永磁同步变频离心式冰蓄冷双工况机组分析研究

永磁同步变频离心式冰蓄冷双工况机组分析研究

黄飞强、章乾、韩志雨、田超、崔凯翔、伍修璨

国电投（陵水）智慧能源有限公司 海南省陵水县 572400

摘 要：随着能源需求的不断增长和环保要求的提高，高效、节能、环保的制冷设备在制冷领域的应用越来越广泛。永磁同步变频离心式冰蓄冷双工况机组作为一种新型的制冷设备，具有高效、节能、环保等优点，得到了广泛的应用。本文将对永磁同步变频离心式冰蓄冷双工况机组进行分析研究，探讨其技术背景工作原理、性能特点、及应用领域。并对其关键技术进行分析研究。该机组采用先进的永磁同步变频技术，具有高效节能、低噪音、低维护成本等优点，可广泛应用于商业建筑、公共设施、工业生产等领域。

关键词：关键技术；离心式；冰蓄冷； 节能

1引言

随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，电力需求量在不断增加。同时能源结构和环境保护问题也日益突出。在尖峰负荷时段，电力供应常常面临压力，因此，开发高效、节能、环保的制冷设备成为了当前的重要课题。而冰蓄冷技术作为一种有效的电力负荷调节手段，得到了广泛应用。本文主要介绍一种永磁同步变频离心式冰蓄冷双工况机组的研制过程。具有高效节能、低噪音、低维护成本等优点，对于缓解能源压力、提高能源利用效率、降低环境污染具有重要意义。

2 技术背景和原理

冰蓄冷技术是一种将富余电能转化为冰冷的能量储存起来，在需要时释放出来，以减轻电网负荷的技术。传统的冰蓄冷技术采用压缩式制冷机组，但这类机组能效比低、噪音大、维护成本高。因此，开发一种高效、低噪音、低维护成本的冰蓄冷机组成为市场迫切需求。

冰蓄冷系统原理是：冰蓄冷空调系统，即在电力负荷低、电价低的夜间运行主机制冰，将冷量以冰的形式储存，而在电力负荷高、电价较高的白天通过融冰将冷量释放。从而在满足用冷单位负荷需要的同时大大降低机组运行费用的满足建筑物空调负荷需要的空调系统。

图1 主机冰蓄制冷原理图

永磁同步变频离心式冰蓄冷双工况机组采用了先进的永磁同步变频技术，该技术利用永磁体产生的磁场来驱动转子旋转，从而使得离心式压缩机能够高效运转。同时，采用变频技术对压缩机的转速进行调节，以适应不同的负荷需求。这种技术的优点在于具有较高的效率和稳定性，且能够显著降低能源消耗和噪音污染。

3永磁同步变频离心式冰蓄冷双工况机组性能特点

永磁同步变频离心式冰蓄冷双工况机组，该机组具有以下特点：

（1）高能效比：该机组采用了先进的永磁同步变频技术，使得压缩机的效率得到了显著提升。同时，高效的离心式制冷技术使得制冷效果更加出色。这种制冷技术能够有效地降低能耗，提高能源利用率，实现更加环保的制冷效果。整个机组运行稳定可靠，维护简单方便，为用户带来更加高效、稳定、环保的制冷体验。从而降低了运行成本。这种技术能够使机组更加高效地运行，减少能源浪费，为企业节省大量的运营成本。

（2）节能：该机组采用了先进的节能技术，拥有高能效比，能够在不同的负荷条件下保持卓越的制冷效果。变频调节，更适合冰蓄冷双工况：

（a）变频机组可以通过降低转速来适应空调工况的压头，无需进口导叶调节，保持压缩机的效率不衰减，从而节省能耗空调工况的能耗；

（b）在冷却水进水32℃，冷冻出水6.3℃；满负荷提升11.5%，全工况提升30%；

（c）蓄冰工况，冷却水温随气候变化，相比定频机组节能15%以上。

此外，机组还采用了智能控制系统，能够根据实际需求自动调节能源消耗，从而进一步降低了能源的浪费，实现了更加环保、节能的目标。这种智能化的控制系统不仅可以提高机组的运行效率，还可以为企业节省能源成本，是一种非常实用、可靠的节能解决方案。

(3)高可靠性：我们的设备采用双工况设计，确保在不同环境温度下都能稳定运行：

（a） -8℃冷冻出水条件下可稳定运行

（b）机组在额定制冰工况条件下，可卸载至标称制冷量的70%，较强制满

载运行直至蓄冰结束的控制策略更节能；

（c）34℃冷却水条件下可稳定运行

(4)低噪音：这款机组经过精心的设计和精湛的工艺，我们离心式压缩机采用了最新的技术，融入了低噪音和降噪技术，确保在运行过程中产生的噪音极低，不会对周围环境产生任何扰动。这种独特的设计使得该机组在同类产品中脱颖而出，可以大大降低机组运行时的噪音，确保用户的舒适体验，成为低噪音、高效能、高品质的代表。

(5)低温差： 低温差技术是一种实现制冷剂低蒸发温度的关键方法，它能够提高制冷效果，减少能源消耗。这种技术被广泛应用于各种制冷设备中，如冰箱、空调等。通过低温差技术，制冷剂可以在更低的温度下蒸发，从而吸收更多的热量，达到更高效的制冷效果。这种技术的实现需要精确的控制和优化，以确保制冷效果的稳定和持久。

(6)智能化控制： 智能化控制是一项重要的技术，能够实现机组的智能化控制，提高机组的自动化程度和运行稳定性。通过采用先进的控制算法和传感器技术，智能化控制可以实时监测机组的运行状态，并根据监测结果自动调整机组的运行参数，使其始终保持在最佳状态。此外，智能化控制还可以实现远程监控和故障诊断，提高机组的可维护性和可靠性。随着工业4.0的发展，智能化控制在各个领域的应用越来越广泛，为提高生产效率和产品质量提供了强有力的支持。

(7)低维护成本：该机组的一大优势是低维护成本。它采用了先进的永磁同步变频技术，使得日常维护工作量大幅减少，同时，机组故障率也得到了显著降低。这种技术不仅提高了机组的运行效率，还为企业节省了大量的维护成本。

4 关键技术分析

4.1双级压缩、中间补气制冷循环

选择系统循环方式时，需要综合考虑结构设计和循环效率两个方面的因素。双级压缩是一种可行的选择，它能够满足制冰工况对高压比的要求，并且具有压比降低、效率提高、运行更加平稳等优点。双级压缩的运行原理是将压缩系统分为两个级别，通过中间冷却和补气制冷来实现循环。这样可以降低每级压缩机的压比，提高整个系统的效率。此外，双级压缩也能够平稳运行，减少系统噪音和振动。然而，需要注意的是，当压缩机级数超过两级后，机组的结构复杂度将会增加，系统可靠性也会下降。因此，在选择循环方式时，需要权衡系统的复杂性和可靠性。在制冰工况下，离心机的效率往往会明显下降。而双级压缩循环对工况出口水温的降低影响相对较小。因此，采用永磁同步变频离心式冰蓄冷双工况机组，结合双级压缩和中间补气制冷循环，能够有效提高制冰系统的性能和效率。
综上所述，选择合适的循环方式对于制冰系统的设计和效率至关重要。双级压缩是一种可行的选择，能够满足制冰工况的要求，并具备压比降低、效率提高、运行更加平稳等优点。然而，需要注意系统的复杂度和可靠性，在压缩机级数超过两级的情况下要谨慎考虑。最后，采用双级压缩循环的永磁同步变频离心式冰蓄冷双工况机组，在制冰工况下能够提高系统性能和效率。

4.2双工况多点气动设计

绝热系数是衡量压气机工作特性的一个重要参数。如上所说，两种运行方式下的离心冰蓄冷压缩机增压比的改变覆盖面积很大。为确保其在全工况条件下的安全性和可靠性，以及整体隔热效果的显著提高，必须对压缩机的设计方法和气动元件进行全方位的优化。

(1)采用两种工作状态下的压气机多点空气动力学分析。在制冰期和冷冻期，压缩机的工作状态点有很大的差别。其中、在制冰期，点压比高，且离喘振区较近；在全负荷时，点压比较低，负荷较大，且靠近阻塞区域，操作余量较窄。另外，空调系统的局部负载工作点和100%的冷却工作点也有很大的不同。若要在制冰机和冷却机两种情况下均能获得最佳的运行效果，则需要考虑不同的气动结构参数。在常规的固定频率离心机中，通常将制冰时的工作状态视为其工作状态，而没有考虑工作时的工作效率。而 PMSM变频离心两工作状态下，则提出了一种适用于两种工作状态的多点空气动力学设计方案。其基本原理是：

（1）针对冷冻工作条件，选择50%-85%的工作状态，以此区间中某一工作状态为最优工作状态，并进行叶片形状的优化，实现各工作状态下的高效运行。2)在制冰点上，既要保证所需的冷量，又要保证制冰点在不影响系统稳定的前提下，保持系统的稳定运行。PMSM同步变频离心机双态多点空气动力学设计在制冰、供冷两种情况下，该系统可以达到最佳的节能效果。

(2) 采用三元全长叶片闭式叶轮设计。普通的离心压缩机通常使用的是仅弯不扭的普通双转子。由圆柱状的弯曲表面构成，在子午面上有狭窄的槽道。三元叶轮为一种同时具有曲线和扭曲特性的空间表面，在其表面具有更大的流道，具有更高的效率和更高的特性曲线。平坦，适用范围广。通过对进口安装角度、进口直径和出口角等多个参数的模拟比较和优选；通过对两种运行方式下的多个工作状态下的多个工作状态下的能量效率最大化的优化设计，并对其进行了优化设计。

(3) 串列叶片回流器设计结构。包含多个第1行叶片和若干第2行叶片，所述第1行位于回流器的外圈中，在两排邻近的两排叶片间构成一回路，第二排位于回流器流道的下游。在不同的流量条件下，采用串列叶片回流器设计结构可以有效地控制前沿静叶后附面层的分离，从而提高压气机的性能。

经上述两种工作状态下的多点空气动力学优化，对8438 kW机组进行了最大绝热率和最大绝热率分别为86.5%和83.1%，详见如下表1。

表 1 永压缩机绝热效率(ARI 工况

4.3 高速电机直驱双级叶轮技术

(1) 压缩机喘振裕量扩宽设计： 大叶轮出口气流角相比单级压缩，双级压缩的出口气流β角要大，进一步优化，使β角<-68 °；远大于失速角度-78 °，喘振隔离裕度大。串列叶片回流器能在变流量下，后列叶片抑制前列叶片尾部边界层分离，消除二叶轮进口气流畸变，拓展压缩机运行范围。

（2）防喘振控制技术：在机组控制中心内设喘振区与过渡区；机组运行到过渡区时，机组自动调整，使压缩机远离喘振区；

（3）辅助热气旁通：在极限工况下，辅助开启热气旁通，确保机组运行。

（4）喘振保护：当机组进入喘振区，通过检测电流波动及时保护停机，确保安全；

图2 防喘振控制原理图

4.4高速永磁同步电机

采用行业内首创大功率高速永磁同步电机，永磁同步电机效率达97.5%，小功率时衰减小；H级电机，可靠性高

5 永磁同步变频离心式冰蓄冷双工况机组应用领域

（1）商业建筑：永磁同步变频离心式冰蓄冷双工况机组可应用于商场、超市等商业建筑中，为顾客提供舒适的购物环境。

（2）公共设施：如图书馆、博物馆等公共设施也可采用永磁同步变频离心式冰蓄冷双工况机组进行制冷。

（3）工业领域：在化工、医药等需要严格控制温度的工业领域，永磁同步变频离心式冰蓄冷双工况机组可用于冷却设备和原料。

（4）食品加工：食品加工过程中需要保持低温环境以延长食品保质期，永磁同步变频离心式冰蓄冷双工况机组可用于食品加工厂的制冷设备。

（5）交通运输：在冷藏运输领域，永磁同步变频离心式冰蓄冷双工况机组可用于冷藏车、冷藏集装箱等设备的制冷系统。

6 结论

本文对永磁同步变频离心式冰蓄冷双工况机组分析研究，具有高能效比、低噪音、低温差、高可靠性、智能化控制等特点。并对其关键技术进行深入分析研究，实现了机组的稳定运行和优良的性能指标。为电力负荷调节领域提供了一种有效的技术手段，具有重要的应用价值和发展前景。该机组的成功研制，不仅为电力负荷调节领域提供了一种有效的技术手段，同时也展示了我们在该领域的领先技术实力。这种机组具有广泛的应用价值，其高效、稳定的性能和智能化控制等特点也使其具有巨大的发展潜力。

我们相信，随着科技的不断发展，这种具有创新性和前瞻性的永磁同步变频离心式冰蓄冷双工况机组将会在更多的领域得到应用，为人类的生产生活提供更加稳定、可靠的电力支持。

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