全工况高效蒸发冷螺杆并联热虹吸满液式中低温冷水机组

本发明涉及全工况高效蒸发冷螺杆并联热虹吸满液式中低温冷水机组,特别适用于出水温度在-100℃～0℃的中低温工业制冷领域。

1.目前市场上使用的单压缩机中低温工业冷水机组由一台自带一级油气分离型半封闭螺杆压缩机、一台水冷冷凝器、一台干式蒸发器、一台节能器、一台二次油分离器（无储油功能）组成，这种单压缩机中低温工业冷水机组的缺点是：

（1）部分负荷能效比（COP）低

机组运行在部分负荷时，能效比（COP）不但没有升高，反而降低，且衰减严重，机组在50%负荷下运行时，能效比（COP）仅为满负荷运行时的70%；

（2）机组能量调节范围窄

通常机组的能量调节范围为50%～100%或66%～100%，但而工艺生产线上的热负荷往往存在较大的波动，若负荷在0～50%或者0～66%之间波动时，极易造成机组频繁启停，导致冷冻水出水温度波动范围大，无法满足用户生产工艺对温度的需要，严重影响生产线生产效率和产品质量合格率；此外，机组的频繁启停造成了极大的电能浪费，造成了对电网的频繁冲击，严重影响了机组的寿命，大大增加了机组的维护保养成本；

（3）维护保养不便

压缩机为机械运转部件，不可避免的存在故障率，单压缩机工业冷水机组由于只有一台压缩机，年运行时间长，故障率高，当出现故障时，整套机组需要停机检修，相应的客户生产线也将随之停产，造成重大经济损失。

2.目前市场上使用的另一种多压缩机中低温工业冷水机组，使用两台及两台以上压缩机，每台压缩机自带一个独立的制冷回路，即每个制冷剂侧回路完全独立，但共用一套冷却水路系统和一套冷冻水路系统。此系统中每个独立的制冷回路都包含一台自带一级油气分离型半封闭螺杆压缩机、一台水冷冷凝器、一台干式蒸发器、一台节能器和一台二次油分离器（无储油功能），所有压缩机由一套微电脑控制系统控制。此系统中水冷冷凝器的结构型式有两种：1）每个制冷回路配置一台独立的水冷冷凝器；2）所有制冷回路配置一台制冷剂侧多回路、冷却水侧单回路型水冷冷凝器，每个制冷剂回路之间通过焊接盲板隔开。此机组中干式蒸发器的结构型式有两种：1）所有制冷回路配置一台制冷剂侧多回路、冷冻水侧单回路型干式蒸发器，筒体长度一半的两个部分均采用U型换热管对称布置方式，此结构只适合双压缩机头机组；2）所有制冷回路配置一台制冷剂侧多回路、冷冻水侧单回路型干式蒸发器，每个制冷剂回路之间通过平盖封头的分回路隔板隔开。这种机组安装在一个钢制底盘框架上，外观看上去为一套机组，实际上为多套机组的简单机械组合，行业内称之为“假并联机组”。这种多压缩机中低温工业冷水机组的缺点是：

（1）换热面积利用率低

当机组停掉一台压缩机时，此压缩机相对应的整个制冷回路均停止工作，水冷冷凝器和干式蒸发器的换热面积利用率也随之降低。对于双压缩机中低温工业冷水机组而言，在一台压缩机停止工作的情况下，水冷冷凝器和干式蒸发器换热面积的利用率只有50%。对于三压缩机中低温工业冷水机组而言，在一台压缩机停止工作的情况下，水冷冷凝器和干式蒸发器换热面积的利用率只有66%，在两台压缩机停止工作的情况下，水冷冷凝器和干式蒸发器换热面积的利用率只有33%，换热面积利用率的降低对机组的运行能效比（COP）极为不利；

（2）油气分离器效果差

当机组停掉一台压缩机时，此压缩机相对应的整个制冷回路均停止工作（油气分离器也不例外），导致在部分负荷下油气分离效果无法提高；

（3）机组能量调节范围窄

单台压缩机只能运行在50%～100%或66%～100%的负荷调节区间，对于双压缩机中低温工业冷水机组而言，能量调节范围可拓宽至25%～100%或33%～100%。对于三压缩机中低温工业冷水机组而言，能量调节范围可拓宽至17%～100%或22%～100%。若负荷在0～17%或者0～22%之间时，机组将无法正常连续运行。

3.现市场上使用的单压缩机中低温工业冷水机组和多压缩机中低温工业冷水机组的其它共同缺点为：

（1）满负荷能效比（COP）低

机组采用水冷冷凝器及干式蒸发器，对于水冷冷凝器，冷凝温度与空气湿球温度之间至少要保证12℃～15℃的换热温差，采用的是二次换热系统，造成了巨大的能量浪费。采用简易的不带储油空间的二次油气分离器，油气分离效果差，造成润滑油进入制冷剂系统，并在换热管表面形成油膜热阻，降低了换热效率，增加了能耗。对于干式蒸发器，由于是通过过热度来控制供液量，极易存在过度干蒸现象，并且由于润滑油进入干式蒸发器换热管后，在低温环境下极易形成粘度较大的油膜，大大降低了干式蒸发器的换热效率，增加了机组的能耗。机组压缩冷却采用喷液态制冷剂冷却，增加了机组的功耗；

（2）部分负荷能效比（COP）低

<1>对于单压缩机中低温工业冷水机组，虽然换热面积利用率为100%，但由于螺杆压缩机本身的能量调节特性，导致机组运行在部分负荷时能效比（COP）不但没有升高，反而降低，且衰减严重，机组在50%负荷下运行时，能效比（COP）仅为满负荷运行时的70%；

<2>对于多压缩机中低温工业冷水机组，由于采用多台压缩机进行顺序能量调节，提升了部分负荷的综合能效比（COP），但由于机组在部分负荷运行时，换热面积的利用率非常低，这必然导致机组部分能效比（COP）的下降；

<3>当机组在部分负荷运行时，供液量随之减少，干式蒸发器换热管内制冷剂流速降低，换热系数随着管内流速的下降而衰减，并且由于流速降低导致无法及时将换热管内沉积的润滑油带回至压缩机，大大降低了换热效率，导致了部分负荷能效比（COP）的降低。

（3）不能实现0～100%的能量调节

对于单压缩机中低温工业冷水机组，只能实现50%～100%或66%～100%的能量调节范围。对于双压缩机中低温工业冷水机组而言，能量调节范围可拓宽至25%～100%或33%～100%。对于三压缩机中低温工业冷水机组而言，能量调节范围可拓宽至17%～100%或22%～100%；

（4）启动时润滑油喷油压差建立缓慢

螺杆式压缩机为喷油式压缩机，在启动和稳定运转过程中，均需要足够量的润滑油对运转部件及啮合面进行润滑和密封。特别是在冬季启动机组时，由于环境温度低，导致压差建立更加缓慢，压缩机长时间处于缺油状态，严重影响压缩机轴承、转子、滑阀等运转部件的寿命；

（5）过渡季、冬季运行情况下无冷凝压力过低控制

低冷凝压力有利的一面是会带来机组运行能耗的降低，但过低的冷凝压力，将导致以下问题：油气分离器效果失效，系统出现严重跑油现象，供液阀压差减小导致供液不足，冷冻水温度无法降温到要求温度，机组出现低吸气压力保护；

（6）润滑油喷油温度过高

润滑油的喷油温度对压缩机的润滑效果至关重要，若喷油温度过高，将导致润滑及密封失效。若温度过低，将导致滑阀失效及油过滤器压差过大，螺杆压缩机最合适的喷油温度范围为50℃～60℃。而传统机组采用喷液冷却，排气温度控制在85℃～95℃，这意味着喷油温度在85℃～95℃，高于最合适的喷油温度，严重影响了压缩机运转部件的润滑效果，同时密封效果也变差，压缩效率大大降低；

（7）回油效果差

润滑油依靠制冷剂流速带回压缩机，在低温状态下，润滑油粘度较大，极易附着在换热管表面，形成油膜，在部分负荷下，这种情况更加严重，不仅降低了换热效率，若制冷系统中的润滑油始终无法及时回到压缩机，将导致压缩机油位过低保护停机，无法正常运行，只能补油至油位开关复位后，才能开机，而制冷系统中的润滑油会越积越多，最终还将导致机组无法正常运行；

（8）压缩机中间吸气口气流脉动、噪声大

压缩机的中间吸入口，为节能器的回气口，由于工况负荷的波动及环境气象条件的变化，中间吸入口处压缩腔的压力也时刻发生波动，造成回气管中的制冷剂气体出现正流和反流的周期性现象，导致脉动和噪声的产生；

（9）压缩机检修困难

采用的压缩机是自带储油空间的半封闭螺杆压缩机，在压缩机发生故障，需要拆卸检修时，除了要把压缩机腔体内的气态制冷剂放尽，还需要将润滑油全部放尽，对于不能长时间暴露在大气中吸湿性较强的POE润滑油，所以在每次拆卸压缩机时，需要将润滑油通过管道排放至真空密闭容器中，检修完毕后再用齿轮泵注入压缩机，或者直接更换新润滑油，这造成了极大的浪费，并给售后工作带来了困难。

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种可以同时提高满负荷能效比（COP）和部分负荷综合能效比（COP）、提高机组运行稳定性、降低机组维护保养成本的全工况高效蒸发冷螺杆并联热虹吸满液式中低温冷水机组及其运行方法。

本发明的技术方案如下：

本发明所涉及的全工况高效蒸发冷螺杆并联热虹吸满液式中低温冷水机组包括由半封闭螺杆压缩机（1A）和半封闭螺杆压缩机（1B）所组成的半封闭螺杆压缩机组、吸气截止止回阀（2A）、吸气截止止回阀（2B）、排气截止止回阀（3A）、排气截止止回阀（3B）、电磁阀（4A）、电磁阀（4B）、电磁阀（5A）、电磁阀（5B）、回油电磁阀（6A）、回油电磁阀（6B）、喷油电磁阀（7A）、喷油电磁阀（7B）、油流量开关（8A）、油流量开关（8B）、止回阀（9A）、止回阀（9B）、油气分离器（10）、油位开关（11）、润滑油温度传感器（12）、润滑油电加热器（13）、供油压差调节阀（14）、压力传感器（15）、蒸发式冷凝器（16）、高压储液器（17）、干燥过滤器(18)、制冷剂充注阀（19）、旁通截止阀（20）、旁通截止阀（21）、干湿度指示视镜（22）、热虹吸油冷却器（23）、油温三通自力式调节阀（24）、节能器（25）、液体过滤器（26A）、液体过滤器（26B）、节能器供液电磁阀（27A）、节能器供液电磁阀（27B）、液位控制式调节阀（28）、液位控制器（29）、主供液液体过滤器（30）、手动节流阀（31），液位开关（32）、防霜防泄漏反向自动关断型板式液位计（33）、低压再循环气液分离器（34）、热虹吸满液式蒸发器（35）、引射回油器（36）、电磁阀（37）、阀后压力控制自力式调节阀（38）、控制系统（39）以及相关其它手动阀门（40）、仪表（41）和管道（42）等；所述并联螺杆压缩机的排气总管路（42a）连接油分离器（10）的进口，油气分离器（10）的制冷剂出口通过管路（42b）连接蒸发式冷凝器（16）的进口，油气分离器（10）的润滑油出口通过管路（42c）连接热虹吸油冷却器（23）润滑油的进口，热虹吸油冷却器（23）润滑油的出口通过管路（42d）连接螺杆并联压缩机组的中间喷油口，蒸发式冷凝器（16）的出口通过管路（42e）连接高压储液器（17）的进口，高压储液器（17）系统主供液的出口通过管路（42f）连接节能器（25）过冷侧的进口，高压储液器（17）的热虹吸油冷却供液出口通过管路（42g）连接热虹吸油冷却器（23）制冷剂进口，高压储液器（17）压力平衡出口通过管路（42u）连接至管路（42b），热虹吸油冷却器（23）制冷剂出口通过管路（42h）连接高压储液器热虹吸油冷却回气进口，节能器（25）过冷侧的出口通过管路（42i）连接低压再循环气液分离器（34）的供液进口，节能器（25）节流侧的进口通过管路（42j）连接至管路（42f），节能器（25）节流侧的出口通过管路（42kA）、（42kB）分别连接螺杆并联压缩机组中间吸气的进口，低压再循环气液分离器（34）气态制冷剂的出口通过管路（42L）连接螺杆并联压缩机组吸气口，低压再循环气液分离器（34）液态制冷剂的出口通过管路（42m）连接热虹吸满液式蒸发器（35）的进口，热虹吸满液式蒸发器（35）的出口通过管路（42n）连接低压再循环气液分离器（34）回流的进口，低压再循环气液分离器（35）回油的出口通过管路（42o）连接引射回油器（36）取样油液的进口，引射回油器（36）回油的出口通过管路（42p）连接螺杆并联压缩机组吸气的进口，引射回油器（36）高压热气进口通过管路（42q）连接至管路（42b），管路（42r）为管路（42f）的旁通管路，压缩机电机绕组冷却喷液口通过管路（42s）连接至管路（42i），阀后压力控制自力式调节阀（38）两端通过管路（42t）分别连接至管路（42q）和管路（42i）的低压端，供油压差调节阀（14）的取压口通过管路（42v）连接至管路（42L）；管路（42b）上安装所述的供油压差调节阀（14）和压力传感器（15）；在润滑油管路（42c）上设置油温三通自力式调节阀（24）；所述管路（42d）的两个支管上上分别设置喷油电磁阀（7A）、喷油电磁阀（7B）、油流量开关（8A）、油流量开关（8B）、电磁阀（4A）、电磁阀（4B）；所述引射回油器（36）的三个接口分别连接管路（42o）、（42p）、（42q），所述管路（42q）上安装电磁阀（37），所述管路（42p）的两条支管上分别安装电磁阀（6A）和电磁阀（6B）；所述管路（42f）上设置冷媒充注旁通管路（42r），所述旁通管路（42r）上设置干燥过滤器(18)、制冷剂充注阀（19）、旁通截止阀（20）、旁通截止阀（21）和干湿度指示视镜（22）；所述管路（42t）上设置阀后压力控制自力式调节阀（38）；所述电磁阀（27A）、电磁阀（27B）前分别设置液体过滤器（26A）和液体过滤器（26B）；所述油气分离器（10）下部安装润滑油温度传感器（12）和润滑油电加热器（13）；所述液位控制式调节阀（28）前安装主供液液体过滤器（30）；所述气液分离器（34）上安装液位开关（32）和防霜防泄漏反向自动关断型板式液位计（33）；所述半封闭螺杆压缩机（1A）、半封闭螺杆压缩机（1B）的中间吸气口管路（42kA）和（42kB）上分别设置止回阀（9A）和止回阀（9B）。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

（1）相比于传统的单压缩机中低温工业冷水机组和多压缩机中低温工业冷水机组，满负荷能效比（COP）提高30%以上,部分负荷综合能效比（COP）提高50%以上；

（2）相比于传统的单压缩机中低温工业冷水机组和多压缩机中低温工业冷水机组，可实现0～100%的能量调节范围；

（3）相比于传统的单压缩机中低温工业冷水机组和多压缩机中低温工业冷水机组，冷冻水出水温度可实现±0.5℃的控制精度；

相比于传统的单压缩机中低温工业冷水机组和多压缩机中低温工业冷水机组，维护保养成本降低50%以上，机组运行更加安全、可靠、稳定。

图1是本发明全工况高效蒸发冷螺杆并联热虹吸满液式中低温冷水机组的循环系统示意图。

下面结合附图和具体实施方式，对本发明的使用方法作进一步描述。

请先参阅图1，图1是本发明全工况高效蒸发冷螺杆并联热虹吸满液式中低温冷水机组的循环系统示意图。

所述的全工况高效蒸发冷螺杆并联热虹吸满液式中低温冷水机组的使用方法分以下几步：

（1）机组首次制冷剂充注操作：机组首次充注制冷剂时，为了保证充入系统中的制冷剂的水分含量在允许范围之内，充注时关闭旁通截止阀（20），打开旁通截止阀（21）和制冷剂充注阀（19），让充注的制冷剂先经过干燥过滤器(18)及干湿度指示视镜（22）进入系统管道及高压储液器（17）；充注完毕后，关闭制冷剂充注阀（19）并打开旁通截止阀（20），此时旁通管路（42r）不仅可起到取样检测的作用，还可通过旁通管路（42r）上安装的干湿度指示视镜（22）确定是否需要更换干燥过滤器(18)内的干燥滤芯；更换干燥过滤器（18）内的干燥滤芯时，同时关闭旁通截止阀（20）和旁通截止阀（21），此时机组仍可正常运行；

（2）机组启动准备阶段：接通主电源及控制系统（39）电源，检查控制系统（39）触摸屏幕上有无故障报警信息，检查冷冻水泵和蒸发式冷凝器（16）是否已经正常启动，检查润滑油温度传感器（12）测量的油温是否已达到允许启动温度；

（3）机组启动阶段：先启动螺杆压缩机（1A）或者螺杆压缩机（1B），若先启动螺杆压缩机（1A），同时联锁打开喷油电磁阀（7A）、节能器供液电磁阀（27A）和液位控制式调节阀（28），压缩机在25%顺利完成启动阶段后，进入正常运转阶段，开始检测各项参数是否正常，并根据冷冻水出水温度，决定继续加载还是停留在25%持续运行，各压缩机之间可根据控制系统（39）内部程序及时间继电器累积的总运行时间，在机组根据冷冻水出水温度自动循环停机一段时间后由于水温上升又需要再次启动的前提下，自动选择切换运行；

（4）润滑油电加热器（13）的控制逻辑：若机组处于停机状态而且油气分离器（10）内的润滑油温度低于50℃，润滑油电加热器（13）开始工作；若机组处于运转状态，不论油气分离器（10）内润滑油温度的高低，润滑油电加热器（13）都处于非工作状态；

（5）供油压差调节阀（14）的调节：机组在启动过程中，要求在一定的时间内建立足够的供油压差，以保证压缩机的缺油时间不会过长，供油压差调节阀（14）的阀体上有两个取压口，一个为排气压力取压口，另一个是吸气压力取压口，当压差小于所需最小供油压差时，阀门开始关小，若持续降低，阀门一直关小直到全闭；当压差高于所需最小供油压差时，阀门开始开大，若持续升高，阀门一直开大直到全开；

（6）机组冷凝压力调节：在机组正常运行过程中，压力传感器（15）根据测量机组实时的冷凝压力，变频控制蒸发式冷凝器（16）的冷却风扇转速及喷淋水泵的启停，当机组冷凝压力低于某一值时，蒸发式冷凝器（16）的冷却风扇转速降低；若冷却风扇已经达到最低频率时，冷凝压力还在持续下降直至低于另一值时，关闭蒸发式冷凝器（16）的喷淋水泵，在冷凝压力控制过程中，还需考虑一定的动差范围，避免设备频繁启停；

（7）机组排气温度及电机绕组温度控制：机组在运行过程中，这两个温度值由半封闭螺杆压缩机（1A）和半封闭螺杆压缩机（1B）各自带的排气高温保护PTC传感器和电机绕组温度保护PTC传感器实时测量，若半封闭螺杆压缩机（1A）排气温度达到温度过高设定值时，则打开电磁阀（5A）；若半封闭螺杆压缩机（1B）排气温度达到温度过高设定值时，则打开电磁阀（5B）；若半封闭螺杆压缩机（1A）电机绕组温度达到温度过高设定值时，则打开电磁阀（4A）；若半封闭螺杆压缩机（1B）电机绕组温度达到温度过高设定值时，则打开电磁阀（4B）；

（8）机组回油系统控制逻辑：在半封闭螺杆压缩机（1A）和半封闭螺杆压缩机（1B）都在运行的情况下，油气分离器（10）中的润滑油位降低至保护油位时，油位开关（11）动作，同时触动打开回油电磁阀（6A）、回油电磁阀（6B）、电磁阀（37）；在只有半封闭螺杆压缩机（1A）运行的情况下，油气分离器（10）中的润滑油位降低至保护油位时，油位开关（11）动作，同时触动打开回油电磁阀（6A）、电磁阀（37）；在只有半封闭螺杆压缩机（1B）运行的情况下，油气分离器（10）中的润滑油位降低至保护油位时，油位开关（11）动作，同时触动打开回油电磁阀（6B）、电磁阀（37）；所述引射回油器（13）根据控制系统（39）内时间继电器的设定开启周期性和间歇式回油模式；

（9）机组供油温度的调节：油温三通自力式调节阀（24）有三个接口，分别为热油进口、冷油进口和温油出口，不论在任何情况下，都能保证机组的供油温度稳定在最佳温度；

（10）机组液位控制及保护：利用液位控制式调节阀（28）和液位控制器（29）的配合精确控制低压再循环气液分离器（34）中的液态制冷剂液位；液位控制器（29）通过传递压力信号给液位控制式调节阀（28），实现0～100%的供液调节；液位控制式调节阀（28）上的电磁导阀和机组运行状态联锁，打开和关闭主供液管路；若机组在运行过程中低压再循环气液分离器（34）中出现液位过高情况，为了防止压缩机可能因吸气带液而损坏，通过液位开关（32）动作切断机组运行；

（11）供液旁通管路操作：当主供液液体过滤器（30）中的滤网需要清洗或者液位控制式调节阀（28）和液位控制器（29）出现故障的情况下，打开手动节流阀（31）至合适位置，并关闭主供液管路两边的截止检修阀，此时机组仍可正常运行。