張杰 何其愚 丁漢林 馬晨昱 李更達(dá) 郭明登 夏子軍 喬超

1 南網(wǎng)超高壓輸電公司曲靖局

2 云南新天地人工環(huán)境工程有限公司

0 引言

螺桿壓縮機(jī)是大容量制冷空調(diào)系統(tǒng)的最常用壓縮機(jī)，以零部件數(shù)量少，無(wú)往復(fù)運(yùn)動(dòng)和摩擦運(yùn)動(dòng)等易損構(gòu)件、運(yùn)行可靠而著稱。牛寨換流站使用螺桿壓縮機(jī)的區(qū)域包括閥廳和中控樓通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)。這些空調(diào)系統(tǒng)相互獨(dú)立，每個(gè)系統(tǒng)由冷水機(jī)組，水泵及水系統(tǒng)，組合空調(diào)，電氣及控制系統(tǒng)等組成，如圖1 所示，具有對(duì)閥廳溫濕度控制（包括升溫降溫、加濕降濕）和空氣過(guò)濾功能。

圖1 牛寨換流站閥廳空調(diào)

螺桿壓縮機(jī)細(xì)分的種類很多，牛寨換流站使用的都是半封閉單級(jí)雙螺桿壓縮機(jī)。螺桿壓縮機(jī)通過(guò)容量滑閥調(diào)節(jié)器容量輸出，理論上其容量輸出可以在一定范圍內(nèi)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，但部分壓縮機(jī)生產(chǎn)廠家為保證壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性，能量輸出仍采用分級(jí)控制，有的甚至不帶調(diào)節(jié)功能。實(shí)際運(yùn)行中一般應(yīng)控制單壓縮機(jī)容量，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，最小比例一般不能小于50%，短時(shí)間可以小于50%。

1 牛寨換流站壓縮機(jī)啟?？刂?/h2>

牛寨換流站的螺桿壓縮機(jī)即采用0、25%、50%、75%、100%的分級(jí)控制方式，其能量輸出有0、67.5kW、135 kW、202.5 kW、270 kW 五個(gè)級(jí)別。

壓縮機(jī)的容量輸出與啟?？刂撇⒉挥蓧嚎s機(jī)自身決定，而是通過(guò)冷水機(jī)組的控制系統(tǒng)由回水的溫度決定。

牛寨換流站的壓縮機(jī)啟停供水溫度范圍設(shè)置為7/12 ℃，當(dāng)供水溫度高于12 ℃時(shí)壓縮機(jī)啟動(dòng)，當(dāng)供水溫度低于7 ℃時(shí)，壓縮機(jī)停止運(yùn)行。這是一個(gè)合理的常規(guī)設(shè)置。

在這一過(guò)程中，當(dāng)回水溫度大幅降低時(shí)，壓縮機(jī)也會(huì)逐步減載，最終回水溫度接近7 ℃時(shí)，壓縮機(jī)會(huì)在最低輸出容量50%級(jí)別運(yùn)行。當(dāng)壓縮機(jī)輸出容量維持50%級(jí)別而回水溫度仍然降低到7 ℃以下，壓縮機(jī)會(huì)將負(fù)荷減到25%，短時(shí)間后（一般為幾十秒鐘，各廠家設(shè)置有所不同）將停機(jī)。

2 故障的表現(xiàn)和特征

針對(duì)螺桿壓縮機(jī)的主要故障，首先要提取故障特征信息，據(jù)此分析故障產(chǎn)生的原因和故障機(jī)理，判斷故障部位，根據(jù)不同的故障提供診斷方法和現(xiàn)場(chǎng)治理措施。

2.1 自控系統(tǒng)數(shù)據(jù)記錄情況

牛寨換流站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，閥廳溫濕度能滿足使用要求，但卻存在閥廳空調(diào)系統(tǒng)中螺桿冷水機(jī)組啟停過(guò)于頻繁，幾年來(lái)已多次出現(xiàn)壓縮機(jī)燒壞的故障現(xiàn)象。表1 是根據(jù)自控系統(tǒng)數(shù)據(jù)生成的壓縮機(jī)啟停時(shí)間表。

表1 數(shù)據(jù)中，10 臺(tái)壓縮機(jī)有7 臺(tái)每次啟停運(yùn)行時(shí)間在1 h 以內(nèi)，最少的僅0.34 h。這還僅是平均值，在冬季氣溫低空調(diào)負(fù)荷低的情況下，每次運(yùn)行的時(shí)間則會(huì)更短。

螺桿機(jī)頻繁啟停的情況在夏季冬季同樣存在，只是冬季更為頻繁而已。這是符合邏輯的，因?yàn)橄募居薪ㄖ嶝?fù)荷，冬季該項(xiàng)負(fù)荷少甚至為負(fù)值。

表1 2016 年06 月止2017 年06 月壓縮機(jī)啟停情況表

雖然說(shuō)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和設(shè)計(jì)文件一般不會(huì)對(duì)冷水機(jī)組壓縮機(jī)的啟停次數(shù)提出要求或限制，但一般中央空調(diào)工程中，冷水機(jī)組是應(yīng)該長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行的，至少幾小時(shí)甚至連續(xù)幾天，這樣一方面可以減少啟停次數(shù)、延長(zhǎng)機(jī)組壽命，另一方面也是在保持運(yùn)行工況的穩(wěn)定，使空調(diào)房間的溫度更穩(wěn)定一些。

牛寨換流站如此的運(yùn)行工況確實(shí)是一種異常啟停。在其他保護(hù)機(jī)構(gòu)正常、運(yùn)行環(huán)境正常的情況下，多次的壓縮機(jī)燒壞，顯然與壓縮機(jī)的頻繁啟停密切相關(guān)，畢竟每次啟停都給壓縮機(jī)帶來(lái)大的負(fù)荷沖擊。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)螺桿機(jī)啟停

為準(zhǔn)確掌握螺桿機(jī)的起停情況，核實(shí)歷史數(shù)據(jù)的可靠性，對(duì)換流站運(yùn)行中的各臺(tái)螺桿壓縮機(jī)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)啟停測(cè)試，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試環(huán)境條件如表2 所示。

表2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試環(huán)境條件

實(shí)測(cè)結(jié)果表明：各螺桿壓縮機(jī)均每次運(yùn)行18～20 min，然后都在準(zhǔn)確的5 min 之后重新啟動(dòng)。

3 頻繁啟停故障原因分析

螺桿壓縮機(jī)出現(xiàn)頻繁啟停對(duì)安全生產(chǎn)是一種潛在隱患，必須分析其原因，并據(jù)此制定針對(duì)性的故障診斷和維護(hù)策略，從而真正的提升螺桿壓縮機(jī)的工作穩(wěn)定性。

在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)過(guò)程中，觀察到了以下情況：

1）螺桿壓縮機(jī)和整個(gè)冷水機(jī)組的啟停過(guò)程正常，啟動(dòng)后運(yùn)行正常。

2）供水溫度從低往高升至12 ℃時(shí)壓縮機(jī)啟動(dòng)，供水溫度逐步下降。

3）一段時(shí)間后壓縮機(jī)逐步減負(fù)荷。

4）供水溫度低至7 ℃時(shí)壓縮機(jī)完全停機(jī)。

5）停機(jī)后五分鐘后準(zhǔn)時(shí)開(kāi)始啟動(dòng)。

6）停機(jī)后供水溫度逐步上升，到三分鐘時(shí)溫度達(dá)到12 ℃，到五分鐘時(shí)達(dá)15.5 ℃，其水溫上升曲線如圖2 所示。

圖2 螺桿壓縮機(jī)啟停過(guò)程水溫上升曲線圖

根據(jù)這樣一個(gè)與供水溫度密切相關(guān)和有規(guī)律的實(shí)測(cè)結(jié)果，可以初步判斷，螺桿壓縮機(jī)的頻繁啟停，與供水溫度直接相關(guān)。

3.1 運(yùn)行中的螺桿壓縮機(jī)停機(jī)原因

牛寨換流站的壓縮機(jī)啟停供水溫度范圍設(shè)置為7/12 ℃，當(dāng)供水溫度高于12 ℃時(shí)壓縮機(jī)啟動(dòng)，供水溫度低于7 ℃時(shí)，壓縮機(jī)停止運(yùn)行。在這種機(jī)制下，隨著冷水機(jī)組回水溫度降低，螺桿壓縮機(jī)也會(huì)逐步減載，直至停車。

3.2 螺桿機(jī)組會(huì)在停機(jī)后5 min 再準(zhǔn)時(shí)啟動(dòng)

螺桿機(jī)停機(jī)后三分鐘供水溫度即已達(dá)到螺桿機(jī)的啟動(dòng)溫度12 ℃，但這時(shí)螺桿機(jī)沒(méi)有啟動(dòng)，而是一直等到5 min，這個(gè)5 min 是閥廳冷水機(jī)組設(shè)定的保護(hù)時(shí)間，避免重復(fù)啟動(dòng)時(shí)間過(guò)短而損壞機(jī)組。

3.3 閥廳螺桿機(jī)頻繁啟停分析

牛寨換流站壓縮機(jī)頻繁啟停，說(shuō)明其空調(diào)系統(tǒng)的供水溫度不停在7～12 ℃之間變化。因此，要找到其頻繁啟停的原因，就要分析造成溫度大幅度來(lái)回變動(dòng)的因素。

3.3.1 閥廳負(fù)荷水平計(jì)算

為找到解決螺桿機(jī)組頻繁啟停的問(wèn)題和解決辦法，對(duì)閥廳負(fù)荷進(jìn)行分析。由于剛停機(jī)時(shí)冷水機(jī)組蒸發(fā)器內(nèi)尚有剩余制冷劑，對(duì)水溫有一定影響，3 min 后這影響基本消除。以3～5 min 這個(gè)區(qū)間的溫度變化來(lái)分析閥廳負(fù)荷。

系統(tǒng)所配水泵參數(shù)為：流量51.2 m3/h，揚(yáng)程31.2 m，可以保證系統(tǒng)的水流量≥51.2 m3/h。

根據(jù)參考文獻(xiàn)[1]可知系統(tǒng)水容量為0.986 t，那么在時(shí)間段3～5 min 的范圍內(nèi)，系統(tǒng)的水循環(huán)次數(shù)N 由式（1）計(jì)算。

式中：q 為水流量；t 為時(shí)間；V 為系統(tǒng)水容量。

代入數(shù)據(jù)計(jì)算得：N=51.2×2/60/0.986＝1.73

因此，這個(gè)時(shí)間段測(cè)溫點(diǎn)的溫升可以視為整個(gè)水系統(tǒng)的溫升，閥廳所體現(xiàn)的負(fù)荷由式（2）估算。

式中：Q 為熱量；c 為水的比熱容，取4.18 kJ/(kg·℃)；m為質(zhì)量；Δt 為水溫變化量。

代入數(shù)據(jù)計(jì)算得：Q=0.986×1000×(15.5-12)×4.18/(2×60)=120 kW

綜合考慮到一些其它因素，包括當(dāng)壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)內(nèi)水溫更低、閥廳空氣與水的溫差更大、閥廳傳遞給水的熱量更多等，可以認(rèn)為閥廳負(fù)荷為≥120 kW。

根據(jù)螺桿壓縮機(jī)的啟停原理，當(dāng)回水溫度接近7 ℃時(shí)，壓縮機(jī)會(huì)在最低輸出容量50%級(jí)別運(yùn)行。而螺桿機(jī)在50%負(fù)荷下水溫仍繼續(xù)降低導(dǎo)致停機(jī)，那么可以確認(rèn)負(fù)荷小于270×50%＝135 kW。

再綜合考慮到以下因素：

①螺桿機(jī)在夏季也頻繁啟停，這意味著夏季負(fù)荷也在135 kW 以內(nèi)。

②閥廳屬于高大空間，高于閥廳設(shè)備的頂部空間可以不考慮為負(fù)荷。

③多年以來(lái)的閥廳平均負(fù)荷約60%。

從以上的分析來(lái)看，確認(rèn)在2018 年12 月2 日觀測(cè)期內(nèi)，閥廳負(fù)荷基本保持在120～135 kW 之間，即50%以下的狀態(tài)。

3.3.2 閥廳負(fù)荷的變化對(duì)螺桿機(jī)影響

作為冷水機(jī)組的核心部件，螺桿壓縮機(jī)給機(jī)組回水降溫，再通過(guò)供給冷凍水給閥廳降溫。水溫變化，會(huì)受到環(huán)境溫度也就是閥廳空氣溫度變化的影響，回水溫度與閥廳空調(diào)負(fù)荷直接相關(guān)，因此螺桿機(jī)的啟停和載荷與閥廳負(fù)荷直接關(guān)聯(lián)。

閥廳空調(diào)負(fù)荷來(lái)自于兩方面。一是常規(guī)的建筑熱負(fù)荷，包括氣溫高時(shí)通過(guò)墻體由外往里傳遞的熱量、照明熱負(fù)荷。二是閥廳電氣設(shè)備的發(fā)熱量，該部分熱量大部分已經(jīng)閥冷系統(tǒng)帶出室外，但不可避免仍有部分熱量散入閥廳室內(nèi)。

冷水機(jī)組的供水、回水的每次循環(huán)，都會(huì)帶走閥廳熱量，降低閥廳氣溫。閥廳負(fù)荷大小就會(huì)影響到回水的溫度，進(jìn)而對(duì)螺桿壓縮機(jī)的工作狀態(tài)產(chǎn)生影響。

3.3.3 設(shè)備選型的影響

根據(jù)螺桿機(jī)啟?？刂圃?，當(dāng)回水溫度大幅降低時(shí)，壓縮機(jī)也會(huì)逐步減載，當(dāng)回水溫度接近7 ℃時(shí)，壓縮機(jī)會(huì)在最低輸出容量50%級(jí)別運(yùn)行。當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)的供水溫度降到7 ℃，冷水機(jī)組的最低容量輸出仍大于閥廳的空調(diào)負(fù)荷時(shí)，運(yùn)行中的螺桿壓縮機(jī)則會(huì)出現(xiàn)停機(jī)情況。

在設(shè)備選型方面，牛寨換流站選用270 kW 的半封閉單級(jí)雙螺桿壓縮機(jī)。如前所述，螺桿機(jī)在50%負(fù)荷下水溫仍繼續(xù)降低導(dǎo)致停機(jī)，可以確認(rèn)其負(fù)荷小于：270×50%＝135 kW。實(shí)際結(jié)果表明，選型設(shè)備的容量過(guò)大，導(dǎo)致當(dāng)前空調(diào)負(fù)荷比最低設(shè)備容量還小。這種問(wèn)題周而復(fù)始，是引發(fā)螺桿機(jī)反復(fù)啟停的重要原因之一。

4 解決方案

根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果及原因分析，牛寨換流站螺桿壓縮機(jī)頻繁啟停問(wèn)題的解決可以考慮三個(gè)方案。

4.1 更改運(yùn)行控制方式

通過(guò)分析可以知道，壓縮機(jī)的頻繁啟停更容易發(fā)生與空調(diào)負(fù)荷低的時(shí)候，而空調(diào)負(fù)荷低則意味著室外氣溫也低，因此當(dāng)室外氣溫偏低的時(shí)候可以考慮全新風(fēng)運(yùn)行方式。

按閥廳空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖紙，閥廳設(shè)計(jì)溫濕度如下：溫度為10～50 ℃。相對(duì)濕度為25%～60%。房間正壓值為5～30 Pa[2-3]。

根據(jù)云南昭通地區(qū)的氣象資料，在絕大部分情況下，甚至在極端高低溫情況下，采用全新風(fēng)方式、不啟用冷水機(jī)組，都可以保證閥廳溫度在設(shè)計(jì)的10～50 ℃范圍內(nèi)。而實(shí)際運(yùn)行的過(guò)程中，閥廳顯示的溫度范圍為18～30 ℃。原閥廳空調(diào)控制系統(tǒng)已設(shè)置：室外溫度低于12 ℃時(shí)，直接啟用不需要冷水機(jī)組的全新風(fēng)方式。這樣做，既可以節(jié)能，也可以減少螺桿壓縮機(jī)的啟停次數(shù)、尤其減少冷水機(jī)組的低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間、提高壓縮機(jī)壽命。

雖然這個(gè)方案只是針對(duì)低溫季節(jié)，但卻不失為一個(gè)可選的方案。

4.2 設(shè)置蓄冷箱擴(kuò)大系統(tǒng)熱容量

擴(kuò)大系統(tǒng)熱容量，是保留目前設(shè)備情況下的一個(gè)可行方式。在系統(tǒng)外設(shè)置蓄冷水箱，讓冷水機(jī)組高負(fù)荷運(yùn)行，往閥廳供冷的同時(shí)降低水箱的溫度，當(dāng)冷水機(jī)組達(dá)到設(shè)定低溫后，因?yàn)樾罾渌涞拇嬖?，系統(tǒng)水溫上升到設(shè)定的啟動(dòng)溫度會(huì)更緩慢。從而明顯減少螺桿壓縮機(jī)的啟停次數(shù)。

一般來(lái)講，這樣的方案宜保留蓄冷箱的蓄冷量可滿足系統(tǒng)半小時(shí)以上負(fù)荷需要。這樣的話壓縮機(jī)每次啟停間隔根據(jù)負(fù)荷不同可達(dá)一小時(shí)以上。

按前述負(fù)荷120 kW、水溫差7-12 ℃考慮，半小時(shí)運(yùn)行所需要的水容量為120/(12-7)/4.18×1800=10335kg ≈10 t。

即建議根據(jù)場(chǎng)地的條件情況，設(shè)置10～20 t 的蓄冷箱。

這一方案雖不能保證冷水機(jī)組的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，但也可以大幅降低螺桿機(jī)的啟停次數(shù)，延長(zhǎng)壓縮機(jī)壽命，提高了系統(tǒng)可靠性。同時(shí)水溫波動(dòng)幅度更小，更有利于閥廳溫度穩(wěn)定。

需要注意的是，蓄冷箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)特別應(yīng)注意避免進(jìn)出水的短路，還應(yīng)注意水箱里水流及其形成的溫度場(chǎng)，以保證最優(yōu)的蓄冷效率。如果存在白天用電和晚上用電的明顯成本差異，也可以考慮冰蓄冷。

4.3 更換設(shè)備

既然螺桿壓縮機(jī)運(yùn)行中的停機(jī)是源于冷水機(jī)組的最低容量輸出仍大于閥廳的空調(diào)負(fù)荷，那么自然可以考慮降低冷水機(jī)組的容量來(lái)避免壓縮機(jī)停機(jī)。

要解決頻繁啟停的問(wèn)題，宜選用低容量的多臺(tái)設(shè)備組成一個(gè)系統(tǒng)（模塊化機(jī)組）、或者選用多個(gè)制冷系統(tǒng)的單臺(tái)機(jī)組?？膳渲萌萘?0 kW 的模塊化機(jī)組，數(shù)量6 臺(tái)。其中2～3 臺(tái)正常使用，其余備用。

這一方案除解決螺桿壓縮機(jī)的頻繁啟停以外，還提高了系統(tǒng)的可靠性，可在條件允許時(shí)采用。

5 結(jié)論

綜上所述，換流站需要全年運(yùn)行于制冷工況，隨著季節(jié)的變化和閥廳運(yùn)行參數(shù)的變化，閥廳空調(diào)負(fù)荷變化非常大。在這種情況下，單級(jí)螺桿壓縮機(jī)的單臺(tái)冷水機(jī)組難以滿足如此負(fù)荷變化，從而導(dǎo)致一系列問(wèn)題，并提供三個(gè)解決方案。

1）當(dāng)室外氣溫偏低的時(shí)候可以考慮全新風(fēng)運(yùn)行的方式。

2）設(shè)置蓄冷箱擴(kuò)大系統(tǒng)熱容量。

3）選用低容量的多臺(tái)設(shè)備組成一個(gè)系統(tǒng)（模塊化機(jī)組），或者選用多個(gè)制冷系統(tǒng)的單臺(tái)機(jī)組。