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离心式冷水机组的喘振机理及防止方法

离心式冷水机组在运行中容易产生喘振(surge) 故障,喘振发生时机身会产生强烈的振动,机组的制冷剂压力和压缩机电流忽高忽低变化剧烈,并伴随着间歇的很沉闷的气流噪声。过于频繁的喘振还会损坏扩压器和叶轮,给用户的使用带来不便和不安全因素。所以,喘振在运行中应该努力避免。

喘振产生的机理:

离心式制冷压缩机的基本工作原理:利用高速旋转的叶轮将能量传递给流道中连续流动的制冷剂气体,使之获得极大速度,同时气体压力提高,而叶轮出口处设置的扩压器使叶轮的流通面积逐渐扩大。高速气体从叶轮流出后,再流经扩压器进行降速扩压,使气体流速降低压力升高,即把气体的一部分速度能(动能)转变为压力能,完成压缩过程,因此,离心式制冷压缩机是一种高速旋转的设备。

叶轮中制冷剂气体的流动速度三角形如图1所示。


 

假设叶轮有无限多个叶片,同惯性离心力相比,重力可忽略,流经叶轮的流量Q、叶轮的角速度X及转速n 都不变,而且流体在叶轮入口和出口的速度沿周向均匀分布,则流体相对于各自流道的流动都是相同的一维流动。这样,流体就是定常的。

小流量时产生喘振的机理:

小流量时会在扩压器中产生涡流和边界层分离现象,因此,喘振现象会发生在小负荷、小制冷剂流量的工况下。由于v2 方向变化过大,与扩压器的入口方向不一致,造成气体在进入扩压器流道时发生冲击。冲击严重时就会产生涡流,涡流区中气体的流动受阻,使压缩机的排气压力突然下降。

同时,扩压器流道内气体的流动来自叶轮对气流作功所转变成的动能。边界层内气流流动主要靠主流中传递来的动能,边界层内气体流动时,要克服壁面的摩擦力,小流量时由于v2 的数值沿流道方向减小,压力增大,主流的动能也不断减小,当流道内气体流量减小到某一值后,主流传递给边界层的动能不足以克服压力差继续前进时,边界层的气流就停滞下来,进而产生旋涡和倒流,使气流边界层分离。压缩机的排气压力降低使蜗壳中的气体倒流,经过一段时间后压缩机的流量增大,压缩机又恢复正常。但由于外界的负荷小,蒸发量不够,制冷剂流量又慢慢减小,再次使蜗壳中的气体产生倒流。如此周期性地反复就产生了喘振。

大流量时产生喘振的机理:

由于离心式制冷压缩机的叶轮都是后向型,β2 <π/2,所以理论扬程曲线是一条单调递减的直线;考虑压缩机的损失,包括机械损失、容积损失、摩擦损失、冲击涡流损失等,离心式制冷压缩机的理论性能曲线和实际性能曲线如图2所示。其中A 点为实际扬程最高点。机组运行在0到QB 区域内,QA 点的附近是最佳工作区。高于实际扬程线的外部区域就是喘振区域。

 


 

随着负荷的增大,冷凝温度逐渐升高,冷凝压力也会升高。如果所要求的冷水水温比较低,则蒸发压力也就比较低, 如果这时室外的气温很高,湿度又大( 这种工况在我国南方沿海地区的夏季比较常见),则冷却塔的换热效果下降,冷却水温升高,随之冷凝压力也升高。同时如果还有冷却水量不足、制冷系统中有不凝性气体、换热管结垢等现象使冷凝压力进一步提高,则要求压缩机的压头也要进一步提高。一旦冷凝器和蒸发器的压力差大于压缩机的扬程,冷凝器中的气体就会倒流,喘振现象发生。在图2中直观地显示为,只要机组运行线在实际扬程线以内,机组就可以平稳运行;超过了实际扬程线,机组就会发生喘振。

开利19XL离心式制冷机组防喘振的方法:

离心式制冷机组防止喘振的方法一般有两种:等压力控制法和等流量控制法。某品牌19XL离心式制冷机组防喘振采用等流量控制法,它通过热气旁通阀使冷凝器中的高压气体进到蒸发器中。降低冷凝器的压力并提高蒸发器的压力,降低了压缩机的压头,同时增加了压缩机的流量,以此改善工况来防止喘振。现把该型机组防喘振调试中认为应该注意的几点提出来供操作时参考。

机组通过本机集总控制装置(PIC)监测压缩机电机的电流来判断机组是否进入喘振工况。一旦机组电流的波动幅度超过一定值(默认是25%,也可以通过控制面板LID设定)达1s,控制系统就会记下一次喘振。如果在设定时间段内( 默认是5 min) 这样的波动达到12次,控制系统就认为机组运行进入了喘振工况, 机组就会停止运行并报警(EXCESSIV E COMPR SU RGE)。这样就对机组进行了保护,防止喘振对机组的损坏。此外,还可以通过可选配件-热气旁通阀,当机组将要进入喘振工况时打开热气旁通阀来改善机组的工况,达到对机组的喘振保护。


 

无论是喘振停机还是热气旁通阀对机组的喘振保护,机组的控制系统都是通过图3 所示的喘振保护线来判断压缩机的扬程是否过高。通过上文已经知道某个叶轮的扬程随叶轮的气体流量而变化,一旦扬程过高就容易进入喘振工况。

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