胡啟帥，文萬(wàn)軍，雷 超，余 峰，魏大明，高 儉，曹 靖

(中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，四川 成都 610041)

1 引言

冷凍水系統(tǒng)目前廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，是設(shè)備安全運(yùn)行必不可缺的重要系統(tǒng)[1]。冷凍水系統(tǒng)承擔(dān)著為設(shè)備提供符合要求的冷凍水的重要責(zé)任。冷凍水系統(tǒng)的安全高效運(yùn)行是運(yùn)行人員需要時(shí)刻注意的，如何保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行成了一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題[2]。在目前的核能相關(guān)領(lǐng)域中，出于對(duì)設(shè)備的安全出發(fā)，對(duì)冷凍水系統(tǒng)的要求極高[3]。

對(duì)整個(gè)冷凍水系統(tǒng)而言，制冷機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行決定著冷凍水系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，壓縮機(jī)是制冷機(jī)組的心臟[4]。在制冷行業(yè)，如何保證壓縮機(jī)高效運(yùn)行是一個(gè)重要的研究方向[5]。螺桿式壓縮機(jī)是目前制冷行業(yè)使用率很高的一種壓縮機(jī)[6]，螺桿式壓縮機(jī)市場(chǎng)的增長(zhǎng)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)[7]。在設(shè)備冬季運(yùn)行期間，冷凍水系統(tǒng)的水冷式制冷機(jī)組頻繁出現(xiàn)運(yùn)行油壓差不足故障報(bào)警，導(dǎo)致壓縮機(jī)故障停運(yùn)，從而嚴(yán)重影響設(shè)備的使用。為保證水冷式制冷機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行，本文從水冷式制冷機(jī)組的故障原因出發(fā)進(jìn)行分析并根據(jù)螺桿式壓縮機(jī)原理及理論制冷循環(huán)分析和解決問(wèn)題。

2 制冷機(jī)組工作流程及制冷原理簡(jiǎn)介

2.1 制冷機(jī)組工作流程簡(jiǎn)介

在制冷機(jī)組中采用單級(jí)壓縮機(jī)，單級(jí)蒸汽壓縮式制冷循環(huán)主要由壓縮機(jī)、膨脹閥、蒸發(fā)器、冷凝器四部分組成[8]。制冷機(jī)組工作流程簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 制冷機(jī)組工作流程簡(jiǎn)圖

制冷機(jī)組向設(shè)備提供7 ℃的冷凍水，冷媒在蒸發(fā)器中完成和冷凍水的換熱后進(jìn)入壓縮機(jī)壓縮，壓縮機(jī)完成冷媒的壓縮后冷媒進(jìn)入冷凝器與冷卻水進(jìn)行換熱，吸氣過(guò)濾器作用是對(duì)進(jìn)入壓縮機(jī)的冷媒進(jìn)行過(guò)濾，油分離器對(duì)完成壓縮的冷媒和潤(rùn)滑油進(jìn)行分離。

2.2 制冷原理簡(jiǎn)介

整個(gè)單級(jí)蒸汽壓縮式制冷循環(huán)主要由4個(gè)階段組成，制冷機(jī)組通過(guò)冷媒和冷卻水在蒸發(fā)器以及冷凝器之間進(jìn)行換熱，來(lái)達(dá)到制冷的目的。制冷原理如圖2所示。

圖2 制冷原理簡(jiǎn)圖

整個(gè)制冷原理[9]可簡(jiǎn)化為以下4步：

(1)壓縮機(jī)從蒸發(fā)器吸入已經(jīng)和冷凍水完成換熱的低溫低壓冷媒；

(2)壓縮機(jī)將低溫低壓冷媒壓縮為高溫高壓冷媒，并排入冷凝器；

(3)高溫高壓冷媒在冷凝器中與冷卻水發(fā)生熱交換變成低溫高壓液態(tài)冷媒；

(4)低溫高壓的液態(tài)冷媒經(jīng)過(guò)膨脹閥變成低溫低壓濕蒸氣冷媒。

2.3 螺桿式壓縮機(jī)工作原理

螺桿式壓縮機(jī)通過(guò)相互嚙合的兩個(gè)螺旋形轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)進(jìn)行冷媒的吸入、壓縮和排出。當(dāng)壓縮機(jī)進(jìn)入吸氣階段時(shí)，滑油會(huì)和冷媒一起被吸入氣腔等待壓縮。在冷媒和滑油被壓縮的時(shí)候，滑油對(duì)壓縮機(jī)軸承和轉(zhuǎn)子進(jìn)行潤(rùn)滑以及冷卻。當(dāng)壓縮完成進(jìn)入排氣階段時(shí)，壓縮完成的冷媒和滑油會(huì)一同被排入油分離器。冷媒和滑油在油分離器中被分離，冷媒被送往冷凝器，而滑油被冷卻后再次吸入壓縮機(jī)。

3 運(yùn)行油壓差故障分析

3.1 運(yùn)行油壓差故障描述

運(yùn)行油壓差故障是指壓縮機(jī)工作中壓縮機(jī)吸入滑油的壓力值低于保護(hù)設(shè)定值的故障，壓縮機(jī)為保證滑油能夠順利進(jìn)入壓縮腔，必須保證運(yùn)行油差大于壓縮機(jī)的保護(hù)值[10]。螺桿式壓縮機(jī)的滑油吸入壓力是由壓縮機(jī)的吸氣壓力和排氣壓力之差提供的，若壓縮機(jī)排氣壓力為p1，吸氣壓力為p2，滑油吸入壓力為p，則p=p1-p2。螺桿式壓縮機(jī)運(yùn)行油壓差不足是指壓縮機(jī)吸入壓力p小于機(jī)組的設(shè)定保護(hù)壓力，為保證壓縮機(jī)不缺油[11]，機(jī)組的運(yùn)行油壓差報(bào)警設(shè)定值為450 kPa，即p<450 kPa。

對(duì)制冷機(jī)組而言，螺桿式壓縮機(jī)的穩(wěn)定高效運(yùn)行決定了制冷能力的高低。制冷機(jī)組多次出現(xiàn)運(yùn)行油壓差故障停機(jī)，嚴(yán)重影響了制冷機(jī)組的制冷能力。

3.2 運(yùn)行油壓差故障分析

根據(jù)理論制冷循環(huán)壓-焓圖[12](p-h圖)可知。圖3為單級(jí)蒸氣壓縮式理論制冷循環(huán)圖。

圖3 單級(jí)蒸氣壓縮式理論制冷循環(huán)壓焓圖

通過(guò)壓焓圖對(duì)制冷機(jī)組整個(gè)工作流程進(jìn)行描述，結(jié)合制冷原理進(jìn)行說(shuō)明：

(1)壓縮機(jī)從蒸發(fā)器吸入蒸發(fā)壓力為p0的飽和冷媒蒸氣，此時(shí)飽和冷媒蒸氣對(duì)應(yīng)的飽和溫度為t0，如狀態(tài)點(diǎn)1所示。將冷媒壓縮至冷凝壓力pk，如狀態(tài)點(diǎn)2所示，壓縮過(guò)程完成(過(guò)程線1-2)；

(2)狀態(tài)點(diǎn)2的高溫高壓冷媒進(jìn)入冷凝器開(kāi)始換熱，此時(shí)冷凝壓力為pk的冷媒變成飽和蒸氣(狀態(tài)2′)，再繼續(xù)冷凝(過(guò)冷)進(jìn)入飽和液態(tài)(狀態(tài)3)，此時(shí)冷凝壓力為pk，冷凝溫度為tk，冷凝過(guò)程完成(過(guò)程線2-2′-3)；

3.在狀態(tài)點(diǎn)3的飽和液態(tài)冷媒通過(guò)膨脹閥節(jié)流，由冷凝壓力pk降到p0，飽和溫度從tk降到t0，膨脹過(guò)程完成(過(guò)程線為3-4)；

4.在狀態(tài)4的蒸氣進(jìn)入蒸發(fā)器蒸發(fā)，此時(shí)冷媒開(kāi)始汽化，再次回到狀態(tài)點(diǎn)1，蒸發(fā)完成(過(guò)程線4-1)。

根據(jù)理論制冷循環(huán)可知(忽略傳熱溫差)，冷媒在蒸發(fā)器和冷凝器中均為定壓變化過(guò)程，即冷媒蒸發(fā)壓力等于吸氣壓力，排氣壓力等于冷凝壓力，同理冷媒的冷凝溫度等于冷卻水的溫度，冷媒的蒸發(fā)溫度等于被冷卻的冷凍水溫度[13]。

運(yùn)行油壓差不足故障即壓縮機(jī)運(yùn)行過(guò)程中滑油吸入壓力小于機(jī)組保護(hù)壓力，即p<450 kPa，可知p=p1-p2，那么在壓縮機(jī)運(yùn)行過(guò)程中有3種情況均可導(dǎo)致壓縮機(jī)排氣壓力和吸氣壓力差值小于450 kPa。

(1)壓縮機(jī)運(yùn)作中，吸氣壓力變??；

(2)壓縮機(jī)運(yùn)作中，排氣壓力變小；

(3)壓縮機(jī)運(yùn)作中，吸氣壓力和排氣壓力均變小。

通過(guò)對(duì)制冷機(jī)組運(yùn)行過(guò)程及故障時(shí)刻的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比和分析，表1為制冷機(jī)組運(yùn)行到故障停機(jī)過(guò)程中重要參數(shù)記錄。

從表1中可以看出，在整個(gè)制冷過(guò)程中，壓縮機(jī)吸氣壓力基本保持不變，但壓縮機(jī)排氣壓力逐漸變小，從而導(dǎo)致P逐漸減小，直到15 min后，p值小于450 kPa，機(jī)組故障停機(jī)，故排氣壓力逐漸減小是導(dǎo)致壓縮機(jī)運(yùn)行油壓差報(bào)警的原因。

通過(guò)對(duì)制冷機(jī)組理論循環(huán)和機(jī)組實(shí)際參數(shù)變化進(jìn)行分析，有以下兩種可能導(dǎo)致排氣壓力降低：

(1)壓縮機(jī)負(fù)荷太??；

(2)冷卻水供水溫度過(guò)低。

表1中，冷凍水溫度從機(jī)組運(yùn)行到機(jī)組保護(hù)停機(jī)的15 min內(nèi)，冷凍水回水溫度和冷凍水供水溫度差值較小，也就是說(shuō)后端用戶的熱負(fù)荷很小。在理論制冷循環(huán)中，根據(jù)熱力學(xué)第一定律，穩(wěn)定流動(dòng)的能量方程為[14]

表1 制冷機(jī)組運(yùn)行到故障停機(jī)過(guò)程中重要參數(shù)

Q+P=qm(hout-hin)

(1)

式中Q——單位時(shí)間內(nèi)外界加給系統(tǒng)的熱量，kW

P——單位時(shí)間內(nèi)外界加給系統(tǒng)的功，kW

qm——單位時(shí)間內(nèi)流出或流出系統(tǒng)的冷媒質(zhì)量，kg/s

hout、hin——1 kg冷媒在系統(tǒng)的出口、進(jìn)口比焓[15]

根據(jù)理論制冷循環(huán)壓-焓圖(p-h圖)可知，對(duì)蒸發(fā)器而言制冷劑的蒸發(fā)過(guò)程是一個(gè)定壓吸熱(過(guò)程線4-1)過(guò)程，故P=0。因此可得

Q0=qm(h1-h4)

(2)

式中Q0——制冷量，kW

qm——單位時(shí)間流出或流出系統(tǒng)的冷媒質(zhì)量，kg/s

h1、h4——蒸發(fā)器換熱過(guò)程中冷媒的潛熱增加量[16]

在蒸發(fā)過(guò)程中，qm不變。從表1可知，冷凍水溫差較小，故h1-h4變化值較小，導(dǎo)致制冷量較小。根據(jù)能量守恒，壓縮機(jī)的功率等于單位時(shí)間內(nèi)的制冷量，壓縮機(jī)的理論功率和整個(gè)壓縮過(guò)程的熱量變化有關(guān)[17]，冷凍水溫差小導(dǎo)致壓縮機(jī)功率小，從而導(dǎo)致壓縮機(jī)的排氣壓力也不大?？梢?jiàn)過(guò)低的用戶負(fù)荷導(dǎo)致壓縮機(jī)負(fù)荷過(guò)低，直接導(dǎo)致壓縮機(jī)的排氣壓力逐漸降低，最終導(dǎo)致制冷機(jī)組故障停機(jī)。

根據(jù)圖3理論制冷循環(huán)壓-焓圖(p-h)可知，排氣壓力等于冷凝壓力，在制冷過(guò)程中冷凝壓力在逐漸降低。由查爾斯定律[18]可知

(3)

式中p1—初始?jí)毫?，kPa

T1—初始溫度，K

p2—終止壓力，kPa

T2—終止溫度，K

查爾斯定律表明，氣體在恒體積狀態(tài)下，氣體壓力與熱力學(xué)溫度成正比，即冷媒冷凝壓力越高，冷凝溫度就越高，反之冷媒冷凝壓力越低，冷凝溫度就越低。由理論制冷循環(huán)可知，冷媒的冷凝溫度等于冷卻水的溫度，換言之過(guò)低的冷卻水溫度導(dǎo)致冷媒的冷凝壓力逐漸降低，最終導(dǎo)致排氣壓力逐漸降低。根據(jù)表1可知，冷卻水溫度基本維持在8 ℃，夏季冷卻水溫度維持在22 ℃，兩者的溫差達(dá)到了14 ℃。從表1中冷卻水閥開(kāi)度也可說(shuō)明，機(jī)組從開(kāi)始運(yùn)行到故障停機(jī)，冷卻水閥開(kāi)度逐漸變小，因?yàn)槔鋮s水溫度過(guò)低，為了維持冷凝壓力穩(wěn)定，機(jī)組減少冷卻水的供給來(lái)維持冷凝壓力，但過(guò)冷的冷卻水在冷卻水閥降至3%時(shí)仍無(wú)法維持冷凝壓力，最終機(jī)組保護(hù)停機(jī)。

通過(guò)以上分析可得，導(dǎo)致制冷機(jī)組故障停機(jī)有2個(gè)原因：(1)過(guò)低的用戶熱負(fù)荷導(dǎo)致壓縮機(jī)負(fù)荷過(guò)低，從而導(dǎo)致制冷機(jī)組故障停機(jī)；(2)過(guò)低的冷卻水溫度導(dǎo)致制冷機(jī)組排氣壓力過(guò)低，從而導(dǎo)致制冷機(jī)組故障停機(jī)。

4 運(yùn)行油壓差問(wèn)題處理及驗(yàn)證

4.1 運(yùn)行油壓差問(wèn)題處理

根據(jù)故障分析可知，用戶熱負(fù)荷較小和冷卻水供水溫度較低是導(dǎo)致制冷機(jī)組故障停機(jī)的原因，針對(duì)兩個(gè)原因，提出以下兩種解決辦法：

(1)提高冷卻水的供水溫度；

(2)增加壓力控制閥。

方法一：提高冷卻水的供水溫度，目前該制冷機(jī)組配套的冷卻水系統(tǒng)采用開(kāi)式循環(huán)。圖5為冷卻水系統(tǒng)流程圖。

圖5 制冷機(jī)組優(yōu)化后工作流程簡(jiǎn)圖

制冷機(jī)組配套的冷卻水系統(tǒng)為開(kāi)放式循環(huán)系統(tǒng)，冷卻水泵將河水泵送至制冷機(jī)組，完成換熱后的冷卻水排至河水中。冷卻水系統(tǒng)的供水參數(shù)為170 m3/h，制冷機(jī)組通過(guò)電子三通閥控制進(jìn)入制冷機(jī)組的冷卻水，根據(jù)表1可知，在低負(fù)荷下，整個(gè)制冷機(jī)組的冷卻水需求量較小，電子三通閥開(kāi)度僅為3%，通過(guò)線性換算流量為5 m3/h。本文的電加熱加算均采用理論計(jì)算，忽略空氣換熱和熱量損失。

在電子三通閥開(kāi)度為3%的狀態(tài)下，對(duì)進(jìn)入制冷機(jī)組的冷卻水進(jìn)行電加熱，使冷卻水溫度保持在20 ℃。當(dāng)冷卻水進(jìn)水溫度控制在20 ℃左右，可維持壓縮機(jī)的正常運(yùn)行。通過(guò)設(shè)置在冷卻水進(jìn)制冷機(jī)組管路上的電加熱來(lái)實(shí)現(xiàn)加熱目的。由流動(dòng)流體加熱計(jì)算公式[19]可知(忽略容器熱耗)

(4)

圖4 冷卻水系統(tǒng)流程圖

式中P—電加熱器所需功率，kW

C1—被加熱介質(zhì)的比熱，kcal/kg·℃

△T—設(shè)定溫度與初始溫度的差值，℃

F—加熱介質(zhì)流量(一般取最大流量)，kg/min

故C1=1 kcal/kg·℃，F(xiàn)=83 kg/min，ΔT=12 ℃，則P為71.4 kW。

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)冷卻水進(jìn)水管路進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)，加熱管段長(zhǎng)度僅為0.9 m，管徑為DN150，現(xiàn)場(chǎng)空間較小，無(wú)法安裝電加熱功率為71.4 kW的電加熱器。故提高冷卻水供水溫度方案不可行。

方法二：增加壓力控制閥。根據(jù)制冷原理及制冷系統(tǒng)分析，在制冷機(jī)組油分離器和冷凝器之間增加壓力控制閥，圖5為優(yōu)化后制冷機(jī)組流程圖。

在制冷機(jī)組油分離器和冷凝器間增加壓力控制閥，壓力控制閥控制方式采取比例、積分、微分控制(PID控制)[20]，保持壓縮機(jī)排氣壓力在正常范圍之內(nèi)。當(dāng)壓縮機(jī)排氣壓力減小時(shí)，自動(dòng)減小閥門(mén)開(kāi)度來(lái)達(dá)到增大壓縮機(jī)的排氣壓力；當(dāng)壓縮機(jī)排氣壓力增大時(shí)，自動(dòng)閥門(mén)增大閥門(mén)開(kāi)度來(lái)達(dá)到減小壓縮機(jī)的排氣壓力。通過(guò)壓力控制閥并根據(jù)壓縮機(jī)的實(shí)時(shí)排氣壓力進(jìn)行計(jì)算，從而維持壓縮機(jī)排氣壓力處于正常范圍，讓壓縮機(jī)處于正常運(yùn)行狀態(tài)。

4.2 驗(yàn)證

通過(guò)對(duì)制冷機(jī)組的工作流程優(yōu)化，并對(duì)加裝壓力控制閥的制冷機(jī)組進(jìn)行試驗(yàn)。啟動(dòng)制冷機(jī)組后，觀察機(jī)組運(yùn)行參數(shù)變化，圖6為制冷機(jī)組系統(tǒng)啟動(dòng)運(yùn)行60 min內(nèi)，機(jī)組重要參數(shù)的變化曲線。在制冷機(jī)組啟動(dòng)后，排氣壓力和吸氣壓力逐漸穩(wěn)定，運(yùn)行油壓差穩(wěn)定，表明壓縮機(jī)工作穩(wěn)定。制冷機(jī)組各項(xiàng)參數(shù)均保持在正常范圍內(nèi)，且機(jī)組未出現(xiàn)運(yùn)行油壓差故障報(bào)警。

圖6 優(yōu)化后的制冷機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中重要參數(shù)變化曲線

5 結(jié)論

本文從制冷機(jī)組及工作原理出發(fā)，通過(guò)深入分析故障停運(yùn)原因，對(duì)制冷機(jī)組工作流程進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化后的制冷機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，重要參數(shù)運(yùn)行正常。