制冷装置冷凝压力优化分析.pdf

?第 16卷?第 1期集美大学学报(自然科学版)Vo.l 16?No.1?2011年 1月Journalof Ji meiUniversity(N aturalScience)Jan.2011?收稿日期 2010-01-19?修回日期 2010-05-20基金项目 国家自然科学基金项目(50746021)作者简介 张建一(1953?),男,教授,硕士,从事制冷空调系统的优化与节能研究.文章编号 1007-7405(2011)01-0045-05制冷装置冷凝压力优化分析张建一1,秘文涛1,2(1.集美大学机械工程学院,福建 厦门 361021;2.约克(中国)商贸有限公司,上海 200060)摘要 通过分析厦门某厂典型工业制冷装置的历史运行参数,研究了工业制冷装置的实际运行状况.研究发现,在部分负荷工况下,该厂压缩机和蒸发式冷凝器的负荷匹配不合理,冷凝压力值偏低,造成运行能耗上升.现场实际测试计算表明,该厂通过压缩机和冷凝器的合理匹配,减少一台冷凝器的运行,节能可达 5?43 k W.研究发现,冷凝压力过低也会造成能耗增加.在部分负荷工况下冷凝压力的优化控制具有节能效果,并且具有容易操作实现的特点.关键词 制冷装置;冷凝压力;优化控制;节能中图分类号 TB 657?5文献标志码 AOpti m ization ofCondensing Pressure in Refrigerating PlantsZHANG Jian?yi1,M IW en?tao1,2(1.SchoolofM echanicalEngineering,Ji meiUniversity,X iamen 361021,China;2.YORK(China)Co mmercialCo.,Ltd,Shanghai200060,China)Abstract:Actual operating statuses of a typical industrial refrigerating plant in Xia m en were studiedbased on the analysis of historical operating para m eters.Itwas found that thematch between compressors andcondenserswas inconsequence under part?load conditions.It resulted in a low condensing pressure and highenergy consumption.The energy saving was 5?43 k W from the field testing under part?load conditions if thecondensing pressurewas reasonably controlled by off?cycle of one condenser.It was found that a too low con?densing pressure would cause energy consumption increase.Energy saving could be obtained by opti mal con?trol of condensing pressure under part?load conditions.It was easy to carry out the operation.Key words:refrigerating plan;tcondensing pressure;opti mal contro;lenergy saving0?引言冷凝压力是制冷装置最重要的运行参数之一,它直接关系到系统的能耗.但,尽管冷凝压力的重要性在理论上众所皆知,但在实际运行中对其优化调节控制尚未引起足够的重视 1.本文在调研了多个制冷装置的基础上,选择厦门某冷冻厂作为重点研究对象,进行了现场测试,对冷凝压力的优化及其能耗进行了分析.以期为制冷装置的优化调节提供参考.集美大学学报(自然科学版)第 16卷1?测试对象的设备配置及运行概况1?1?冷冻厂基本情况和制冷压缩机厦门某冷冻厂占地面积 3万多平方米,地处厦门市中心,为厦门市?菜篮子?工程配套项目,是厦门副食品供应的储备库.1996年被定为?国家储备肉定点储备库?.该厂管理规范,设备运行状况良好,其概况如表 1所示.表 1?测试冷库概况Tab?1?General situation of observed cold store库房种类Storeroom style蒸发温度设计值/?Design evap.te mp.库容/TCapacity使用压缩机Co mpressor used建造时间Building ti me高温库 Chilled food store-151 0001#、2#1980旧冷藏库 O ld store-284 0003#、5#1980新冷藏库 N e w store-303 0006#、7#1998表 2?制冷压缩机的技术参数Tab?2?Parameters of re frigerati ng co m pressors编号N o型号M odel制冷量/k WRefrigerating capacity电机额定功率/kWRated power额定电流/ARated current1#?2#4V-12.5130551063#?7#S8-12.59575142该冷库配备了上海第一冷冻机厂S8-12?5型单机双级活塞式压缩机5台,4V-12?5单机单级压缩机 2台.各压缩机技术参数如表 2所示.1?2?冷凝回路配置和运行概况1998年改造以前,该厂冷却水系统使用了两台立式水冷式冷凝器,负责压缩机排出的高压高温制冷剂以及压缩机机头的冷却.改造后,该厂配置了两台美国益美高 ATC260型蒸发式冷凝器,技术参数见表 3.该厂利用以前的水池,专门配置了一台功率为 2?2 k W 的水泵对压缩机机头进行冷却.表 3?蒸发式冷凝器技术参数Tab?3?Parameters of evaporative condensers型号M odel风机fan功率/k WPower风量/(m3?s-1)A ir flux水泵Water pump功率/kWPower流量/(L?s-1)W ater flux台数/台Number名义总排热量/k WRated heat loadATC2607.121.92.234.422 240为了让各台压缩机的寿命基本一致,该厂通常让各压缩机的运行时数基本一致,即一般同系统的两台压缩机交替运行,如果夏季温度过高,库房负荷较大,则两台压缩机同时运行.例如-28?低温库在 1?4月和 11?12月分别使用 3#和 5#压缩机交替运行,5?10月使用 3#和 5#压缩机联合同时运行;-30?低温库全年使用 6#和 7#压缩机交替运行.通常该厂每年的 4?11月投入 2台蒸发式冷凝器运行.12?3月由于外界气温较低,只运行 1台蒸发式冷凝器.本文重点研究 6#、7#压缩机和蒸发式冷凝器组成的冷凝回路.根据笔者的调查,大中型冷库配备两台相同容量冷凝器的情况相当普遍.因此,本文选用的实例具有典型性.2?制冷装置历史运行参数分析2?1?气象参数分析根据厦门市 2005年的逐时大气气象数据,整理统计出逐月大气气象数据(见表 4).由表 4可见,不同月份的大气平均温度、平均相对湿度均波动较大;大气月平均温度最低值出现在 1月份,为12?3?;月平均温度最高值出现在 8月份,为 27?7?.由此可见,不同月份的温度差值较大,压缩机在不同月份的运行能耗必然存在一定的差距.?46?第 1期张建一,等:制冷装置冷凝压力优化分析表 4?2005年厦门市逐月气象数据统计Tab?4?W eather data by months in X i amen in 2005月份M onth最低大气温度/?Lowestatmos.temp.平均大气温度/?Averageat mos.temp.最高大气温度/?H ighestat mos.temp.平均湿球温度/?Averagewet?bulbtemp.平均相对湿度/%A verageHR月份M onth最低大气温度/?Lowestat mos.temp.平均大气温度/?Averageatmos.temp.最高大气温度/?H ighestatmos.temp.平均湿球温度/?Averagewet?bulbte mp.平均相对湿度/%AverageHR19.612.317.19.4069725.526.332.524.9076210.212.516.611.2286825.127.732.124.7979310.313.518.811.1976924.327.331.523.3772417.220.325.317.79801021.123.727.319.2466521.323.727.622.08871118.120.624.816.7468623.826.029.423.75831211.013.718.19.5058?2?2?制冷装置性能参数分析由于 6#和 7#压缩机型号相同,并且交替运行使用,故将这两个压缩机的运行参数合并处理,处理时各性能参数取平均值,整理后的各参数逐月平均值统计见表 5.表 5可以清楚显示 2005年该厂冷凝压力和高压级排气温度的波动情况.表 5?2005年 6#和 7#压缩机各性能参数逐月平均值Tab.5?Average operating para m eters of 6#and 7#compressors i n 2005月份M onth高压级排气压力/MPaH igh?stagedischargepressure高压级排气温度/?H igh?stagedischargete mp.低压级吸气压力/MPaLow?stagesuctionpressre压缩机电流/ACurrent月份M onth高压级排气压力/M PaH igh?stagedischargepressure高压级排气温度/?H igh?stagedischargetemp.低压级吸气压力/MPaLow?stagesuctionpressre压缩机电流/ACurrent10.87963.500.16891.6271.18284.400.17396.1420.89363.600.17091.9881.15283.540.16496.1331.00565.100.17691.3691.15083.300.16896.1441.06770.100.17694.08101.09376.960.17194.4651.10677.200.17395.04111.04674.300.17894.0161.16282.200.17595.47120.91764.500.17892.59?本文忽略管道阻力损失,高压级排气压力近似当作冷凝压力,低压级吸气压力近似当作蒸发压力.由表 5可知,低压级吸气压力在 0?164 0?178 MPa之间,最大差值为 0?014MPa,变化很少.故此本文按照低压级吸气压力基本恒定进行分析.冷凝压力与许多因素有关,在系统设计过程中,冷凝压力是通过技术经济分析综合考虑确定的.冷凝压力过高,造成冷凝温度升高,排气温度升高,运行工况恶化,压缩机能耗增加,对压缩机的安全运行非常不利.由表 5可见,压缩机的高压级排气温度波动也很大,其中 7月份平均排气温度最高,约为 84?4?;1月份最低,约为 63?5?.此外,冷凝压力还随着大气湿球温度的变化而变化,即冷凝压力与湿球温度存在着密切的关系.考虑到采用 7月份冷凝压力平均值 1?182MPa,不能凸显出冷凝压力逐时波动分布情况,故进一步分析了 7月份冷凝压力逐时波动数据,如图 1所示.研究发现,7月份最热时冷凝压力的最高值为 1?3?47?集美大学学报(自然科学版)第 16卷MPa,但出现的几率很小,仅占到 7月份所有统计记录数据的 5?6%.根据笔者对多个冷库的调研,厦门地区夏季冷凝压力一般在 1?3MPa左右.因此,可以认为该厂制冷系统冷凝压力值较低.冷凝压力保持在较低的状态对压缩机的节能和安全运行是有利的,但是冷凝压力与冷凝器运行控制密切相关,对于整个制冷系统的能耗而言,冷凝压力存在最优化控制问题.因此,如何对压缩机和蒸发式冷凝器进行控制,进而实现节能效益的最大化,需要进一步探讨.3?现场测试与节能分析3?1?冷凝回路负荷匹配分析表 6?不同月份冷凝回路设备运行统计Tab?6?Equipment operati on in differentmonths月份 M onth1?345?101112压缩机台数 Running compressor33433冷凝器台数 Running condenser12221对 2005年压缩机运行记录的研究发现,在不同月份,由压缩机和蒸发式冷凝器组成的冷凝回路的设备投入运行情况也不同,如表 6所示.分析可知,2005年 7月份的大气平均温度和冷凝压力均是最高值.因此,本文以 7月份为例,计算制冷系统的最大排热量.?对压缩机的历史运行记录数据研究发现,7月份制冷系统的平均冷凝温度约为 30?4?.假设7月份运行的 3 台双级 S8-12?5制冷压缩机和 1台单级 4 V-12?5制冷压缩机都达到了额定设计工况,则制冷系统的总排热量为压缩机制冷量与压缩机电机功率之和.因此,2005年 7月份该厂制冷系统的总排热量最大为 695 k W.但是 7月份该厂共投入两台蒸发式冷凝器,总名义排热量为2 240 k W.因此,该厂在 4月份至 11月份对蒸发式冷凝器的台数控制,明显不够合理.3?2?现场测试与结果分析为了证实上述分析,2007年 8?9月,通过控制蒸发式冷凝器和压缩机的台数,对该冷冻厂的制冷装置进行了多次现场测试.经过对实验数据的比较分析,测试与分析结果基本相近,图 2为其中1次测试的数据(9月 18日).测试过程中,先启动 2台 S8-12?5双级制冷压缩机和 2台蒸发式冷凝器,30 m in后,制冷装置各运行参数基本保持稳定,对运行参数进行记录.随后,停用 1台蒸发式冷凝器,待各性能参数达到稳定时,记录数据.接着启动 1台 4V-12?5单级制冷压缩机,30m in后,记录各压力表和温度计的测试数据.各时刻点运行情况及测试数据见图 2.在测试中发现,蒸发式冷凝器的水泵和风机电流几乎保持不变,测试结果为:1#蒸发式冷凝器,水泵电流 5?1 A,风机电流 10?6 A;2#蒸发式冷凝器,水泵电流 5?8 A,风机电流 11?0 A.对实验测试结果研究发现,2台蒸发式冷凝器和 2台双级制冷压缩机正常运行,各性能参数基本达到稳定时,5#和 6#压缩机的电流分别为 97A和 103 A,高压级排气压力分别为 1?05MPa和 1?02MPa.停用 1#蒸发式冷凝器后,5#和 6#压缩机的排气压力分别增加到 1?14MPa和 1?11MPa,其电流分别增加 2 A和 4A.由于 1#蒸发式冷凝器停用节省电流 15?7A,制冷装置的总电流减少 9?7A.三相电机的输入功率为 PI=3ULILcos?.其中:PI?电机的有功功率(W);UL?电机的线电压(V);IL?电机的线电流(A);cos?电机的功率因数.根据文献 2,取电机平均功率因数 0?85,由计算可得,当电流减少 9?7A时,电机的输入功率减少了 5?43 k W.因此,对于该制冷装置而言,投入运行 2台双级制冷压缩机,启用 1台蒸发式冷凝器比运行 2台可以节能 5?43 k W.一般认为,冷凝压力越低越节能,本文根据测试和计算推翻了该观念,对实际优化调节具有重要意义.3?3?其他制冷装置的实际冷凝压力控制2007年 8月,笔者参加了福建省制冷学会组织的冷库制冷装置的调查,两天内调查了 13家企业,调查系统均采用氨为制冷剂,发现在气象条件基本相同条件下,多个企业的冷凝压力运行在1?25MPa以上,个别甚至达到 1?45MPa.据文献 3,在氨制冷系统中,活塞式单机双级制冷压缩?48?第 1期张建一,等:制冷装置冷凝压力优化分析机最高排气压力饱和温度为 46?,对应的冷凝压力值为 1?83MPa.因此,调研的这些厂家的制冷装置均运行在设计手册规定的安全范围之内.但是,冷凝压力升高无疑将使运行效率降低,能耗增加.本文的研究对象月平均冷凝压力最高为 1?182MPa,最高冷凝压力为 1?3MPa.由调查结果可知,多数企业的制冷装置在运行中冷凝压力明显偏高,能耗偏大.同时,冷凝压力偏高将使排气温度明显升高,压缩机故障率增加.因此,在实际运行中,冷凝器的合理配置和冷凝压力的优化控制必须引起更高的重视.时间T i me2#单级压缩机Single stage compressor5#双级压缩机Double?stage compressure6#双级压缩机Double?stage compressure冷凝器Condenser气象参数W eater parameter排气压力Dischargepressure/MPa排气温度Dischargete mp?/?吸气压力Suctionpressure/MPa电流Current/A排气压力Dischargepressure/MPa排气温度Dischargetemp?/?吸气压力Suctionpressure/M Pa电流Current/A排气压力Dischargepressure/M Pa排气温度Dischargetemp?/?吸气压力Suctionpressure/M Pa电流Current/A1#启停2#启停湿球温度Wet?bulbtemp?/?相对湿度HR/%14?00停机Stop开机Startup开机Startup开机Startup开机Startup-15?30-1.05790.09971.02780.08103开机Startup开机Startup30.946%15?35-停机Stop开机Startup-15?55-1.14850.08991.11850.07107停机Stop开机Startup30.844%16?00开机开机Startup-停机Stop开机Startup-16?30 1.221200.18781.24840.101041.21860.08111停机Stop开机Startup30.643%16?45停机Stop-开机Startup开机Startup-17?20停机Stop1.04800.08951.01800.07101开机Startup开机Startup29.652%图 2?制冷装置现场实验测试数据统计Fig?2?Fiel d test data from a refrigerati ng plant4?结论1)该典型工业制冷装置全年月平均冷凝压力中,1月份为最低(0?879 MPa),7月份为最高(1?182MPa).7月份冷凝压力的最高值为 1?3MPa,但出现的几率仅占当月记录数据的 5?6%.一般认为,冷凝压力越低运行越节能,本文根据测试和计算,发现冷凝压力值偏低也将造成能耗增加.2)现场测试发现,通过对冷凝压力的优化控制,可以实现节能.当压缩机运行台数较少时,减少冷凝器的投入,适当提高冷凝压力可以减少总能耗.3)工业制冷装置普遍配置多台冷凝器,但冷凝器运行台数的优化尚未引起重视.在部分负荷下,通过压缩机和冷凝器的合理匹配,来优化冷凝压力,可以实现节能.不同系统的具体操作和优化效果虽有差别,但通过监控压缩机和冷凝器运行电流可以方便地进行分析和操作.参 考 文 献 1 张建一,李莉.制冷空调装置节能原理与技术M.北京:机械工业出版社,2007.2 李燕生.实用电工问答M.北京:金盾出版杜,2002.3 国家机械工业局.JB/T 5446?1999活塞式单机双级制冷压缩机S.北京:机械工业部标准化研究所出版,1999.(责任编辑?陈?敏)?49?