螺杆式蒸汽压缩热泵系统性能试验研究

肖芳，刘常峰，姚同林

（中国船舶重工集团公司第七一一研究所，上海201108）

螺杆式蒸汽压缩热泵系统性能试验研究

肖芳*，刘常峰，姚同林

（中国船舶重工集团公司第七一一研究所，上海201108）

螺杆式蒸汽压缩热泵系统是一种以螺杆式压缩机为核心设备的蒸汽能量利用装置，在研制阶段进行全蒸汽工况试验测试，将有利于产品的性能预测和设计开发，并有效规避风险。本文进行了螺杆式蒸汽压缩机热泵系统全蒸汽工况的试验研究。实验结果表明，无油双螺杆压缩机在高温蒸汽压缩工况下性能表现出色，在较高压比时能效系数仍能达到4.0以上。在压缩过程中提高转速，转速每提升500 r/min，容积效率可提升约5%。对压缩腔内进行喷液也可有效提升机组的效率，在连续补液的情况下，容积效率普遍有20%左右的提升。可通过进气压力较低工况下实验结果，来预测相同压比下进气压力较高工况下的机组性能。

螺杆压缩机；热泵；系统性能

0 引言

热泵技术是近年来在全世界倍受关注的新能源技术[1]。国内对热泵系统和工质的研究也开展得十分广泛[2-8]。吸收式和蒸汽压缩式是目前热泵技术最主要的两种类型。热泵技术的研究主要集中于制冷的反向利用，采用的介质主要为氨水、R123、R245fa等制冷介质[9]。而在工业应用领域，作为最普遍的能量形式的水蒸汽用能领域，采用热泵技术实现蒸汽的回收利用有着广阔的应用前景[10]。

螺杆式蒸汽压缩热泵系统是一种以螺杆式压缩机为核心设备的蒸汽能量利用装置。其中，螺杆式压缩机组是最为关键和核心的设备。由于独特的结构特征，双螺杆压缩机是最适宜的水蒸汽压缩机[11]。然而，鉴于蒸汽工况高温、高压的特殊性，目前国内该装置的实际工程化应用案例并不多。高温大压比的压缩机的研制进展缓慢[12]。

近年来，国内一些高端工艺螺杆压缩机产品的制造商开始逐步涉猎节能领域[13-14]。为使螺杆式压缩机组能适应高温高压蒸汽工况的应用，针对机组的主机结构、轴承、轴封关重部件及机组的系统设计，均需进行相应的关键技术研究和优化。然而，由于缺乏足够的实际工况的应用数据和工程化应用的经验，产品的应用存在较大风险。因此，搭建可模拟实际工况的试验台，并对产品的主要性能参数进行系统的测试和分析，对后续产品的工程化应用具有十分重要的意义。

1 试验台的搭建

为满足产品开发过程的试验要求，本文搭建了一套可实现水蒸汽工质全工况试验的平台。试验台现场照片如图1。该平台主要由螺杆式蒸汽压缩热泵系统模块、蒸汽发生系统模块和控制采集模块组成。其主要组成部件如图 2。其中，螺杆式蒸汽压缩热泵系统模块由高温工艺螺杆压缩机主机、齿轮箱、主电机、完整的气液系统及管路、完整的油路系统及管路、完整的轴封系统及管路、PLC控制柜、变频柜等完整部件的产品样机构成。蒸汽发生系统模块由分离稳压器、减温稳压器、水泵机组、完整的气液系统及管路等组成。数据采集系统由压力变送、热电阻、流量计、振动分析仪、噪声分析仪等测量和采集设备组成，并将采集数据传输至试验中控台。

该试验台主要可实现以下几项功能：

1） 通过螺杆式蒸汽压缩热泵系统产品样机向系统内输入能量，通过入口喷水进而产生水蒸汽，最终实现全工况的水蒸汽运转状态，即水蒸汽含量达到99%以上；

2） 通过螺杆式蒸汽压缩热泵系统产品样机的自带变频器，实现压缩机转速调节，从而实现气量调节；

3） 通过试验平台排气调节阀开度控制，实现压缩机排气压力的调节，从而实现出口蒸汽饱和温度调节；通过试验平台减压调节阀开度控制，实现压缩机吸气压力调节，从而实现入口蒸汽饱和温度调节；

4） 通过螺杆式蒸汽压缩热泵系统产品样机的压缩机入口喷液量调节，实现压缩机出口过热或饱和状态调节；通过试验平台过热调节阀开度调节，实现压缩机入口过热度调节；

5） 通过温度、压力、流量、振动和功率等采集设备，测试不同工况下压缩机主机的性能参数，观察轴承、轴封等关重部件的运行情况。

图1 试验台实物照片

2 试验过程

螺杆式蒸汽压缩热泵产品样机的试验主要包括：机械运转测试、热磨合测试和性能测试。机械运转和热磨合测试采用空气介质进行试验，机械运转测试主要考察产品在额定运行转速下的机械运转情况。热磨合测试以空气为试验介质，通过合理的升温试验流程，对主机的热态间隙进行检验及磨合。在完成机械运转和热磨合测试后，产品样机转入全蒸汽工况试验台进行性能测试。性能测试主要考察在蒸汽为介质的工况下的螺杆式蒸汽压缩热泵系统的性能表现，如机械运转、主机气量、消耗功率、效率和密封轴承的运行情况等。最终依据测试数据，绘制产品的性能曲线，确定产品的最优运行工况区间。同时也为产品的优化改进提供依据。

本文介绍的试验中采用的样机为自主开发和制造的无油双螺杆压缩机，阳转子直径为255 mm，长径比为1.1，内容积比为2.0，主机的额定转速为6,000 r/min，采用变频电机进行转速调节。在压缩机入口处，设有喷液装置，对主机喷冷却水，以调节控制排气温度。在测试的过程中，压缩机介质为水蒸汽含量达到95%（体积分数）以上水与空气的混合物，基本认为测试工况为全水蒸汽工况。为了考察蒸汽压缩机的性能表现，本研究对样机进行了变转速、变进排气压力以及变喷液量的工况试验。通过分析这些数据，总结出转速、压比、进气压力以及喷液量对蒸汽压缩机容积效率和绝热效率等性能的影响。研究结果为确定该类产品的使用工况范围、性能提升提供依据。

针对该样机，主要收集了以下3种工况的性能参数：

1） 在恒定压力下，调节主机转速，观察主机吸气量及电机功率的变化情况；

2） 在恒定转速下，调节压比和压差，观察主机吸气量及电机功率的变化情况；

3） 在恒定的转速和压力下，调节喷液量的变化，观察主机吸气量及电机功率的变化情况。

3 数据导出及试验结果分析

3.1 数据导出

试验中进气体积流量和轴功率是主要采集数据。试验平台通过螺杆压缩机做功不断产生水蒸气，并将系统中的空气置换出来，从而不断提高蒸汽含量。当蒸汽含量足够高时，即认为置换结束。为保证所测压缩机性能更接近纯蒸汽条件下的运行性能，要求蒸汽纯度必须达到99%以上。从而确保由此带来的轴功率、进气量的相对误差低于0.1%。

进气流量由孔板式流量计进行测量，由标准孔板、压差变送器以及温压补偿用的压力变送器、热电阻组成。孔板前后直管段长度分别超过管道通径的10倍和5倍，因此流量测量误差主要来自仪表测量误差。仪表量程及精度如表1。

表1 主要仪表量程及精度

经综合分析，各工况下进气量的测量相对误差均不超过1%。

3.2 转速对效率的影响

在测试过程中，缓慢将转速从3,600 r/min提升至5,700 r/min，保持进气压力在0.1 MPa(G)、排气压力在0.6 MPa(G)，压比为3.5左右。

测试发现，压缩机的容积效率和绝热效率随着转速的升高而有显著的增加。在本次样机的测试中，将转速每提升500r/min，容积效率可提升约5%，如图3。这是由于提高齿顶速度后，通过压缩机各间隙处的气体相对泄露量将会减少，同时也就提高了压缩机的容积效率[15]。而在本样机的测试过程中，这种现象更为明显。

图3 转速与效率变化关系

3.3 压比和压差对效率的影响

在此次试验中，将压比从1.47逐步升高到3.59。从测试的数据来看，总体上，随着压比的升高，主机的容积效率和绝热效率都出现逐步下降的趋势。特别是绝热效率在压比达到2.68之后，下降十分明显，如图 4。可能的原因分析如下。压比的增加，使得主机内部的泄露增加，造成容积效率和绝热效率的下降；由于样机主机的排气孔口是按照内容积比在2.0左右的参数设计的，按蒸汽的绝热指数为1.33计算，内压比约为2.5左右，当外压比超过2.5时，逐渐形成过压缩。当实际超过2.5越大时，过压缩越严重，绝热效率下降的趋势越明显。

图4 压比与效率变化关系

对螺杆式蒸汽压缩热泵系统的能效比（Coefficient of Performance，COP）进行了计算。在计算制热量时，采用的是压缩机出口压力下的饱和蒸汽与饱和水的焓差作为依据，消耗能量依据的是压缩机的电机功率。在压比达到3.6时，样机的COP值仍然可大于4.0（见图5）。

图5 压比与COP变化关系

当压比均在3.5左右时，进气压力为0.1 MPa(G)与进气压力为0.2 MPa(G)相比，进气压力越高，转速对容积效率和绝热效率的影响越大，如图6和图7。当压缩机转速从4,200 r/min升高到 5,700 r/min时，进气压力为0.1 MPa(G)时的容积效率提高了16.1%，绝热效率提高了11.1%；进气压力为0.2 MPa(G)时的容积效率仅提高了22.2%，绝热效率提高了14%。

图6 不同进气压力转速与容积效率的变化关系

图7 不同进气压力转速与绝热效率的变化关系

从测试结果可以看出，在压比为3.5时，在相同的转速下，进气压力越大，容积效率和绝热效率越低。这是因为压比相同时进气压力越大，造成进排气压差越大，从而导致泄漏量增加，容积效率降低；但是从测试的情况来看，这种变化引起的容积效率下降并不明显。但是在个别情况，如 5,700 r/min时，入口为0.2 MPa(G)的工况点容积效率较高，主要是由于测试过程中补液量增大，进而提升了该点的效率。

3.4 喷液量对效率的影响

由于入口喷液的计量数据并不完全，且热泵系统中自带气液分离的循环喷液装置，本次测试只能将测试结果分为连续补液和不补液两组情况。这两种操作的区别在于，打开补液，将较大地增加主机入口的喷液量；而关闭补液，主机入口仅依靠少量的循环喷液进行喷液。由图8可以看出，补液的效果十分明显，在连续补液的情况下，容积效率增加20%左右。采用湿压缩的过程可以降低压缩功耗，提高蒸汽压缩机运行的可靠性和效率[16]。

图8 不同喷液量与容积效率的变化关系

4 结论

1） 在轴承和轴封等其他设计和应用条件允许的前提下，提升转速无疑是最经济的提升单机气量和效率的有效手段。由于泄露通道的泄露特性，这种特性在小型机组中更为明显。

2） 无油螺杆压缩机在蒸汽压缩的领域非常适合在单级压比较高的场合下应用，虽然高压比会造成容积效率和绝热效率的下降，但是COP值仍然可以保持在较高的水平。因此，单级即可实现高压比、高温升和较高的COP值，这是螺杆压缩机在蒸汽热泵应用领域非常大的优势和特点。

3） 压差即吸气压力对机组的效率有一定影响，但是从本次试验情况来看并不明显。因此，建议进行多组测试的论证；这样可以通过进行较低的进气压力、相同的压比工况来考察一些进排气压差较高的工况设下的性能参数，供选型设计时对效率预测的参考。

4） 喷液对主机的效率影响非常显著，这也是螺杆式压缩机作为蒸汽压缩机非常大的优势，而且喷入的液体可以作为副产，增加了出口的蒸汽质量流量，是一种非常经济的方式。

5） 由于试验测试的温度均未超过200 ℃，在设计中并未考虑在高温下热变形对螺杆压缩机主机的变形问题。在实际的蒸汽工况应用中，蒸汽管网中、高压的工况下，工作温度将超过300 ℃。由于螺杆主机的特殊结构，壳体的不规则变形可能会带来转子热态间隙的不确定性，主机进出口短接的位移，主机底脚的变形位移，主机轴伸端的变形等一系列的问题。这些问题值得重视和认真考虑。

[1]陈成敏.高温热泵技术及系统性能研究[D].天津:天津大学, 2012.

[2]马利敏,王怀信,杨强.高温热泵系统稳态仿真[J].太阳能学报, 2011, 32(8): 1144-1150.

[3]李忠建,张吉礼,陆亚俊.整机性能的高温热泵换热器设计[J].哈尔滨工业大学学报, 2009, 41(2): 112-115.

[4]蔡晶晶,陈汝东.混合式土壤源热泵系统在夏热冬冷地区的应用分析[J].制冷技术, 2009, 29(3): 15-20.

[5]李达,梁彩华,蒋东梅,等.热源塔热泵溶液低压沸腾再生装置性能研究[J].制冷技术, 2017, 37(2): 25-31.

[6]许广珍,刘翔,徐德良,等.高温热泵在木材加工行业中的应用[J].实用节能技术, 2015(1): 73-76.

[7]陈恒,张世程,孙鹏,等.中高温热泵技术在工业余热回收中的应用[J].中外能源, 2013, 18(11): 94-97.

[8]王攀,王泳涛,王宝玉.基于热泵回收余热的热电厂能耗分析方法研究[J].太阳能学报,2015,36(9):2217-2223.

[9]刘炳坤,龚宇烈,陆振能,等.用于高温热泵蒸汽系统的集中工质循环性能[J].可再生能源,2015,3(12):1755-1761.

[10]王如竹,王丽伟,蔡军,等.工业余热热泵及余热网络化利用的研究现状与发展[J].制冷学报,2017,38(2):1-10.

[11]赵兆瑞,唐昊,沈九兵,等.双螺杆压缩机及膨胀机在高温热泵与能量回收系统中的应用[J].制冷技术,2014, 34(8): 43-48.

[12]姚远,龚宇烈,陆振能,等.高温热泵及热泵蒸汽机的研究进展[J].新能源进展, 2014, 2(3): 190-196.

[13]蔡宏,杨毅,刁安娜.工艺螺杆压缩机节能减排技术的研究[C]// 2011压缩机技术学术会议论文集.合肥:合肥通用机械研究院, 2011: 364-372.

[14]陆征.论螺杆压缩机在焦炉煤气回收领域中的应用[J].化工设备与管道, 2016, 53(2): 43-45.

[15]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: 199.

[16]张良,徐士鸣.湿蒸汽两相压缩过程工作特性理论研究[J].节能技术, 2006(3): 99-102.

Experimental Study on Performance of Screw Type Steam Compression Heat Pump System

XIAO Fang*, LIU Changfeng, YAO Tonglin
(Shanghai Marine Diesel Engine Research Institute, Shanghai, 201108)

The screw type steam compression heat pump system is a steam energy utilization device with screw compressor as the core equipment. In the development stage, the steam test is conducive to product performance prediction and design development, which can effectively avoid risks. In this paper, the experimental study on the steam condition of the screw type steam compression heat pump system is carried out. The test results show that oil free twin-screw compressor performswell under high temperature steam compression condition.The coefficient of performance can still reach more than 4.0 at high pressure ratio. In the compression process to improve the speed, when speed is increased by 500 r/min, the volumetric efficiency can be increased by about 5%.The injection to the compression chamber can also effectively improve the efficiency of the unit. In the case of continuous fluid infusion, the volume efficiency is generally improved by about 20%. The performance of the unit under the operation conditions with the same pressure ratio but higher inlet pressure can be predicted by the test results under the operation condition with lower inlet pressure.

Screw compressor; Heat pump; System performance

10.3969/j.issn.2095-4468.2017.05.108

*肖芳（1983-），女，高级工程师，硕士研究生。研究方向：螺杆机械产品。联系地址：上海市闵行区华宁路3111号711研究所螺杆机械事业部，邮编：201108。联系电话：13916418273。E-mail：13916418273@163.com。