热气旁通在凝汽式汽轮机驱动螺杆制冷压缩机中的应用

刘 辉

(大连冷冻机股份有限公司，辽宁大连116033)

目前，螺杆制冷压缩机的驱动通常采用电动机驱动，结构简单，体积小、效率高、寿命长、可以轻松实现高速驱动。采用汽轮机来驱动也是可行的，一般都是采用背压式汽轮机来驱动，简单可靠，安装方便，而采用凝汽式汽轮机驱动螺杆制冷压缩机则复杂得多。由于汽轮机可以调节转速，所以对整个系统的能级调节不再使用压缩机自带的能级滑阀来调节，而采用通过汽轮机的转速调节来调节能级。然而，为了避免汽轮机出现振动及避开临界转速，一般汽轮机的转速都控制在一定范围内自动调节，大约在额定转速的60% ～100%运行，而制冷系统中负荷的波动范围一般都比较大，这样就不能保证在用户负荷在100%～10%无级可调。同时汽轮机开机前一般都要经过较长时间的暖机，正常运行后也不希望负荷来回波动，更不希望频繁开停机，为满足用户负荷100%～10%无级可调要求且保证汽轮机平稳连续运行，设计一套热气旁通机构即可实现。本文详细介绍了热气旁通在凝汽式汽轮机驱动螺杆制冷压缩机中的应用实例，供用户或设计者参考。

1 汽轮机的结构及工作原理

汽轮机是将蒸汽的热能转换成动能，然后转化成机械能的蜗轮式机械。在汽轮机中，蒸汽在喷嘴中发生膨胀，压力降低，速度增加，热能转变为动能，推动转子旋转，动能转变为机械能。由于动能转变为机械能的方式不同，便有不同工作原理的汽轮机，可分为冲动式汽轮机和反动式汽轮机。由于进入汽轮机的蒸汽热力特性不同，便有不同形式的汽轮机，可分为凝汽式汽轮机和背压式汽轮机。排汽在低于大气压力的真空状态下进入凝汽器凝结成水，称为凝汽式汽轮机。排汽大于大气压力，排汽全部供热用户使用。当排汽作为其他中、低压汽轮机的工作蒸汽时，称为背压式汽轮机，亦称前置式汽轮机。

汽轮机本体主要由静子和转子两大部分组成。静子包括汽缸、隔板、静叶栅、进排汽部分、端汽封以及轴承、轴承座等。转子包括主轴、叶轮、动叶片(或直接装有动叶片的鼓形转子，整锻转子)和联轴器等。为了保证安全和有效工作，汽轮机还配置有调节安全系统、油系统及各种辅助设备等。

2 螺杆制冷压缩机的能级调节

螺杆制冷压缩机属于容积式压缩机，优点突出，其中一个显著特点就是可实现能级的无级调节。一般有以下三种方式来调节能级:

1.滑阀控制:压缩机自带滑阀调节机构，通过油压来驱动油活塞来回运动，从而拖动滑阀移动，滑阀的移动可使部分吸入气体不被压缩，能级可以从100% ～10%无级调节;

2.转速调节:压缩机的输气量与压缩机的转速成正比，可以通过变频电机或变频器来改变压缩机的转速，达到调节能级的目的，同样调节汽轮机的转速也可以达到调节能级的目的;

3.热气旁通:将压缩机排气(热气)节流降温后回到压缩机的吸气口，增加压缩机的吸入量，相当于压缩机排气直接导流到吸气，压缩机做无用功，制冷剂不参与到系统制冷循环中。

3 热气旁通的应用实例

陕西某化工厂订购了一套采用全凝式汽轮机驱动的螺杆压缩机制冷系统，系统以R717作为制冷剂，要求最大制冷量9200 kW，正常7600 kW，系统的蒸发温度为1℃，对应的压力为446 kPa(A)，冷凝温度为40℃，对应压力为1556 kPa(A)。选用K50螺杆制冷压缩机，理论输气量为9388 m3/h，在名义工况下，压缩机转速为1500 r/min时制冷量9200 kW，轴功率 1900 kW，配用凝汽式汽轮机NK25/28/25，额定功率2000 kW，最高转速11025 r/min，为避免振动和临界转速区域，汽轮机转速范围设定在7350～11025 r/min。汽轮机转速在11025 r/min时，通过齿轮箱变速后对应压缩机的转速为1500 r/min，此时为最大负荷;汽轮机转速在7350 r/min时，对应压缩机的转速为1000 r/min，即系统的负荷只能在67%～100%通过汽轮机的转速无级调节，当系统负荷降低到67%以下时，汽轮机的转速将随之降低，汽轮机将出现喘振现象，汽轮机将不能正常运行，此时开启热气旁通机构，将压缩机排气(热气)节流降温后回到压缩机的吸气口，使汽轮机的转速维持在7350 r/min以上。

图1 热气旁通机构Fig.1 Hot gas by pass mechanism

旁通量的多少由用户的负荷来自动匹配，主要反映在系统吸气压力的变化上。当系统需求冷量大于6440 kW，采用调节汽轮机转速控制压缩机吸气压力稳定在设定值控制范围内［446 kPa(A)～426 kPa(A)］，当系统需求冷量小于6440 kW时，汽轮机转速稳定在7350 r/min，通过热气旁通调节机构控制压缩机吸气压力稳定在［400 kPa(A)～420 kPa(A)］，此时，系统负荷可以变化，而汽轮机的转速没有变化，变化的只是旁通量。

热气旁通调节机构由热气旁通调节阀和喷液调节阀组成，热气旁通调节阀的开度通过压缩机吸气压力伺服调节，当系统需求制冷量降低，系统提供制冷剂氨蒸汽量减少，压缩机吸气压力将会降低，当吸气压力降低到400 kPa(A)时，热气旁通主阀的电磁导阀和喷液管线的电磁阀同时打开，热气旁通调节阀的压力导阀通过感知吸气管线压力的变化自动调节热气旁通调节阀的开启度，喷液调节阀则会根据热气旁通阀节流后气体的过热度自动调节喷液量，确保旁通的过热氨蒸汽和喷入的氨制冷剂液体在混合器混合后，温度降低至5～15℃，然后进入压缩机的吸气管路。具体流程见图1。

4 热气旁通机构调试方案

设置热气旁通机构，首次调试是非常重要的，由于系统比较庞大，热气旁通量也很大，如果调节阀的开度或开启压力与系统不匹配，将导致汽轮机不能正常运行。如下程序是首次调节方案，经现场调试，满足设计要求。

1.确认已关闭手动节流阀和已开启热气旁通用供液手阀;

2.关闭电磁阀1和2前的手动角阀(共2个);

3.逆时针旋转CVC阀调节杆到头，然后顺时针拧CVC调节杆到头，记下圈数n(顺时针拧的圈数);

4.CVC 阀调整范围为 －0.045 ～0.7 MPa，计算每圈对应压力(0.745 MPa/n);

5.大致估算出需要调整的圈数m(0.3/0.745×n);

6.手动调高汽轮机转速，使吸气压力恒定在0.29 MPa左右，此时EVM电磁导阀打开;

7.手动调低汽轮机转速，使吸气压力恒定在0.3 MPa;

8.缓慢逆时针旋转开启背压调节阀(CVC)调节杆，旋转圈数应接近步骤5计算出的圈数m，当听见PM阀有气流通过的声音，停止调节(CVC)调节杆，此时CVC阀的开启压力已调定，以后不用再调节;

9.顺时针旋转2个热力膨胀阀(TEA85－85)的过热度调节杆约16圈，调节过热度到最大值;

10.开启电磁阀1前的手动角阀;

11.开启电磁阀2前的手动角阀;

12.观测吸气温度是否正常，观测压缩机是否带液;

13.如一切正常，将系统改为自动运行。

5 结论

通过陕西某化工厂的应用实例说明，螺杆制冷压缩机不仅可用电动机驱动，用凝汽式汽轮机驱动也是可行的。由于制冷系统的负荷波动范围比较大，且系统的负荷一般都采用汽轮机的转速来调节，用凝汽式汽轮机驱动时需要考虑用户负荷波动对汽轮机运行的影响。经过实例证明，通过热气旁通机构，完全可保证凝汽式汽轮机驱动的螺杆制冷系统平稳连续运行。

［1］邢子文.螺杆压缩机—理论、设计及应用［M］.北京:机械工业出版社，2000.

［2］侯曼西.工业汽轮机［M］.重庆大学出版社，1995.