氨罐螺桿冰機油溫高的原因分析及處理措施

王加磊

（呼倫貝爾金新化工有限公司，內(nèi)蒙古呼倫貝爾 021506）

1 設(shè)備概況

呼倫貝爾金新化工有限公司年產(chǎn)50萬t合成 氨/80萬t尿素項目配套氨罐螺桿冰機機組，螺桿冰機機組由YORK公司設(shè)計，制冷機組運行時R717制冷劑氣體經(jīng)RWF222壓縮機壓縮后由冷凝器冷凝成高壓飽和制冷劑液體，通過重力作用流入儲液器。由儲液器流出的制冷劑液體進入經(jīng)濟器，其間蒸發(fā)的制冷劑氣體回到壓縮機經(jīng)濟器補氣口；液態(tài)制冷劑儲存在經(jīng)濟器中并通過供液管路節(jié)流后進入客戶的氨罐，降低氨罐壓力，確保系統(tǒng)安全。

YORK公司的螺桿壓縮機在運行條件下無須潤滑油泵運行，從油分離器被送到壓縮機的潤滑油，達到系統(tǒng)排出壓力。油在壓縮機內(nèi)與所有的部件接觸，并送回到壓縮機體上比壓縮機出口壓力低的部位。壓縮機的正常操作，使得壓縮機基本上以它自身的運行起到油泵的作用。所有進入壓縮機的油被壓縮機轉(zhuǎn)子向外推出至壓縮機出口處，再返回油分離器。所有的噴油及潤滑是均靠壓差來實現(xiàn)，不但節(jié)省功耗同時更是減少了潛在的故障點，避免了因油泵故障導(dǎo)致的壓縮機缺油而抱軸報廢的現(xiàn)象。壓縮機停下來時油分離器的壓力會慢慢降至系統(tǒng)吸入口壓力。便于下一次壓縮機電機的啟動。水冷式油冷卻器為殼管式結(jié)構(gòu)，潤滑油在殼側(cè)，其設(shè)計壓力為2.2MPa。油冷卻器固定在壓縮機撬塊上，其后的三通油溫控制閥保證供油溫度范圍穩(wěn)定在43.3～54.4℃。并且所有的潤滑油均通過一個15micro的油過濾器進行過濾，過濾后返回壓縮機進行噴油潤滑。

2 流程簡述

常壓氨貯罐TK40101A/B中的氣氨［溫度-33.9℃，壓力3.8kPa（g），流量0.992t/h］進入氣液分離器PV-103分離液氨后，進入氨罐螺桿冰機壓縮機組一段入口加壓，然后進入冷凝器HX-101的殼程，與管程中的循環(huán)水（循環(huán)水溫度由28℃升至35℃）進行換熱后，氣氨冷凝為液氨，流入下部儲罐PV-101中，然后分兩股進入經(jīng)濟器HX-102中，第一股液氨由自調(diào)閥YV-101控制，進入HX-102的殼程中蒸發(fā)為氣氨，溫度降至-12.4℃，氣氨經(jīng)氣液分離器PV-102分離夾帶的液氨后，進入冷凍的壓縮機組二段入口；第二股液氨流經(jīng)HX-102的管程，溫度降至-7.4℃，經(jīng)手動膨脹閥HCV-102節(jié)流降壓后［壓力降至0MPa（g），溫度降至-33.9℃］，回到TK40101A/B中。

3 現(xiàn)象

2018年9月10日21：00，氨罐螺桿冰機正常運行期間油溫出現(xiàn)緩慢上漲的趨勢，且在此期間因氨罐壓力低壓縮機一直處于低負(fù)荷運行，如圖1所示。在氨罐壓力沒有出現(xiàn)突然上漲的情況下，油溫由14：00時的53℃緩慢漲至21：00時75℃，達到油溫高聯(lián)鎖螺桿冰機跳車。后重新啟動螺桿冰機油溫很快達到跳車值75℃，氨罐新冰機無法正常運行。啟動備用螺桿冰機，備用螺桿冰機啟動后油溫正常。

圖1 氨罐螺桿冰機油溫高跳車趨勢圖

4 原因分析

4.1 油冷卻器循環(huán)水的影響引起油溫升高

水冷式油冷卻器為殼管式結(jié)構(gòu)，油在殼側(cè)，其設(shè)計壓力為2.2MPa。油冷卻器固定在壓縮機撬塊上，其后的三通油溫控制閥保證供油溫度范圍穩(wěn)定在43.3～54.4℃。經(jīng)過和前期循環(huán)水上回水溫度進行對比，由表1可知，循環(huán)水上水溫度沒有出現(xiàn)明顯升高，反而回水溫度卻低于以往正常情況下回水溫度，循環(huán)水上回水溫差變小。初步判定油冷卻器換熱管結(jié)垢堵塞造成換熱效果下降引起油溫高。隨后對油冷卻器進行物理清洗處理，清洗完成后，重新啟動螺桿冰機油溫還是持續(xù)升高達到跳車值，無法運行，所以排除循環(huán)水和油冷卻器結(jié)垢堵塞等問題導(dǎo)致本次油溫升高。

表1 循環(huán)水上回水溫度對比表

4.2 油質(zhì)變化引起油溫升高

油質(zhì)發(fā)生變化也會對油溫產(chǎn)生一定影響。經(jīng)過對油質(zhì)取樣分析，及和前期油質(zhì)分析結(jié)果進行比對，沒有發(fā)現(xiàn)油質(zhì)出現(xiàn)乳化等其他問題。油質(zhì)的黏度、水分及機械雜質(zhì)均在設(shè)計指標(biāo)范圍內(nèi)，所以排除油質(zhì)出現(xiàn)惡化導(dǎo)致油溫升高。油質(zhì)分析對比結(jié)果如表2所示。

表2 油質(zhì)分析對比表

4.3 油過濾器出現(xiàn)堵塞引起油溫的升高

如油過濾器出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，經(jīng)過油冷卻器阻力變大，會導(dǎo)致螺桿冰機潤滑油油壓降低，出油量變小等一系列問題，最終導(dǎo)致潤滑油溫度升高，嚴(yán)重時會出現(xiàn)抱軸燒瓦等事故的發(fā)生。經(jīng)過遠傳儀表的顯示和就地手動測量均顯示過濾器壓差為35kPa，和以往正常工況下過濾器壓差數(shù)值基本一致，過濾器壓差未出現(xiàn)上漲，且壓縮機軸承振動一直處于正常范圍內(nèi)，沒有波動上漲的現(xiàn)象出現(xiàn)，所以排除油過濾器壓差高導(dǎo)致壓縮機油溫升高。

4.4 儀表出現(xiàn)故障造成油溫出現(xiàn)假值

氨罐螺桿冰機控制系統(tǒng)為PLC控制，出現(xiàn)冰機油溫持續(xù)升高無法運行，儀表人員對PLC控制回路中數(shù)據(jù)點進行手動測量，與控制面板反饋數(shù)據(jù)一致，均達到螺桿冰機跳車值75℃。同時現(xiàn)場使用紅外測溫槍對螺桿冰機油溫進行測溫顯示78℃，與實際控制面板數(shù)據(jù)相符，故排除儀表故障引起螺桿冰機油溫高聯(lián)鎖跳車。

4.5 溫控閥失控引起油溫的升高

經(jīng)過油冷器冷卻后的冷油和未經(jīng)過油冷卻器的熱油匯合后經(jīng)過三通油溫控制閥保證供油溫度穩(wěn)定在43.3～54.4℃。經(jīng)現(xiàn)場使用紅外線測溫槍對經(jīng)過油冷卻器熱油溫度和冷油溫度進行測溫，發(fā)現(xiàn)油冷卻器前熱油溫度和油冷卻器匯合后的油溫都為73℃，進油冷卻器熱油溫度（溫控閥后）為37℃，且油冷卻器循環(huán)水上回水溫差僅有3℃，說明進入油冷卻器的油量非常少，溫控閥失去作用導(dǎo)致油溫升高壓縮機無法正常運行。

5 溫控閥失效原因分析和處理措施

5.1 原因分析

氨罐冰機油系統(tǒng)上的溫控閥開啟和關(guān)閉的過程就是感溫介質(zhì)受熱膨脹力與彈簧壓縮力相互作用的平衡過程（見圖2）。因此，假設(shè)在某溫度下，閥芯的移動量為△X，溫控閥達到平衡狀態(tài)。對閥芯進行受力分析，則有：

其中：P膨脹力為感溫介質(zhì)受熱膨脹力；K為彈簧剛度；F彈簧力為彈簧的預(yù)緊力；f為阻力（閥芯的摩擦力）。

Fx為閥芯的驅(qū)動力，并取閥芯打開的運動方向為正，在溫控閥出口溫度升高的過程中Fx≥0，則有：

反之，在溫控閥出口溫度降低的過程中，感溫介質(zhì)處于收縮狀態(tài)，則P膨脹力=0，F(xiàn)x≤0，故有：

自力式溫控閥的控溫過程是一個動態(tài)的平衡過程，由上式可以看出，在感溫介質(zhì)和運動阻力不變的情況下，閥芯的驅(qū)動力只與彈簧剛度和彈簧力有關(guān)。而彈簧的設(shè)計應(yīng)滿足：

在彈簧力一定的的條件下，由（2）式可以看出，彈簧的剛度K增大可以使閥芯的驅(qū)動力減小。為了驅(qū)動閥芯動作就需要更大感溫介質(zhì)的膨脹力。如圖4所示，出口溫度反饋感溫元件3（溫包）來對感溫介質(zhì)膨脹力進行調(diào)節(jié)，一旦感溫元件出現(xiàn)問題，導(dǎo)致感溫元件沒有隨著油溫的升高發(fā)生變化和及時調(diào)整，最終導(dǎo)致油溫持續(xù)升高壓縮機跳車。

結(jié)合（4）式和圖3的溫度曲線，可知當(dāng)調(diào)節(jié)彈簧的剛度逐漸減小時，回復(fù)溫度也逐漸降低，甚至?xí)隹販匾蟮南孪?。這是因為相對較小的彈簧剛度會造成閥芯回復(fù)過程中，不能提供足夠的彈簧力以克服運動阻力f。相反，增大彈簧剛度有利于閥芯的快速回位，提高溫控閥的降溫響應(yīng)速度，但同時也會造成溫控閥整體工作溫度升高。

綜上分析此溫控閥失去作用應(yīng)該為溫控閥感溫元件（溫包）失效導(dǎo)致其失去自動調(diào)節(jié)功能，以及彈簧剛度隨著使用時間變長剛度逐漸降低，使溫控閥降溫響應(yīng)速度變慢，導(dǎo)致油溫出現(xiàn)持續(xù)上漲等現(xiàn)象發(fā)生，最終導(dǎo)致螺桿冰機無法運行。

圖2 溫控閥結(jié)構(gòu)圖

圖3 彈簧剛度對溫度影響的曲線

5.2 處理措施

根據(jù)以上原因分析及現(xiàn)場實際工況，將此溫控閥改為手動閘閥進行手動調(diào)節(jié)控制，改造完成后。此冰機重新啟動運行，壓縮機油溫一直維持在45～53℃，運行工況良好。