制冷系统作为冷库的关键核心,其设计方案和运行水平直接关系到库存品质、能耗成本乃至整个冷链效率。因此,优选冷库的制冷系统形式,改善其节能运行效果,已成为亟待研究的重要课题。
就目前冷库制冷系统而言,并联机组和单机机组是两种最常见的工程形式。
1、并联机组:
是指由两台及以上制冷压缩机并联运行,共同承担冷库制冷负荷的系统形式;
2、单机机组：
由一台大型制冷压缩机独立承担全部负荷。
两种机组形式在设计理念、调控特性、节能效果等方面均有明显差异,但目前对其应用效果缺乏系统评估。
冷库运行过程中,其制冷负荷呈现明显的动态波动特征。一方面,受货物出入库、露点渗透、照明发热等影响,冷库显热负荷频繁变化;另一方面,随环境温湿度、货物品种与数量等条件变化,冷库潜热负荷也呈现动态分布。总体而言,冷库制冷负荷的变化主要呈现以下特点:
受现代物流"小批量、多频次"特点影响,冷库货物出入库频繁,每次出入库均带来大量显热负荷,导致制冷负荷骤增或骤减。同时库温波动也易引起库内空气与围护结构间的热交换,加剧负荷波动。
夏季高温时,新入库的常温货物会带来大量显热,使制冷负荷陡增数倍。而冬季或夜间,货物稀少时,制冷负荷又会大幅下降。据统计,冷库全年最大负荷可达最小负荷的5~8倍。
白天受太阳辐射、货物出入库影响,冷库制冷负荷普遍较高,高峰时段可达平均负荷的2倍以上;夜间货物稀少,室外温度降低,负荷则较低,仅为白天高峰的50%左右。
夏季受高温影响,冷库耗冷量大,且变化剧烈,日最大负荷可比最小负荷高出4倍以上;冬季气温较低,保鲜要求降低,日负荷变化仅为夏季的1/2左右。
不同储存品的温度要求差异很大,生鲜肉类需-18℃以下,蔬菜水果在0~10℃即可,温度越低制冷负荷越大。而同种货品因含水量、堆码方式不同,负荷变化也较大。
鉴于冷库制冷负荷的动态分布特性,其制冷系统必须具备较强的负荷适应性。传统的定频单机制冷难以满足负荷动态调节要求,或者造成能源浪费。因此,变频调节、并联分级运行的柔性制冷系统成为冷库节能发展的必然趋势。
制冷并联机组由两台或多台制冷机并联组成,通过级联控制实现柔性负荷调节,其基本工作原理如下:
将多台制冷压缩机的吸排气管路并联,使其共用蒸发器和冷凝器,形成并联制冷回路。当负荷变化时,启停部分机组,实现分级调节。
根据负荷大小和变化速率,控制不同台数机组投运,大负荷时增加投运台数,小负荷时减少运行台数,实现"台阶式"柔性调节,避免频繁启停。
为确保机组间制冷剂均衡分配,并联机组多采用均流器等专门配件,保证各压缩机进口过热度一致,减少液击风险,提高机组可靠性。
为维持并联压缩机的油位平衡,避免润滑失效,通常采取油平衡管、定期回油等专门措施,确保各压缩机运行安全可靠。
并联机组适应负荷波动的调节能力强、投资和维护成本低,但并联系统复杂,设计施工要求较高。
通过增减投运台数,可在10%~100%负荷范围内柔性调节,适应冷库负荷的动态变化。避免了单机频繁启停的弊病。
通过优化台数组合与投切策略,可使各机组在高效区长期稳定运行,显著提升部分负荷工况的能效比,减少能耗。
多机并联运行可有效分担单机故障风险,一旦个别机组检修,其余机组仍可继续运行,大大提高了系统可靠性。
相比采购一台大型定制压缩机,采用多台小型并联机组的投资相对较低,且配套设备通用性好,更易实现模块化组合和柔性扩容。
小型机组的检修更加便捷灵活,尤其在保持不停机检修时,既可单台离线检修,也可就地移机检修,大大减少了检修工作量。
但并联机组在实际应用中也存在一些问题:如并联管路设计复杂,施工衔接要求高;机组间制冷剂和润滑油分配控制难度大;变工况协调控制逻辑复杂,对控制系统要求较高等。因此在工程实践中,须因地制宜地权衡利弊,优化设计。
单机机组采用一台大型定频压缩机独立承担全部制冷负荷,通过节流阀调节或压缩机启停来适应负荷变化,其基本工作原理为:
单机机组多为定频压缩机,转速恒定,通过调节进气阀开度来改变压缩机排气量,进而调节制冷量。当负荷变化剧烈时,则采取启停控制。
利用热力膨胀阀感知蒸发温度变化,自动调节其开度大小,改变制冷剂流量,进而调节制冷量。该方式调节精度低,易引起压缩机抽空和进口过热。
向压缩机吸气腔喷入液态制冷剂,利用其蒸发吸热降低吸气温度,减小压缩功,在一定程度上实现无级调节,但喷液过量易引起液击。
在压缩机吸排气间设旁通阀,通过调节旁通阀开度改变压缩机有效排气量,实现100%~10%的无级调节,但小负荷时效率急剧下降。
单机机组结构简单,运行可靠,但调节能力差,能耗大。
单台压缩机独立运行,系统简单,尤其适合不允许停机的场合。
节流、喷液等调节措施精度不高,难以适应频繁波动负荷,低负荷时能效急剧恶化。
负荷变化较大时,只能频繁启停机组,启动电流大,设备磨损重,能耗和维护成本高。
一旦单机故障,整个制冷系统瘫痪,严重时损失惨重。因此对设备本身的可靠性和备用要求极高。
单机机组仅适合负荷变化小、允许温度波动大的场合,如粮食冷藏、土豆冷藏等,不适合对温度精度要求高的场合。
可见,单机机组虽然可靠性高,但在节能和智能化调控方面难以满足现代冷库的需求,其应用将日趋局限。而机组形式应根据冷库的具体工况,兼顾可靠性、节能性、经济性等因素综合考虑。
针对某水果保鲜冷库,拟对其制冷机组系统进行节能改造,通过对比分析并联机组和单机机组两个备选方案,最终确定并联机组方案。该项目的基本情况如下:
某大型水果批发市场的保鲜冷库,建筑面积8000平米,库容5000吨,temperatura设计为0~5℃,日吞吐量约200吨。原有3台单机定频制冷机组,定频运行,能耗大,运行费用高。
经测算,该冷库夏季白天高峰负荷为600kW,夜间低谷负荷为120kW,日负荷变化达5倍;冬季负荷较为平稳,高峰负荷300kW,低谷100kW,日内变化约3倍。
改造为4台螺杆并联机组,其中2台额定制冷量为200kW,2台额定制冷量为100kW。通过变频控制和投切调节相结合,实现10%~120%负荷的柔性调节。
采用1台螺杆单机,额定制冷量600kW,通过滑阀调节和喷液调节实现30%~100%的无级调节。
经测算,并联机组年耗电量为126万kWh,年综合制冷性能系数(SCOP)为3.5;单机组年耗电量为158万kWh,SCOP为2.8。并联机组年节电率约20%。
并联机组投资280万元,单机机组投资240万元。并联机组虽投资略高,但年节电费用约32万元,静态投资回收期约1.2年。若考虑20年使用寿命,并联机组总费用远低于单机机组。
经过一年运行,并联机组运行稳定可靠,库温波动小于1℃,设备综合COP达到3.6以上,实际年节电率达22%,取得了良好的节能效益。
本案例充分说明,合理采用并联机组可以显著提升冷库制冷系统的节能水平和柔性调节能力,尤其在负荷波动较大时,节能效果更加明显。通过前期科学测算和财务分析,可以合理评估其节能潜力和投资回报,为工程决策提供依据。
综上所述,冷库制冷系统并联机组和单机机组各有优劣,应根据冷库的实际情况合理选用。并联机组适应负荷变化能力强,部分负荷效率高,投资省,维护方便,但系统复杂,控制要求高;单机机组可靠性高,结构简单,但能效差,调节能力弱,只适合个别工况。随着节能减排和智能化的不断深入,变频并联机组凭借其突出的节能增效优势,代表了冷库制冷系统的技术发展方向。但机组形式应根据项目应用特点,权衡节能、投资、维护等多重因素,通过技术经济分析而优选确定,避免盲目跟风。同时并联机组的实际运行效果还取决于制冷剂分配、油平衡、柔性控制等诸多因素,应予以高度重视,通过合理设计和优化控制来充分发挥其节能潜力,促进冷库高质量、绿色化、智能化发展。
文章来源：制冷空调换热器
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