王愛(ài)龍，于 曼，周文兵

（無(wú)錫海核裝備科技有限公司，江蘇無(wú)錫 214191）

0 引言

船舶冷庫(kù)作為重要的船舶輔助機(jī)械，其能否正常運(yùn)行，直接影響到船員的正常生活和工作，因此在船舶配套設(shè)備中，船用冷藏機(jī)組在制冷系統(tǒng)中尤為重要，冷庫(kù)制冷系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)是冷藏裝置高效、安全和可靠運(yùn)行的前提和保證［1］。這就對(duì)制冷機(jī)組運(yùn)行可靠性提出更高的要求，針對(duì)以往的制冷系統(tǒng)運(yùn)行方式進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，采用并聯(lián)制冷壓縮機(jī)組可以很好地匹配系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)負(fù)荷變化，避免單壓縮機(jī)制冷運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)“大馬拉小車” 的情況，因此并聯(lián)制冷壓縮機(jī)組更適用船舶冷藏一機(jī)多庫(kù)的制冷方式，可以保證制冷設(shè)備以最經(jīng)濟(jì)的方式運(yùn)行，最大限度節(jié)約能源。

1 并聯(lián)制冷壓縮機(jī)組介紹

在制冷系統(tǒng)中，并聯(lián)制冷壓縮機(jī)組是指有2 臺(tái)或2 臺(tái)以上壓縮機(jī)集成在一起為多臺(tái)蒸發(fā)器提供冷量的設(shè)備，它一般由機(jī)架、壓縮機(jī)、排氣集管、回氣集管、油分離器、儲(chǔ)油器等部件組成。機(jī)組運(yùn)行時(shí)壓縮機(jī)可以根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷的大小自動(dòng)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)運(yùn)行臺(tái)數(shù)，具有節(jié)能、調(diào)節(jié)方便等特點(diǎn)。在船舶制冷系統(tǒng)壓縮機(jī)都要求有備用壓縮機(jī)的型式，一般設(shè)計(jì)采用2 臺(tái)壓縮機(jī)，可實(shí)現(xiàn)交替使用并互為備用運(yùn)行，能夠均衡磨損，保證壓縮機(jī)的同等運(yùn)行壽命，確保系統(tǒng)的可靠性。本文以兩臺(tái)壓縮機(jī)并聯(lián)運(yùn)行為例加以說(shuō)明，其系統(tǒng)原理如圖1 所示。

圖1 并聯(lián)制冷壓縮機(jī)組原理

流程說(shuō)明：來(lái)自不同蒸發(fā)器的制冷劑蒸汽經(jīng)回氣集管分別進(jìn)入兩臺(tái)壓縮機(jī)的吸氣端，經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后成高溫高壓的氣體匯集到排氣集管，然后經(jīng)過(guò)高效油分離器，將制冷劑排氣中夾帶的潤(rùn)滑油分離出來(lái)，滯留在油分底部，不含油的制冷劑經(jīng)過(guò)油分離器的出口連接到系統(tǒng)冷凝器去參與制冷循環(huán)；滯留在油分離器底部的潤(rùn)滑油經(jīng)回油管路，將分離出來(lái)的潤(rùn)滑油集中儲(chǔ)存在儲(chǔ)油器中，然后根據(jù)每臺(tái)壓縮機(jī)的油位情況，自動(dòng)通過(guò)油位調(diào)節(jié)器［2］補(bǔ)充到壓縮機(jī)曲軸箱內(nèi)，保證壓縮機(jī)的油位正常。

2 并聯(lián)制冷壓縮機(jī)組回油控制

潤(rùn)滑油在制冷系統(tǒng)中起到至關(guān)緊要的重要。潤(rùn)滑油能夠減少軸與軸承、活塞環(huán)與氣缸壁等運(yùn)動(dòng)部件接觸面的機(jī)械磨損，減少摩擦耗功，提高機(jī)械效率，延長(zhǎng)零部件的使用壽命，也可以帶走摩擦產(chǎn)生的熱量，降低各運(yùn)動(dòng)部件的溫度，提高壓縮機(jī)的機(jī)械性能，增強(qiáng)氣缸與活塞之間的密封性，保證壓縮機(jī)排氣效率。

壓縮機(jī)回油是否正常，決定著壓縮機(jī)及系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性程度，在壓縮機(jī)工作時(shí)，必定會(huì)有一部分潤(rùn)滑油會(huì)從氣缸中與制冷劑一起排出，進(jìn)入制冷系統(tǒng)的管道、冷凝器和蒸發(fā)器等，如果潤(rùn)滑油不能有效地、及時(shí)地返回壓縮機(jī)時(shí)，嚴(yán)重情況會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)因缺油而燒毀。在并聯(lián)制冷壓縮機(jī)組通常采用主動(dòng)式回油方式［3］，系統(tǒng)原理見(jiàn)圖1，通過(guò)系統(tǒng)中的船用高效油分離器將絕大部分潤(rùn)滑油分離后集中儲(chǔ)存在儲(chǔ)油器中，然后通過(guò)油位調(diào)節(jié)器補(bǔ)充到壓縮機(jī)曲軸箱內(nèi)，形成油路循環(huán)。

眾所周知，由于任何型式油分離器的分油率都不可能達(dá)到100%，雖然制冷劑中夾帶的潤(rùn)滑油絕大部分都會(huì)經(jīng)過(guò)油分離器能夠分離出來(lái)，但是仍然會(huì)有一部分潤(rùn)滑油會(huì)進(jìn)入系統(tǒng)的冷凝器和蒸發(fā)器中去，會(huì)對(duì)系統(tǒng)控制元件產(chǎn)生影響，如果滯留在冷凝器或蒸發(fā)器中，會(huì)在其表面上形成一層油膜，特別是蒸發(fā)器工作溫度較低的情況下，潤(rùn)滑油粘度大，容易附著在換熱管內(nèi)壁上，流動(dòng)比較困難，使其傳熱效果降低，影響整個(gè)制冷裝置運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。這部分潤(rùn)滑油可以通過(guò)管路的優(yōu)化設(shè)計(jì)，增設(shè)制冷輔助設(shè)備等措施，保證良好的回油效果，同樣能夠隨同制冷一起返回到壓縮機(jī)，這種回油方式通常稱為被動(dòng)式回油。在制冷系統(tǒng)中，氣液分離器成為十分重要的必不可少的部件之一。由于氣液分離器獨(dú)特的U型管和回油孔［4］設(shè)計(jì)，既保證了良好的回油效果，又可有效地避免液體制冷劑進(jìn)入壓縮機(jī)吸氣管，防止壓縮機(jī)液擊。

對(duì)于并聯(lián)制冷壓縮機(jī)組而言，采用一種“一進(jìn)多出” 的氣液分離器［5］，圖1 中壓縮機(jī)吸氣端部分可以進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)，如圖2 所示，回氣集管連接到氣液分離器進(jìn)管，制冷劑和夾帶的潤(rùn)滑油在氣液分離器內(nèi)部進(jìn)行集中分配，兩根出管分別接到＃1、＃2 壓縮機(jī)回氣端，每臺(tái)壓縮機(jī)都通過(guò)各自的管路從氣液分離器中吸入制冷劑和潤(rùn)滑油，這種回油方式，不但能夠?qū)崿F(xiàn)每臺(tái)壓縮機(jī)均勻回油，而且也能減小單臺(tái)壓縮機(jī)運(yùn)行或部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，吸氣管內(nèi)制冷劑流速減小而造成系統(tǒng)回油能力下降的問(wèn)題，雖然在復(fù)雜程度和成本上有所增加，但是可靠性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性更強(qiáng)。

圖2 一進(jìn)兩出氣分－壓縮機(jī)并聯(lián)連接

3 并聯(lián)制冷壓縮機(jī)組能量調(diào)節(jié)控制

制冷系統(tǒng)的冷負(fù)荷包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)的滲透熱、冷藏冷凍貨物的貨物熱、通風(fēng)換氣的熱量、庫(kù)內(nèi)風(fēng)機(jī)、照明等的產(chǎn)生的熱量以及人員進(jìn)出庫(kù)房操作熱這5 部分組成，然后根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定冷凝溫度和蒸發(fā)溫度，按照可能出現(xiàn)的最大負(fù)荷來(lái)選擇制冷壓縮機(jī)。但在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，冷庫(kù)負(fù)荷、運(yùn)行工況總是不斷變化的，而絕大部分時(shí)間都是在部分負(fù)荷下運(yùn)行的。為了滿足制冷工藝的要求，并最大限度地降低運(yùn)行費(fèi)用，必須采取能量調(diào)節(jié)措施，使制冷設(shè)備的制冷量與冷庫(kù)負(fù)荷相匹配。

制冷系統(tǒng)能量調(diào)節(jié)的方式主要有兩種方式，一種是壓縮機(jī)自身的調(diào)節(jié)，另一種是在制冷系統(tǒng)上設(shè)計(jì)能調(diào)措施。壓縮機(jī)能力調(diào)節(jié)的方法也有很多，應(yīng)根據(jù)裝置的具體工作要求和壓縮機(jī)配置情況而適當(dāng)?shù)倪x擇［6］。本文以圖1 為例進(jìn)行介紹，圖中為某型船舶伙食冷藏系統(tǒng)原理，制冷量為6 kW（－ 25 ℃／ 40 ℃），制冷劑為R404a，壓縮機(jī)為2 臺(tái)四缸活塞壓縮機(jī)（型號(hào)4EES－4Y－40S）并聯(lián)運(yùn)行，一般情況下冷庫(kù)系統(tǒng)剛開(kāi)始進(jìn)貨階段負(fù)荷最大，稱為打冷工況，當(dāng)溫度降低到設(shè)定值后，制冷系統(tǒng)是在部分負(fù)荷下運(yùn)行，稱為維持工況。在打冷工況時(shí)，2 臺(tái)壓縮機(jī)同時(shí)投入運(yùn)行，系統(tǒng)滿負(fù)荷工作。在維持工況下，只需要一臺(tái)壓縮機(jī)運(yùn)行就足夠了，此時(shí)能量為50%調(diào)節(jié)，若負(fù)荷相對(duì)于一臺(tái)壓縮機(jī)還是偏大，壓縮機(jī)可以改變其有效工作氣缸數(shù)，使部分氣缸處于空載狀態(tài)，四缸壓縮機(jī)可以卸載兩缸運(yùn)行，此時(shí)能調(diào)為25%調(diào)節(jié)，因此整個(gè)系統(tǒng)能調(diào)范圍為100%、75%、50%、25%的范圍。普通船用冷藏系統(tǒng)，往往采用單臺(tái)壓縮機(jī)“啟／停＋卸載” 的能量調(diào)節(jié)方式實(shí)現(xiàn)制冷負(fù)荷的調(diào)節(jié)，能調(diào)范圍為100%、50%的范圍，很顯然并聯(lián)制冷壓縮機(jī)組能調(diào)范圍更寬，這種運(yùn)行方式不改變傳統(tǒng)冷藏系統(tǒng)設(shè)置形式和使用要求，同樣能滿足制冷設(shè)計(jì)要求，也能達(dá)到節(jié)能的目的，同時(shí)在維持工況時(shí)，可根據(jù)每臺(tái)壓縮機(jī)累計(jì)運(yùn)行時(shí)間，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)交替使用，提高壓縮機(jī)的互備性、增加可靠性、自動(dòng)化程度較高。

能量調(diào)節(jié)方式不局限于此，還有其他的方式，比如變頻壓縮機(jī)（通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)進(jìn)而改變壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速）、熱氣旁通能量調(diào)節(jié)以及吸氣節(jié)流能量調(diào)節(jié)等方式，可以根據(jù)不同設(shè)計(jì)要求自行選擇。

4 并聯(lián)制冷壓縮機(jī)組冷凝壓力調(diào)節(jié)

制冷系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，冷凝壓力高低是影響制冷系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和可靠性關(guān)鍵因素之一，如果冷凝壓力過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)排氣溫度升高，壓縮機(jī)比增大，制冷降低，功耗增加等弊端，如果冷凝壓力過(guò)低又會(huì)造成膨脹閥前后壓差太小，供液不足，同樣會(huì)導(dǎo)致制冷量下降，因此，必須確保冷凝壓力在合理的波動(dòng)范圍內(nèi)，尤其是在并聯(lián)制冷壓縮機(jī)組部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，通過(guò)改變冷凝器的熱交換能力來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。

在船舶冷藏系統(tǒng)中，都采用海水冷卻的方式，因此只有通過(guò)改變流經(jīng)冷凝器的水量來(lái)調(diào)節(jié)制冷系統(tǒng)冷凝壓力。水流量調(diào)節(jié)閥是一種比例型調(diào)節(jié)閥，有壓力控制型和溫度控制型兩種。壓力控制型是根據(jù)冷凝壓力直接控制閥的開(kāi)度大小，而溫度控制型是根據(jù)冷凝器出水溫度間接控制閥的開(kāi)度的，如圖3 所示。

圖3 水冷式冷凝器壓力調(diào)節(jié)

制冷系統(tǒng)還需要在冷凝器后設(shè)置一個(gè)貯液器，貯液器容量的大小根據(jù)制冷劑循環(huán)量和負(fù)荷變化情況確定。設(shè)置貯液器目的主要避免制冷劑貯存在冷凝器中，占用冷凝器換熱面積，影響換熱效果。

5 并聯(lián)制冷壓縮機(jī)組PLC控制

傳統(tǒng)船舶冷藏機(jī)組采用繼電器控制，相比PLC 控制有著明顯的不足，繼電器控制利用其接觸點(diǎn)的斷開(kāi)和接觸動(dòng)作，采用硬接線邏輯，接線多而復(fù)雜，控制箱體積大，功耗也大，而PLC控制采用存儲(chǔ)邏輯，將控制邏輯以程序形式存儲(chǔ)于內(nèi)存當(dāng)中，如果要想改變控制邏輯，只要將程序變動(dòng)即可，具有簡(jiǎn)單、方便、靈活等優(yōu)點(diǎn)。如制冷系統(tǒng)在維持工況時(shí)，只要一臺(tái)壓縮機(jī)運(yùn)行，為了避免一臺(tái)壓縮機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行，需要進(jìn)行輪換工作，可以根據(jù)每臺(tái)壓縮機(jī)累計(jì)運(yùn)行時(shí)間，優(yōu)先啟動(dòng)時(shí)間少的壓縮機(jī)，繼電器控制很難實(shí)現(xiàn)這一功能，在并聯(lián)制冷壓縮機(jī)組采用PLC編程控制［7］，可以做到一鍵開(kāi)機(jī)、一鍵復(fù)位、一鍵停機(jī)，能夠?qū)χ评湎到y(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)能量調(diào)節(jié)、故障報(bào)警提示功能等。

6 并聯(lián)制冷壓縮機(jī)組其他注意事項(xiàng)

在并聯(lián)系統(tǒng)中壓縮機(jī)排氣管路上設(shè)止回閥，防止單臺(tái)壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)，運(yùn)行的壓縮機(jī)排氣進(jìn)入另外一臺(tái)壓縮機(jī)。同時(shí)為了防止在系統(tǒng)停機(jī)期間，高壓回流的制冷劑在油分離器內(nèi)冷凝，影響分離出的潤(rùn)滑油的稀釋度，建議在油分的出口管上安裝止回閥。儲(chǔ)油器出口供油管路中必須安裝油過(guò)濾器，否則容易導(dǎo)致油位調(diào)節(jié)器失靈，同時(shí)建議在管路上安裝視油鏡，方便觀察供油情況。

為了使?jié)櫥陀凶銐虻牧魉?，在?chǔ)油器與壓縮機(jī)曲軸箱之間必須有一定的壓差，保證儲(chǔ)油器內(nèi)的壓力比曲軸箱內(nèi)壓力略高，從而保證潤(rùn)滑油順利進(jìn)入壓縮機(jī)。若忽略回氣集管至壓縮機(jī)之間的阻力損失，回氣管內(nèi)的壓力即為壓縮機(jī)曲軸箱內(nèi)的壓力，此壓差閥的設(shè)定值一般為0.15～0.3 MPa。

并聯(lián)制冷壓縮機(jī)組能否可靠、安全、高效的運(yùn)行，除了機(jī)組本身的設(shè)計(jì)、組裝規(guī)范外，合理的系統(tǒng)管路設(shè)計(jì)也非常重要［8］。雖然并聯(lián)制冷壓縮機(jī)組相對(duì)于單臺(tái)壓縮機(jī)系統(tǒng)具有冷量較大、調(diào)節(jié)方便、自動(dòng)化程度高等優(yōu)勢(shì)，但在設(shè)計(jì)時(shí)，并聯(lián)壓縮機(jī)以多臺(tái)同型號(hào)的壓縮機(jī)為應(yīng)優(yōu)先考慮，壓縮機(jī)臺(tái)數(shù)以3～6臺(tái)為宜。由于船舶對(duì)振動(dòng)和噪聲有較高的要求，而冷藏機(jī)組的振動(dòng)和噪聲主要來(lái)自壓縮機(jī)［9］，尤其多臺(tái)壓縮機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，必須對(duì)機(jī)組采取隔振措施，壓縮機(jī)地腳安裝減震墊，進(jìn)、排氣口管路上加裝彈性避震軟管等措施，框架與船體基座之間也采用彈性安裝方式。采用雙層框架［10］可以有效減少并聯(lián)制冷壓縮機(jī)組振動(dòng)的產(chǎn)生和傳遞，提高設(shè)備運(yùn)行的安全性能。

7 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了并聯(lián)制冷壓縮機(jī)組的特點(diǎn)和用途，從系統(tǒng)原理、機(jī)組回油、能量調(diào)節(jié)、冷凝壓力調(diào)節(jié)及控制等方面進(jìn)行闡述。系統(tǒng)采用主動(dòng)式回油和被動(dòng)式回油相結(jié)合，確保壓縮機(jī)油位正常，減少壓縮機(jī)失油風(fēng)險(xiǎn)；利用PLC 控制技術(shù)，能量自動(dòng)調(diào)節(jié)、壓縮機(jī)均衡運(yùn)行，達(dá)到節(jié)能的目的；通過(guò)冷凝壓力調(diào)節(jié)閥自動(dòng)調(diào)節(jié)流經(jīng)冷凝器的水量，改變其換熱量來(lái)控制冷凝壓力在合理范圍內(nèi)的波動(dòng)，提高壓縮機(jī)能效比；同時(shí)通過(guò)壓縮機(jī)的減震安裝、管路彈性連接、機(jī)組雙層框架設(shè)計(jì)，有效地降低噪聲和振動(dòng)程度，通過(guò)以上設(shè)計(jì)表明并聯(lián)制冷壓縮機(jī)組具有制冷量大、調(diào)節(jié)范圍廣、智能化控制、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，適用于各型冷藏船、各類速凍冷藏漁船、氣調(diào)冷藏系統(tǒng)等，在船舶制冷系統(tǒng)具有很好推廣作用。