對于壓縮機的能效有負面影響。
      
      圖8  永磁同步變頻螺桿制冷壓縮機結構示意
      綜合考慮以上兩者的優勢,匹配大溫差工況的單機雙級級間補氣雙螺桿制冷壓縮機是低溫冷庫、冷凍冷藏領域的首選,并逐漸向常規空調領域拓展。對于單機雙級機型而言,補氣孔口不必開設在壓縮腔內,而可以直接在兩級的中間腔內進行補氣,從而提高補氣效率。此外,兩級螺桿轉子的布置形式的選擇也將直接影響壓縮機的使用性能。目前國內的布置形式以同軸串聯式為主,即高低壓級的陽轉子通過同一根軸與電機相連,如圖9所示。然而這種布置形式最大的問題是低壓級排氣側物理空間有限,低壓級滑閥設計困難。國外有些壓縮機廠商開發了兩軸并聯式單機雙級雙螺桿制冷壓縮機,該形式有滑閥布置方便、設計緊湊等優勢。
      
      圖9  同軸串聯式單機雙級雙螺桿制冷壓縮機
      1.7  智慧運維
      在提高螺桿制冷機加工設計水平的同時,依托于大數據的壓縮機智慧運行與優化控制也是提升其能效的重要手段。及時的故障預測與精準的故障診斷也可以大幅度提升制冷機穩定運行時長,降低制冷機運行維護成本。典型的數據采集與分析應用流程如圖10所示,在制冷機吸排氣等關鍵部位布置測點,實時采集制冷機運行數據;對采集到的運行數據進行清洗,去除明顯異常數據;根據參數之間的熱力學關系建立數據之間的理論互推關系,借助人工智能算法建立模型;利用已有模型對系統中的關鍵參數進行預測,通過實時對比數據預測值與實際值的差值,可以實現可能存在問題的預警,從而實現制冷機基于故障預測的維護;最后實現數據處理的可視化,方便后續算法模型、方案流程的設計優化。
      以單機雙級螺桿壓縮機制冷系統為例,當使用工況發生變化時,存在最優中間壓力使得制冷機能效最高。結合人工智能算法建立的基于數據驅動的制冷機能效與中間壓力之間的數學模型,當運行工況發生變化時,通過實時調整制冷機的實際中間壓力,使之等于算法計算獲得的最優中間壓力,可以實現制冷機全天候的運行能效最大化,從根本上預防了能源的浪費,是提升能效的有效手段。
      
      圖10  數據采集與分析應用流程
      2  螺桿制冷壓縮機的低碳應用系統
      “雙碳”戰略目標不但對螺桿制冷機的發展提出了更高的能效要求,也促進了其低碳應用系統的推廣應用。尤其是水蒸氣螺桿壓縮機、螺桿膨脹機和氦氣螺桿制冷壓縮機,分別應用于水蒸氣高溫熱泵、有機工質朗肯循環發電、氫氣的液化流程,在碳中和背景下將快速發展。
      2.1  高溫熱泵
      許多工業領域存在有溫度范圍 80 ℃~90 ℃的廢熱,但其需要的熱源溫度則為 110 ℃~130 ℃,使用高溫熱泵系統能夠有效回收這部分低品位熱能,將之轉化為較高溫度熱能提供給工業系統,同時實現了能源回收利用的節能效果和減小工業熱污染的環保效果。高溫熱泵系統在工業廢水余熱回收中的應用如圖11所示。
      
      圖11  高溫熱泵系統圖
      在高溫熱泵領域,螺桿壓縮機與水工質的結合具有諸多優點。首先,水是高溫熱泵的理想工質,在第4代制冷劑中具有眾多優點。水是自然工質,其ODP值為0,GWP值小于1,具有廉價、 無毒和穩定等特質;汽化潛熱大,單位質量的制冷量相對較大,采用水作為工質的系統理論COP值較傳統的合成工質系統為高。其次,在水蒸氣壓縮機眾多形式當中,雙螺桿壓縮機是最適宜的形式。其利用壓縮過程噴水冷卻,能有效降低排氣溫度、提高壓縮機壓比;噴入的水能在增加壓縮機容積流量的同時,使排氣溫度飽和,這樣可以有效利用水的潛熱,能有效提高熱泵系統的性能。此外,螺桿壓縮機本身具有運行特性穩定和操作方便等優點。因此,螺桿水蒸氣壓縮機在高溫熱泵系統中具有較為理想的應用。
      國內一些學者針對螺桿水蒸氣壓縮機在余熱回收中的應用展開了研究。沈九兵等針對高溫熱泵的工業需求,設計并分析以水為介質的閉式高溫熱泵系統,引入了噴水螺桿式水蒸氣壓縮機,利用噴水實現壓縮機排氣為飽和狀態,通過理論計算得出了此循環在高蒸發溫度時具有高COP值的結論。高磊等文針對堿回收熱泵系統中水蒸汽壓縮機溫升小而造成效數不夠的問題,采用螺桿水蒸氣壓縮機構成機械壓縮式系統,對其進行了數學建模和熱力性能計算,并考慮了系統的經濟性。梁政等為拓寬水蒸氣熱泵在余熱回收中的工作溫區,降低水蒸氣壓縮機的排氣溫度,對采用噴水降溫螺桿壓縮機的水蒸氣熱泵系統及其主要部件建立熱力學模型,研究了螺桿壓縮機噴水溫度,及最佳噴水溫度下蒸發溫度、冷凝溫度對系統性能的影響。螺桿水蒸氣壓縮機也存在容積流量較小的問題,但總的來說,螺桿水蒸氣壓縮機對水蒸氣的壓縮效果很好,還可以通過噴水降低壓縮終了排氣溫度,從而降低對壓縮機設備的要求和成本,同時規避了有機工質的各種缺點,是水蒸氣壓縮機的重點研發方向。
      2.2  有機工質朗肯循環發電
      在傳統的能—功轉化工業中,系統熱效率會在熱源溫度不足 370 ℃時降至極低的水平,但統計調查表明,低品位余熱占工業產生的總熱量的50%或以上。這些低品位的廢熱不但帶來了能源浪費,也造成了熱污染是我國實現碳中和道路上必須解決的問題。有機工質朗肯循環(ORC)采用低沸點有機工質,實現與低溫熱源的溫度匹配,能夠實現低品位廢熱的回收,具有靈活性強、安全性高、維護要求低、性能優異等優點,被認為是低溫余熱發電的首選方案。
      ORC示意圖如圖12所示,由4個過程和相應的系統部件構成。過程1-2中,介質泵將來自冷凝器的低溫低壓的液體工質送入蒸發器;過程2-3中,液體工質在蒸發器中吸收余熱,定壓蒸發為高溫高壓的工質蒸汽;過程3-4中,工質蒸汽進入螺桿膨脹機做功,輸出的機械功通過發電機轉化為電能;過程4-1中,低壓工質蒸汽進入冷凝器中與冷卻水換熱,再次成為低溫低壓的液體工質。
      
      圖12  ORC系統示意圖
      ORC對膨脹機具有如下要求:1) 效率高,成本低;2) 部分適應帶液膨脹;3) 工況范圍寬,無喘振等情況;4) 可以重負荷啟動;5) 轉速與直連發動機匹配,避免使用額外的減速裝置??梢娐輻U膨脹機非常適合ORC系統。此外螺桿膨脹機初期投資少、維護費用低、可靠性高,很適合能耗較高的企業進行余能回收,從而降低生產成本,因此在ORC系統中具有突出優勢。
      2.3  氦制冷的氫液化
      氫氣是一種綠色、來源廣泛的二次能源載體,其相關產業在我國已初步形成了完整的產業鏈,上游可借助電解水制氫技術與光伏、風能等可再生能源結合起來,下游可利用氫燃料電池和氫燃氣輪機等技術轉化為電能,氫因此被視為化石能源的理想代替能源,在我國未來能源轉型中扮演重要角色。此外,以氫氣為儲能介質的氫儲能技術能夠實現大規模、跨季節儲能,在削峰填谷、分布式能源等場景中具有重要應用。
      氫氣的儲運是其產業鏈中的重要一環,其中液氫儲運具有低成本、純度高、適于長距離運輸等優點,是公認的大規模運用氫能的關鍵技術。經典的氫液化流程包括Linde-Hampson循環、Claude循環和氦制冷的氫液化,其中氦制冷的氫液化系統因氫循環的壓力較低,只需克服熱交換器中的壓力降,所以具有更好的安全性。其流程示意圖如圖13所示,該工藝中工質氦先被氦壓縮機壓縮,通過液氮預冷,再被換熱器逐級冷卻,最后在氦透平膨脹機中膨脹降至低溫;在氫系統中,被壓縮的氫氣經液氮預冷后,在熱交換器內被冷氦氣降溫液化。
      
      圖13  氦制冷的氫液化系統流程圖
      在氦制冷的氫液化系統中,氦氣的壓縮需要用到氦壓縮機,螺桿式是氦壓縮機可選的形式之一。研究表明,氫液化過程中大部分?損來自壓縮機,因此螺桿氦壓縮機的性能對提升整個氫液化流程的能效水平至關重要。某公司與筆者所在單位共同研制了出了一種氫液化領域新型高效氦氣螺桿壓縮機,其機組產品外觀圖如圖14所示,經國家能源局組織評定,該項目填補了國內的相關技術空白,達到國際先進水平,氦氣壓縮機組的容積效率和等溫效率等主要技術指標均處于國際領先水平,并被列入了第一批能源領域首臺(套)重大技術裝備項目名單。
      
      圖14  氦氣螺桿壓縮機組
      3  結束語
      “雙碳”目標對螺桿制冷壓縮機提出了更高要求和新的需求,考慮到螺桿制冷壓縮機全生命周期碳排放環節中運維環節是碳排放的關鍵所在,螺桿制冷壓縮機的降碳仍需著眼于產品能效水平的提升??赏ㄟ^采用螺桿制冷壓縮機能效提升的新技術予以實現,如采用貝塞爾曲線、NURBS等替代常規曲線以及基于逆向工程的嚙合線法拓展轉子型線優化空間;設計變導程轉子增大螺桿制冷機的排氣孔口,實現更低的壓縮多方指數與更高的效率;轉子噴涂自適應多孔封嚴涂層以保證最小的安全運行間隙;對潤滑油進行精細化管理以降低噴油損失;采用永磁變頻技術和單機雙級級間補氣技術提高全工況能效;應用基于大數據和人工智能的智慧運維技術提升螺桿制冷機運行能效、降低維護成本。
      此外,“雙碳”戰略目標也將促進螺桿制冷壓縮機低碳應用系統的推廣應用,尤其是水蒸氣螺桿壓縮機、螺桿膨脹機和氦氣螺桿制冷壓縮機,分別應用于水蒸氣高溫熱泵系統、ORC系統和氫氣的液化流程等低碳節能系統,在“雙碳”背景下將迎來快速發展的契機。
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