船用冷庫的故障診斷及處理對策

文/ 廈門海洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院 林文城

一、故障一例

對于遠(yuǎn)洋運(yùn)輸而言，制冷空調(diào)技術(shù)的應(yīng)用情況直接影響船舶的作業(yè)半徑和船員的生活條件。根據(jù)海上航行的特點(diǎn)，保證船用冷庫穩(wěn)定正常運(yùn)行顯得非常重要，這就要求輪機(jī)員必須具備制冷裝置的正常維護(hù)保養(yǎng)知識和系統(tǒng)故障的快速診斷排除能力。以往返于印尼與中國的某船為例，其伙食冷庫系統(tǒng)（制冷劑選用R22）的低溫冷庫溫度只有-10 ℃左右，遠(yuǎn)未達(dá)到設(shè)計(jì)的低溫值(-20 ℃左右），蒸發(fā)盤管只有靠近膨脹閥約1/2處結(jié)霜，壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時間長。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，壓縮機(jī)回氣過熱，熱力膨脹閥出口處溫度偏低。用數(shù)字式溫度計(jì)測得系統(tǒng)蒸發(fā)器出口溫度為-18 ℃， 用壓力表測得回氣壓力為0.1 MPa，對應(yīng)的飽和溫度為-40 ℃ ，制冷劑過熱度為22 ℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過系統(tǒng)正常的過熱度。經(jīng)進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)，冷卻水泵和蒸發(fā)器風(fēng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，高低壓壓力繼電器、溫度繼電器、供液電磁閥、油壓差繼電器、背壓調(diào)節(jié)閥和止回閥等均無異常，排除這些部件、元件產(chǎn)生故障的可能性。

二、故障機(jī)理分析

壓縮機(jī)長時間運(yùn)轉(zhuǎn)，低溫冷庫的溫度還是無法滿足要求，原因可能是低溫冷庫隔熱差、制冷劑不足、冷凝溫度和蒸發(fā)溫度出現(xiàn)偏差等。

1. 冷庫隔熱差

冷庫隔熱差直接導(dǎo)致冷庫全熱負(fù)荷大幅度增加，壓縮機(jī)一直運(yùn)轉(zhuǎn)，蒸發(fā)器大量吸熱仍無法使庫溫降到設(shè)定的溫度。檢查低溫冷庫隔熱層，沒有發(fā)現(xiàn)損壞，庫門也沒有關(guān)不嚴(yán)的現(xiàn)象，所以排除環(huán)境熱量進(jìn)入冷庫導(dǎo)致庫溫?zé)o法降低的可能性。

2. 系統(tǒng)制冷劑不足

系統(tǒng)中制冷劑太少，液管吸口有時高于制冷劑液面，則液管中混有制冷劑氣體，即使膨脹閥全開，液態(tài)制冷劑流量仍不足，致使：（1）蒸發(fā)溫度低于0 ℃的冷庫，蒸發(fā)器后段的結(jié)霜融化。（2）壓縮機(jī)吸氣過熱溫度增加，吸入壓力和排出壓力都降低，制冷量減少或者壓縮機(jī)長時間運(yùn)轉(zhuǎn)庫溫仍降不下來，嚴(yán)重時庫溫未到下限壓縮機(jī)就因吸氣壓力過低而停車，引起壓縮機(jī)起停頻繁。

該船冷庫制冷系統(tǒng)要求制冷劑全部回收時液位高度在80%左右，正常工作時根據(jù)冷庫熱負(fù)荷的大小，液位一般在1/3～1/2。冷凝器兼作貯液器并裝有液位鏡。故障時觀察制冷劑液位在2/3處，可排除系統(tǒng)制冷劑過少因素。

3. 冷凝溫度出現(xiàn)較大偏差

冷凝溫度過高將造成冷庫的制冷量不足。如圖1所示，在壓焓圖上標(biāo)示系統(tǒng)的循環(huán)為1-2-3-4-1，冷凝壓力為pk，冷凝溫度為tk，制冷壓縮機(jī)的制冷量可由式（1）來表示：

其中：λ為壓縮機(jī)的輸氣系數(shù)；Vt為壓縮機(jī)的理論排氣量；q0為制冷劑的單位制冷量；υ1為制冷劑在壓縮機(jī)吸入口的比容。

制冷壓縮機(jī)的軸功率可由式（2）來表示：

其中：w0為壓縮機(jī)的單位理論功；ηe為壓縮機(jī)的軸效率。

圖1 冷凝溫度變化對制冷循環(huán)的影響

當(dāng)冷卻水溫度過高或流量不足、冷凝器換熱面臟污或制冷劑混入空氣時，冷凝器的冷卻能力會下降，冷凝壓力升高為pk′，冷凝溫度隨之升高為t k′，系統(tǒng)的循環(huán)改變?yōu)?-2′-3′-4′-1，相應(yīng)地，單位制冷量由q0下降為q0′，單位理論功由w0增加為w0′，壓縮機(jī)的輸氣系數(shù)λ降低，而比容υ1和軸效率ηe不變?；谝陨戏治觯鶕?jù)式（1）和式（2）可得，當(dāng)冷凝溫度升高時，壓縮機(jī)的軸功率Pe增加，制冷量Q0下降。

隨著冷凝壓力的下降，冷凝溫度也會隨之降低，并在一定程度上降低壓縮機(jī)的軸功率和提高系統(tǒng)的制冷量；但冷凝壓力過低反而導(dǎo)致通過膨脹閥的制冷劑減少，進(jìn)入蒸發(fā)器的制冷劑流量不足。冷凝壓力不足的產(chǎn)生原因主要是壓縮機(jī)故障或冷凝器冷凝能力過強(qiáng)。吸排氣閥片漏泄、活塞環(huán)密封不嚴(yán)或壓縮機(jī)無法增載，均導(dǎo)致壓縮機(jī)排壓不足，而冷卻水溫度過低或流量過大也將導(dǎo)致冷凝壓力下降。

經(jīng)檢查系統(tǒng)中表值，壓縮機(jī)的排氣壓力為1.61 MPa，冷凝器中制冷劑的溫度為40.5 ℃，符合系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)要求，從而排除壓縮機(jī)和冷凝器出現(xiàn)故障的可能。

4. 蒸發(fā)溫度過低

蒸發(fā)器蒸發(fā)壓力過低，決定了蒸發(fā)溫度偏低將使系統(tǒng)的制冷量降低。如圖2所示，在壓焓圖上標(biāo)示制冷循環(huán)為1-2-3-4-1，蒸發(fā)壓力為p0，蒸發(fā)溫度為t0。蒸發(fā)器換熱能力下降或制冷劑不足將使蒸發(fā)器的制冷能力下降，蒸發(fā)壓力下降為p0′，蒸發(fā)溫度隨之降低為t0′，系統(tǒng)的循環(huán)改變?yōu)?′-2′-3-4′-1′，相應(yīng)地單位制冷量由q0下降為q0′，單位理論功由w0增加為w0′，壓縮機(jī)的輸氣系數(shù)λ降低，比容υ1增大，軸效率ηe基本不變。基于以上分析，根據(jù)式（1）和式（2）可得，當(dāng)蒸發(fā)溫度降低時，壓縮機(jī)的軸功率Pe和制冷量Q0都下降。

圖2 蒸發(fā)溫度變化對制冷循環(huán)的影響

（1）蒸發(fā)器換熱能力下降。

檢查蒸發(fā)器時，發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)器外表面并沒有臟污情況，內(nèi)表面油污也不明顯，經(jīng)過熱氣除霜后效果也沒有大的變化，所以排除蒸發(fā)器換熱能力差的可能性。

（2）制冷劑流量不足。

蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑蒸發(fā)溫度偏低的另一個原因是制冷劑流量不足，這種現(xiàn)象可能是由于系統(tǒng)出現(xiàn)冰塞、臟堵或熱力膨脹閥故障造成的。

①冰塞。系統(tǒng)內(nèi)含水量超過制冷劑的溶解能力，一旦溫度低于0 ℃，水會迅速凝結(jié)形成冰塞。冰塞一般發(fā)生在流道狹窄處。膨脹閥閥孔通道狹窄、膨脹閥前后的閥件開度不足或?yàn)V器臟堵等原因都會導(dǎo)致冰塞。冰塞程度較輕會造成進(jìn)入蒸發(fā)器的制冷劑不足，冷庫溫度不符合要求。冰塞嚴(yán)重時會導(dǎo)致壓縮機(jī)停車時間加長，運(yùn)轉(zhuǎn)時間更短，以致不能正常工作，但本故障是壓縮機(jī)長時間運(yùn)轉(zhuǎn)仍無法使冷庫溫度符合設(shè)計(jì)要求，所以排除嚴(yán)重冰塞的可能。

為了證實(shí)是否存在冰塞，可以停止壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)一段時間，并用開水澆燙膨脹閥，啟用干燥過濾器，然后啟動壓縮機(jī)，運(yùn)行1 h后，重新將干燥過濾器旁通，再讓系統(tǒng)正常運(yùn)行一段時間，發(fā)現(xiàn)庫溫并沒有太大變化，徹底排除了冰塞的可能。

②油堵。若冷凍機(jī)油凝固點(diǎn)較高，在溫度低于冷凍機(jī)油凝固點(diǎn)的系統(tǒng)某處凝固，即為油堵。油堵時壓縮機(jī)表現(xiàn)類似冰塞，不同點(diǎn)在于曲軸箱內(nèi)滑油油位會明顯降低。消除油堵最根本的方法是更換全部冷凍機(jī)油，臨時措施是加熱油堵部位。檢查壓縮機(jī)曲軸箱內(nèi)油位，確認(rèn)其正常，排除油堵的可能。

③干燥過濾器臟堵。裝置正常運(yùn)行時，干燥過濾器處于被旁通狀態(tài)，以防制冷劑的流動阻力增加和干燥劑進(jìn)入系統(tǒng)。只有系統(tǒng)出現(xiàn)“冰塞”、充注制冷劑、更換冷凍機(jī)油或進(jìn)行維修可能混入水分時，才將干燥過濾器接入系統(tǒng)吸收水分。干燥過濾器出現(xiàn)臟堵的后果與冰塞相似：輕則導(dǎo)致蒸發(fā)器制冷劑流量不足，制冷能力下降；重則引起流量不足、吸入壓力降低、吸氣過熱度增加和壓縮機(jī)起停頻繁等現(xiàn)象。但臟堵比較穩(wěn)定，隨時間延長而加重的情況不明顯。

判斷干燥過濾器是否臟堵，可以觀察它后面的管路是否結(jié)霜。若存在結(jié)霜現(xiàn)象，則說明在干燥過濾器處出現(xiàn)堵塞，液態(tài)制冷劑在該處節(jié)流降壓，導(dǎo)致少量制冷劑提前“閃發(fā)”（汽化）吸熱使后面管路溫度降低而在表面結(jié)霜，消除的方法只能是拆下清洗濾器或更換干燥劑。本例中，發(fā)現(xiàn)干燥過濾器后的管路無結(jié)霜現(xiàn)象，故排除干燥過濾器堵塞的可能。

④熱力膨脹閥故障或調(diào)節(jié)不當(dāng)。熱力膨脹閥通過感受蒸發(fā)器出口氣態(tài)制冷劑的過熱度，控制進(jìn)入蒸發(fā)器的制冷劑流量，以調(diào)節(jié)制冷系統(tǒng)工況。這樣既避免壓縮機(jī)吸進(jìn)濕蒸氣發(fā)生液擊，也防止供液過少蒸發(fā)器不能充分發(fā)揮作用。若膨脹閥感溫包內(nèi)液體因使用時間長而減少，或膨脹閥彈簧調(diào)節(jié)過緊，則膨脹閥開度過小，制冷劑流量過小，蒸發(fā)器后段結(jié)霜融化，壓縮機(jī)吸氣過熱度增加，制冷量減少，冷庫溫度偏高。

正常時候，熱力膨脹閥閥體靠出口一半（針閥后一半閥體）會結(jié)霜，原因是經(jīng)過針閥節(jié)流降壓后，少量液態(tài)制冷劑提前“閃發(fā)”吸熱導(dǎo)致后面閥體溫度降低并在其表面產(chǎn)生結(jié)霜現(xiàn)象。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)整個熱力膨脹閥閥體嚴(yán)重結(jié)霜。根據(jù)以上對其他設(shè)備元件的工作分析并排除它們產(chǎn)生故障的可能，判斷本故障基本是膨脹閥異常造成的。

三、故障的排除

關(guān)閉低溫庫膨脹閥前的截止閥，抽空制冷劑，再關(guān)閉膨脹閥后的截止閥，拆下膨脹閥檢查，發(fā)現(xiàn)閥前濾器的濾網(wǎng)比較臟。正因?yàn)榕蛎涢y進(jìn)口濾器出現(xiàn)臟堵，造成液體制冷劑流經(jīng)該濾器時已經(jīng)被節(jié)流降壓，提前“閃發(fā)”使整個閥體結(jié)霜，更嚴(yán)重的是導(dǎo)致進(jìn)入蒸發(fā)器的制冷劑不足，冷庫溫度一直無法降低。

找出本故障的原因后，先對該熱力膨脹閥的濾器進(jìn)行清洗，并正確安裝在系統(tǒng)中，同時對膨脹閥重新調(diào)整。啟動制冷裝置并使冷庫處于正常穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下，小幅度轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)螺桿的圈數(shù)（每次調(diào)1/4圈），每次調(diào)節(jié)間隔的時間要求達(dá)到30 min，因?yàn)閷?shí)際工作中的熱力膨脹閥感溫系統(tǒng)存在一定熱惰性，信號傳遞滯后，所以每次調(diào)節(jié)之后需待系統(tǒng)運(yùn)行基本穩(wěn)定后，再根據(jù)冷庫的熱力參數(shù)值確定是否需要進(jìn)一步調(diào)整。正確調(diào)整熱力膨脹閥后，蒸發(fā)器出口溫度為-25 ℃ ，回氣壓力為0.16 MPa，對應(yīng)飽和溫度為 -30 ℃，相減后過熱度為5 ℃ ，符合過熱度的要求，同時數(shù)小時之后該低溫庫的溫度達(dá)到-20 ℃（設(shè)定值）。

四、結(jié)束語

船用冷庫的特殊性以及制冷裝置自身的復(fù)雜性，給輪機(jī)員準(zhǔn)確分析故障并采取相應(yīng)排除措施帶來很大的壓力。當(dāng)冷庫出現(xiàn)異常時，應(yīng)迅速判斷故障的類型，熟練運(yùn)用有關(guān)理論知識，借助系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)參數(shù)值對照系統(tǒng)的設(shè)計(jì)值，初步確定產(chǎn)生故障的原因，并利用豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)最終找出故障產(chǎn)生的準(zhǔn)確部位并采取正確的處理方法予以排除。

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