Оставьте заявку
Мы свяжемся с вами, чтобы обсудить детали
Регулирование производительности холодильных систем: методы, сравнение и применение
Содержание:
- Почему необходимо регулирование
- Классификация методов регулирования
- Пуск-остановка и параллельная работа
- Разгрузка цилиндров поршневых компрессоров
- Золотниковое регулирование
- Цифровое регулирование
- Частотный преобразователь (ВЧП)
- Перепуск горячего газа
- Регулирование на стороне конденсатора и ЭРВ
- Управление многокомпрессорными централями
- Сравнение методов
- Диагностическая таблица
- Типичные ошибки
Почему необходимо регулирование производительности
Холодильный компрессор подбирается под максимальную тепловую нагрузку: пиковое лето, полная загрузка охлаждаемого объёма, максимальная температура кипения хладагента. В реальной эксплуатации расчётный максимум возникает несколько дней в году. Всё остальное время тепловая нагрузка ниже расчётной — компрессор избыточен и нуждается в регулировании.
Без регулирования компрессор работает в режиме пуск-остановка: охлаждение переходит нижнюю уставку — компрессор останавливается; температура поднимается — снова запускается. Частые пуски изнашивают контакторы, нагревают обмотки и сокращают ресурс компрессора. При этом температура в охлаждаемом объёме не стабилизируется, а колеблется в широком диапазоне.
Хорошо настроенная система регулирования удерживает температуру в узком коридоре, сокращает число пусков и снижает потребление электроэнергии на 20–50% в сравнении с нерегулируемым режимом — в зависимости от метода и профиля нагрузки.
Frostsystems проводит регламентное обслуживание холодильного оборудования в Москве и МО — чиллеры, агрегаты, камеры и моноблоки любых производителей по индивидуальному регламенту с составлением сервисного журнала.
Без регулирования компрессор работает в режиме пуск-остановка: охлаждение переходит нижнюю уставку — компрессор останавливается; температура поднимается — снова запускается. Частые пуски изнашивают контакторы, нагревают обмотки и сокращают ресурс компрессора. При этом температура в охлаждаемом объёме не стабилизируется, а колеблется в широком диапазоне.
Хорошо настроенная система регулирования удерживает температуру в узком коридоре, сокращает число пусков и снижает потребление электроэнергии на 20–50% в сравнении с нерегулируемым режимом — в зависимости от метода и профиля нагрузки.
Frostsystems проводит регламентное обслуживание холодильного оборудования в Москве и МО — чиллеры, агрегаты, камеры и моноблоки любых производителей по индивидуальному регламенту с составлением сервисного журнала.
Классификация методов регулирования
Все методы делятся на два уровня.
Системное регулирование воздействует на холодильный цикл в целом: перепуск газа между сторонами высокого и низкого давления, дросселирование на всасывании. Эти методы не изменяют производительность компрессора как машины — они снижают полезный эффект при сохранении энергопотребления. Энергетическая эффективность низкая.
Регулирование производительности компрессора изменяет фактическую работу рабочих органов: разгрузка цилиндров, золотниковое регулирование, изменение частоты вращения. Потребляемая мощность снижается пропорционально снижению производительности (с той или иной степенью точности). Это энергетически эффективные методы.
Системное регулирование воздействует на холодильный цикл в целом: перепуск газа между сторонами высокого и низкого давления, дросселирование на всасывании. Эти методы не изменяют производительность компрессора как машины — они снижают полезный эффект при сохранении энергопотребления. Энергетическая эффективность низкая.
Регулирование производительности компрессора изменяет фактическую работу рабочих органов: разгрузка цилиндров, золотниковое регулирование, изменение частоты вращения. Потребляемая мощность снижается пропорционально снижению производительности (с той или иной степенью точности). Это энергетически эффективные методы.
Пуск-остановка и параллельная работа компрессоров
Метод пуск-остановка (on/off) — простейший и наименее эффективный. Компрессор работает при полной производительности или не работает вовсе. Приемлем для небольших герметичных систем с высокой аккумулирующей способностью контура: большой объём теплоносителя или охлаждаемой массы сглаживает колебания температуры. При малой аккумулирующей способности и мощном компрессоре циклы пуск-остановка становятся слишком частыми — моторный контактор выходит из строя за один сезон.
Параллельная работа нескольких компрессоров — ступенчатое регулирование путём поочерёдного подключения и отключения машин. При трёх компрессорах равной мощности получают ступени 33/67/100%. Контроллер управляет очерёдностью включений: компрессор с наименьшей наработкой подключается первым. Метод эффективен для централей торгового холода и промышленных агрегатов. Для равномерного износа контроллеры Danfoss AK-PC 730, Carel pRack, Dixell XC640/650 реализуют алгоритм ротации — каждый компрессор набирает равное количество моточасов.
Параллельная работа нескольких компрессоров — ступенчатое регулирование путём поочерёдного подключения и отключения машин. При трёх компрессорах равной мощности получают ступени 33/67/100%. Контроллер управляет очерёдностью включений: компрессор с наименьшей наработкой подключается первым. Метод эффективен для централей торгового холода и промышленных агрегатов. Для равномерного износа контроллеры Danfoss AK-PC 730, Carel pRack, Dixell XC640/650 реализуют алгоритм ротации — каждый компрессор набирает равное количество моточасов.
Разгрузка цилиндров поршневых компрессоров
Наиболее распространённый метод механического регулирования для многоцилиндровых поршневых компрессоров (Bitzer, Copeland, Carlyle). Разгрузочный механизм удерживает всасывающий клапан цилиндра в открытом положении через весь такт сжатия: газ всасывается и тут же выталкивается обратно в линию всасывания без сжатия — цилиндр работает вхолостую.
Ступени разгрузки определяются числом цилиндров:
Энергопотребление при разгрузке снижается не пропорционально производительности: при 50% нагрузке компрессор потребляет около 60–65% полной мощности из-за механического трения работающих узлов и сжатия газа в оставшихся цилиндрах. Тем не менее это существенно лучше, чем перепуск горячего газа.
Управляют разгрузкой соленоидные клапаны, подающие масло или газ на разгрузочные поршни. Неисправность соленоида проявляется как постоянная работа компрессора в разгруженном состоянии или невозможность разгрузки. Контроллеры фиксируют текущую ступень нагрузки — это информация для диагностики.
Ступени разгрузки определяются числом цилиндров:
- 4-цилиндровый компрессор — ступени 50/75/100%
- 6-цилиндровый — ступени 33/67/100% или 50/67/83/100%
- 8-цилиндровый — ступени 25/50/75/100%
Энергопотребление при разгрузке снижается не пропорционально производительности: при 50% нагрузке компрессор потребляет около 60–65% полной мощности из-за механического трения работающих узлов и сжатия газа в оставшихся цилиндрах. Тем не менее это существенно лучше, чем перепуск горячего газа.
Управляют разгрузкой соленоидные клапаны, подающие масло или газ на разгрузочные поршни. Неисправность соленоида проявляется как постоянная работа компрессора в разгруженном состоянии или невозможность разгрузки. Контроллеры фиксируют текущую ступень нагрузки — это информация для диагностики.
Золотниковое регулирование винтовых компрессоров
В винтовых компрессорах применяется регулирующий золотник (slide valve) — подвижный элемент в корпусе роторного блока, параллельный оси вала. При смещении золотника в сторону всасывания открывается байпасный канал: часть всасываемого газа возвращается обратно в камеру всасывания, не проходя через зону сжатия. Эффективная рабочая длина роторов уменьшается — производительность падает.
В компрессорах Bitzer CSH и HSN золотник перемещается гидравлически — масляным давлением через управляющий соленоид. Это обеспечивает плавное бесступенчатое регулирование в диапазоне 25–100% (на некоторых моделях 10–100%). Mycom, Fusheng, Grasso реализуют аналогичный принцип.
Зависимость потребляемой мощности от нагрузки при золотниковом регулировании нелинейна: при 50% производительности компрессор потребляет около 60–65% полной мощности — аналогично разгрузке цилиндров. Причина та же: часть работы компрессора уходит на механические потери вне зависимости от нагрузки.
Неисправность системы золотникового регулирования — компрессор застрял на одной ступени нагрузки или не реагирует на команды контроллера. Причины: засоренный управляющий соленоид, недостаточное давление масла, износ уплотнений золотника. Диагностика: измерение давления масла в управляющей линии, проверка соленоида.
В компрессорах Bitzer CSH и HSN золотник перемещается гидравлически — масляным давлением через управляющий соленоид. Это обеспечивает плавное бесступенчатое регулирование в диапазоне 25–100% (на некоторых моделях 10–100%). Mycom, Fusheng, Grasso реализуют аналогичный принцип.
Зависимость потребляемой мощности от нагрузки при золотниковом регулировании нелинейна: при 50% производительности компрессор потребляет около 60–65% полной мощности — аналогично разгрузке цилиндров. Причина та же: часть работы компрессора уходит на механические потери вне зависимости от нагрузки.
Неисправность системы золотникового регулирования — компрессор застрял на одной ступени нагрузки или не реагирует на команды контроллера. Причины: засоренный управляющий соленоид, недостаточное давление масла, износ уплотнений золотника. Диагностика: измерение давления масла в управляющей линии, проверка соленоида.
Цифровое регулирование Copeland Digital Scroll
Copeland Digital Scroll (Digital Compressor) — запатентованная технология бесступенчатого регулирования для спиральных компрессоров без изменения частоты вращения. Электромагнитный соленоид периодически разгружает компрессор, поднимая орбитальную спираль и открывая обводной канал — хладагент циркулирует без сжатия. Среднее соотношение времени «нагружен / разгружен» определяет эффективную производительность от 10 до 100%.
Цикл переключения составляет 20 секунд: например, при 60% нагрузке компрессор 12 секунд работает полностью и 8 секунд разгружен. Механически компрессор вращается непрерывно — нет ударных пусковых токов и износа от частых включений. Управляется от контроллера через аналоговый сигнал 0–10 В или по Modbus.
Энергетическая эффективность цифрового регулирования заметно выше разгрузки цилиндров: при 50% нагрузке потребляется около 50–55% полной мощности. Основной недостаток — нагрев нагнетательного трубопровода при длительной работе в разгруженном режиме: хладагент рециркулирует, не охлаждая мотор. Минимальная нагрузка ограничена требованиями охлаждения обмоток — как правило, не ниже 10%.
Цикл переключения составляет 20 секунд: например, при 60% нагрузке компрессор 12 секунд работает полностью и 8 секунд разгружен. Механически компрессор вращается непрерывно — нет ударных пусковых токов и износа от частых включений. Управляется от контроллера через аналоговый сигнал 0–10 В или по Modbus.
Энергетическая эффективность цифрового регулирования заметно выше разгрузки цилиндров: при 50% нагрузке потребляется около 50–55% полной мощности. Основной недостаток — нагрев нагнетательного трубопровода при длительной работе в разгруженном режиме: хладагент рециркулирует, не охлаждая мотор. Минимальная нагрузка ограничена требованиями охлаждения обмоток — как правило, не ниже 10%.
Частотный преобразователь (ВЧП)
Изменение частоты вращения вала компрессора через преобразователь частоты (ВЧП, инвертор) — наиболее энергоэффективный метод регулирования. Для центробежных машин работает закон Аффинитета: при снижении оборотов вдвое производительность падает вдвое, а мощность — в восемь раз. Для объёмных компрессоров зависимость близка к линейной, но всё равно значительно лучше других методов: при 50% производительности потребление составляет 35–45% полной мощности.
Рабочий диапазон частот ограничен снизу требованиями смазки и охлаждения: для поршневых компрессоров с принудительной смазкой — не ниже 25–30 Гц для герметичных спиральных компрессоров с хладагентным охлаждением мотора — не ниже 25–30 Гц для открытых компрессоров — не ниже 20 Гц
Максимальная частота ограничивается механической прочностью и балансировкой ротора: как правило, не выше 70–90 Гц.
Инверторные решения для холодильных компрессоров: Bitzer ECOLINE Varispeed — специально разработанная линейка поршневых и спиральных компрессоров с встроенной поддержкой частотного управления Copeland Scroll Variable Speed — спиральные компрессоры для VFD-привода Danfoss Turbocor — центробежные компрессоры с магнитными подшипниками и встроенным инвертором.
Внешние ВЧП для существующих компрессоров: Danfoss FC102, Siemens SINAMICS, ABB ACS880. При применении ВЧП с герметичными компрессорами необходимо согласовать с производителем допустимый диапазон частот и требования к ЭМС — высокочастотные помехи от инвертора могут повредить обмотки при неправильной экранировке.
Рабочий диапазон частот ограничен снизу требованиями смазки и охлаждения: для поршневых компрессоров с принудительной смазкой — не ниже 25–30 Гц для герметичных спиральных компрессоров с хладагентным охлаждением мотора — не ниже 25–30 Гц для открытых компрессоров — не ниже 20 Гц
Максимальная частота ограничивается механической прочностью и балансировкой ротора: как правило, не выше 70–90 Гц.
Инверторные решения для холодильных компрессоров: Bitzer ECOLINE Varispeed — специально разработанная линейка поршневых и спиральных компрессоров с встроенной поддержкой частотного управления Copeland Scroll Variable Speed — спиральные компрессоры для VFD-привода Danfoss Turbocor — центробежные компрессоры с магнитными подшипниками и встроенным инвертором.
Внешние ВЧП для существующих компрессоров: Danfoss FC102, Siemens SINAMICS, ABB ACS880. При применении ВЧП с герметичными компрессорами необходимо согласовать с производителем допустимый диапазон частот и требования к ЭМС — высокочастотные помехи от инвертора могут повредить обмотки при неправильной экранировке.
Перепуск горячего газа
Метод системного регулирования: часть сжатого горячего газа байпасируется с нагнетательного трубопровода на всасывание через регулирующий клапан. Компрессор продолжает работать при полной производительности, но часть газа не участвует в полезном охлаждении — бесплатно перекачивается по байпасу. Потребляемая мощность снижается лишь незначительно — за счёт небольшого снижения давления конденсации. При 50% полезной нагрузки компрессор потребляет 85–90% полной мощности.
Перепуск горячего газа применяется там, где другие методы невозможны или нецелесообразны: малые коммерческие установки с негерметичными scroll-компрессорами без цифрового управления, системы с жёстким требованием к минимальному давлению испарения, установки с кратковременными пиками нагрузки. Главное достоинство — простота и низкая стоимость. Главный недостаток — плохая энергоэффективность при длительной работе на частичной нагрузке.
Перепуск горячего газа применяется там, где другие методы невозможны или нецелесообразны: малые коммерческие установки с негерметичными scroll-компрессорами без цифрового управления, системы с жёстким требованием к минимальному давлению испарения, установки с кратковременными пиками нагрузки. Главное достоинство — простота и низкая стоимость. Главный недостаток — плохая энергоэффективность при длительной работе на частичной нагрузке.
Регулирование на стороне конденсатора и ЭРВ
Управление вентиляторами конденсатора через ВЧП — самостоятельный элемент энергосбережения. При снижении нагрузки и в холодное время года потребность в отводе тепла снижается. ВЧП на вентиляторах конденсатора поддерживает давление конденсации на минимально допустимом уровне, снижая степень сжатия и улучшая COP. Экономия только на вентиляторах конденсатора при переменной нагрузке составляет 15–25% электропотребления конденсаторного контура.
Электронный расширительный вентиль (ЭРВ) обеспечивает точное поддержание перегрева при любой нагрузке — от 100% до 15–20% номинала. В отличие от термостатического ТРВ, который стабильно работает лишь в узком диапазоне нагрузок, ЭРВ не теряет точности при глубокой разгрузке компрессора. Драйверы EVD Evolution (Carel), EEPR (Danfoss), Sporlan SEI обеспечивают управление перегревом с точностью ±0,5 К.
Электронный расширительный вентиль (ЭРВ) обеспечивает точное поддержание перегрева при любой нагрузке — от 100% до 15–20% номинала. В отличие от термостатического ТРВ, который стабильно работает лишь в узком диапазоне нагрузок, ЭРВ не теряет точности при глубокой разгрузке компрессора. Драйверы EVD Evolution (Carel), EEPR (Danfoss), Sporlan SEI обеспечивают управление перегревом с точностью ±0,5 К.
Управление многокомпрессорными централями
В торговых централях и промышленных агрегатах одновременно работают 3–8 компрессоров. Контроллер централи (Danfoss AK-PC 730, Carel pRack, Dixell XC640/650) управляет всеми компрессорами как единой системой, распределяя нагрузку оптимально.
Типовой алгоритм управления централью:
Минимальное время работы и минимальное время останова (typically 3–5 min each) предотвращают слишком частые пуски при колебаниях нагрузки вблизи уставки включения/отключения.
Типовой алгоритм управления централью:
- при росте давления всасывания — включается следующий компрессор в очереди
- при снижении — отключается компрессор с наибольшей наработкой
- ротация обеспечивает равномерный износ
- ведущий компрессор (lead compressor) нередко оснащён ВЧП и работает непрерывно, управляя тонкой подстройкой давления всасывания
- ведомые компрессоры (lag compressors) включаются и отключаются целиком
Минимальное время работы и минимальное время останова (typically 3–5 min each) предотвращают слишком частые пуски при колебаниях нагрузки вблизи уставки включения/отключения.
Сравнение методов: энергоэффективность
Диагностическая таблица
Типичные ошибки
- Применяют перепуск горячего газа как основной метод регулирования. Простота монтажа не оправдывает энергетические потери: при 60–70% времени работы на частичной нагрузке переплата за электроэнергию за год сопоставима со стоимостью ВЧП. Перепуск горячего газа — резервный метод для форс-мажорных режимов.
- Не задают минимальное время работы и останова компрессора. Без ограничений по времени контроллер реагирует на малейшие колебания давления всасывания — компрессор включается и выключается каждые 30–60 секунд. Ресурс контактора исчерпывается за несколько месяцев.
- Устанавливают ВЧП без проверки совместимости с компрессором. Герметичный scroll-компрессор охлаждается всасываемым хладагентом — при слишком низкой частоте и соответственно малом расходе газа мотор перегревается. Допустимый диапазон частот всегда согласовывается с документацией производителя компрессора.
- Не используют ВЧП на вентиляторах конденсатора. Регулирование только по компрессорной стороне при фиксированной скорости вентиляторов конденсатора — упущенная экономия. В холодный сезон давление конденсации при фиксированных вентиляторах избыточно занижается — возникают проблемы с ТРВ и перемерзанием; в жаркий — давление нарастает сверх нормы. ВЧП на вентиляторах конденсатора устраняет оба эффекта.
Frostsystems выполняет настройку и оптимизацию систем регулирования производительности, установку и наладку ВЧП, программирование контроллеров централей с пуско-наладочными работами — Москва и Московская область.
Не знаете с чего начать?
Оставьте ваши контактные данные и инженер разберется в вашей проблеме и предложит пути решения.