微精选

近年来,随着建筑规模和空调负荷的不断增长,单台制冷量大、部件少、机组简单的大型并联制冷系统得到长足发展,已成为现代中央空调的主流形式之一[1]。所谓并联制冷系统,是指由若干台制冷压缩机并联运行、共用一个冷凝器和蒸发器的制冷系统。与传统单机系统相比,并联系统在满足大空间制冷的同时,还具有部分负荷高效运行、台数可灵活配置、检修方便等优势[2]。

但并联系统也面临着运行工况复杂、可靠性要求高等技术难题,压缩机回油不畅是最为突出的问题之一。由于管路较长,且平行支路间存在一定的压差,导致部分压缩机得不到及时稳定的润滑油供给,引发气蚀、烧瓦等故障。有统计表明,约30%的空调机组因回油问题导致压缩机损坏[3]。因此,研究并联机组高效可靠的回油方法,对于提升系统运行质量具有重要意义。

目前,国内外学者针对并联机组回油难题开展了大量研究。Peuker等[4]分析了并联机组油循环不畅的机理,指出单元间负荷分配不均是导致回油失衡的根本原因。Yun等[5]通过试验对比了不同回油方式的效果,发现差压控制回油能显著改善油液分布,减少压缩机磨损。李华等[6]针对气流驱动回油易受工况波动影响的不足,设计了兼具电动泵强制回油功能的新型系统,实现了全工况可靠回油。

尽管现有成果从理论和实践上深化了对并联机组回油问题的认识,但针对不同应用场景,系统阐述回油方法的选型指导和系统设计要点的文章还不多见,工程实施中仍存在较大的随意性和盲目性。鉴于此,本文拟在梳理现有回油技术的基础上,从工程应用的视角,对比分析不同方案的技术特点和实施要点,总结工程应用经验,以期为从业者提供系统指导,为并联机组的优化设计和高效运行提供参考。

回油对于任何压缩机都至关重要,但对于并联压缩机,回油更是头等大事。这是因为:其一,大型并联系统的管路更长,运行工况波动更大,油液更易滞留在管路死角;其二,并联机组往往负荷变化频繁,且分配不均,部分机组长期低负荷运行,回油难度更大;其三,油液在并联支路间分配不均,个别压缩机“油多“,”油少“,[7],既影响润滑效果,又降低了换热效率。

可见,并联机组回油的必要性主要体现在:
1.保证压缩机的充分润滑,减少磨损,延长使用寿命;
2.维持系统内油量平衡,减少油液积聚,提高传热效率;
3.适应负荷波动工况,在满足润滑需求的前提下,最大限度地减少油量;
4.实现主机间油量均衡,避免个别机组“滥用“或“滥节“。

(二)回油的困难性
与单机系统相比,并联机组回油之所以更加困难,主要有以下原因:
1.并联机组的冷凝器和蒸发器管路更长,阻力更大,油液回流不易。如果采用气流驱动,回油压差不足;若采用泵送,投资和运行成本大幅增加[8]。

2.并联支路间存在压差,使得高压机组向低压机组渗油,支路间油量失衡,个别机组“油多油少“并存。压差越大,失衡越严重[9]。

3.机组切换频繁,且不同机组间的制冷量差异大,使得系统工况不稳定,油量需求变化大。定量供油满足不了实时需求,定压供油又控制复杂[10]。

4.高低负荷工况下,蒸发压力差异大,使得气流驱动压差不稳定。低负荷时,蒸发温度高,气流密度小,驱动力不足;高负荷时,蒸发温度低,气流密度大,但管阻也随之增大,驱动力也减小[11]。

5.并联机组的缸数、排量可能不一致,回油均衡更难实现。小排量机组易出现回油过剩,大排量机组易出现油量不足[12]。

(二)实现方式
1.单管路回油。即油池至吸气干管间只设一根回油管。该方式结构最简单,但由于回油管路较长,沿程阻力大,压降损失明显,尤其在低负荷工况下,驱动压差更小,不能保证可靠回油。

2.双管路回油。在单管路基础上,增加一根从油池直接连至压缩机壳体的回油支管[14]。该支管径较大,内油蒸发损失小,可有效弥补干管回油量的不足。但在高负荷工况下,支管压差过大,易造成回油过量。

3.电子膨胀阀节流回油。在双管路基础上,在支管路中增设电子膨胀阀(EEV),实时调节回油量[15]。根据吸气压力和油池液位,动态调节EEV开度,高负荷时减小开度,低负荷时增大开度,在提高回油可靠性的同时,避免了油量过剩。但EEV价格昂贵,控制复杂,故障率高。

4.定压罐回油。该方式将油池设置在单独的定压罐内,通过调节罐内气压,使其高于吸气压力,同时设置限流孔板,使回油压差保持稳定[16]。该方式可克服负荷波动对回油的影响,但定压罐成本高,气压调节也不容易。

(三)适用条件
1.机组数量较少,一般不超过4台;
2.机组型号和制冷量相近;
3.机组布置较近,回油管较短;
4.负荷变化不大,蒸发温度较为稳定。

(四)控制策略
气流驱动回油量QG可按下式计算[17]:

QG=60ρvAv(2△P/ρL)0.5

式中,ρv为回油管内油蒸气密度,kg/m3;A为回油管截面积,m2;v为油蒸气流速,m/s;△P为回油管两端压差,Pa;ρL为回油管内油液密度,kg/m3。

可见,为确保回油量,应采取以下控制措施:
1.根据机组数量和型号,合理确定干管和支管的管径,保证适度的气流速度;
2.缩短回油管距离,减少沿程阻力;
3.适当降低油池液位,减小回油管内油柱高度;
4.必要时采用定压罐,维持恒定压差。

(二)实现方式   
1.定时定量控制。根据设计回油量,固定电磁阀的通断时间,同时选择合适的节流孔板,即可实现定时定量回油[19]。该方式控制简单,设备投入小,但缺乏灵活性,难以适应负荷变化。

2.油位检测控制。在压缩机曲轴箱内设置油位传感器,实时检测油位高度。当低于设定值时,打开电磁阀回油;高于设定值时,关闭电磁阀[20]。该方式可根据实际油量需求控制回油,但油位计易结垢,长期使用可靠性差。

3.液位控制器控制。在回油管路中设置机械式液位控制器,通过浮球液位检测,控制电磁阀通断。一般将开启液位设置在曲轴箱的安全液位以上,而关断液位设置在85%左右[21]。该装置结构简单,控制直观,但调节灵活性不足。

4.PLC控制。采用PLC根据压缩机油压、吸排气压力、电流等参数,动态控制回油电磁阀的通断时间和周期,实现全工况自适应回油[22]。该方式控制精准,适应性强,但投资大,需要专门的PLC控制柜。

(三)适用条件  
1.并联机组数量较多,一般在4台以上;
2.机组型号和排量差异较大;
3.机组分布分散,管路较长;
4.负荷变化大,蒸发压力波动明显。

(四)控制策略    
差压控制回油量QD按下式计算[23]:

QD=60μA[(Pc-Pe)/(ρLg)]0.5

式中,μ为流量系数;Pc为冷凝压力,Pa;Pe为蒸发压力,Pa;g为重力加速度,m/s2。

可见,影响差压回油的主要因素有:冷凝压力、蒸发压力、节流孔板面积、开启时间。其控制策略如下:
1.根据机组制冷量和油量需求,合理选择电磁阀的通径;
2.优化节流孔板的开孔数量和直径,既要保证回油顺畅,又要避免油量过大;
3.实时检测系统压力和温度,调整电磁阀的通断时间和周期;
4.设定油位上下限,超限时强制打开或关闭电磁阀。

齿轮泵置于油池底部,泵入口通过过滤器连接油池,泵出口并联连接各压缩机的回油管。泵的启停与压缩机同步,输油压力一般控制在0.3~0.4MPa[25]。

(二)实现方式
1.定时定量控制。根据系统设计油量和压缩机运行台数,设定齿轮泵的流量和启停时间,定时向各压缩机定量输送润滑油。简单可靠,但缺乏灵活性。

2.电流比例控制。在回油主管上设置压力继电器,检测回油管压力。根据压缩机运行电流大小,按比例调节齿轮泵的输油量,运行台数多、电流大时,油量增加,反之减小[26]。可在一定程度上适应负荷变化,但精度不高。

3.油位控制。在油池中设置液位计,检测油位高度。根据回油主管压力和油池液位高低,频繁启停齿轮泵,间歇回油[27]。当油池液位下降到设定值时,齿轮泵启动;上升到设定值时,停机。可避免油池液位过高或过低,但频繁启停易损坏齿轮。

4.变频调速控制。采用变频器调节齿轮泵的转速,实现无级调油。根据油池液位变化和压缩机运行台数,自动调节泵转速,使回油量与润滑需求匹配[28]。控制精度高,启停平稳,但变频器成本较高。

(三)适用条件
1.压缩机数量多,且分布分散;
2.系统管路长,阻力大;
3.压缩机型号和排量差异大;
4.蒸发温度低,气流密度小,自然回油困难;
5.高负荷连续运行工况。

(四)控制策略
齿轮泵的输油量QP按下式计算[29]:

QP=60VPηv

式中,V为泵的排量,m3/rev;P为泵的转速,rev/min;ηv为泵的容积效率。

可见,齿轮泵回油量主要取决于泵的型号和转速。其控制策略如下:
1.根据系统设计油量和管路阻力,选择合适排量的齿轮泵;
2.灵活采用变频调速,使泵转速与油量需求匹配;
3.合理设置油池液位和回油压力上下限;
4.优化齿轮泵吸排油管的布置,减少不必要的压降。

此外,在齿轮泵前设置精度高的过滤器,及时清理泵内杂质,也是保证回油可靠的关键。

六、回油方法的比选与应用

   

上述三种回油方法各有特点,在实际工程中应根据机组特性、运行工况等因素综合比选。

就能耗而言,气流驱动和差压控制属于自动调节,无需额外能耗,而强制泵送需要电动机驱动,能耗略高,但在高负荷、低蒸发温工况下,泵送能效优势明显[30]。

就可靠性而言,气流驱动受管路布置和运行工况影响大,在低负荷时回油易不足。差压控制基本不受工况影响,回油较为可靠,但电磁阀故障率高。强制泵送受工况影响小,可按需回油,但泵易磨损老化。

就经济性而言,气流驱动基本无额外投资,差压控制在电磁阀和节流孔板上有少量投资,而强制泵送需购置泵组,且能耗和维护费用高,一次性投资和运行成本均高于前两种[31]。

综合而言,对于管路较短、并联数量少(如2~4台)的小型系统,气流驱动基本可以满足;对于4台以上、管路较长的中型系统,建议采用差压控制;而对于机组型号差异大、高负荷运行的大型系统,强制泵送不可或缺。针对不同工况,可灵活组合不同方式,如低负荷采用差压,高负荷切换为泵送,兼顾了可靠性和经济性。

2.油管路设计。回油主管应布置在蒸发器的顶部,与液管并排敷设,长度不宜超过100m。立管应设置回油弯头,以防油液倒灌。根据回油方式合理确定油管管径,气流驱动宜选DN15~DN20,强制泵送选DN32及以上[32]。

3.油池设计。根据系统油量需求,设计合理的油池容积,一般按系统油量的1.2~1.5倍选取。油池应设置在机房地面以上,距压缩机不超过5m。吸油口应高出池底50mm以上,以避免吸入沉淀杂质[33]。

4.附件选型。气流驱动宜选用尾部带轻微缩口的文丘里管,缩口直径不小于2mm。差压控制选用先导式电磁阀,公称通径DN8,节流孔板孔径12mm。齿轮泵选用KCB型,流量26m3/h[34]。

5.仪表与控制。气流驱动系统控制简单,仅需在油池和吸气管设压力变送器。差压控制需设置油池液位计和回油压力开关,并配备PLC控制柜。强制泵送除液位计外,还须设置泵出口压力表和泵前过滤器[35]。

(二)施工要领      
1.油管安装。采用冷弯成型,弯曲半径不小于管径的5倍。焊接时采用氩弧焊,焊缝应饱满、均匀、无气孔、夹渣等缺陷。回油主管应设置0.3%~0.5%的坡度,坡向油池[36]。

2.油池施工。油池应采用不锈钢或碳钢焊接,所有焊缝100%射线检测,保证气密性。油池应设置钢支架,固定在稳固的基础上。人孔、放空、排污等接口须齐全[37]。

3.泵组安装。齿轮泵应水平安装在专用基座上,泵轴心与电机轴心对中,偏差小于0.2mm。泵进出口须装柔性橡胶软管,以减少共振。泵前须设40目不锈钢滤网,并在泵后装单向阀,防止停泵时倒油[38]。

4.管路冲洗。安装完毕后,油管路必须用氮气吹扫,去除灰尘、焊渣等杂质。然后用压缩机油循环冲洗,流速不低于0.5m/s,直至油液清澈、滤芯洁净[39]。

5.气密试验。采用氮气对油系统进行强度和气密试验。强度试验压力为工作压力的1.5倍,保压10min不漏气;气密试验压力为工作压力的1.1倍,保压24h压降小于0.2%[40]。

(三)运行调试      
1.油位调节。根据压缩机的油泵排量和油池容积,调节回油量,使油池液位稳定在上下限之间。一般气流驱动油位控制在20%~80%,强制泵送控制在30%~70%[41]。

2.回油压差调节。气流驱动应保证干管和支管回油口的压差在15kPa以上。差压控制节流孔板的初始孔径按设计回油量选取,实际运行时通过更换孔板微调。强制泵送出口压力应高于油池液面1m以上[42]。

3.分配比例调节。对于型号、排量不同的并联机组,应调节各压缩机回油支管的截止阀开度,使回油量与排量成正比。一般可按机组额定排气量的1%~3%配油[43]。

4.油品更换。新机组运行500h后,应更换首次过滤的油品,以后每2000~4000h更换一次。更换时先将旧油放尽,再用压缩机油冲洗系统,注入新油至油池刻度线[44]。

5.油质检测。定期取样检测油的色度、粘度、酸值、水分等指标。色度不应超过4级,粘度变化不超过8%,酸值小于0.1mgKOH/g,水分小于50ppm[45]。发现油质劣化应及时更换。

(一)回油量不足的诊断与处理
1.气流驱动。表现为低负荷时,压缩机曲轴箱油位过低,甚至低于视镜。可能原因有:油池液位过低,回油管过长,管径过小,节流孔板堵塞等。处理方法:提高油池液位,缩短管路,更换合适的节流件,清洗管路和滤网[46]。

2.差压控制。表现为电磁阀动作不灵活,回油压差不稳定。可能原因:先导阀芯卡涩,控制回路失电,系统杂质污染节流孔板等。处理方法:清洗阀芯,检查控制回路,更换节流孔板,调整PID参数[47]。

3.强制泵送。表现为齿轮泵出口压力不足,流量下降。可能原因:泵轴磨损,泵前过滤器堵塞,回油管阻塞,油品粘度过高等。处理方法:检修或更换齿轮,清洗滤芯,疏通油管,必要时降低油箱温度[48]。

(二)回油过量的诊断与处理
1.气流驱动。表现为高负荷时压缩机曲轴箱油位过高,飞溅严重。可能原因:节流孔板开度过大,定压罐气压过高,支管回油过多等。处理方法:更换小径节流孔板,降低定压罐气压,适当关小支管阀门[49]。

2.差压控制。表现为回油压差过大,电磁阀通断频繁。可能原因:节流孔板选型不当,PID控制参数失调等。处理方法:优化孔板孔径,调整PID参数,改善控制策略[50]。

3.强制泵送。表现为油池液位持续下降,压缩机排气温度过低。可能原因:齿轮泵转速过高,回油温度过低,压缩机油封失效等。处理方法:降低泵转速,提高油池温度,更换压缩机油封[51]。

(三)油质劣化的诊断与处理
表现为油色加深,析蜡析泥,粘度上升,酸值升高。一般有三种原因:一是高温分解,烃类裂解产生胶质;二是氧化酸化,生成醇、醛等极性化合物;三是吸湿,溶解水分导致乳化。处理方法:及时更换新油,清洗油路,严格油温、露点、酸碱度等指标,定期取样化验[52]。

(四)油泵故障的诊断与处理
常见的是泵不出油,振动大,噪音高,密封失效等。原因可能是:泵轴弯曲,轴承磨损,叶轮松动,机械密封失效,吸程过长,杂质进泵等。处理方法:校正泵轴,更换轴承,紧固叶轮,更换机械密封,缩短吸程,清理泵腔杂质[53]。

(二)集成化
当前,回油系统附件繁多,如油位计、压力开关、过滤器、电磁阀、节流装置等,既占用空间,又增加了安装调试工作量。未来回油系统将朝着部件集成化方向发展,将油泵、油池、油位计、油温计、压差控制阀等集成设计,形成高度集成的回油组件[55]。这不仅有利于提高安装效率,节约机房空间,还可通过减少连接件,提高系统可靠性。

(三)自适应
并联机组的台数组合、负荷分配随时间和工况动态变化,回油系统必须能够自适应调节。未来自适应回油系统不仅可根据机组的实际油耗需求,实时调整回油压差、油量分配比例,还将根据油品粘度、含水量等特性的变化,自动优化回油温度、过滤精度等运行参数[56]。通过自适应控制,实现全工况、全天候的高效回油。

(四)节能化
回油系统本身也是能耗大户,如何在保证可靠润滑的同时,最大限度地降低回油能耗,将成为未来的重要课题。气流驱动、差压控制等新型节能回油方式值得推广,同时采用变频调速、定压补偿等措施优化现有强制泵送系统,并积极探索利用冷凝热、电子膨胀阀节流冷量制取高品位油的新方法[57],都将有助于提升回油系统的能效水平。

(五)环保化
当前回油管多采用铜管,存在资源消耗大、制作成本高等问题。未来可采用塑料复合管、不锈钢薄壁管等环保经济的新型管材[58]。润滑油也将从矿物油为主,逐步过渡到合成油、生物油等环保型油品。此外,加强油品的精细化管理,建立油品全生命周期追溯和循环利用体系,减少含油废弃物的排放,也是落实绿色制冷理念的重要举措。

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