李道衛(wèi)

(大連冷凍機(jī)股份有限公司，遼寧大連西南路888號15#信箱 116033)

氨液循環(huán)泵組(以下簡稱氨泵組)主要是由低壓循環(huán)貯液桶(以下簡稱低循桶)、氨泵、節(jié)流組件和支撐框架、控制柜等裝置構(gòu)成。工作流程如下:來自冷凝器的高壓液態(tài)制冷劑氨經(jīng)節(jié)流組件中的節(jié)流閥節(jié)流降壓進(jìn)入低循桶，低壓飽和狀態(tài)的氨在低循桶內(nèi)實(shí)現(xiàn)氣液分離，液態(tài)氨經(jīng)過氨泵加壓輸送至蒸發(fā)器，部分蒸發(fā)后回流至低循桶，再次在桶內(nèi)實(shí)現(xiàn)氣液分離，氣態(tài)氨回流至壓縮機(jī)，分流出來的液態(tài)氨再次被氨泵加壓送至蒸發(fā)器，如此循環(huán)。作為過量供液制冷系統(tǒng)的重要裝置，其主要目的是解決末端多個(gè)蒸發(fā)器因水力不均導(dǎo)致的制冷效果不好的問題，普遍應(yīng)用于冷庫、物流庫、啤酒生產(chǎn)、真空凍干等場合?？此坪唵蔚难b置，工程使用中卻常出現(xiàn)各種問題，導(dǎo)致整個(gè)制冷系統(tǒng)無法發(fā)揮作用，甚至嚴(yán)重影響用戶的生產(chǎn)。常見的問題多數(shù)是由選型不合理或操作不當(dāng)引起的，主要有主機(jī)匹配不合理、供液高度不足和氨泵電機(jī)燒毀等。

1 主機(jī)匹配不合理

1.1 問題出現(xiàn)的幾率

氨泵組比較普遍的是采用高低液位控制器控制節(jié)流閥前電磁閥關(guān)開，實(shí)現(xiàn)節(jié)流供液的調(diào)整。這種節(jié)流控制方式的泵組其配套的主機(jī)如果是經(jīng)濟(jì)器螺桿機(jī)組，那么主機(jī)運(yùn)行中出現(xiàn)壓縮帶液的幾率是100%，也就是說這種氨泵組與主機(jī)匹配方式在原理就存在問題。

1.2 流程圖

制冷機(jī)組流程見圖1。

1.3 問題成因

單看氨泵組或螺桿經(jīng)濟(jì)器機(jī)組的流程圖，都不存在任何問題，但把這兩個(gè)產(chǎn)品結(jié)合在一起仔細(xì)分析，就能夠找到問題的癥結(jié)。

先看螺桿經(jīng)濟(jì)器機(jī)組的流程圖，經(jīng)螺桿壓縮機(jī)1壓縮終了的氨氣進(jìn)入冷凝器2冷凝成高壓液氨，當(dāng)壓縮機(jī)的負(fù)載達(dá)到設(shè)定值時(shí)，中冷電磁閥4開啟，小部分液氨經(jīng)過該閥和熱力膨脹閥5后節(jié)流，產(chǎn)生了低溫低壓的液氨，為了表述方便，我們暫時(shí)稱這部分液氨為液氨a，進(jìn)入中間冷卻器3的管程。同時(shí)大部分高壓液氨(稱這部分液氨為液氨b)直接經(jīng)過中間冷卻器3的殼程，被液氨a冷卻，形成過冷后的高壓液氨b，液氨b流向泵組的節(jié)流組件;而液氨a吸收液氨b的熱量后氣化成氨氣，經(jīng)螺桿壓縮機(jī)1中間補(bǔ)氣口進(jìn)入壓縮機(jī)，和來自低循桶的氨氣一同被壓縮加壓后，再次進(jìn)入冷凝器冷凝成高壓液氨。

再來看氨泵組的流程圖，常規(guī)氨泵組中低循桶內(nèi)液面高度的控制邏輯是這樣的:當(dāng)液面低于低液位控制器2對應(yīng)的位置高度時(shí)，電磁閥3開啟，液氨b通過節(jié)流閥4節(jié)流降壓后，不斷向低循桶內(nèi)補(bǔ)充低溫低壓氨液，閃蒸的氨氣和蒸發(fā)器回流來的氨氣經(jīng)抽氣口進(jìn)入壓縮機(jī);當(dāng)液面逐步升高并最終高于高液位控制器1對應(yīng)的位置高度時(shí)，電磁閥3關(guān)閉，液氨b的通路被切斷，不再流動(dòng)，因此，低循桶內(nèi)不再有低壓氨液補(bǔ)充。此時(shí)，氨泵仍不斷將氨液加壓輸送至蒸發(fā)器蒸發(fā)，低循桶內(nèi)的氨液不斷消耗，液面逐漸降低，當(dāng)液面再次低于低液位控制器2對應(yīng)的位置高度時(shí)，電磁閥3再次開啟，液氨b再次通過節(jié)流閥4節(jié)流降壓后進(jìn)入低循桶。如此循環(huán)往復(fù)，低循桶內(nèi)的液面總是波動(dòng)的上下變化，同時(shí)，液氨b也是間歇式的流動(dòng)和停止。

圖1 制冷機(jī)組流程圖Fig.1 The flow chart of refrigerant units

當(dāng)氨泵組的電磁閥3在開啟狀態(tài)時(shí)，液氨b通過該閥并經(jīng)過節(jié)流閥4節(jié)流降壓形成低溫低壓氨液和氨氣混合物進(jìn)入低循桶內(nèi)。一旦泵組的電磁閥3處于關(guān)閉狀態(tài)且螺桿經(jīng)濟(jì)器機(jī)組電磁閥4處于開啟狀態(tài)時(shí)，經(jīng)過中間冷卻器的液氨b處于不流動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)液氨a無法吸收到熱量，不能氣化，最終以液態(tài)形式通過壓縮機(jī)補(bǔ)氣口進(jìn)入壓縮機(jī)。由于熱力膨脹閥5的特性是只要其兩端有壓差存在，就會有流體經(jīng)過該閥，其本身不具備關(guān)閉的能力，電磁閥3和4不改變當(dāng)前的狀態(tài)，就會有液氨不斷地經(jīng)過補(bǔ)氣口進(jìn)入壓縮機(jī)，輕則會造成壓縮機(jī)組的排溫降低、油溫下降、機(jī)組跑油等不正常的運(yùn)行狀態(tài)，重則會導(dǎo)致壓縮機(jī)液擊。

1.4 解決辦法

氨泵組和螺桿經(jīng)濟(jì)器機(jī)組是兩個(gè)獨(dú)立的完整產(chǎn)品，其控制都是獨(dú)立的。由于兩者的組合存在上述不可避免的弊端，為了機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，有必要進(jìn)行調(diào)整。一種是將兩者的控制捏合在一起，這個(gè)調(diào)整適合產(chǎn)品合同訂購前，對于很多已經(jīng)運(yùn)行的項(xiàng)目，筆者試著找出一個(gè)簡便、安全、成本低廉的改造方式。

1.電磁閥3和4并聯(lián)，開關(guān)由螺桿經(jīng)濟(jì)器機(jī)組的控制器控制:這樣的調(diào)整方式會產(chǎn)生液面低于最低液位控制器2對應(yīng)的位置高度時(shí)因壓縮機(jī)負(fù)載小而導(dǎo)致電磁閥不開啟的現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致氨泵空轉(zhuǎn)、電機(jī)燒毀的嚴(yán)重后果。所以，這種調(diào)整方式不可取。

2.電磁閥3和4并聯(lián)，開關(guān)由氨泵組的控制器控制:該調(diào)整方案有一個(gè)隱患，當(dāng)氨泵組運(yùn)行而壓縮機(jī)組停機(jī)時(shí)，會有氨液經(jīng)補(bǔ)氣口進(jìn)入壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子腔，當(dāng)液體量達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，一旦壓縮機(jī)啟動(dòng)很可能造成液擊。除非將氨泵組與螺桿經(jīng)濟(jì)器機(jī)組的運(yùn)行進(jìn)行聯(lián)鎖，否則，該方案也不可取。

3.在電磁閥4后串聯(lián)一個(gè)與其等規(guī)格的電磁閥:串聯(lián)的電磁閥和電磁閥3的電線線路并聯(lián)，這樣既避免了壓縮機(jī)液擊或帶液壓縮也保證了氨泵的安全運(yùn)行，但改造的工作量最大。

2 供液高度不足

2.1 氨泵反轉(zhuǎn)

解決辦法是將三相接線中的任意兩相互換。

2.2 入口閥門開度過小

氨泵入口截止閥是用于檢修氨泵的，在氨泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)應(yīng)處于全開狀態(tài)。

2.3 氨泵氣蝕

氣蝕是造成氨泵供液高度不足的原因中最常見也是最難解決的一個(gè)。

氣蝕是一種流體動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象，在液體通過泵加壓輸送的領(lǐng)域里都有氣蝕現(xiàn)象發(fā)生的可能性。氨泵氣蝕的現(xiàn)象就是當(dāng)氨泵入口處氨液的壓力等于或低于氨液溫度對應(yīng)的飽和壓力時(shí)，部分氨液會蒸發(fā)產(chǎn)生氣泡，氣泡隨液氨一起被泵加壓時(shí)就會重新凝結(jié)成氨液，這個(gè)過程中，氣泡逐漸變形，進(jìn)而破裂，破裂產(chǎn)生的沖擊力巨大不斷作用在葉輪上，影響葉輪的工作狀態(tài)或侵蝕葉輪。一般程度的氣蝕會導(dǎo)致氨泵揚(yáng)程達(dá)不到設(shè)計(jì)值，產(chǎn)生供液高度不足的現(xiàn)象。

2.3.1 安裝高度過低

每一個(gè)型號的氨泵，都有裝置的最低安裝高度，是相對高度，即低循桶設(shè)計(jì)允許的最低液面高度與安裝后的氨泵入口高度的差值，這個(gè)差值產(chǎn)生的氨液液柱壓強(qiáng)用于克服氨泵入口管線的阻力損失及葉輪入口處的負(fù)壓，理論上，為了保證氨泵安全，該數(shù)值越大越好。一旦設(shè)計(jì)時(shí)忽略了安裝高度這個(gè)因素，導(dǎo)致其值小于裝置最低安裝高度，則現(xiàn)場改造只能通過抬高低循桶安裝高度或降低氨泵安裝高度來解決了。

2.3.2 低循桶下液口處存在漩渦

對于低循桶下液口管線垂直于低循桶液面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即便是安裝高度滿足了氨泵的最低裝置安裝高度要求，也可能產(chǎn)生氣蝕。一旦下液口處氨液的流速過高，在該處就會產(chǎn)生渦旋，氣體就會在快速流動(dòng)的液體的慣性力帶動(dòng)下進(jìn)入氨泵，從而產(chǎn)生氣蝕。以筆者的經(jīng)驗(yàn)，下液口處液體流速控制在1 m/s左右為宜，如條件許可，應(yīng)將下液流速設(shè)計(jì)在0.5 m/s上下。

2.3.3 過濾網(wǎng)堵塞

有些泵組初始運(yùn)行穩(wěn)定，過了一段時(shí)間卻出現(xiàn)了氣蝕的現(xiàn)象，原因很可能是入口管道阻力損失突然增大，比如，過濾網(wǎng)堵塞。氨系統(tǒng)的清潔度一般都不高，系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間后，氨泵入口前的過濾網(wǎng)會被焊渣、污物等堵塞，當(dāng)堵塞產(chǎn)生的阻力損失消耗掉安裝高度富余量時(shí)，就會產(chǎn)生氣蝕。低溫系統(tǒng)更容易產(chǎn)生過濾網(wǎng)堵塞造成的氨泵氣蝕，尤其是－30℃以下系統(tǒng)。由于冷凍油幾乎不融入氨且其密度又大于液氨的密度，常規(guī)設(shè)計(jì)的低循桶內(nèi)的冷凍油都會隨液氨一起經(jīng)過過濾器進(jìn)入氨泵，溫度越低冷凍油的粘度越高，流動(dòng)性越差，一旦附著在過濾網(wǎng)上，會逐漸將過濾網(wǎng)眼堵塞，造成該處阻力損失大增，氨泵產(chǎn)生氣蝕。解決辦法就是縮短過濾網(wǎng)的清洗間隔時(shí)間，并及時(shí)排放與低循桶內(nèi)聯(lián)接的低壓集油器內(nèi)的冷凍油。

3 電機(jī)燒毀問題

氨泵組選用的氨泵基本都是制冷用屏蔽泵，即離心泵和三相交流電機(jī)的共同體。過流部件(葉輪)直接與驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸相連，共同組成轉(zhuǎn)動(dòng)部件，屏蔽套嵌在定子內(nèi)側(cè)以隔離轉(zhuǎn)子腔和定子腔，最終實(shí)現(xiàn)用所輸送的一少部分介質(zhì)冷卻電機(jī)的目的。根據(jù)電機(jī)冷卻液最后流向的不同又分為內(nèi)循環(huán)冷卻屏蔽泵和外循環(huán)冷卻屏蔽泵。電機(jī)燒毀主要是因?yàn)殡姍C(jī)過載、電機(jī)冷卻不良或氨泵運(yùn)行長時(shí)間存在氣蝕。

3.1 氨泵選型不合理

比如某－30℃的氨制冷系統(tǒng)，單臺氨泵的設(shè)計(jì)參數(shù)流量Q為12 m3/h，揚(yáng)程H為38 m，但工程設(shè)計(jì)人員為了安全起見，將揚(yáng)程留有20 m余量，實(shí)際提交給泵廠的參數(shù)中揚(yáng)程的數(shù)值為58 m，就是這個(gè)簡單的修改很可能造成電機(jī)運(yùn)行時(shí)因超載而燒毀，對于同一臺氨泵，設(shè)計(jì)工作點(diǎn)的不同很可能導(dǎo)致匹配的電機(jī)功率也不同，如果設(shè)計(jì)點(diǎn)的功率小于實(shí)際運(yùn)行工況點(diǎn)的功率，就是小馬拉大車，就可能導(dǎo)致電機(jī)燒毀。

氨泵的流量和揚(yáng)程設(shè)定后，就能選得到適合的離心泵，再通過該氨泵性能曲線上的工作點(diǎn)計(jì)算氨泵應(yīng)該選配的電機(jī)。

先從氨泵性能曲線圖上查設(shè)計(jì)工況點(diǎn)a的各參數(shù)值:

ηa=0.41;計(jì)算設(shè)計(jì)工況點(diǎn)a的軸功率:

設(shè)計(jì)選配電機(jī)，電機(jī)功率P:

可以選用4.5 kW常用規(guī)格的屏蔽電機(jī)。

圖2 氨泵性能曲線Fig.2 The performance curves of ammonia pump

以a點(diǎn)為設(shè)計(jì)工況點(diǎn)計(jì)算下來，配備的氨泵電機(jī)功率為4.5 kW，電機(jī)留有約45%的富余量，電機(jī)安全余量已經(jīng)遠(yuǎn)超過20%了。

但由于設(shè)計(jì)選型時(shí)在氨泵揚(yáng)程上留有較大余量，氨泵運(yùn)行時(shí)，流量會比設(shè)計(jì)點(diǎn)a高很多，揚(yáng)程也有所增加，最終實(shí)際運(yùn)行的工作點(diǎn)將落在b處，查表b點(diǎn)相關(guān)參數(shù)值如下:

Qb=34 m3/h;Hb=44 m;ηb=0.59;計(jì)算 b 點(diǎn)的軸功率:

經(jīng)過計(jì)算氨泵在實(shí)際運(yùn)行點(diǎn)b處的軸功率達(dá)到了4.7 kW，超過了設(shè)計(jì)選配電機(jī)的額定功率，如長時(shí)間運(yùn)行則電機(jī)會因?yàn)槌d而燒毀。

3.2 操作不當(dāng)

氨泵電機(jī)的燒毀有很大比例是操作不當(dāng)造成的，多發(fā)生在運(yùn)行調(diào)試初期。氨制冷系統(tǒng)完成安裝、壓力試驗(yàn)和抽真空試驗(yàn)后，要向系統(tǒng)充灌制冷劑氨，先將氨加入到低循桶內(nèi)，再將低循桶中的氨液通過氨泵加壓輸送至蒸發(fā)器。氨泵啟動(dòng)前有些操作人員是將泵出口截止閥6全開的，由于氨泵出口至蒸發(fā)器這段管路幾乎沒有氨液，也就是說氨泵出口近似無阻力損失，氨泵啟動(dòng)后，流量會遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)值，電機(jī)功率急劇上升，瞬間即會超載。

正確的操作步驟是稍微開啟氨泵出口截止閥6，開啟氨泵，當(dāng)氨泵出入口壓差值達(dá)到或超過氨泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程值后，緩慢開啟截止閥6，當(dāng)壓差值略有降低時(shí)，停止開啟截止閥。

3.3 電機(jī)冷卻量不足

氨泵組中的氨泵多數(shù)都選用屏蔽泵，其電機(jī)是靠輸送的氨液進(jìn)行冷卻的，一旦冷卻回路里的液氨流動(dòng)不暢，其電機(jī)就會因冷卻液不足導(dǎo)致燒毀。內(nèi)、外循環(huán)冷卻氨泵的冷卻回路設(shè)計(jì)略有不同。外循環(huán)冷卻氨泵的電機(jī)末端有一接口應(yīng)與低循桶相連，氨泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，只要該路線被截?cái)?，無論氨泵出口截止閥6有否開閉，氨泵電機(jī)都會被燒毀;內(nèi)循環(huán)冷卻氨泵，由于其冷卻回路在泵體內(nèi)，只要氨泵出口截止閥6和旁通閥5不同時(shí)關(guān)閉，氨泵電機(jī)就不會因冷卻液不足而被燒毀。

3.4 氨泵氣蝕

長期氣蝕可能會導(dǎo)致軸承的損壞，造成轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)不暢，使電機(jī)因?yàn)檫^載而燒毀;也可能導(dǎo)致屏蔽套的泄漏，造成氨液腐蝕定子，電機(jī)會因短路而燒毀。

4 結(jié)束語

為了減少氨泵組的故障發(fā)生，除了正確的操作和細(xì)心的維護(hù)外，更重要的工作是在氨泵組選型時(shí)，一定要做到匹配合適的主機(jī)，合理的確定氨泵的參數(shù)，正確地設(shè)計(jì)電機(jī)冷卻回路。做好這些準(zhǔn)備工作，氨泵組基本上可以在制冷系統(tǒng)中正常、穩(wěn)定地發(fā)揮應(yīng)有的作用。

［1］吳達(dá)人.泵與風(fēng)機(jī)［M］.西安:西安交通大學(xué)出版社，1989.