李宇 初再宇 鄭慶國(guó)

摘 ?要：壓縮空氣廣泛應(yīng)用于船舶的柴油機(jī)起動(dòng)、設(shè)備控制和日常雜用，制冷型空氣干燥器是確保壓縮空氣干燥、潔凈的重要部件。本文針對(duì)某液化天然氣運(yùn)輸船壓縮空氣系統(tǒng)的制冷型空氣干燥器頻繁出現(xiàn)的高壓停機(jī)報(bào)警，展開故障診斷和分析，為同類型設(shè)備的運(yùn)行管理提供了有益的借鑒。

關(guān)鍵詞：LNG運(yùn)輸船;壓縮空氣系統(tǒng);制冷型空氣干燥器;制冷壓縮機(jī)高壓停機(jī);故障診斷

0 引 言

在船舶上，壓縮空氣廣泛用于船舶柴油機(jī)起動(dòng)、氣動(dòng)閥件的自動(dòng)控制以及日常雜用。根據(jù)壓縮空氣的應(yīng)用場(chǎng)合，通常分為起動(dòng)空氣、控制空氣和雜用空氣等三類。壓縮空氣尤其是控制空氣的干燥和潔凈程度直接影響各主輔機(jī)械設(shè)備和控制系統(tǒng)工作的可靠性，例如：壓縮空氣中的水分會(huì)造成部件銹蝕，油分能使橡膠密封圈老化失效，粉塵會(huì)造成部件磨損和通道堵塞等。因此，合格的壓縮空氣對(duì)輪機(jī)設(shè)備及系統(tǒng)的安全正常運(yùn)行至關(guān)重要。壓縮空氣中的油分和粉塵通?？赏ㄟ^油氣分離器和吸入過濾器進(jìn)行清除，而經(jīng)空氣壓縮機(jī)加壓之后的空氣中的水分通常以過熱形態(tài)存在，一般的機(jī)械方法無法清除。因此，壓縮空氣凈化的關(guān)鍵是進(jìn)行干燥處理。通常，船舶上的壓縮空氣經(jīng)空氣壓縮機(jī)加壓進(jìn)入空氣瓶之前，均設(shè)置有專門的制冷型空氣干燥器，輔以自動(dòng)放殘裝置，以清除其中的水分和殘余油分。

1 系統(tǒng)介紹

某液化天然氣運(yùn)輸船上的貨控系統(tǒng)、機(jī)艙遙控系統(tǒng)、安全系統(tǒng)和蒸汽系統(tǒng)等眾多系統(tǒng)中均裝有氣動(dòng)控制閥，對(duì)壓縮空氣系統(tǒng)提出了更高的要求。其壓縮空氣系統(tǒng)的基本組成如圖1所示。系統(tǒng)包括3臺(tái)額定工作壓力為12 bar的雜用和控制空氣壓縮機(jī)，各自配備用1臺(tái)制冷型空氣干燥器?？諝鈮嚎s機(jī)根據(jù)設(shè)定壓力自動(dòng)啟停，3臺(tái)制冷型空氣干燥器一直保持運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。雜用和控制空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生的壓縮空氣經(jīng)過干燥器降溫除濕后進(jìn)入雜用空氣瓶和控制空氣瓶，供機(jī)艙和貨艙雜用空氣、控制空氣系統(tǒng)和氮?dú)獍l(fā)生器等使用。

制冷型空氣干燥器為挪威Tamrotor Marine Compressors AS公司的R 600-S型空氣干燥器，其系統(tǒng)布置如圖2所示。在該制冷型空氣干燥器中，來自空氣壓縮機(jī)的含飽和水分的熱壓縮空氣經(jīng)過兩級(jí)處理，被冷卻到2 ℃。其中，預(yù)冷卻是流入干燥器的熱壓縮空氣與流出干燥器的冷壓縮空氣經(jīng)一級(jí)熱交換器換熱實(shí)現(xiàn)的;經(jīng)預(yù)冷卻的壓縮空氣進(jìn)一步在二級(jí)熱交換器中通過制冷劑蒸發(fā)帶走熱量。氣液分離器將經(jīng)冷凝的壓縮空氣中的水滴、油滴和顆粒物予以分離，積累到一定程度后經(jīng)自動(dòng)放殘裝置泄放。經(jīng)流入干燥器的壓縮空氣加熱后，流出干燥器的壓縮空氣溫度約為10 ℃，變得溫?zé)岷透稍铩Ｖ评溲h(huán)系統(tǒng)是完全密封的，制冷壓縮機(jī)吸入蒸發(fā)的制冷劑氣體并加壓到一個(gè)較高的壓力;在風(fēng)冷式冷凝器中，兩臺(tái)冷卻風(fēng)機(jī)根據(jù)負(fù)荷的高低自動(dòng)啟停，經(jīng)加壓的制冷劑被液化;經(jīng)過毛細(xì)管裝置的節(jié)流（相當(dāng)于膨脹閥），液態(tài)制冷劑壓力下降，并噴射入制冷劑——壓縮空氣換熱的二級(jí)熱交換器（蒸發(fā)器），吸收壓縮空氣的熱量，熱的制冷劑氣體循環(huán)到制冷壓縮機(jī)的入口。冷凝器出口至制冷壓縮機(jī)入口的管路上裝設(shè)有熱氣旁通調(diào)節(jié)閥，根據(jù)二級(jí)熱交換器需求的制冷量自動(dòng)調(diào)節(jié)。

2 故障描述

2021年1月，該輪在中國(guó)南方某船廠進(jìn)塢維修。此前考慮到壓縮空氣流經(jīng)制冷型空氣干燥器的壓降比以往的記錄偏大，這意味著很可能是空氣干燥器氣路臟污，于是決定在船廠期間按計(jì)劃對(duì)空氣干燥器氣路進(jìn)行化學(xué)清洗。將其中一臺(tái)被清洗的空氣干燥器從系統(tǒng)中隔離出來，保證整個(gè)壓縮空氣系統(tǒng)的正常使用。拆掉空氣干燥器的壓縮空氣進(jìn)出口閥，連接清洗管路。將盛有草酸溶液的容器中吸入清洗劑溶液并泵送到干燥器的壓縮空氣出口，溶液進(jìn)入干燥器后溢流回容器中，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣干燥器氣路的逆向循環(huán)沖洗。清洗持續(xù)了3 h。為了防止草酸殘留在氣路中對(duì)系統(tǒng)有腐蝕，將空氣干燥器內(nèi)的草酸溶液泵出后，用清水對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行沖洗。將干燥器內(nèi)的清水全部泵出，少量殘余水分經(jīng)凝水泄放裝置排出。清洗結(jié)束后，裝復(fù)壓縮空氣進(jìn)出口閥，空氣干燥器投入備用。

塢修結(jié)束后，該輪駛向新加坡進(jìn)行加油，航行途中在進(jìn)行機(jī)艙無人值守例行檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)經(jīng)化學(xué)清洗的空氣干燥器警報(bào)面板顯示“高壓停機(jī)”。復(fù)位警報(bào)后，重新啟動(dòng)，該空氣干燥器會(huì)立即出現(xiàn)“高壓停機(jī)”警報(bào)，無法持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。隨后輪機(jī)部船員將空氣干燥器的壓縮空氣進(jìn)出口閥關(guān)閉，使其從系統(tǒng)中隔離出來。

3 故障分析

結(jié)合制冷系統(tǒng)工作原理及該輪空氣干燥器制冷系統(tǒng)圖，輪機(jī)部船員開展了系列故障分析與處理工作。

（1）制冷系統(tǒng)過載

將空氣干燥器進(jìn)口閥慢慢關(guān)小，同時(shí)不斷嘗試啟動(dòng)。結(jié)果直到進(jìn)口閥完全關(guān)閉，空氣干燥器的制冷系統(tǒng)負(fù)荷為零，依然無法啟動(dòng)。因此，排除了制冷系統(tǒng)過載造成高壓的可能。

（2）制冷系統(tǒng)冷凝器冷卻不良

①該航次沿途氣溫在不斷升高，機(jī)艙空壓機(jī)間的溫度從18 ℃上升到25 ℃，但是另外兩臺(tái)干燥器運(yùn)行良好，因此排除了冷凝器冷卻介質(zhì)（環(huán)境空氣）溫度升高導(dǎo)致故障的因素。

②整個(gè)塢修期間，機(jī)艙的灰塵較以往多，冷凝器的換熱器表面比較臟，考慮到可能是此原因，對(duì)冷凝器換熱翅片表面進(jìn)行了清潔，但是故障依然未能消除。

③輪機(jī)部船員額外增加了一臺(tái)外接風(fēng)機(jī)，以加大冷凝器冷卻介質(zhì)流量，故障仍未解決。

④考慮到之前會(huì)運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間再高壓停機(jī)，結(jié)合以往的經(jīng)驗(yàn)輪機(jī)部船員懷疑可能是冷凝器風(fēng)機(jī)馬達(dá)的電容出現(xiàn)故障。由于冷凝器風(fēng)機(jī)是根據(jù)負(fù)荷自動(dòng)啟停的，如果電容狀況不好，不能保證每次風(fēng)機(jī)都能正常啟動(dòng)。如果運(yùn)行過程中風(fēng)機(jī)正常停機(jī)，但若負(fù)荷增加，風(fēng)機(jī)在應(yīng)該自動(dòng)啟動(dòng)時(shí)由于電容狀況不良無法啟動(dòng)，將會(huì)出現(xiàn)這種故障現(xiàn)象。對(duì)電容進(jìn)行了測(cè)量，額定3 μF的電容測(cè)量值為2.9 μF，因此也排除了電容導(dǎo)致故障的可能。

（3）高壓開關(guān)出現(xiàn)故障

高壓開關(guān)動(dòng)作值為19 bar，在冷凝器下游的服務(wù)閥處連接壓力表進(jìn)行測(cè)試，停機(jī)狀態(tài)下壓力表測(cè)量值為10 bar。在啟動(dòng)的瞬間，壓力表讀數(shù)為20 bar，確實(shí)出現(xiàn)高壓，基本排除了高壓開關(guān)出現(xiàn)故障的可能。更換該制冷系統(tǒng)的高壓開關(guān)，故障也未見消除。

（4）冷凝器出口的干燥過濾器臟堵

用新備件更換冷凝器出口的干燥過濾器，故障未見消除。

（5）熱氣旁通管路上的粗濾器臟堵

嘗試調(diào)節(jié)熱氣旁通閥到不同的位置來啟動(dòng)干燥器。熱氣旁通閥擰緊一圈后啟動(dòng)，出口壓力仍瞬間達(dá)到20 bar，干燥器高壓停機(jī)。繼續(xù)擰緊到兩圈位置，出口壓力仍瞬間達(dá)到20 bar，但是停機(jī)后從20 bar恢復(fù)到10 bar的時(shí)間加長(zhǎng)。繼續(xù)擰緊到三圈位置時(shí)候，可以連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，排出壓力在15～16 bar波動(dòng)，吸入壓力在7 bar波動(dòng)。運(yùn)轉(zhuǎn)起來之后，將旁通閥調(diào)節(jié)螺絲向外擰出90°，排出壓力在17～17.5 bar之間波動(dòng)，吸入壓力在6.5 bar波動(dòng)。在調(diào)節(jié)的過程中發(fā)現(xiàn)伴隨著旁通閥調(diào)節(jié)螺絲的向內(nèi)擰緊，吸入壓力在升高，排出壓力在下降。對(duì)比正常工作的干燥器，吸入壓力在2 bar左右，排出壓力約為14 bar。嘗試將熱氣旁通閥的調(diào)節(jié)螺絲向外擰出，使吸入壓力下降、排出壓力上升。雖然干燥器在持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)但是卻沒有產(chǎn)生制冷效果。伴隨熱氣膨脹閥開度的手動(dòng)調(diào)節(jié)，壓縮機(jī)的吸排壓力在不斷的變化，由此排除了熱氣旁通閥管路上粗濾器臟堵的可能。

（6）熱氣旁通閥故障

保證熱氣旁通閥的調(diào)節(jié)螺絲位置在原始狀態(tài)下不變，從壓縮機(jī)出口釋放冷劑，與此同時(shí)不斷嘗試啟動(dòng)干燥器，直到干燥器能持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)停止放冷劑。干燥器運(yùn)轉(zhuǎn)起來之后，干燥器的出口壓力較低，此時(shí)再向系統(tǒng)內(nèi)充入冷劑，直到吸排壓力與正常運(yùn)轉(zhuǎn)的干燥器吸排壓力接近為止。此時(shí)干燥器空氣進(jìn)出口出現(xiàn)溫差，冷卻效果顯著。并且冷凝器風(fēng)機(jī)可以根據(jù)負(fù)荷的大小進(jìn)行自動(dòng)起停，能夠保證干燥器正常運(yùn)行。由此排除了熱氣旁通閥失去調(diào)節(jié)能力造成故障的可能。但是運(yùn)轉(zhuǎn)幾小時(shí)后干燥器又出現(xiàn)“低壓停機(jī)”警報(bào)。

4 故障解決

通過一系列的故障分析和查找，仍未能排除故障。聯(lián)想到故障出現(xiàn)前后唯一的不同是進(jìn)行了空氣干燥器氣路的化學(xué)清洗，因此還得從這方面進(jìn)行思考，即是否存在二級(jí)熱交換器破損漏泄的可能。在進(jìn)行化學(xué)清洗期間，空氣壓縮機(jī)停止工作，二級(jí)熱交換器冷劑側(cè)壓力大于空氣側(cè)壓力。如果二級(jí)熱交換器發(fā)生漏泄，化學(xué)清洗期間制冷劑會(huì)不斷漏泄到空氣側(cè)，制冷系統(tǒng)系統(tǒng)內(nèi)的制冷劑減少。在化學(xué)清洗結(jié)束后，起動(dòng)空氣壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，空氣側(cè)壓力（通常大于10 bar）大于制冷系統(tǒng)中制冷劑壓力（此時(shí)制冷壓縮機(jī)未啟動(dòng)），所以此時(shí)會(huì)有壓縮空氣會(huì)進(jìn)入制冷系統(tǒng)內(nèi)。制冷系統(tǒng)中進(jìn)入了壓縮空氣，系統(tǒng)壓力升高，同時(shí)也影響了冷凝器的冷卻效果，因此出現(xiàn)了高壓停機(jī)警報(bào)。在故障查找和處理過程中，雖然輪機(jī)部船員嘗試調(diào)節(jié)了熱氣旁通閥，迫使系統(tǒng)保持運(yùn)轉(zhuǎn)，但是冷凝器并未產(chǎn)生冷卻效果;通過釋放大量制冷劑，一定程度上將空氣放出，重新充入制冷劑后，短時(shí)間內(nèi)能夠產(chǎn)生一定的制冷效果。在系統(tǒng)起動(dòng)運(yùn)行期間，冷劑側(cè)的壓力會(huì)高于空氣側(cè)，制冷劑不斷漏向空氣側(cè)，所以運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間后又出現(xiàn)了低壓停機(jī)報(bào)警。為了驗(yàn)證推測(cè)，將空氣干燥器的壓縮空氣進(jìn)出口閥關(guān)閉，打開空氣側(cè)的凝水泄放閥將干燥器空氣側(cè)的壓力釋放后關(guān)閉。在放置一夜后，重新打開凝水泄放閥，發(fā)現(xiàn)空氣側(cè)有壓力建立起來，并且從中放出伴有滑油的氣體，由此判定二級(jí)熱交換器（蒸發(fā)器）發(fā)生漏泄。

在拆解空氣干燥器之后，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部二級(jí)熱交換器所有的部件均為焊接，修復(fù)難度較大。考慮到該空氣干燥器已經(jīng)運(yùn)行十余年，整個(gè)系統(tǒng)性能有所下降，于是決定申請(qǐng)一個(gè)新的空氣干燥器備件進(jìn)行整體更換。

作者簡(jiǎn)介：

李宇，機(jī)務(wù)經(jīng)理，（E-mail） liyu@nbmc.com.cn

初再宇，三管輪，（E-mail） 885315213@qq.com

鄭慶國(guó)，輪機(jī)長(zhǎng)，（E-mail） zhengqg@chipolbrok.com.cn