螺桿式主空壓機(jī)排氣冰堵分析及防治措施

梁德龍

（中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司 技術(shù)中心，山東 青島 266111）

2017 年12 月，某動車組運(yùn)行途中發(fā)現(xiàn)總風(fēng)壓力偏低，通過總風(fēng)數(shù)據(jù)分析，主空壓機(jī)按BCU 指令正常運(yùn)轉(zhuǎn)，但總風(fēng)壓力持續(xù)下降?，F(xiàn)場排查，主空壓機(jī)空氣冷卻器排氣管路存在冰堵，導(dǎo)致上游安全閥起排，無法輸出列車所需排氣量及壓力，凍結(jié)情況如圖1 所示。

圖1 空壓機(jī)管路凍結(jié)情況

在環(huán)境溫度-20 ℃～-10 ℃的情況下，進(jìn)行多次主空壓機(jī)啟停試驗，故障重現(xiàn)?，F(xiàn)場連接風(fēng)壓表進(jìn)行壓力測試，安全閥檢測點處壓力值約為12.5 bar（達(dá)到安全閥動作值），冷卻器下游壓力值為8～8.5 bar。

1 原因分析

1.1 工作原理

故障產(chǎn)品為噴油螺桿式主空壓機(jī)，其氣路流程為：外界空氣經(jīng)過濾器過濾后進(jìn)入螺桿主機(jī)壓縮并與潤滑油混合后，經(jīng)過油分離器進(jìn)行油氣分離，再經(jīng)過冷卻器、WSDR 水分離器（濾水效率90%）、DDR 管道過濾器（0.01 ppm）、PDR 管道過濾器（0.003 ppm）和膜式干燥器進(jìn)行處理，達(dá)到列車壓縮空氣質(zhì)量等級要求后進(jìn)入總風(fēng)管路，氣路流程如圖2 所示。

圖2 氣路流程

1.2 理論分析

由熱力學(xué)理論，空氣中所容納的水分含量與溫度成正比、與壓力成反比。一定濕度的空氣經(jīng)壓縮后溫度與壓力均上升，其是否飽和、是否有液態(tài)水析出取決于其溫度及壓力上升量［1-2］。

由此可分別計算主空壓機(jī)吸氣環(huán)境下含水量m1和經(jīng)冷卻后對應(yīng)溫度和壓力下的飽和含水量m2，通過比較m1、m2即可判斷壓縮空氣冷卻后是否析出液態(tài)水。

經(jīng)現(xiàn)場排查及測試，主空壓機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)率約10%，其環(huán)境溫度：-18 ℃，相對濕度：80%，冷卻器出口溫度：-11.1 ℃，冷卻器出口壓力：9 barg。

通過式（1）計算：

綜上，主空壓機(jī)吸氣環(huán)境含水量m1遠(yuǎn)大于冷卻器出口壓縮空氣飽和含水量m2，即冷卻器出口壓縮空氣處于飽和析水狀態(tài)，壓縮空氣在冷卻器冷卻過程已有液態(tài)水析出，由于溫度低于0 ℃，液態(tài)水逐漸凝固在冷卻器內(nèi)部翅片及出口管路，隨時間運(yùn)轉(zhuǎn)，最終造成冷卻器出氣口堵塞。由于冰堵截流，下游總風(fēng)壓力無法升至主空壓機(jī)停機(jī)壓力（880 kPa），BCU 持續(xù)輸出主空壓機(jī)工作信號，主空壓機(jī)持續(xù)打風(fēng)，導(dǎo)致冷卻器上游安全閥排放，因而總風(fēng)壓力無法得到及時補(bǔ)充，隨著列車耗氣，最終導(dǎo)致總風(fēng)壓力異常下降。

2 改進(jìn)措施

鑒于噴油螺桿式主空壓機(jī)結(jié)構(gòu)、工作原理及冰堵故障原因分析，在運(yùn)用環(huán)境主空壓機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)率無法改變情況下，減小壓縮空氣溫降并通過一定措施實現(xiàn)壓縮空氣水蒸氣飽和時處于0 ℃以上，可有效避免液態(tài)水析出量及結(jié)冰［3］，為此，從以下2個方面進(jìn)行優(yōu)化。

2.1 壓縮空氣冷卻氣路優(yōu)化

（1）在冷卻器入口及出口增加旁通接頭，新增2 個電磁閥控制管路通閉（NO 電磁閥控制冷卻器入口通閉，NC 電磁閥控制冷卻器旁通支路通閉），其供電同排污電磁閥加熱器一致，均由車輛側(cè)直接供電，通過5 ℃溫度開關(guān)控制。

（2）當(dāng)環(huán)境溫度大于5 ℃時，2 個新增電磁閥均不得電，常開電磁閥（NO）保持打開，常閉電磁閥（NC）保持關(guān)閉，壓縮空氣經(jīng)NO 電磁閥進(jìn)入冷卻器，進(jìn)行常規(guī)冷卻。

（2）當(dāng)環(huán)境溫度小于5 ℃時，2 個新增電磁閥均得電，壓縮空氣通過NC 電磁閥直接進(jìn)入水分離器，減小壓縮空氣溫降，控制液態(tài)水的析出量。

優(yōu)化后的氣路流程及電氣控制如圖3、圖4所示。

圖3 優(yōu)化后的氣路流程1

圖4 優(yōu)化后電氣控制

2.2 壓縮空氣后處理氣路優(yōu)化

在WSDR 水分離器、DDR 過濾器、壓縮空氣管路及膜式干燥器入口處使用保溫材料包裹，避免壓縮空氣在后處理過程中降至0 ℃以下，如圖5所示。

圖5 保溫材料防護(hù)

同時將PDR 過濾器移至膜式干燥器入口處，以攔截過濾前部管路中產(chǎn)生的液態(tài)水，PDR 排污電磁閥由NO 變更為NC，控制邏輯由停機(jī)斷電排污、每連續(xù)運(yùn)行2 min 排污2 s，變更為開機(jī)排污2 s，每連續(xù)運(yùn)行2 min 排污2 s，避免液態(tài)水進(jìn)入膜式干燥器影響其使用壽命。

優(yōu)化后的氣路流程如圖6 所示。

圖6 優(yōu)化后的氣路流程2

3 改進(jìn)效果

為驗證優(yōu)化改造方案有效性，模擬主空壓機(jī)低溫、低運(yùn)轉(zhuǎn)率使用工況，對氣路各點進(jìn)行溫度監(jiān)控，監(jiān)控點包括：T1冷卻器前端、T2WSDR 水分離器前端、T3WSDR 水分離器后端、T4膜式干燥器前端，具體監(jiān)控位置如圖7 所示。

圖7 溫度監(jiān)控

試驗數(shù)據(jù)匯總?cè)缦拢?/p>

（1）空壓機(jī)間歇性運(yùn)轉(zhuǎn)測試數(shù)據(jù)，見表1。

表1 間歇性運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)

通過以上數(shù)據(jù)分析，只有工況1 極端工況下膜入口溫度低于0 ℃，該溫度下如無液態(tài)水析出則無結(jié)冰現(xiàn)象；工況2～工況4 下溫度均高于0 ℃，不存在結(jié)冰風(fēng)險，但如過多液態(tài)水析出則影響膜式干燥器使用壽命。

（2）為充分說明問題，以下分析均按吸氣環(huán)境相對濕度100%進(jìn)行計算分析，見表2。

通過以上數(shù)據(jù)分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）極端低溫工況下（-40 ℃），各測點溫度對應(yīng)最高含水量均高于吸氣含水量，即壓縮空氣進(jìn)干燥器前均無液態(tài)水析出，不存在冰堵風(fēng)險。

（2）旁通冷卻器最高溫度下（5 ℃），壓縮空氣WSDR 水分離器出口處均未飽和，膜入口前壓縮空氣處于飽和狀態(tài)，由于改造方案將PDR 過濾器移至膜入口，其將液態(tài)水進(jìn)行了攔截過濾，不會影響干燥膜使用壽命。

綜上，優(yōu)化改造方案能夠滿足低溫、低運(yùn)轉(zhuǎn)率使用工況。

4 后續(xù)設(shè)計方向

目前軌道交通車輛用主空壓機(jī)冷卻器散熱風(fēng)扇多由壓縮機(jī)驅(qū)動電機(jī)同步驅(qū)動。為滿足主空壓機(jī)高溫環(huán)境使用需求，散熱風(fēng)扇及冷區(qū)器多按最高運(yùn)行溫度所需風(fēng)量機(jī)散熱面積進(jìn)行配置，導(dǎo)致任何環(huán)境下散熱風(fēng)扇均處于工作狀態(tài)，當(dāng)環(huán)境溫度較低、空壓機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)率偏低時便會出現(xiàn)散熱器冷卻能力過強(qiáng)，造成壓縮空氣飽和析水出現(xiàn)冷卻器冰堵，影響列車用風(fēng)需求。

針對該問題，后續(xù)設(shè)計產(chǎn)品可考慮將冷卻器散熱風(fēng)扇設(shè)置為獨立變頻電機(jī)驅(qū)動，通過對設(shè)置在氣路的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并采用邏輯算法進(jìn)行實時調(diào)整散熱風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，不但可以降低冷卻器冰堵風(fēng)險還可避免高溫報警故障及潤滑油乳化等。