我国目前已是世界上最大的制冷设备生产国和消费市场，与此相对应，压缩机等关键部件的技术水平和产品质量也不断得到提高，很多产品的性能达到了国际先进水平。其中，螺杆制冷压缩机是一种重要的制冷设备，具有容量调节方便、工况适应性强、性能可靠等优点，在大中型制冷空调和冷冻冷藏设备中得到了广泛地应用。
为了应对全球气候变化，我国提出了“2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和”这一重大战略目标。制冷行业与国民经济各部门和社会生活各方面紧密相连，在碳中和背景下，将迎来重要的发展机遇，也将面临一系列新的挑战。螺杆制冷压缩机作为制冷系统的核心部件，降低其碳排放量对实现制冷系统降碳、助力我国“双碳”战略目标具有重要意义。
螺杆制冷压缩机的全生命周期排碳环节主要包括原材料获取、加工制造、产品运输、运行维护和报废回收5个方面。然而螺杆制冷机的服务年限通常超过20年，控制产品在长期运行过程中的碳排放才是重中之重。根据数据统计，运维环节碳排放量在全生命周期中的占比达到了85%以上，因此，螺杆制冷压缩机的节能减排的重点仍需放在产品能效的提高上。本文以螺杆制冷压缩机为研究重点，基于对行业痛点问题的深入研究，提出了一系列螺杆制冷机能效提升技术，并探讨了其低碳化应用场景，以期为“双碳”目标下螺杆制冷机的发展趋势指明方向。
1 螺杆制冷压缩机能效提升技术
螺杆制冷压缩机作为蒸气压缩制冷系统中最大的耗能部件，是整条产业链中技术含量高、开发制造难度较大的产品，其品质直接影响到系统的能效，因此，螺杆压缩机的能效提升对于用能系统的绿色转型有重大意义。本文基于对行业现存问题的深入研究，进而提出了包括型线优化、变导程设计、自适应多孔封严涂层的使用、润滑油精细化管理、永磁变频技术、两级压缩级间补气技术和智慧运行技术7种新型能效提升技术，并对其作用原理与优化效果进行了探讨，为未来压缩机的优化设计提供新思路，助力“双碳”目标的如期实现。
1.1 型线优化
螺杆制冷压缩机最核心的部件是相互啮合的转子，而转子型线是螺杆制冷机的重要构成要素，直接影响了接触线、泄漏三角形、封闭容积与齿间面积等几何特性，也从根本上决定了螺杆制冷机的泄漏特性、热力性能、动力性能和可靠性，因此转子型线的开发是其设计中的核心技术。国内外著名螺杆压缩机生产厂家都是由高效转子型线的开发而成功占领市场。
经过多年的研究，转子型线的设计计算方法
已得到了总结，但近些年转子型线的设计方法仍在不断改进。新方法之一是采用贝塞尔曲线、NURBS等替代常规曲线作为组成齿曲线，以切矢量构建曲率渐变曲线，通过改变节点权重、增加控制点以及移动控制点来灵活的对型线进行优化，实际型线的优化案例如图1所示；另一新方法是采用基于逆向工程的啮合线法构建型线，通过构造啮合线，直接控制几何特性。
此外，可针对具体制冷剂种类、压缩机容量和运行工况，开发出专门的高效转子理论型线，并考虑转子运行过程中的受力变形、受热膨胀和加工及装配过程中的误差，合理配置实际型线的间隙分布。
1.2 变导程设计
应用于螺杆真空泵的变导程螺杆转子由于其优秀的使用性能而得到了长足地发展，国内外很多学者也针对变导程螺杆真空泵做了各方面详实的研究。这对于双螺杆制冷压缩机导程设计而言有较大的借鉴意义，变导程设计一般将导程较长的部分放在吸气侧，其最大的优势是可以直接增大排气孔口，降低排气流动阻力。此外，在压缩过程方面，恒定导程的压缩速度始终是匀速的；而对于变导程而言，导程较长的部分压缩较快，导程较短的部分则压缩较缓，这意味着更低的压缩多方指数与更高的效率。
目前主要有3种导程设计形式，结构示意如图3所示。其中，恒导程为最常见的形式，由于其便捷的设计方法、成熟的加工工艺而被目前市面上基本所有双螺杆制冷压缩机使用；多段导程设计为简单的物理拼接，在不同的压缩段采用了不同的恒定导程，目前已有成品样机。然而多段导程压缩过程中的压缩速度突变将不可避免地导致一定的噪声、振动甚至性能的问题；渐变导程的螺杆转子尚在开发之中，相比于多段导程设计，该形式压缩过程平稳、吸排气顺畅，制约其发展的主要原因在于加工难度较高，加工工艺不成熟以及加工时间较长、资金成本过高。
1.3 自适应多孔封严涂层
对于稳定工作的螺杆制冷压缩机而言，其吸气端温度略低于装配温度而排气端温度则显著高于装配温度。在复杂温度、压力场的耦合作用下，螺杆转子将发生膨胀、收缩、扭转变形等各种复合应变，这种不规则的应变特性造成了转子间隙的不均匀变化，可能导致转子摩擦甚至卡死。增大设计间隙是确保压缩机安全运行的有效手段，但会增大压缩机泄漏量并降低能效。采用自适应多孔封严涂层可有效减小间隙，是提高航空发动机性能的重要手段，已初步在螺杆制冷压缩机中得到应用。
自适应多孔封严涂层一般由基相、润滑相和大量微小孔洞组成。基相主要保证涂层自己强度以及与基体的结合强度；润滑相主要作用则为降低硬度，提高涂层塑性；微小孔洞由制备过程中加入的造孔相形成。喷涂有该涂层的转子在工作时，涂层上的部分微小孔洞将被压缩，实现转子间隙的自适应调节，进而保证了最小的安全运行间隙，对于提升螺杆制冷机的能效而言具有重要潜力，其效果如图4所示。
1.4 润滑油精细化管理
润滑油对于螺杆制冷压缩机性能的优劣起到至关重要的影响，其作用大致有如下几个方面：提高压缩腔的密封性，减少泄漏；实现转子啮合区域的润滑，减少摩擦功耗；冷却工质，提高绝热效率；降低运行噪声。转子腔喷油孔开设位置和喷油量的选择对螺杆制冷机很重要。对于喷油孔开设位置，过于靠前时会导致被压缩工质提前加热，而过于靠后则会导致换热不充分，进而增大压缩机的实际压缩功耗。对于喷油量，过少时转子啮合区域无法实现充分润滑，可能导致摩擦磨损、振动噪声等问题；而喷油量过多时，会出现搅油损失过大等一系列问题。喷油量增大对螺杆制冷机绝热效率的影响如图5所示，在全工况下，随着润滑油油量的增大，实测绝热效率都会有一定程度的降低；这种降低幅度在低温工况下更加明显，随着油气体积比增大0.1%，绝热效率最大降低了2%。因此，根据特定形式的制冷机和制冷工质，以定制化选择匹配润滑油、合理规划设计喷油孔开设位置和喷油量的润滑油精细化管理成为了螺杆制冷压缩机能效提升重点。
大量试验研究，对润滑油在压缩腔内部的实际作用机理进行了解释。他们认为，润滑油在压缩腔内实际是以薄膜的形式覆盖在压缩腔表面的，理想的油膜厚度将恰好实现对啮合间隙、齿顶间隙等的密封；而当油膜厚度过大时，会出现积油现象（图6），此处的积油将随着转子的旋转而被输送到排气端，从而增大压缩机的实际功耗。BENES G等通过双螺杆压缩机的光学测量，验证了上述理论的可靠性。根据理论，喷入压缩腔内部的油从吸气到排气过程由于密封间隙而均匀消耗，因此当排气结束时油体积接近于零时的油量即为最佳喷油量。
1.5 永磁变频技术
螺杆制冷压缩机容量调节的方法包括启停调节、滑阀调节以及变频调节等，但以滑阀调节为主的传统容量调节方式在实际使用中存在各种问题。首先，当压缩机处于部分负荷时，其能效衰减严重（图7），滑阀有效工作长度与螺杆制冷压缩机能效存在一定的正相关关系，当滑阀有效工作长度缩短（部分负荷运行）时，其能效将大幅下降；其次，在实际使用滑阀调节时，随着滑阀位置的轻微变化，螺杆制冷压缩机冷量跳跃的现象比较明显；此外，随着制冷机使用年限的增长，滑阀油活塞处由于磨损而导致密封性变差，可能会出现工况无法维持、自动加卸载等问题，影响其在工程中的正常使用。
相比于传统调节方式，变频调节具有调节范围大、结构简单等优势，可以有效提高螺杆制冷压缩机在部分负载下的能效。CHEN W Q等通过建立半封闭螺杆式制冷压缩机的集总参数模型，并结合螺杆式制冷机部分负荷工作过程，对滑阀和变频两种方式调节下压缩机的性能进行了模拟对比，结果表明，螺杆制冷机采用变频调节在功耗、排气量以及绕组定子温度特性上有更好的表现。永磁同步变频电机驱动的双螺杆制冷压缩机的结构示意如图8所示，永磁变频电机在宽转速范围下的高效稳定运转，有效提升了螺杆制冷机全工况范围的运行性能。目前，变频驱动已在中央空调用螺杆制冷压缩机中获得了广泛应用，也正在快速推广应用于各种热泵和冷冻冷藏装备中。特别是通过变频调节容量、通过滑阀调节内容积比的变频变容积比螺杆制冷机，实现了容量和内容积比的相互独立调节，能精准高效地实时匹配制冷系统的运行工况和负荷，特别适合于负荷与工况变化范围要求高的应用场合。
1.6 补气技术
当螺杆制冷压缩机应用于高压比、大温差工况时，单级压缩由于过大的压差而往往存在严重的振动、噪声、泄漏、能效过低等性能问题，双级压缩也因此得到了广泛地认可与关注。中间补气技术由于可以控制压缩过程的温度、提升压缩能效而被广泛应用于低温空气源热泵领域，尤其是在涡旋压缩机和滚动转子压缩机上。然而目前针对双螺杆制冷压缩机中间补气的研究依旧局限于单级压缩机，WU H G等通过CFD模拟与试验结合的方法，研究了补气压力对于单级双螺杆压缩机性能的影响。对于双螺杆制冷压缩机的补气，由于物理结构的限制，目前一些企业通常是用冷却电机与润滑油后的高压制冷剂在吸气结束之后补入以增大制冷量，但这往往对于压缩机的能效有负面影响。
综合考虑以上两者的优势，匹配大温差工况的单机双级级间补气双螺杆制冷压缩机是低温冷库、冷冻冷藏领域的首选，并逐渐向常规空调领域拓展。对于单机双级机型而言，补气孔口不必开设在压缩腔内，而可以直接在两级的中间腔内进行补气，从而提高补气效率。此外，两级螺杆转子的布置形式的选择也将直接影响压缩机的使用性能。目前国内的布置形式以同轴串联式为主，即高低压级的阳转子通过同一根轴与电机相连，如图9所示。然而这种布置形式最大的问题是低压级排气侧物理空间有限，低压级滑阀设计困难。国外有些压缩机厂商开发了两轴并联式单机双级双螺杆制冷压缩机，该形式有滑阀布置方便、设计紧凑等优势。
1.7 智慧运维
在提高螺杆制冷机加工设计水平的同时，依托于大数据的压缩机智慧运行与优化控制也是提升其能效的重要手段。及时的故障预测与精准的故障诊断也可以大幅度提升制冷机稳定运行时长，降低制冷机运行维护成本。典型的数据采集与分析应用流程如图10所示，在制冷机吸排气等关键部位布置测点，实时采集制冷机运行数据；对采集到的运行数据进行清洗，去除明显异常数据；根据参数之间的热力学关系建立数据之间的理论互推关系，借助人工智能算法建立模型；利用已有模型对系统中的关键参数进行预测，通过实时对比数据预测值与实际值的差值，可以实现可能存在问题的预警，从而实现制冷机基于故障预测的维护；最后实现数据处理的可视化，方便后续算法模型、方案流程的设计优化。
以单机双级螺杆压缩机制冷系统为例，当使用工况发生变化时，存在最优中间压力使得制冷机能效最高。结合人工智能算法建立的基于数据驱动的制冷机能效与中间压力之间的数学模型，当运行工况发生变化时，通过实时调整制冷机的实际中间压力，使之等于算法计算获得的最优中间压力，可以实现制冷机全天候的运行能效最大化，从根本上预防了能源的浪费，是提升能效的有效手段。
2 螺杆制冷压缩机的低碳应用系统
“双碳”战略目标不但对螺杆制冷机的发展提出了更高的能效要求，也促进了其低碳应用系统的推广应用。尤其是水蒸气螺杆压缩机、螺杆膨胀机和氦气螺杆制冷压缩机，分别应用于水蒸气高温热泵、有机工质朗肯循环发电、氢气的液化流程，在碳中和背景下将快速发展。
2.1 高温热泵
许多工业领域存在有温度范围 80 ℃~90 ℃的废热，但其需要的热源温度则为 110 ℃~130 ℃，使用高温热泵系统能够有效回收这部分低品位热能，将之转化为较高温度热能提供给工业系统，同时实现了能源回收利用的节能效果和减小工业热污染的环保效果。高温热泵系统在工业废水余热回收中的应用如图11所示。
在高温热泵领域，螺杆压缩机与水工质的结合具有诸多优点。首先，水是高温热泵的理想工质，在第4代制冷剂中具有众多优点。水是自然工质，其ODP值为0，GWP值小于1，具有廉价、 无毒和稳定等特质；汽化潜热大，单位质量的制冷量相对较大，采用水作为工质的系统理论COP值较传统的合成工质系统为高。其次，在水蒸气压缩机众多形式当中，双螺杆压缩机是最适宜的形式。其利用压缩过程喷水冷却，能有效降低排气温度、提高压缩机压比；喷入的水能在增加压缩机容积流量的同时，使排气温度饱和，这样可以有效利用水的潜热，能有效提高热泵系统的性能。此外，螺杆压缩机本身具有运行特性稳定和操作方便等优点。因此，螺杆水蒸气压缩机在高温热泵系统中具有较为理想的应用。
国内一些学者针对螺杆水蒸气压缩机在余热回收中的应用展开了研究。沈九兵等针对高温热泵的工业需求，设计并分析以水为介质的闭式高温热泵系统，引入了喷水螺杆式水蒸气压缩机，利用喷水实现压缩机排气为饱和状态，通过理论计算得出了此循环在高蒸发温度时具有高COP值的结论。高磊等文针对碱回收热泵系统中水蒸汽压缩机温升小而造成效数不够的问题，采用螺杆水蒸气压缩机构成机械压缩式系统，对其进行了数学建模和热力性能计算，并考虑了系统的经济性。梁政等为拓宽水蒸气热泵在余热回收中的工作温区，降低水蒸气压缩机的排气温度，对采用喷水降温螺杆压缩机的水蒸气热泵系统及其主要部件建立热力学模型，研究了螺杆压缩机喷水温度，及最佳喷水温度下蒸发温度、冷凝温度对系统性能的影响。螺杆水蒸气压缩机也存在容积流量较小的问题，但总的来说，螺杆水蒸气压缩机对水蒸气的压缩效果很好，还可以通过喷水降低压缩终了排气温度，从而降低对压缩机设备的要求和成本，同时规避了有机工质的各种缺点，是水蒸气压缩机的重点研发方向。
2.2 有机工质朗肯循环发电
在传统的能—功转化工业中，系统热效率会在热源温度不足 370 ℃时降至极低的水平，但统计调查表明，低品位余热占工业产生的总热量的50%或以上。这些低品位的废热不但带来了能源浪费，也造成了热污染是我国实现碳中和道路上必须解决的问题。有机工质朗肯循环（ORC）采用低沸点有机工质，实现与低温热源的温度匹配，能够实现低品位废热的回收，具有灵活性强、安全性高、维护要求低、性能优异等优点，被认为是低温余热发电的首选方案。
ORC示意图如图12所示，由4个过程和相应的系统部件构成。过程1-2中，介质泵将来自冷凝器的低温低压的液体工质送入蒸发器；过程2-3中，液体工质在蒸发器中吸收余热，定压蒸发为高温高压的工质蒸汽；过程3-4中，工质蒸汽进入螺杆膨胀机做功，输出的机械功通过发电机转化为电能；过程4-1中，低压工质蒸汽进入冷凝器中与冷却水换热，再次成为低温低压的液体工质。
ORC对膨胀机具有如下要求：1） 效率高，成本低；2） 部分适应带液膨胀；3） 工况范围宽，无喘振等情况；4） 可以重负荷启动；5） 转速与直连发动机匹配，避免使用额外的减速装置。可见螺杆膨胀机非常适合ORC系统。此外螺杆膨胀机初期投资少、维护费用低、可靠性高，很适合能耗较高的企业进行余能回收，从而降低生产成本，因此在ORC系统中具有突出优势。
2.3 氦制冷的氢液化
氢气是一种绿色、来源广泛的二次能源载体，其相关产业在我国已初步形成了完整的产业链，上游可借助电解水制氢技术与光伏、风能等可再生能源结合起来，下游可利用氢燃料电池和氢燃气轮机等技术转化为电能，氢因此被视为化石能源的理想代替能源，在我国未来能源转型中扮演重要角色。此外，以氢气为储能介质的氢储能技术能够实现大规模、跨季节储能，在削峰填谷、分布式能源等场景中具有重要应用。
氢气的储运是其产业链中的重要一环，其中液氢储运具有低成本、纯度高、适于长距离运输等优点，是公认的大规模运用氢能的关键技术。经典的氢液化流程包括Linde-Hampson循环、Claude循环和氦制冷的氢液化，其中氦制冷的氢液化系统因氢循环的压力较低，只需克服热交换器中的压力降，所以具有更好的安全性。其流程示意图如图13所示，该工艺中工质氦先被氦压缩机压缩，通过液氮预冷，再被换热器逐级冷却，最后在氦透平膨胀机中膨胀降至低温；在氢系统中，被压缩的氢气经液氮预冷后，在热交换器内被冷氦气降温液化。
在氦制冷的氢液化系统中，氦气的压缩需要用到氦压缩机，螺杆式是氦压缩机可选的形式之一。研究表明，氢液化过程中大部分?损来自压缩机，因此螺杆氦压缩机的性能对提升整个氢液化流程的能效水平至关重要。某公司与笔者所在单位共同研制了出了一种氢液化领域新型高效氦气螺杆压缩机，其机组产品外观图如图14所示，经国家能源局组织评定，该项目填补了国内的相关技术空白，达到国际先进水平，氦气压缩机组的容积效率和等温效率等主要技术指标均处于国际领先水平，并被列入了第一批能源领域首台（套）重大技术装备项目名单。
3 结束语
“双碳”目标对螺杆制冷压缩机提出了更高要求和新的需求，考虑到螺杆制冷压缩机全生命周期碳排放环节中运维环节是碳排放的关键所在，螺杆制冷压缩机的降碳仍需着眼于产品能效水平的提升。可通过采用螺杆制冷压缩机能效提升的新技术予以实现，如采用贝塞尔曲线、NURBS等替代常规曲线以及基于逆向工程的啮合线法拓展转子型线优化空间；设计变导程转子增大螺杆制冷机的排气孔口，实现更低的压缩多方指数与更高的效率；转子喷涂自适应多孔封严涂层以保证最小的安全运行间隙；对润滑油进行精细化管理以降低喷油损失；采用永磁变频技术和单机双级级间补气技术提高全工况能效；应用基于大数据和人工智能的智慧运维技术提升螺杆制冷机运行能效、降低维护成本。
此外，“双碳”战略目标也将促进螺杆制冷压缩机低碳应用系统的推广应用，尤其是水蒸气螺杆压缩机、螺杆膨胀机和氦气螺杆制冷压缩机，分别应用于水蒸气高温热泵系统、ORC系统和氢气的液化流程等低碳节能系统，在“双碳”背景下将迎来快速发展的契机。