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1、2 8 0 低温与超导E A S T 氦制冷系统中喷油螺杆压机性 能特性分析研究徐光福，庄弱，张启勇，盛林海，胡良兵( 中国科学院等离子体物理研究所，合肥2 3 0 0 3 1 )摘要：随着氦低温系统在可控聚变装置和高能加速器中广泛应用，喷油蠛杆压机凭借它的优越性已经基本取代低温系统中其它类型的压机。螺杆压机是氦制冷系统中核心部件之一，它消耗的能量占整个氦制冷系统一半以上，因此它的特性好坏直接关系到氮制冷系统运行状况和运行成本。本文主要通过E A S T 氦制冷系统中喷油螺杆压机的实际运行状况，来分析多种因素对喷油螺杆压机性能特性的影响。关键谲：氦制冷系统；螺杆压机；容积效率；等温效率S c
2、r e wC o m p r e s s o rC h a r a c t e r i s t i c sf o rE A S TH e l i u mC r y o g e n i cS y s t e mX uG u a n g f u Z h u a n gM i n g ，Z h a n gQ i y o n g ，S h e n gL i n h a i ，H uL i a n g b i n( T h eI n s t i t u t eo fP l a s m aP h y s i c s ，C h i n e s eA c a d e m yo fS c i e n c e s
3、 ，H e f e i2 3 0 0 3 1 ，C h i n a )A b s t r a c t ：A sh e l i u mc r y o g e n i cs y s t e mi se x t e n s i v e l ya p p l i e di nt h ef u s i o nd e v i c ea n dt h eh ig l le n e r g ya c c e l e r a t o r ，t h eo i li n j e c t e ds c r 钾c o m p r e s s o r sh a v ep r a c t i c a l l yr e p
4、h e e da l lo t h e rg , p e so f c o m p r e 姆o r si nm o d e mh e l i u mr e f r i g e r a t i o ns y s t e m s T h e $ c - 州c o m p r e s s o ri so n eo ft h ec o r ep a r t si nt h ec r y o g e n i cs y s t e ma n dc o n s u m e sm o r eh a l fo ft h ee n e r g yo ft h ew h o l ec r y o g e n i
5、cs y s t e m ，S Oi t sc h a r a c t e r i s t i c sa f f e c tt h es y s t e mc o n d i t i o na n dt h eo p e r a t i n gc o s td i r e c t l y T h i sp r e s e n t a t i o ns l l m n l 妇st h ec h a r a c t e r i s t i c sf o rE A S TH d i u ms e r e wc o m p r e s s o r sa n dt h er e | a t i o m
6、h i pb e t w e e nt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n df a c t o r s ( d i s c h a r g ep r e s s u r e ，p r e s s u r er a t i oa n db u i l t i n 粥【t l m er a t i o ( B V R ) ) h a sb e e na I l a l y z e d K e y w o r d s ：H e l i u mR e f r i g e r a t o r ，S c r e wC o m p r e s s o r ，V o l
7、u m e t r i cE f f i c i e n c y ，I s o t h e r m a lE f f i c i e n c y1前言超导技术在科研和工业中的应用越来越广泛，如可控核聚变实验装置、高能粒子加速器、强磁场研究等，伴随超导技术的发展，氦制冷系统也得到广泛的发展；喷油螺轩压机是氦制冷系统中核心部件之一，它消耗的能量占整个氦制冷系统一半以上，因此它的特性好坏直接关系到氦制冷系统运行状况和运行成本，在E A S T ( 可控核聚变装置) 的氦制冷系统申七台喷油螺杆压缩机组耗功约占整个系统运行成本的5 7 ，当等温效率从0 4 提高到0 。5 时可节能3 1 6 K W 左
8、右，如表l 所示；所以研究氦喷油螺轩压机性能特性就有重要的意义。本文主要分析了E A S T 氦螺杆压缩机性能特性和运行过程中表现出来的问题，并给出了对应原因分析；同时分析内容积比、外压比和排气压力等对喷油氦螺杆压机的性能特性影响。2 氦喷油螺杆压机性能特性喷油螺杆压缩机凭借它的大容量、高可靠性以及在处理大热量等方面优点，使得它已经基本取代现代氦制冷系统中其它类型的压机j 。但氦喷油螺杆压机既没得到氦制冷机厂商重视( 氦喷油螺杆压机不是氦制冷机厂商关注的核心，一般都把该邦分交给压缩机厂商，自己对其基本没有研究) 又不被螺杆压缩机厂商重视( 低的市场需求使其不愿做很深的研究) t 2 l ；如E
9、 A S T 氦制冷系统采用七台喷滔嫘杆压机均由国内压缩机厂商改造氟里昂压机得到。表l 等温效率对耗功的影响T a b lI n f l u e n c eo fi s o t h e m m le f f i c i e n c yt oe n e r g yc o n s u m p t i o n情况I压缩机组等温效率0 40 5消耗电能1 5 8 3 k W】2 6 7 k W对于氦低温系统中唼油螺杆压机，主要关注它是否与系统匹配( 如内压比与外压比是否榴等、设计容量和系统所需容量是否匹配等) ，容积效率和等温压缩效率的大小和设备运行的寿命和可靠性。容积效率是指换算到吸入状态时的实际排
10、气量与理论排气量之比；容积效率表示压缩机转子齿间容积利用程度；对于螺杆压缩机，工况不同时，容积效率也不冠，氦气压缩机的容积效率一般在0 9 5 一第九届全国低温工程大会论文集2 8 l 0 9 之间。等温效率是指等温压缩的理论耗功与压机实际耗功( 压机的电机耗功乘以电机效率) 之比；螺杆压缩机的等温效率一般在0 5 0 5 5 之间一1 ，国内有些厂家用绝热效率作为评价标准。容积效率和等温效率之间也存在密切的联系，等温效率降低时，也就间接反映容积效率降低。螺杆压缩机组实际耗功可用压缩机电机耗功近似代替( 压缩机电机耗功章电机效率) ，计算公式如( 2 1 ) 所示：P = 3 术U 水，木c
11、o s ( 妒) 幸田( 2 1 )其中U = 3 8 0 V ，C O S ( 9 ) = 叩= 0 9 ，I 为运行时电机电流大小。若喷油螺杆压机压缩氦气的过程是一个等温过程，则理论耗功计算公式如( 2 2 ) 所示：既= m R T o l n ( P 2 P 1 )( 2 2 )其中赢为压缩机加工的气体流量( k g s ) ，P ：P 。为压缩比，瓦为环境温度，R 为气体常数，对于氦 气R = 2 0 7 7J ( k g K ) 。若喷油螺杆压机压缩氦气的过程是一个绝热过程，则理论耗功计算公式如( 2 3 ) 所示： = 赢击R 瓦 1 _ ( P 2 P 。) 譬 ( 2 3 )
12、，一1其中m 为压缩机加工的气体流量( k g s ) ，P 2 P ，为压缩比，瓦为环境温度，R 为气体常数，对于氦 气R = 2 0 7 7J ( k g K ) ，n 为绝热指数，对于氦气n= 1 6 6 7 。则整个螺杆压缩机组等温效率为等温压缩理论耗功与压机实际耗功的比值，计算公式如( 2 4 )l n ) P d P 。似P d = P i图l 螺杆压缩机压缩过程P V 图F i g 1T h eP Vd i a g r a mo fs c n 州C O m p r e s s o r s低温与超导3 詈黔置氦喷油螺杆压机运行状i 裟耋嚣；嚣嚣淼糯：况分析茹：蕃釜赢s 一0 矗：_
13、 ；：= = ：荟主落；釜E A S T 低温系统压缩机组由7 台喷油双螺杆压缩机高达7 4 4 s ( 假定吸气温度都为3 0 0 k ) 压缩机组组成境程舟如图2 所示。四台压缩机并联组成低参数如袭2 所示。圈2E 虾低丑幕境曩扦压缩机H 矗8 圈F 嘻2T k “哪血c 曲F 蛐d E 研一砷螺扦压缩机的理论质量漉显睬了跟自身结构相羌外还和压缩机进口状态相关。在自身结构不变的情况下( 理论体积捧气置一定) ，当压机进口处于低温或高压下它的质量流量将增大，因而融温度降低或压力增大氮气的密度将近似线性的增大。审用低温系统的数据库中数据并结合公式( 2 4 ) 可得到最近三轮低压级和高压缓压机
14、等温效事变化曲线如图3 所示。由瞄可知：鉴于每轮实验开始时能量滑阿开度都低于5 0 ，此时压机关注的不是技率问题，艘串相对较低；运行过程巾如果有部分压机滑闽开度低于5 0 ，也会影响低压级整体效率数据采集精度对奠也有一定影响；整体来看低压缓效率从弟三轮到第五轮后期基本稳定；而高 压短从第三轮实验开始到第五轮实验结束，其效率越来越低。! I 三轮实验期间只需要二台高压机( 一台备份) ，笨四蛇实验期同需要三台高压机( 有台压机未满载) 而到第五轮实验后期，三台压机即使都达到满载也仅勉强满足实验茂盘需求。这表明随着实验的进行，高压级的窖积技率起来超低，并且等沮效率也越来越低。裹2 咐怔蕾最臻蝈n
15、越盘m2 M 一日d M p 一 编墨号位置论捧气H 论质量渣屯机功率曩定电谶号量( m 3 h )量( n )1 ，w t b - 峦l l 一3 枷5l 低短2 w - 【m 5 n 一3 舯5l 低缠 “w 一唧一3 6 05l 氍压氍“w L C L S I I I 眈2l 商氧“w L 啦如一1 8 22高龌“L c 2 5 1 1 1 w E1 矗E n i zl 第九届全国低温工程大会论文集2 8 3 O 4 8O 4 60 4 4O 4 2o 4 00 3 8O 3 6O 3 4O 3 2O 3 00 2 80 2 60 2 4o 2 2图3 每轮实验中压机等温效率F i g
16、3E a c he x p e r i m e n to fi s o t h e r m a le f f i c i e n c y这几轮实验中，氦螺杆压机表现出很多问题，特别是在第五轮实验后期，高压级等温效率和容积效率急剧减低( 等温效率从0 3 8 降到0 2 4 ) ；而且，高压机还容易出现严重过流现象( 接近1 0 0 A ) ，五号压机在后期还出现周期型电流波动。图4 是从E A S T 氦制冷机的D l e t a v 系统中采集的实时曲线，从图中可明显看出，电流波动范围近2 0 0 A ，但能量滑阀的波动却很窄，这说明电流波动不是由于压缩气体量的变化而引起的。拆开压机后，发现电机的联轴器破碎、转子与端坐磨损厉害，说明引起后期电流周期性波动很可能是由电机轴心与转子轴心不对心所导致的。分析这几轮实验数据，E A S T 氦压机性能特
