螺桿壓縮機在制冷系統(tǒng)上的國產(chǎn)化改進應(yīng)用分析

周 強 楊 東 余曉霞 胡 錦 李 剛

（寧波巨化化工科技有限公司）

螺桿式制冷壓縮機是一種高轉(zhuǎn)速的壓縮機，它利用兩根互相嚙合的螺桿做相對旋轉(zhuǎn)運動來壓縮氣體。 螺桿式壓縮機機殼內(nèi)裝有一對互相嚙合的螺旋形陰陽轉(zhuǎn)子，兩轉(zhuǎn)子都有幾個凹形齒且互相反向旋轉(zhuǎn)，主轉(zhuǎn)子（又稱陽轉(zhuǎn)子或凸轉(zhuǎn)子）通過由發(fā)動機或電動機驅(qū)動（多數(shù)為電動機驅(qū)動），另一轉(zhuǎn)子（又稱陰轉(zhuǎn)子或凹轉(zhuǎn)子）由主轉(zhuǎn)子通過噴油形成的油膜進行驅(qū)動，或由主轉(zhuǎn)子端和凹轉(zhuǎn)子端的同步齒輪驅(qū)動。 理論上驅(qū)動過程中沒有金屬接觸的螺旋轉(zhuǎn)子凹槽經(jīng)過吸氣口時充滿氣體，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子凹槽被機殼壁封閉，形成壓縮腔室，當(dāng)轉(zhuǎn)子凹槽封閉后，潤滑油被噴入壓縮腔室，起密封、冷卻和潤滑作用。 當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)壓縮潤滑劑+氣體（簡稱油氣混合物）時，壓縮腔室容積減小，向排氣口壓縮油氣混合物。 當(dāng)壓縮腔室經(jīng)過排氣口時，油氣混合物從壓縮機排出，完成一個吸氣→壓縮→排氣的過程［1］。

某公司冷凍系統(tǒng)采用氟利昂R32作為制冷劑，利用R32氣液兩相變化產(chǎn)生的吸、放熱過程，形成熱量的轉(zhuǎn)移，來冷卻某種工藝介質(zhì)。 該公司冷凍系統(tǒng)原有8套雙級螺桿壓縮機組，分別由2套制冷量872 kW和6套制冷量1 105 kW的制冷機組組成。 近年，由于新項目建設(shè)發(fā)展的需要，現(xiàn)有的制冷系統(tǒng)不能完全滿足工藝設(shè)計需求，急需新增制冷機組以增加制冷量。

在近年的技術(shù)改造過程中，該公司工程技術(shù)人員在分析原有裝置中某合資品牌螺桿壓縮機的運行缺陷后，經(jīng)過技術(shù)方案論證、行業(yè)市場調(diào)研和與相關(guān)專業(yè)廠家技術(shù)交流后，選擇采用某國產(chǎn)品牌噴油螺桿壓縮機代替原有裝置中某合資品牌壓縮機完成制冷工藝流程，并在改造過程中進行一系列的工藝流程優(yōu)化和關(guān)鍵部件本質(zhì)安全提升。

1 原有壓縮機缺陷分析

1.1 機械缺陷

公司原本使用的某進口合資品牌雙級螺桿壓縮機，主機部分采用進口機頭，國內(nèi)撬裝。 經(jīng)過十多年的運行和維護，逐步暴露出該雙級螺桿壓縮機機械設(shè)計時一些影響長周期穩(wěn)定運行的缺陷，具體表現(xiàn)在以下幾個方面：

a. 滑閥卡頓、加減載不靈。 滑閥加減載主要利用平衡活塞的往復(fù)運動實現(xiàn)，而平衡活塞上使用的O形密封圈長期浸泡在潤滑油中， 再加上往復(fù)運動的磨損，平均使用壽命約為16 000 h。在達到使用年限后會因磨損導(dǎo)致平衡活塞內(nèi)漏，引起滑閥卡頓。 停機時滑閥處于高位無法減載，再開機時，機組帶載啟動，容易引起電動機啟動負載過高損壞。

b. 油氣分離工藝設(shè)計不合理。壓縮機配備一只臥式油氣分離器，內(nèi)裝油分離芯，高溫高壓的油氣混合物先經(jīng)過擋板碰撞進行重力分離，再通過高性能纖維的油分離芯，達到過濾聚結(jié)分離油霧的效果。 實際運行過程中分離效果并不好，尤其是在壓縮機啟停時會出現(xiàn)大量奔油，導(dǎo)致油氣分離器內(nèi)潤滑油隨著R32進入后系統(tǒng)蒸發(fā)器中，既容易引起潤滑油液位低跳機，又會導(dǎo)致后系統(tǒng)蒸發(fā)器形成油膜降低傳熱效果。

c. 機械密封處滲漏頻繁。 設(shè)備選用普通單端面機械密封， 冬季停機后R32易冷凝并混合于潤滑油中。機組再啟動時，混有R32的潤滑油逐漸升溫直至汽化，R32的汽化影響機械密封端面油膜的形成，加劇機械密封摩擦副的磨損，造成潤滑油大量泄漏。

d. 機組設(shè)計強制潤滑，配備單臺電機驅(qū)動的齒輪油泵，運行過程中，齒輪油泵需要持續(xù)運行，容易因輔配油泵故障造成主機跳停。 齒輪泵存在一個微小的閉死容積，易出現(xiàn)困油現(xiàn)象，噪音增加，運轉(zhuǎn)不平穩(wěn)［2］。

e. 潤滑油冷卻系統(tǒng)設(shè)計不合理。所選用的油溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)核心為油溫三通閥， 閥內(nèi)配有1只熱力式感溫包元件，實際使用過程中，頻繁發(fā)生感溫包失靈引起三通閥卡頓、反應(yīng)滯后，造成油溫升高，存在跳機風(fēng)險。

1.2 原有工藝介紹

原有壓縮工況根據(jù)工藝和介質(zhì)特點選用噴油螺桿壓縮機，采用大型配組雙級螺桿機組，由1臺型號XB-62、 制冷量約877 kW的低壓級螺桿壓縮機和1臺型號為S-50、制冷量約1 105 kW的高壓級螺桿壓縮機組合而成。 其中，低壓級壓縮機進口壓力0.12 MPa，排氣壓力0.70 MPa，配用電機355 kW；高壓級壓縮機進口壓力0.70 MPa，排氣壓力1.60 MPa，配用電機315 kW。

1.2.1 制冷工藝流程

原有制冷工藝流程如下：

a. 來自裝置各蒸發(fā)器用戶的溫度約在－15～20 ℃、壓力約0.12 MPa的過熱R32蒸氣，進入氣液分離器分離后，少量液滴（主要為油）與氣相分離，R32蒸氣進入低壓級壓縮機壓縮，壓力上升至約0.45～0.60 MPa、 溫度上升至60～80 ℃后與經(jīng)中冷器汽化來的低溫R32蒸氣混合后進入高壓級壓縮機吸氣管中，以降低高壓級壓縮機吸氣溫度至5～20 ℃，通過高壓級壓縮機壓縮，壓力上升至約1.2～1.5 MPa、溫度上升至60～85 ℃。

b. 壓力約1.2～1.5 MPa、 溫度60～85 ℃的高壓、過熱R32蒸氣進入循環(huán)水冷凝器，冷凝下來的液態(tài)R32溫度約25～30 ℃，儲存于R32受槽中。

c. R32受槽中， 液相R32通過一級干式蒸發(fā)器，利用R32的潛熱，汽化相變提供殼程冷量，將殼程液相R32溫度降低至5～15 ℃， 汽化的R32蒸氣進入高壓級壓縮機進口管。 出一級干式蒸發(fā)器的液相R32又通過二級干式蒸發(fā)器，將液相R32溫度降低至約－18～－10 ℃， 汽化的R32蒸氣進入低壓級壓縮機進口1/3處。 液相R32經(jīng)壓差輸送至各蒸發(fā)器使用。

1.2.2 工藝缺陷

原有工藝存在冷量使用不合理的情況。 某公司現(xiàn)有多套制冷機組， 總制冷能力7 908 kW，主要用于液化某工藝介質(zhì)和為冷媒系統(tǒng)供冷，此工藝介質(zhì)對應(yīng)壓力下的蒸發(fā)溫度為－25 ℃， 因此該公司統(tǒng)一配備了－40 ℃蒸發(fā)制冷工藝， 而冷媒系統(tǒng)供冷控制指標為－21～－12 ℃， 僅需－25 ℃蒸發(fā)制冷工藝即可滿足需求。 目前用于工藝介質(zhì)供冷的－40 ℃蒸發(fā)制冷量需求為5 815 kW， 用于冷媒系統(tǒng)供冷的－25 ℃蒸發(fā)制冷量需求為2 035 kW。

－40 ℃對應(yīng)的蒸發(fā)壓力約0.12 MPa， 壓縮至1.5 MPa供用戶使用，壓縮比約為12.5。 螺桿壓縮機壓縮比為5～9， 因此必須配備電動機額定功率分別為400、315 kW的兩級壓縮機組。 冷媒用戶－25 ℃蒸發(fā)制冷工藝的蒸發(fā)壓力為0.3 MPa，在同樣的排氣壓力下，壓縮比為5，相差一倍。 因此冷媒用戶供冷過程中，存在人為提高蒸發(fā)壓力且電功消耗存在極大浪費的不合理現(xiàn)象。

經(jīng)分析， 該公司制冷流程結(jié)合R32的蒸發(fā)溫度和壓力可以分為兩個梯度蒸發(fā)制冷，原工藝介質(zhì)液化采用－40 ℃蒸發(fā)工藝，蒸發(fā)壓力為0.15 MPa；冷媒系統(tǒng)供冷則采用－25 ℃蒸發(fā)制冷工藝， 蒸發(fā)壓力為0.3 MPa。

2 國產(chǎn)化改進方案及實施情況

結(jié)合原有壓縮機的使用經(jīng)驗，該公司技術(shù)人員分析原有壓縮機的問題后，出于降低檢修故障率、安全環(huán)保提標、節(jié)能降耗的需求，結(jié)合公司整體冷量平衡，經(jīng)多方調(diào)研，優(yōu)化冷量布局、合理梯級利用冷量， 并在設(shè)備結(jié)構(gòu)方面做優(yōu)化更新：新增一臺國內(nèi)某品牌單級螺桿壓縮機， 進口壓力0.25 MPa，排氣壓力1.50 MPa，壓縮比為6，該機組采用單級壓縮，專供冷媒系統(tǒng)使用。 相比原配組雙級螺桿機組，可減少一臺制冷量400 kW的壓縮機，大幅減少電能消耗。

該品牌壓縮機使用原材料檔次較高，除了機殼與合資品牌一樣為球墨鑄鐵外，壓縮機轉(zhuǎn)子采用鍛鋼加工，使用刀具為瑞典專用刀具，壓縮機車間均為最先進的加工中心， 并配備有母床、三坐標檢測儀等高端設(shè)備。 在產(chǎn)品檢驗方面擁有多種規(guī)格的專用轉(zhuǎn)子間隙調(diào)整檢測儀、擁有多功能三坐標儀、對原材料的機械性能試驗也有專門的檢驗檢測設(shè)備，現(xiàn)場產(chǎn)品零部件標識齊全并有跡可循， 產(chǎn)品加工單簽名和檢測數(shù)據(jù)均有效流轉(zhuǎn)，為零部件的可靠性提供了有力保障。 壓縮機的設(shè)計、制造按照API 619執(zhí)行，采用變頻調(diào)節(jié)，能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍（30%～100%）的節(jié)能調(diào)節(jié)。 具體機械和工藝優(yōu)勢表現(xiàn)在以下幾個方面：

a. 所使用機械密封為國際知名品牌定制的波紋管密封，具有加工精度高、彈性回彈量均勻、更換動靜環(huán)方便的優(yōu)點。 該密封也可根據(jù)用戶需求定制，產(chǎn)品關(guān)鍵部件滿足需求。 相比于原合資品牌采用的普通單端面機械密封，無論是使用壽命還是防滲漏方面都有極大的改進。

b. 機組吸入口前的氣液分離器由單只臥式分離器改為兩只串聯(lián)式立式分離器，大幅降低了液位波動時容易引起氣液分離器液位高而造成冰機跳機的風(fēng)險。

c. 針對冬季低溫天氣長時間停機導(dǎo)致的氟利昂R32易溶解在潤滑油中，造成潤滑失效，啟機時，使轉(zhuǎn)子軸承部位磨損的情況。 在國產(chǎn)化應(yīng)用改造中， 該公司工程技術(shù)人員經(jīng)過充分研究、論證，決定在壓縮機轉(zhuǎn)子鍛鋼加工成型后，在型線表面和軸頸部位采用激光熔覆技術(shù)使材料表面硬度增強到HRC55以上，大幅提高了抗磨性能。

d. 油冷卻器換熱面積在原計算書的基礎(chǔ)上提高至150%， 最大可能避免了夏季高溫天氣時，因油冷卻器換熱面積不夠引起潤滑油溫度高導(dǎo)致的機組跳機現(xiàn)象。

e. 常用的熱力式油溫三通閥，易卡死、反應(yīng)滯后， 容易造成機組運行過程中油溫異常跳機。在此次新項目改造中， 選配氣動式調(diào)節(jié)閥組，提高了可靠性和穩(wěn)定性。

f. 機組配備的油泵方面， 此次改造采用最先進的軸頭螺桿泵主泵+電機驅(qū)動輔泵技術(shù)， 主泵采用軸頭螺桿泵。 開機前啟動輔泵，機組正常運行后，輔泵停泵，此時主泵軸頭泵隨陽轉(zhuǎn)子一同運轉(zhuǎn)，負責(zé)供油。 螺桿泵相較于齒輪泵，具有流量平穩(wěn)、壓力脈動小、有自吸能力、噪聲低、效率高、壽命長且工作可靠的優(yōu)點，螺桿泵依靠密閉容積的移動來工作，不存在閉死容積，因而不存在因困油引起的噪音和運轉(zhuǎn)不平穩(wěn)，且輸送介質(zhì)時不形成渦流、維修簡便，節(jié)能和降材效果顯著［3］。 此項技術(shù)的應(yīng)用不僅減少了油泵電功消耗，還提高了機組運行可靠性。

g. 工藝流程方面，推進冷量梯級利用技術(shù)，將原設(shè)計中蒸發(fā)器－40 ℃梯級使用，一部分低溫工藝介質(zhì)采用原有兩級壓縮制冷工藝，液相R32在－40 ℃蒸發(fā)后將需要低溫冷卻的工藝介質(zhì)冷卻到－30 ℃液化， 另一部分直接采用一級壓縮制冷工藝， 液相R32在－25 ℃蒸發(fā)后用于－15 ℃冷媒系統(tǒng)冷卻降溫，由于該部分R32壓縮比減半，壓縮機僅需單級壓縮就可以滿足工藝需求， 僅需一臺電動機驅(qū)動，在同樣滿足工藝需求的前提下，大幅減少了用電量，提高了冷量合理利用率（圖1）。

圖1 冷凍系統(tǒng)用戶分布圖

冷媒系統(tǒng)優(yōu)化后， 單級壓縮制冷工藝如圖2 所示。 蒸發(fā)器用戶出口的－25 ℃的氣相R32進入氣液分離器和吸氣過濾器后，經(jīng)過單級壓縮進入兩級油分離器，高壓氣態(tài)R32進入冷凝器冷凝液化后存入儲液器中， 在壓差的作用下進入經(jīng)濟器殼程， 從殼程引出一小部分R32 經(jīng)節(jié)流降壓后進入經(jīng)濟器的管程蒸發(fā)后并入壓縮機吸氣口， 使得主流程殼程液態(tài)R32 的溫度降低，低溫的R32 液體進入冷媒蒸發(fā)器用戶，在冷媒蒸發(fā)器中0.3 MPa 蒸發(fā)至－25 ℃的氣相R32 完成換熱后再次進入下一個壓縮機壓縮循環(huán)。

圖2 改造后的冰機流程簡圖

3 改造后效益和性能對比

3.1 性能測試

國產(chǎn)化壓縮機應(yīng)用改造方案經(jīng)過詳細設(shè)計、制造、安裝、調(diào)試后開機成功連入系統(tǒng)帶負荷運行。 經(jīng)過一段時間的運行，機組進行了滿負荷測試，目前該壓縮機帶4臺冷媒換熱器，這4臺蒸發(fā)器所需制冷量合計140 kW， 壓縮機設(shè)計制冷量148 kW，這4臺蒸發(fā)器占機組設(shè)計負荷的95%，壓縮機實際運行滑閥90%，滿足設(shè)計負荷能力測試。機組運行穩(wěn)定，各儀表參數(shù)在指標范圍，主要工藝參數(shù)，控制點指標符合要求，滿足設(shè)計要求。

3.2 運行成本效益

同等制冷量（1 440 kW）情況下，原冰機的COP值（機組制冷量與機組能耗之比）約為1.65，則需電機功率約1440÷1.65=872 kW。 本項目投運后，實測電機功率為710 kW，預(yù)計每小時節(jié)約電量162 kW·h，工業(yè)用電價格按照每千瓦時0.70元計算，每年可節(jié)約運行費用90.72萬元。

4 項目改造經(jīng)驗借鑒

由于國產(chǎn)化噴油螺桿壓縮機在某公司制冷工況首次使用，在本次改造中該公司先后對原設(shè)計工藝做出如下改進，值得同行借鑒：

a. 在壓縮機機頭關(guān)鍵部件的制作環(huán)節(jié)，采用獨有的加工工藝，壓縮機轉(zhuǎn)子鍛鋼加工后均在型線表面和軸頸部位經(jīng)激光熔覆來提高其硬度。

b. 關(guān)鍵部件均選用全球先進品牌。

c. 使用約翰克蘭定制的波紋管機械密封，具有加工精度高、彈性回彈量均勻和更換動靜環(huán)方便的優(yōu)點。 該密封也可以根據(jù)用戶需求定制，產(chǎn)品關(guān)鍵部件滿足需求。

5 結(jié)束語

在總結(jié)德國進口某品牌螺桿制冷壓縮機歷史運行記錄的基礎(chǔ)上，在新項目建設(shè)中，有針對性地進行國產(chǎn)化應(yīng)用改造，從項目投產(chǎn)后的效果來看， 無論是在機組和系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性上，還是日常維護成本方面， 都取得了較明顯的改善，極大地提高運營績效。 更重要的是，維持生產(chǎn)系統(tǒng)同負荷工況的冷量平衡上，所需的電耗明顯降低，取得很好的節(jié)能效果。 改造過程中的工藝設(shè)計優(yōu)化、結(jié)構(gòu)設(shè)計選型、控制方式優(yōu)化和聯(lián)鎖保護優(yōu)化經(jīng)驗，可為其他相似工況提供參考，同時也為噴油螺桿壓縮機應(yīng)用在其他易汽化介質(zhì)積累寶貴的經(jīng)驗。