機冷車制冷機組制冷劑替代的批量改造與優(yōu)化研究

劉國豐

( 廣州鐵道車輛廠，廣州 510800 )

1 項目來源與前期方案研究

中鐵特貨運輸有限責任公司是對易腐貨物具有鐵路運輸能力的專業(yè)冷藏運輸公司，配屬有1910輛(包括B10、B21、B22、B23)機械冷藏車，各型制冷機組共計2906臺，其中采用R12制冷劑的有B21、B22、B23三種車型，制冷機組2656臺，占特貨公司配屬制冷機組總量的91.4%。根據(jù)“破壞臭氧層物質(zhì)管理的蒙特利爾議定書”的規(guī)定，到2010年將全面停止R12生產(chǎn)，同時一些與R12相關(guān)的產(chǎn)品與配件也將停止生產(chǎn)，制冷機組檢修將面臨R12制冷劑及相關(guān)制冷配件采購困難導致無法繼續(xù)使用的問題。為了解決鐵路冷藏車制冷機組R12制冷劑替代問題，保證鐵路冷藏運輸?shù)拇胬m(xù)和發(fā)展，中鐵特貨公司2006年開始立項進行制冷劑替代的研究，通過對國內(nèi)外各種成熟的R12替代方案進行篩選和比較，確定了用R134a替代、R22替代、R415B替代三個研究方向，經(jīng)過反復試驗研究和比選，最終確定是采用改壓縮機R22替代R12方案，原因是R22作為過渡性工質(zhì)可以使用到2030年，可以保證機械冷藏車運用到報廢期，并且具有實施操作簡單、改造費用低、經(jīng)濟效益更高的優(yōu)勢[1-2]。該方案于2008年底通過鐵道部技術(shù)評審。

2 替代方案簡介

采用R22替代R12改造方案的主要原理是將制冷機組使用的單機雙級壓縮機(一個高壓缸、三個低壓缸)其中一個低壓缸停止工作，使進氣量為原設(shè)計的2/3，基本能夠滿足充注R22的流量要求，同時，需要增加一個噴液降溫裝置，將制冷劑液體引入壓縮機高低壓汽缸連接管中，降低高壓級的進氣溫度，從而達到降低高壓級排氣溫度的目的。該方案可以保留原有系統(tǒng)的主要部件，改造各種量也很小。具體改造方案：

(1)壓縮機改造：卸去與高壓缸相鄰的低壓缸(2號缸)吸氣閥片及彈簧片，在低壓缸連接管上鉆一個?12.2mm的通孔，將噴液噴頭按軸向垂直鑲?cè)胪變?nèi)，并牢固焊接。

(2)系統(tǒng)改造：機組上加裝噴液電磁閥，在供液電磁閥的出口管路上鉆一個?6的通孔，將噴液連接管一頭插入焊牢，另一端與噴液電磁閥連接，在噴液電磁閥的另一端通過毛細管與噴液頭連接；加裝溫度控制器：控制噴液溫度，控制排氣溫度；膨脹閥、干燥過濾器更換為氟利昂R22使用型號，更換高、低壓控制器、冷凝風機壓力控制器。

(3)電氣改造：將噴液電磁閥控制線包與供液電磁閥控制線包相并聯(lián)；溫度控制器控制線路分為兩路，一路為控制壓縮機，另一路控制噴液電磁閥。

(4)更換制冷劑：用R22替換R12，冷凍機油相應更換為N46。

3 替代方案實施與方案驗證

制冷機組制冷劑替代是一個非常復雜的系統(tǒng)工程，從方案研究、運行試驗、小批量試改到全面鋪開改造，牽涉到技術(shù)文件、配件采購、檢修設(shè)備、運用管理等方方面面，方案研究只是其中一個重要環(huán)節(jié)，每進行到下一環(huán)節(jié)都會遇到不同的問題，需要做大量的試驗驗證工作，不斷總結(jié)積累經(jīng)驗。

制冷劑替代方案通過技術(shù)評審后，中鐵特貨公司2009年安排下屬的三個檢修運用分公司進行了10組機冷車小批量試改，并投入運用，為下一步替代工作全面鋪開作好準備。三個分公司的小批量試改中，由于改造方案中有多處需要進一步改進的地方，因此，各個分公司在方案實施時會采取不同的處理手法，最后的改造結(jié)果就會不完全相同，主要體現(xiàn)在膨脹閥的過熱度調(diào)節(jié)、吸入壓力調(diào)節(jié)閥的限制值調(diào)節(jié)、節(jié)流毛細管的形式與長度、高壓缸溫度的控制等問題上，仍然存在著許多不一致，需要統(tǒng)一。

為了加快制冷機組制冷劑R22替代R12工作的進程，中鐵特貨公司計劃安排2010年廠、段修到期的機冷車全部進行制冷劑R22替代R12工作。為此，特貨公司召集專題會議，總結(jié)了小批量試改的情況，統(tǒng)一了替代改造方案，并以技術(shù)標準形式下發(fā)。

廣州鐵道車輛廠有多年的鐵路冷藏車檢修和鐵路冷藏運輸裝備開發(fā)經(jīng)驗積累，2008年開始承擔鐵路機械冷藏車廠修工作，經(jīng)過兩年的機冷車廠修實踐，積累了一定的檢修經(jīng)驗，因此這次承擔了較多的制冷劑替代的批量改造任務(wù)。由于前期的替代方案研究以及小批量試改工廠都沒有介入，沒有實際改造經(jīng)驗，只能對特貨公司前期的研究方案及小批量試改和運用總結(jié)進行反復研究，弄清楚替代方案的基本原理和思路，找出方案實施的關(guān)鍵項點和存在問題，盡可能避免在改造中出現(xiàn)批量問題，給生產(chǎn)和運用造成經(jīng)濟損失。

通過分析認為實施方案的關(guān)鍵是噴液降溫裝置能否滿足降低壓縮機排氣溫度的要求，其次是膨脹閥、吸入壓力調(diào)節(jié)閥、壓力控制器、溫度控制器等控制元件的參數(shù)調(diào)整，以及工藝文件的修訂、工裝的制作等。

對照中鐵特貨裝備部下發(fā)的《機冷車制冷機組制冷劑R22替代R12技術(shù)標準》和早期通過鐵道部技術(shù)評審的改造技術(shù)方案，發(fā)現(xiàn)噴液降溫裝置有兩套改造方案，也就是三個檢修運用分公司在小批量試改中形成的兩套改造方案，并且發(fā)現(xiàn)技術(shù)標準中還有少量參數(shù)有待進一步確定。為了保證批量改造的科學性和可靠性，工廠成立項目組對改造方案進行專項研究，制定了研究試驗方案：按照兩套改造方案進行樣機試改，通過對比試驗，檢驗相關(guān)技術(shù)參數(shù)。

試改樣機選取了同一組機冷車的兩臺制冷機組，分別按不同的噴液毛細管口徑和長度加裝噴液降溫裝置：方案一：毛細管內(nèi)徑為?1.6mm，長度為2400 mm；方案二：毛細管內(nèi)徑為?1.0mm，長度為800 mm。試驗時在每臺制冷機組的壓縮機排氣管、壓縮機高壓缸頭、膨脹閥前、回氣管、蒸發(fā)器出風口布置了5個測溫點，采用溫度記錄儀對機組運行的溫度變化情況進行了測試記錄，對兩種改造方案的噴液效果進行對比。在機組運轉(zhuǎn)調(diào)試正常后，將噴液溫度控制器調(diào)整為閉合值100℃，斷開值80℃(因為年初試驗時環(huán)境溫度只有20℃，排氣溫度達不到110℃)，觀察機組噴液情況。試驗數(shù)據(jù)顯示，方案一噴液降溫速度比較快，方案二噴液降溫速度比較平穩(wěn)，在外溫大約20℃條件下，方案一排氣管溫度從100℃降到80℃只需要1～2分鐘，方案二排氣管溫度從100℃降到95℃以后基本穩(wěn)定，維持噴液時間約15～20分鐘。

根據(jù)試驗分析，在試驗期間環(huán)境溫度只有20℃左右時，排氣壓力只有1.2MPa，方案二排氣溫度下降到95℃以后降溫非常緩慢，如果在環(huán)境溫度達到40℃以后，排氣壓力將達到2.0MPa，排氣溫度很快上升，方案二可能無法滿足缸頭降溫要求，而方案一能否滿足夏季缸頭降溫要求也還需要在實際運用中進行驗證。試驗結(jié)論是方案一優(yōu)于方案二，試驗情況報告了中鐵特貨公司裝備部后，中鐵特貨公司裝備部根據(jù)試驗結(jié)果進行了方案調(diào)整，下發(fā)了《關(guān)于〈制冷機組制冷劑R22替代R12技術(shù)標準〉變更事項的通知》。

4 批量實施改造與優(yōu)化研究

2010年工廠承接了33組機冷車廠修任務(wù)，在進行檢修的同時實施制冷劑R22替代R12改造，為了確保批量改造的順利進行，在完成了噴液降溫裝置實施方案的比選驗證后，主要針對改造實施方案的關(guān)鍵項點進行技術(shù)和生產(chǎn)準備，加強質(zhì)量控制，對改造過程中發(fā)現(xiàn)的問題及時分析研究[3]，主要解決的問題如下：

4.1 技術(shù)和生產(chǎn)準備

按照《制冷機組制冷劑R22替代R12技術(shù)標準》，編制了《制冷機組制冷劑R22替代R12作業(yè)指導書》，確定了合理的工藝流程，在機組檢修中遇到與改造內(nèi)容相關(guān)的按照《制冷機組制冷劑R22替代R12作業(yè)指導書》執(zhí)行，正常檢修仍按照原作業(yè)指導書執(zhí)行；在檢修場地已能夠滿足要求的情況下，增加少量工裝、工具，如機用萬能平口鉗、調(diào)速電鉆、壓縮機曲軸箱鉆模等；組織主要檢修人員學習了解制冷劑替代樣機改造及調(diào)試過程，組織制冷機組全體檢修人員學習《制冷機組制冷劑R22替代R12技術(shù)標準》和《制冷機組制冷劑R22替代R12作業(yè)指導書》，使檢修人員了解改造內(nèi)容及技術(shù)要求；提報了配件及材料清單，設(shè)計了自制件圖紙，待裝車驗證后再進行完善。

4.2 加強改造過程的質(zhì)量監(jiān)控

制冷機組用R22替代R12后，運行參數(shù)發(fā)生了較大變化，主要是排氣壓力和排氣溫度升高，對已使用了20年的制冷機組，產(chǎn)生泄漏的可能性提高，產(chǎn)生故障的幾率也會增加。制冷劑替代對檢修工作帶來的影響主要是焊接工作量增加，焊接質(zhì)量要求高，強度試驗壓力升高，危險系數(shù)加大，必需嚴格按照技術(shù)要求對制冷系統(tǒng)強度試驗和保壓試驗進行監(jiān)控。改造方案中壓縮機要取消壓縮機2號缸的壓縮功能，因此每臺壓縮機都必須拆卸缸蓋，對于一些多年沒有進行過分解的壓縮機，拆卸缸蓋時需非常注意，缸頭螺栓極易擰斷，要將擰斷的螺栓取出是非常復雜的，不但增加壓縮機的檢修工作量，還會增加壓縮機損壞的風險，需要在工藝方法上進行研究，如增加松銹劑浸泡時間，設(shè)計專用鉆模等，提出一套可行的操作步驟。

4.3 膨脹閥質(zhì)量不可靠的原因及解決

為了保證替代改造后的制冷機組今后檢修具有良好的互換性，《替代標準》統(tǒng)一了R22替代R12所用的配件型號和供應渠道。從供應商提供的兩種訂貨號的某品牌的膨脹閥來看，外觀上主要是調(diào)節(jié)桿有區(qū)別，但使用上都存在以下問題；1)新閥的開度有的是2～3圈，有的是全開，現(xiàn)車調(diào)試工作量大，與以往使用的另一種品牌的膨脹閥不同，另一種品牌膨脹閥出廠時已調(diào)整好出廠過熱度，在現(xiàn)車調(diào)試時只需要微調(diào)即可。2)在機組地面運轉(zhuǎn)調(diào)試時，調(diào)整膨脹閥開度以各臺機組調(diào)整到蒸發(fā)器結(jié)霜基本一致為準，但裝上車后經(jīng)常出現(xiàn)個別機組制冷性能特別差，膨脹閥無法調(diào)節(jié)(關(guān)閉不了)，壓縮機結(jié)霜嚴重情況，有時要多次調(diào)整和更換膨脹閥才能故排除障。3)多次出現(xiàn)連編試驗時膨脹閥調(diào)節(jié)失靈，各車之間溫差超過3℃，個別車溫度降不下來，連編試驗需要重做的情況，對生產(chǎn)進度造成影響。4)調(diào)節(jié)桿有微漏現(xiàn)象。5)連接螺母質(zhì)量不高，易裂。我們建議換用另一種品牌制冷量相同的膨脹閥進行試驗，并報中鐵特貨公司裝備部同意，在某列改造車組上全部換裝新型號膨脹閥，經(jīng)過一系列的試驗，性能及質(zhì)量符合改造要求，并在其后的改造車組上全部裝用。

4.4 融霜時間繼電器頻繁動作的原因及解決

實施替代改造后，融霜時間繼電器全部更換為新的型號，融霜周期由原來11小時調(diào)整為7小時，融霜時間1小時。最初改造的機冷車組被運用單位經(jīng)常反饋，融霜時間繼電器動作紊亂，融霜間隔時間短，無法正常制冷。最初分析判斷是融霜時間繼電器有故障，在多次更換時間繼電器仍解決不了問題后，對新的時間繼電器進行了研究，發(fā)現(xiàn)與原機組的融霜時間繼電器功能上有所不同，原時間繼電器是機械式的，在融霜結(jié)束后計時器重新開始計時；新型號的時間繼電器帶有充電電池，融霜結(jié)束后計時器不會清零，而是累計計時，由于同一輛冷藏車有兩臺制冷機組，融霜控制采用的是相互閉鎖的方式，就會造成機組頻繁融霜。經(jīng)與各分公司協(xié)商，要求供應商統(tǒng)一提供不帶充電電池的時間繼電器，并且將兩臺機組的時間繼電器起始時間調(diào)整為相同。

4.5 噴液及排氣溫度控制器動作值的優(yōu)化

根據(jù)《替代標準》，噴液溫度控制值為閉合值110℃，斷開值90℃(暫定)。壓縮機排氣溫度保護值為125℃。在機組地面調(diào)試時，當環(huán)境溫度達到38～39℃時，機組排氣溫度控制器已保護停機，因此我們建議將噴液溫度和保護溫度都適當調(diào)整，將保護溫度調(diào)整為130℃(符合廠修規(guī)程要求)，噴液溫度控制值調(diào)整為100℃開始噴液，按照調(diào)整后的設(shè)定值，基本能夠保證制冷機組夏季運用。

4.6 降溫速度變慢原因及解決

改用R22制冷劑后，由于R22制冷劑的特性，高溫工況下比R12降溫慢，低溫工況下比R12快，根據(jù)連編試驗數(shù)據(jù)顯示，車內(nèi)溫度從起始外溫降到-20℃時總體時間相差不大。新疆晝夜溫差大，瓜果的裝車時間不確定，當白天裝車時，由于白天溫度偏高，而葡萄的承運溫度是0～4℃，制冷機組主要運行在高溫工況，因此降溫時間延長是客觀的，比較可行的解決方案是盡可能在夜間裝車。

5 結(jié)語

從2010年開始實施制冷機組制冷劑R22替代R12改造，到2013年工廠完成了95組機冷車，共760臺制冷機組的改造任務(wù)。根據(jù)運用單位這幾年的運用反饋，以及每年夏季工廠按照中鐵特貨運輸有限責任公司的統(tǒng)一安排，派出工廠技術(shù)及檢修人員和公司下屬的三個檢修運用分公司共同到新疆為瓜果運輸提供技術(shù)服務(wù)時所了解的情況，機冷車實施制冷機組制冷劑R22替代R12改造總體情況是好的，制冷性能、安全性能、工作穩(wěn)定性能、故障率等指標都與原機組基本相同，批量改造取得成功，為鐵路冷藏運輸提供了可靠保障。

[1] 常邦燦.鐵路機械冷藏車制冷機組制冷劑替代的研究[J].鐵道貨運,2010,(6):34-37

[2] 彭建華,楊振祥，荀森，等.我國鐵路冷藏車制冷工質(zhì)R12之替代研究[J].鐵道科學與工程學報,2009,6(2):59-63

[3] 陳家貴.對鐵路機械冷藏車制冷劑替代的看法及建議[J].廣西鐵道,2009,(4):18-19