CN117647029A

CN117647029A - 一种离心式热泵机组

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Publication number: CN117647029A
Application number: CN202410117560.9A
Authority: CN
Inventors: 段连涛; 蔡万禄; 杨璐
Original assignee: Ebara Refrigeration Equipment and Systems China Co Ltd
Current assignee: Ebara Refrigeration Equipment and Systems China Co Ltd
Priority date: 2024-01-29
Filing date: 2024-01-29
Publication date: 2024-03-05
Anticipated expiration: 2044-01-29
Also published as: CN117647029B

Abstract

本发明涉及制冷制热领域，公开了一种离心式热泵机组，集成设置了减速电机辅助大型离心机的主电机软启动，降低主电机启动瞬间产生的热量及对其他部件的冲击，通过观测总结主电机降温的过程及监测主电机在设定周期内的启动次数，在主电机启动失败后，通过计算得到两次启动的合理的安全间隔时间，避免了传统的刻板地设置两次启动间隔时间的做法，更好的适用于现场需求，进一步地，减速电机除了辅助启动外，还可以兼具冷剂泵的动能，实现一机多用。

Description

一种离心式热泵机组

技术领域

本方案涉及到制冷制热领域，具体涉及一种离心式热泵机组。

背景技术

离心式热泵机组为大型设备，由于离心式热泵内部系统是接近真空状态，所以电机部分是封闭在整个系统内的，其冷却一般是靠系统正常运行起来之后，依靠冷凝器与蒸发器之间的压力差将液态冷剂导入电机腔对电机进行冷却。离心式热泵系统电机功率通常比较大，很多超过了2000kW。由于电机功率大，在启动时，启动电流很大，会产生大量热量。若采用变频器降频启动，这种大功率的变频器的成本将非常高。此外，离心式热泵机组运行起来后往往会连续工作数月不停机，且工况相对稳定不会有大的波动。因此，配置高昂的变频器只用于启动阶段是功能浪费，所以这类电机常采用直接启动的方式。采用直接启动的方式，启动电流为额定电流的6-8倍，启动过程中电机的定子和转子都会因大电流而急剧升温。待电机运转一定时间后，冷凝器和蒸发器之间有了压差，才会有制冷剂依靠压差的作用进入电机腔对电机进行冷却。如果启动失败，则系统无法形成有效压差，制冷剂不能依靠压差进入电机腔，无法对电机进行有效冷却，则停机后电机的定子和转子都将持续处在高温状态，此时若不等电机温度降下来后，继续尝试启动电机，热量的累加极有可能导致电机温升过大，进而导致电机定子的绝缘层在高温下老化。此外，高温还可能导致转子的铝条熔化，严重影响到电机的使用寿命。

现有防止电机频繁开停的方法主要有以下几种：

1、限制电机每天的启停次数及间隔，依靠操作人员人为管理；该方法主要依赖于人的主观能动性，随意性强，不能保证电机的安全运行。

2、在控制系统中，强制限制每天的启停次数及间隔，超过次数禁止开机。该方法较为刻板，没有顾及到系统的真实运行状况。例如，遇到温度骤降的情况，需要紧急开机以满足民生需求的情况，涉及到民生问题都不是小问题，即便刚停下机来也需要紧急开机。连续两次开机不一定会导致电机损坏，但是长时间的热量累加会导致电机寿命受损。

3、检测电机定子绕组的温度，当温度低于设定值后方可开机；由于难以可靠地测量电机的转子温度，定子的温度又不能完全反映转子的状态，所以频繁启停仍然可能会损伤转子。

综上，现有技术都存在不足和风险，且可能无法满足重要场所的使用要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种离心式热泵机组，具备软启动的功能，启动过程产生热量小，或者可以得到快速冷却，相对于现有技术可以大幅度缩短两次启动的时间间隔。

本发明解决上述技术问题的具体技术方案是：

一种离心式热泵机组，包括冷凝器、蒸发器和压缩机组，所述压缩机组包括主电机、主变速箱和压缩气室，所述压缩气室内设有叶轮，所述压缩气室设有吸气口和排气口，所述吸气口处设有导叶，所述主变速箱内设有第一转轴、第二转轴和第三转轴，第一转轴固定连接主电机的转轴，第二转轴延伸至压缩气室内，所述叶轮设于所述第二转轴上；第三转轴延伸出主变速箱；第一转轴上设有第一大齿轮，第二转轴上设有第一小齿轮和第二大齿轮，第三转轴上设有第二小齿轮；第一大齿轮和第一小齿轮啮合，第二大齿轮和第二小齿轮啮合；第三转轴位于主变速箱外的端部经第一离合连接减速电机的减速输出端。

进一步地，所述冷凝器与主电机之间设有冷却管，所述冷却管用于将冷凝器内的液态冷剂引流喷射到主电机的电机腔内，对主电机的定子和转子降温，所述主电机的电机腔底部还经回流管连通至蒸发器，用于将为主电机降温后的冷剂引流至蒸发器。

进一步地，所述冷却管上还设有冷剂泵，在与所述冷剂泵并联的管路上设有冷却电磁阀，当系统处于开机阶段，系统内没有建立起足够压差时，关闭冷却电磁阀并启动冷剂泵，强制将冷凝器内的冷剂输送到主电机的电机腔内对其进行冷却，当系统处于正常运行阶段，系统内已经建立起足够压差，即可停止冷剂泵，开启电磁阀，靠系统的压差实现对主电机的冷却。

进一步地，所述减速电机的电机轴经第二离合连接至冷剂泵的转轴，利用减速电机驱动所述冷剂泵运行。

进一步地，第一离合和所述主电机的启动信号互锁，只有第一离合分离时，主电机才能通电启动。

进一步地，所述冷凝器和所述蒸发器分别设有压力传感器，当冷凝器与蒸发器的压力差达到设定阈值时，开启冷却电磁阀。

进一步地，所述减速电机启动后，再逐步闭合第一离合，降低减速电机的启动电流。

进一步地，所述主电机的定子绕组内设有温度传感器，用于感知定子的实时温度。

进一步的，设置主电机连续运行的最短安全时长为T₀，若上次主电机持续运行时间超过T₀，不对再次启动的间隔时间做限制；若上次主电机持续运行时间小于T₀，停机后允许再次启动的时间间隔为T_j=k（1-t/T₀）,其中k为系数，0<k<5，t为上次主电机实际运行时长。

进一步地，检测主电机过去的设定时长T_z内启动次数n，n数值越大，k越大。

本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有以下有益效果：集成设置了减速电机辅助大型离心机的主电机软启动，降低主电机启动瞬间产生的热量及对其他部件的冲击，通过观测总结主电机降温的过程及监测主电机在特定周期内的启动次数，在主电机启动失败后，通过计算得到两次启动的合理的安全间隔时间，避免了传统的刻板地设置两次启动间隔时间的做法，更能适用于现场需求，进一步地，减速电机除了辅助启动外，还可以兼具作为冷剂泵的动力源，实现一机多用。

附图说明

图1为本发明的离心式热泵机组的结构示意图；

图2为本发明中连续启动间隔时间与电机连续运行的最短安全时长之间的关系图。

在附图中，各标号所表示的部件名称列表如下：

1、冷凝器；

2、蒸发器；

31、主电机；

32、主变速箱；

321、第一转轴；322、第二转轴；323、第三转轴；324、第一大齿轮；325、第一小齿轮；326、第二大齿轮；327、第二小齿轮；

33、压缩气室；

331、叶轮；332、导叶；333、吸气口；334、排气口；

4、第一离合；5、第二离合；6、减速电机；7、冷却管；8、回流管；9、冷剂泵；10、冷却电磁阀；11、温度传感器；12、冷凝压力传感器；13、蒸发压力传感器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，一种离心式热泵机组，包括冷凝器1、蒸发器2和压缩机组，所述压缩机组包括主电机31、主变速箱32和压缩气室33，所述压缩气室33内设有叶轮331，所述压缩气室33设有吸气口333和排气口334，所述吸气口333处设有导叶332。所述冷凝器1上设有冷凝压力传感器12，所述蒸发器2上设有蒸发压力传感器13。

蒸发器2内的液态冷剂吸收冷水的热量，使液态冷剂气化成低温低压的气态冷剂，气态冷剂经压缩机组压缩做功后得到高温高压的气态冷剂送至冷凝器1，冷凝器1内的气态冷剂在冷却水的冷却下液化，液态的冷剂再次返回蒸发器2，实现循环。

所述主变速箱32内设有第一转轴321、第二转轴322和第三转轴323，第一转轴321固定连接主电机31的转轴，第二转轴322延伸至压缩气室33内，所述叶轮331设于所述第二转轴322上；第三转轴323延伸出主变速箱32；第一转轴321上设有第一大齿轮324，第二转轴322上设有第一小齿轮325和第二大齿轮326，第三转轴323上设有第二小齿轮327；第一大齿轮324和第一小齿轮325啮合，第二大齿轮326和第二小齿轮327啮合；第三转轴323位于主变速箱32外的端部经第一离合4连接减速电机6的减速输出端。第一离合4和所述主电机31的启动信号互锁，只有第一离合4分离时，主电机31才能通电启动。所述减速电机6启动后，再逐步闭合第一离合4，降低减速电机6的启动电流。

当离心机的主电机31启动前，先启动减速电机6，待减速电机6正常运转后，逐步闭合第一离合4，减速电机6带动第三转轴323旋转，第三转轴323上的第二小齿轮327与第二转轴322上的第二大齿轮326啮合，所以第二小齿轮327又带动第二转轴322旋转，第二转轴322上的第一小齿轮325与第一转轴321上的第一大齿轮324啮合，所以第二转轴322进而又带动了第一转轴321旋转，第一转轴321固定连接主电机31的转轴，所以减速电机6经过一系列的齿轮变速后，带动了主电机31转子的旋转，待主电机31转子稳定旋转之后，分离第一离合4并立即启动主电机31，由于主电机31的转子已经旋转起来，具备一定的初始动能，所以电磁力可以立即转换成动能，而非转子静止时的热能，大幅度降低主电机31启动时的启动电流，降低了主电机31绕组和转子启动阶段产生的热能，降低了启动时段产生的热能对电机的损害，即便首次启动失败，由于本身启动阶段产生的热量小，等待降温的时间也短，所以可以在更短时间内再次尝试启动。

所述冷凝器1与主电机31之间设有冷却管7，所述冷却管7上还设有冷剂泵9，在与所述冷剂泵9并联的管路上设有冷却电磁阀10，所述冷却管7用于将冷凝器1内的液态冷剂引流喷射到电机腔内，对主电机31的定子和转子降温，当系统处于启动阶段，系统内没有建立起足够压差时，关闭冷却电磁阀10、启动冷剂泵9，强制将冷凝器1内的冷剂输送到电机腔内对主电机31进行冷却，当系统运行起来后，系统内建立起足够压差后，停止冷剂泵9，开启冷却电磁阀10，靠系统的压差实现对主电机31的冷却。所述主电机31的腔体底部还经回流管8连通至蒸发器2，用于将为主电机31降温后的冷剂引流至蒸发器2。

所述减速电机6的电机轴经第二离合5连接至冷剂泵9的转轴，利用减速电机6的电机轴驱动所述冷剂泵9运行。如果主电机31启动失败，现场又有紧急事情需要尽快启动电机，还可以将第二离合5闭合，使减速电机6的电机轴驱动冷剂泵9运行，强制将冷凝器1内的冷剂泵9送到电机腔内对电机绕组和转子进行降温，温度降下来后，再断开第二离合5，闭合第一离合4，再次尝试启动主电机31。由此，本例中的减速电机6既能作为启动电机用，又可以作为冷剂泵9的动能用。当然，两者都仅在开机阶段才能用上，系统正常运行起来后只需要靠冷凝器1和蒸发器2之间的差压即可实现对电机的冷却，无需减速电机6了。

设置主电机31连续运行的最短安全时长为T₀，若上次主电机31持续运行时间超过T₀，不对再次启动的间隔时间做限制；若上次电机持续运行时间小于T₀，停机后允许再次启动的时间间隔为T_j=k（1-t/T₀）,其中k为系数，0<k<5，t为上次电机实际运行时长。

检测主电机31过去的设定时长T_z内启动次数n，n数值越大，k越大。

通过试验得知，主电机31启动时所产生的高温在机组正常运转30分钟内可以被制冷剂冷却下来，即主电机31连续运行的最短安全时长为T₀=0.5h,主电机31启动后持续运转时间越长主电机31的温度越趋于稳定。因此，若上次主电机31持续运行时间小于最短安全时长，可认为主电机31再启动间隔时间和上次运转时间成反比，其关系见图2。

同时考虑离心机这种大型设备频繁开停会对电网、压缩机传动机构、电机等带来不利影响，引进连续72小时启动次数的监控，提示并强制使用者规避风险。

1）离心机组24小时内主电机31启动次数<6次，再启动间隔时间和上次运转时间按照图2中直线a控制（即取k=0.5），即若上次主电机31持续运行时间小于0.5h，停机后允许再次启动的时间间隔为T_j=0.5（1-t/0.5）小时，比如，若上次主电机31持续运行时间为0.1小时，则距离下次开机的时间间隔为T_j=0.5（1-0.1/0.5）=0.4h，若上次主电机31持续运行时间为0.2小时，则距离下次开机的时间间隔为T_j=0.5（1-0.2/0.5）=0.3h；若离心机组24小时内主电机31启动次数≥6次，控制系统人机界面进行预警，提示客户启动次数过多会影响机组寿命。

2）离心机组48小时内电机启动次数≥12次，再启动间隔时间和上次运转时间按图2中直线b进行控制（即取k=1），即，若上次电机持续运行时间小于0.5h，停机后允许再次启动的时间间隔为T_j=1（1-t/0.5）小时，比如，若上次电机持续运行时间为0.1小时，则距离下次开机的时间间隔为T_j=1（1-0.1/0.5）=0.8h，若上次电机持续运行时间为0.2小时，则距离下次开机的时间间隔为T_j=1（1-0.2/0.5）=0.6h；控制系统人机界面再次进行预警，提示客户启动次数过多会影响机组寿命。

离心机组72小时内，主电机31启动次数≥18次，启动间隔时间和上次运转时间按图2直线c进行控制（即取k=4），即若上次主电机31持续运行时间小于0.5h，停机后允许再次启动的时间间隔为T_j=4（1-t/0.5）小时，比如，若上次主电机31持续运行时间为0.1小时，则距离下次开机的时间间隔为T_j=4（1-0.1/0.5）=3.2h，若上次主电机31持续运行时间为0.2小时，则距离下次开机的时间间隔为T_j=4（1-0.2/0.5）=2.4h；也可以强制触发停机，强制操作人员排除频繁开停隐患。

当然，也可以在所述主电机31的定子绕组内设有温度传感器11，用于感知定子的实时温度，进一步确定上述措施确实已经把主电机31的温度降下来了。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种离心式热泵机组，包括冷凝器（1）、蒸发器（2）和压缩机组，所述压缩机组包括主电机（31）、主变速箱（32）和压缩气室（33），所述压缩气室（33）内设有叶轮（331），所述压缩气室（33）设有吸气口（333）和排气口（334），所述吸气口（333）处设有导叶（332），其特征在于，所述主变速箱（32）内设有第一转轴（321）、第二转轴（322）和第三转轴（323），第一转轴（321）固定连接主电机（31）的转轴，第二转轴（322）延伸至压缩气室（33）内，所述叶轮（331）设于所述第二转轴（322）上；第三转轴（323）延伸出主变速箱（32）；第一转轴（321）上设有第一大齿轮（324），第二转轴（322）上设有第一小齿轮（325）和第二大齿轮（326），第三转轴（323）上设有第二小齿轮（327）；第一大齿轮（324）和第一小齿轮（325）啮合，第二大齿轮（326）和第二小齿轮（327）啮合；第三转轴（323）位于主变速箱（32）外的端部经第一离合（4）连接减速电机（6）的减速输出端。

2.根据权利要求1所述的离心式热泵机组，其特征在于，所述冷凝器（1）与主电机（31）之间设有冷却管（7），所述冷却管（7）用于将冷凝器（1）内的液态冷剂引流喷射到主电机（31）的电机腔内，对主电机（31）的定子和转子降温，所述主电机（31）的电机腔底部还经回流管（8）连通至蒸发器（2），用于将为主电机（31）降温后的冷剂引流至蒸发器（2）。

3.根据权利要求2所述的离心式热泵机组，其特征在于，所述冷却管（7）上还设有冷剂泵（9），在与所述冷剂泵（9）并联的管路上设有冷却电磁阀（10），系统开机阶段，关闭冷却电磁阀（10）并启动冷剂泵（9），强制将冷凝器（1）内的冷剂输送到主电机（31）的电机腔内对其进行冷却，系统正常运行阶段，停止冷剂泵（9），开启冷却电磁阀（10），靠系统的压差实现对主电机（31）的冷却。

4.根据权利要求1-3任一项所述的离心式热泵机组，其特征在于，所述减速电机（6）的电机轴经第二离合（5）连接至冷剂泵（9）的转轴，利用减速电机（6）驱动所述冷剂泵（9）运行。

5.根据权利要求1-3任一项所述的离心式热泵机组，其特征在于，所述第一离合（4）和所述主电机（31）的启动信号互锁，只有第一离合(4)分离时，所述主电机（31）才能通电启动。

6.根据权利要求5所述的离心式热泵机组，其特征在于，所述冷凝器（1）和所述蒸发器（2）分别设有压力传感器，当所述冷凝器（1）与蒸发器（2）的压力差达到设定阈值时，开启冷却电磁阀（10）。

7.根据权利要求1-3任一项所述的离心式热泵机组，其特征在于，所述减速电机（6）启动后，再逐步闭合第一离合(4)，降低减速电机（6）的启动电流。

8.根据权利要求1-3任一项所述的离心式热泵机组，其特征在于，所述主电机（31）的定子绕组内设有温度传感器（11），用于感知定子的实时温度。

9.根据权利要求1-3任一项所述的离心式热泵机组，其特征在于，设置主电机（31）连续运行的最短安全时长为T₀，若上次主电机（31）持续运行时间超过T₀，不对再次启动的间隔时间做限制；若上次主电机（31）持续运行时间小于T₀，停机后允许再次启动的时间间隔为T_j=k（1-t/T₀）,其中k为系数，0<k<5，t为上次主电机（31）实际运行时长。

10.根据权利要求9所述的离心式热泵机组，其特征在于，检测主电机过去的设定时长T_z内启动次数n，n数值越大，k越大。