CN219492688U - 一种具可调导叶的压缩机及储能热管理*** - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种储能热管理***，其采用离心压缩机进行制冷循环，且在离心压缩机的进口处设置有开度可调的导叶，通过对导叶的开度及离心压缩机的转速进行联调，可显著增加离心压缩机的喘振裕度，显著提升储能热管理***全工况的能效。

Description

一种具可调导叶的压缩机及储能热管理***

技术领域

本实用新型涉及热管理技术领域，特别涉及一种具可调导叶的压缩机及储能热管理***。

背景技术

热管理，是指对总***、分立部件或其环境的温度进行管理和控制，其目的是维护各部件的正常运行或提高其性能或寿命。当前，在诸如电化学储能等领域中通常都需要进行热管理，热管理对储能***的性能、寿命、安全性都有显著影响。由于液冷的热管理***的换热能力较强，电芯温差可以做到3℃以内，因此，相对于风冷***而言，液冷可以显著提升储能***的寿命。鉴于此，目前在储能领域多采用液冷***。

储能液冷***所需的制冷量通常在100kW及以下，这种小冷量的制冷循环多采用传统涡旋或转子压缩机。目前在一些热管理***中，为了省去回油管路，提升压缩机与***的可靠性，还会采用离心压缩机替代涡旋压缩机。离心压缩机中设置有气浮轴承，其工作时转轴不与轴承接触，而是靠气膜悬浮电机转子，可以将轴承寿命提高至少1倍；同时基于高速永磁同步电机的离心压缩机的尺寸与重量分别会比涡旋压缩机小50％左右和90％左右。

但是，离心压缩机通常会有喘振保护，即一定排气压力下，仅靠调节转速的最小流量会受到喘振线的限制，这意味着一定的环境温度下，所述离心压缩机的最小制冷量会受到约束，不利于储能电站部分负荷能效的提升。

实用新型内容

针对现有技术中的部分或全部问题，本实用新型第一方面提供一种具可调导叶的压缩机，所述压缩机的进气口处设置有开度可调的导叶。

进一步地，所述导叶包括：

若干叶片，所述若干叶片绕所述压缩机的转轴周向均匀分布；以及

执行轴，其沿所述叶片的中轴线设置，且垂直于所述压缩机的转轴，在驱动机构控制下，所述执行轴带动所述叶片转动以调节导叶的开度，进而调节进入所述压缩机的流量。

进一步地，所述离心压缩机包括多级，且每级的进气口处均设置有导叶。

进一步地，后一级导叶的开度按前一级导叶开度插值得到。

进一步地，所述驱动机构为驱动电机。

基于如前所述的压缩机，本实用新型第二方面提供一种储能热管理***，包括：

制冷循环模块，用于制冷剂循环，其包括：

如前所述的压缩机，用于对制冷剂进行压缩，以形成第一状态的制冷剂；

冷凝器，其入口连接至所述压缩机的排气口，用于对所述第一状态的制冷剂进行降温，以形成第二状态的制冷剂，所述第二状态的温度低于所述第一状态，但压力相同；以及

节流装置，连接至所述冷凝器的出口，以对所述第二状态的制冷剂进行节流，使其膨胀至第三状态，所述第三状态的压力低于所述第二状态，但温度相同；

中间换热器，包括：

制冷剂管路，包括第一入口及第一出口，所述第一入口与所述节流装置的出口连通，第一出口则与所述压缩机的进气口连通；以及

冷却液管路，其设置于所述制冷剂管路的周围，使得冷却液与制冷剂能够进行热交换，且与冷却液循环模块的管路连通，包括第二入口及第二出口；以及

冷却液循环模块，用于冷却液循环，以对储能设备进行冷却，其包括水泵，所述水泵用于为冷却剂循环提供动力。

进一步地，所述冷却液循环模块还包括PTC加热器，以对储能设备进行供热。

进一步地，所述储能热管理***还包括风扇，设置于所述冷凝器处，用于将常温空气引入所述冷凝器以实现热交换。

进一步地，所述储能热管理***还包括温度传感器及压力传感器。

进一步地，所述温度传感器及压力传感器设置于所述中间换热器的第一出口和/或所述压缩机的排气口处。

本实用新型提供的一种储能热管理***及其控制方法，在离心压缩机的进口处设置有开度可调的导叶，通过对导叶的开度及离心压缩机的转速进行联调，可显著增加所述离心压缩机的喘振裕度，在一定的环境温度下，所述储能热管理***可以在更小的制冷量下工作，进而显著地提升所述储能热管理***全工况的能效。

附图说明

为进一步阐明本实用新型的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本实用新型的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本实用新型的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。

图1示出本实用新型一个实施例的一种储能热管理***的结构示意图；

图2示出本实用新型一个实施例的导叶的结构示意图；

图3示出本实用新型一个实施例的离心压缩机卸载线示意图；

图4示出本实用新型一个实施例的一种储能热管理***的控制方法的流程示意图；

图5示出本实用新型一个实施例的形状因子SF与喘振线形状的关系示意图；

图6示出本实用新型一个实施例的不同转速下的喘振线示意图；以及

图7示出本实用新型一个实施例的两级导叶的开度关系示意图。

具体实施方式

以下的描述中，参考各实施例对本实用新型进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免模糊本实用新型的实用新型点。类似地，为了解释的目的，阐述了特定数量、材料和配置，以便提供对本实用新型的实施例的全面理解。然而，本实用新型并不限于这些特定细节。此外，应理解附图中示出的各实施例是说明性表示且不一定按正确比例绘制。

在本说明书中，对“一个实施例”或“该实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本实用新型的至少一个实施例中。在本说明书各处中出现的短语“在一个实施例中”并不一定全部指代同一实施例。

在本实用新型的实施例中，术语“喘振线”是指不同导叶开度的喘振点的连线。某点位于“变频喘振线”上，是指压缩机不能再通过降转速卸载。某点位于“关导叶喘振线”是指该点是压缩机在对应的压比下所能达到的最小冷量点。

由于离心压缩机存在喘振保护，即一定排气压力下，仅靠调节转速的最小流量会受到喘振线的限制，这意味着一定的环境温度下，压缩机的最小制冷量受到约束，不利于储能电站部分负荷能效的提升。针对这一问题，本实用新型提供的一种储能热管理***及其控制方法，在离心压缩机的进口处设置有开度可调的导叶，通过对导叶的开度及离心压缩机的转速进行联调，可显著增加所述离心压缩机的喘振裕度。

下面结合实施例附图对本实用新型的方案做进一步描述。

图1示出本实用新型一个实施例的一种储能热管理***的结构示意图。如图1所示，一种储能热管理***，包括制冷循环模块001、中间换热器002以及冷却液循环模块003。其中所述制冷循环模块001用于制冷剂的循环，通过制冷剂的相变来带走热量，进而可对冷却液进行降温，所述冷却液循环模块003则用于冷却液的循环以对储能设备进行降温或供热，所述制冷循环模块001、及冷却液循环模块003通过所述中间换热器002进行耦合。

如图1所示，所述制冷模块001的核心组件为离心压缩机011，优选为气浮离心压缩机。所述离心压缩机011的进气口与中间换热器002连通，在所述中间换热器中与冷却液完成热交换后的高温低压制冷剂进入所述离心压缩机011内进行压缩，形成第一状态的制冷剂。

为了增加离心压缩机的喘振裕度，在本实用新型的一个实施例中，在所述离心压缩机011的进气口处处设置有导叶，其中所述导叶的开度可调。图2示出本实用新型一个实施例的导叶的结构示意图。如图2所示，在本实用新型的一个实施例中，所述导叶包括多个叶片201，所述多个叶片绕所述离心压缩机的转轴周向均匀分布。通过控制所述叶片绕轴旋转，可以控制所述导叶的开度，进而调节进入所述离心压缩机的流量，在本实用新型的一个实施例中，所述叶片的轴垂直于所述离心压缩机的转轴。如图2所示，在本实用新型的一个实施例中，在每个叶片的中轴线处均设置有一执行轴202，所述执行轴202垂直于所述离心压缩机的转轴，在诸如驱动电机等驱动机构控制下，所述执行轴带动所述叶片转动以调节导叶的开度，进而调节进入所述离心压缩机的流量，实现制冷量的增加或者减小。在本实用新型的一个实施例中，当所述离心压缩机为多级时，可在每级进气口处均设置导叶，即所述制冷模块中可包含多级导叶。

如图1所示，所述制冷循环模块001还包括冷凝器012以及节流装置013。其中所述冷凝器012的入口连接至所述离心压缩机011的排气口，用于对所述第一状态的制冷剂进行降温，以得到第二状态的制冷剂，所述第二状态的制冷剂的温度低于所述第一状态的制冷剂，但压力基本不变。在本实用新型的一个实施例中，为了提高制冷效率，在所述冷凝器012的翅片处还设置有风扇014，所述风扇014将常温空气引入所述冷凝器012的翅片，使得所述冷凝器012内部的高温制冷剂的热量与空气进行热交换，进而达到冷凝的目的。所述节流装置013连接至所述冷凝器012的出口，以对所述第二状态的制冷剂进行节流，节流后的制冷剂迅速进行膨胀，形成第三状态，所述第三状态的制冷剂的压力低于所述第二状态的制冷剂，但温度基本不变。所述第三状态的制冷剂进入中间换热器以与冷却剂进行热交换。在本实用新型的实施例中，所述节流装置是指用于降低气体压力以达到蒸发目的的装置或元件，例如可以为：膨胀阀、毛细管、节流管等。

为了计算***制冷需求进而控制各个器件或模块的工作状态，以及保护***运行，在本实用新型的一个实施例中，在所述制冷模块001中还设置有温度传感器T及压力传感器P。如图所示，所述温度传感器T及压力传感器P例如可设置于所述中间换热器的第一出口和/或所述离心压缩机的排气口处。

所述中间换热器包括两个入口以及两个出口，进而形成制冷剂管路以及冷却液管路。其中，所述制冷剂管路的出入口记为第一入口及第一出口，所述第一入口与所述节流装置013连通，第一出口则与所述离心压缩机011的进气口连通。所述冷却液管路的出入口记为第二入口及第二出口，分别与所述冷却液循环模块中管路的出入口连通，所述冷却液管路设置于所述制冷剂管路的周围，使得冷却液与制冷剂能够进行热交换。在本实用新型的一个实施例中，采用蒸发器作为中间换热器。

如图所示，在本实用新型的一个实施例中，所述冷却模块003包括水泵031及PTC加热器032。其中所述水泵031用于为冷却剂循环提供动力。所述水泵031通过水管与所述中间换热器的第二入口连接，将冷却液送入所述中间换热器。将热量传递给制冷剂后，冷却液通过管路到达储能设备，所述储能设备，例如储能电池的电芯所产生的热量传递给冷却液，升温后的冷却液再次回到水泵，以此循环。所述PTC加热器032则用于为储能设备，例如电芯供热。在本实用新型的一个实施例中，为了提升换热效率，在所述中间换热器中，冷却液流入方向和制冷剂流入方向正好相反，例如可将所述中间换热器第一入口与第二出口设置于所述中间换热器的第一侧，以及所述第二入口与第一出口设置于所述中间换热器的相对于第一侧的第二侧。

本实用新型实施例中的储能热管理***采用的为风冷冷凝器，当储能电站的制冷需求下降，需相应减小制冷量时，由于环境温度保持不变，对于离心压缩机来说其卸载线如图3所示，即其压比保持不变，仅流量减小。如图3所示，额定制冷量时所述离心压缩机工作在P1点，其流量压比转速分比为(m1，pr，N1)，制冷量减小时离心压缩机沿着卸载线进行卸载，首先到达P2点(m2，pr，N2)，P1到P2点过程中，所述导叶保持全开，只是转速由N1降为N2，P2点已经位于变频喘振线上，不能通过降转速进一步卸载。在本实用新型的一个实施例中，m2等于m1的70％左右，即仅通过变频冷量可降到额定值70％左右。为了进一步减小冷量，从P2点开始需关小导叶开度，最终到达P3点(m3，pr，N2)，在此过程中，转速保持N2不变，仅关小导叶开度。在本实用新型的一个实施例中，m3等于m1的40％左右，即仅调整导叶开度可将额定冷量降到40％左右。P3点位于关导叶喘振线上，即P3点是离心压缩机在压比pr下所能达到的最小冷量点。

基于此，图4示出本实用新型一个实施例的一种储能热管理***的控制方法的流程示意图。如图4所示，所述控制方法包括：

首先，在步骤401，拟合喘振线。拟合得到离心压缩机不同转速下喘振线。在实时冷量控制策略前，首先需要试验标定所述离心压缩机的map，每条转速线都会有不同导叶开度的喘振点，为提高效率，通常只会测量有限的数据点。基于优先的数据点，在本实用新型的一个实施例中，采用如下函数关系拟合喘振线：

Pr＝Prmin-(Prmax-Prmin)/(e^a-1)+(Prmax-Prmin)/(e^a-1)*e^b；

其中，

Pr为压比，Prmin为最小压比，Prmax为最大压比，且Prmin＝Prmin_d*(Spd_a/Spd_d)^(SF_spd*c*Prmin/Prmax)，Prmax＝Prmax_d*(Spd_a/Spd_d)^(SF_spd*c)，其中Spd_d为设计转速，Spd_a为实际转速，Prmin_d为设计转速最小压比，Prmax_d为设计转速最大压比，SF_spd为转速线形状因子，在本实用新型的一个实施例中，其取值为2，以及当Spd_a＞Spd_d时，c＝Spd_d/Spd_a，当Spd_a＜Spd_d时，c＝Spd_a/Spd_d，图6示出本实用新型一个实施例的不同转速，100％、90％、110％转速下的喘振线示意图；

a＝SF*(IGVmax-IGVmin)，其中IGVmax为导叶最大开度，IGVmin为导叶最小开度，SF为形状因子，用于控制喘振线形状，其绝对值越小，所述喘振线越保守，图5示出本实用新型一个实施例的形状因子SF与喘振线形状的关系示意图，如图5所示，SF＝-0.01时，喘振线比较保守，SF＝-0.02时，喘振线适中，SF＝-0.04时，喘振线比较激进；以及

b＝SF*(IGV-IGVmin)，其中IGV为导叶的当前开度；

接下来，在步骤402，***初始化。拟合得到喘振线后即可进行冷量调节。***在初始状态，即刚开机时，控制所述导叶至全开状态；

接下来，在步骤403，实时监测当前冷量并判断是否达到目标冷量。所述储能热管理***开始工作后，实时监测并判断当前冷量是否达到目标冷量。在本实用新型的一个实施例中，通过实时监测冷凝温度与冷却水回水温度来判断当前冷量。具体而言，包括：

实时测量冷凝温度及回水温度；

计算所述冷凝温度与环境温度的差值，并与第一预设值比较：

若所述差值小于所述第一预设值，则未达到目标冷量；以及若所述差值大于等于所述第一预设值，则计算所述回水温度与

目标值的差值，并与第二预设值比较：

若所述回水温度与目标值的差值大于第二预设值，则未达到目标冷量；以及

若所述回水温度与目标值的差值小于等于第二预设值，则当记录当前温度维持时长，若其大于等于预设时长，则达到目标冷量，否则未达到目标冷量。

在本实用新型的一个实施例中，所述第一预设值取值为7℃，第二预设值取值为1.5℃，以及预设时长取值为15min，则当冷凝温度减去环境温度≥7℃时，若回水温度实测值与目标值偏差在稳定在1.5℃以内，且保持温度15min，即认为达到目标冷量。根据监测结果，若需要减小冷量，则进入步骤441，若需增加冷量，则进入步骤451；

在步骤441，降低转速。当需要减小冷量时，按第一预设步长降低转速，同时根据如前所述的方法实时监测当前冷量是否达到目标冷量。在本实用新型的一个实施例中，所述第一预设步长为设计转速0.5％的步长。在本实用新型的一个实施例中，若所述冷凝温度与环境温度的差值低于第一预设值时，仍未达到目标冷量，可关小节流装置，使冷凝温度与环境温度的差值升至第一预设值以上，然后降转速与节流装置关小联调，直到达到目标冷量。在降低转速的过程中，随着转速逐渐降低会触及变频喘振线，此时进入步骤442。在本实用新型的一个实施例中，在指定时长内发生喘振的次数大于第一预设值时认为其触及喘振线，其中根据电流百分比波动来判断是否发生喘振。在本实用新型的一个实施例中，电流百分比波动≥10％即认为喘振发生，比如：第1s电流百分比为50％，没有任何操作，第2s电流百分比为65％，电流百分比波动为15％，认为发生一次喘振。在本实用新型的又一个实施例中，4min内发生两次喘振即认为触及喘振线；

在步骤442，联调导叶开度及转速。在触及喘振线时，若仍需继续减小冷量，则需按照第二预设步长减小导叶的开度。在本实用新型的一个实施例中，所述第二预设步长为1％开度。关小导叶时，压比会有所减小，当所述冷凝温度与环境温度的差值低于第一预设值时，仍未达到目标冷量，则需要进一步地提高转速使冷凝温度回到环境温度+7℃以上，然后导叶与转速联调，使使冷凝温度与环境温度的差值维持至第一预设值以上，达到目标冷量为止。当冷量继续减小，会触及关导叶喘振线，此时已达最小冷量。为了保护离心压缩机，在本实用新型的一个实施例中，在减小冷量的过程中，若指定时长内发生喘振的次数大于第二预设值，则会触发压缩机停机保护，例如8min内发生4次喘振，则控制所述离心压缩机停机；

在步骤451，增大导叶开度。当需要增大冷量时，按照第三预设步长增大导叶的开度，同时根据如前所述的方法实时监测当前冷量是否达到目标冷量。在本实用新型的一个实施例中，所述第三预设步长为1％开度。若导叶全开时仍未达到目标冷量，则进入步骤452；

在步骤452，增加转速。若导叶全开时仍未达到目标冷量，则按照第四预设步长增加转速直至达到目标冷量。在本实用新型的一个实施例中，所述第四预设步长为设计转速0.5％的步长。

如前所述，在本实用新型的其他实施例中，所述离心压缩机如果为多级，可在每级进气口处均设置导叶。以两级离心压缩机为例，当两级进气口处均设置有导叶时，则需要分别标定两级导叶的喘振线，并按如前所述的方法参数化拟合，且调节导叶开度时需要两级联动，第二级导叶的开度是第一级开度的函数，按如图7所示的开度关系进行分段插值。

本实用新型提供的一种储能热管理***及其控制方法，在离心压缩机的进口处设置有开度可调的导叶，通过对导叶的开度及离心压缩机的转速进行联调，可显著增加所述离心压缩机的喘振裕度，在一定的环境温度下，所述储能热管理***可以在更小的制冷量下工作，进而显著地提升所述储能热管理***全工况的能效。

尽管上文描述了本实用新型的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本实用新型的精神和范围。因此，此处所公开的本实用新型的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。

Claims (9)

1.一种具可调导叶的压缩机，其特征在于，所述压缩机的进气口处设置有开度可调的导叶，其中所述导叶包括：

若干叶片，所述若干叶片绕所述压缩机的转轴周向均匀分布；以及

执行轴，其沿所述叶片的中轴线设置，且垂直于所述压缩机的转轴，在驱动机构控制下，所述执行轴带动所述叶片转动以调节导叶的开度，进而调节进入所述压缩机的流量。

2.如权利要求1所述的压缩机，其特征在于，所述压缩机包括多级，且每级的进气口处均设置有导叶。

3.如权利要求2所述的压缩机，其特征在于，后一级导叶的开度按前一级导叶开度插值得到。

4.如权利要求1所述的压缩机，其特征在于，所述驱动机构为驱动电机。

5.一种储能热管理***，其特征在于，包括：

制冷循环模块，包括：

如权利要求1至4任一所述的压缩机，其被配置为对制冷剂进行压缩，以形成第一状态的制冷剂；

冷凝器，其入口连接至所述压缩机的排气口，其被配置为对所述第一状态的制冷剂进行降温，以形成第二状态的制冷剂，所述第二状态的温度低于所述第一状态，但压力相同；以及

节流装置，连接至所述冷凝器的出口，以对所述第二状态的制冷剂进行节流，使其膨胀至第三状态，所述第三状态的压力低于所述第二状态，但温度相同；

中间换热器，包括：

制冷剂管路，包括第一入口及第一出口，所述第一入口与所述节流装置的出口连通，第一出口则与所述压缩机的进气口连通；以冷却液管路，其设置于所述制冷剂管路的周围，使得冷却液与制冷剂能够进行热交换，且与冷却液循环模块的管路连通，包括第二入口及第二出口；以及

冷却液循环模块，其被配置为进行冷却液循环，以对储能设备进行冷却，其包括水泵，所述水泵被配置为为冷却剂循环提供动力。

6.如权利要求5所述的储能热管理***，其特征在于，所述冷却液循环模块还包括PTC加热器，以对储能设备进行供热。

7.如权利要求5所述的储能热管理***，其特征在于，还包括风扇，设置于所述冷凝器处，其被配置为将常温空气引入所述冷凝器以实现热交换。

8.如权利要求5所述的储能热管理***，其特征在于，还包括温度传感器及压力传感器。

9.如权利要求8所述的储能热管理***，其特征在于，所述温度传感器及压力传感器设置于所述中间换热器的第一出口和/或所述压缩机的排气口处。