氨液循環(huán)泵組常見問題解析

李道衛(wèi)

(大連冷凍機股份有限公司，遼寧大連西南路888號15#信箱 116033)

氨液循環(huán)泵組(以下簡稱氨泵組)主要是由低壓循環(huán)貯液桶(以下簡稱低循桶)、氨泵、節(jié)流組件和支撐框架、控制柜等裝置構(gòu)成。工作流程如下:來自冷凝器的高壓液態(tài)制冷劑氨經(jīng)節(jié)流組件中的節(jié)流閥節(jié)流降壓進(jìn)入低循桶，低壓飽和狀態(tài)的氨在低循桶內(nèi)實現(xiàn)氣液分離，液態(tài)氨經(jīng)過氨泵加壓輸送至蒸發(fā)器，部分蒸發(fā)后回流至低循桶，再次在桶內(nèi)實現(xiàn)氣液分離，氣態(tài)氨回流至壓縮機，分流出來的液態(tài)氨再次被氨泵加壓送至蒸發(fā)器，如此循環(huán)。作為過量供液制冷系統(tǒng)的重要裝置，其主要目的是解決末端多個蒸發(fā)器因水力不均導(dǎo)致的制冷效果不好的問題，普遍應(yīng)用于冷庫、物流庫、啤酒生產(chǎn)、真空凍干等場合。看似簡單的裝置，工程使用中卻常出現(xiàn)各種問題，導(dǎo)致整個制冷系統(tǒng)無法發(fā)揮作用，甚至嚴(yán)重影響用戶的生產(chǎn)。常見的問題多數(shù)是由選型不合理或操作不當(dāng)引起的，主要有主機匹配不合理、供液高度不足和氨泵電機燒毀等。

1 主機匹配不合理

1.1 問題出現(xiàn)的幾率

氨泵組比較普遍的是采用高低液位控制器控制節(jié)流閥前電磁閥關(guān)開，實現(xiàn)節(jié)流供液的調(diào)整。這種節(jié)流控制方式的泵組其配套的主機如果是經(jīng)濟器螺桿機組，那么主機運行中出現(xiàn)壓縮帶液的幾率是100%，也就是說這種氨泵組與主機匹配方式在原理就存在問題。

1.2 流程圖

制冷機組流程見圖1。

1.3 問題成因

單看氨泵組或螺桿經(jīng)濟器機組的流程圖，都不存在任何問題，但把這兩個產(chǎn)品結(jié)合在一起仔細(xì)分析，就能夠找到問題的癥結(jié)。

先看螺桿經(jīng)濟器機組的流程圖，經(jīng)螺桿壓縮機1壓縮終了的氨氣進(jìn)入冷凝器2冷凝成高壓液氨，當(dāng)壓縮機的負(fù)載達(dá)到設(shè)定值時，中冷電磁閥4開啟，小部分液氨經(jīng)過該閥和熱力膨脹閥5后節(jié)流，產(chǎn)生了低溫低壓的液氨，為了表述方便，我們暫時稱這部分液氨為液氨a，進(jìn)入中間冷卻器3的管程。同時大部分高壓液氨(稱這部分液氨為液氨b)直接經(jīng)過中間冷卻器3的殼程，被液氨a冷卻，形成過冷后的高壓液氨b，液氨b流向泵組的節(jié)流組件;而液氨a吸收液氨b的熱量后氣化成氨氣，經(jīng)螺桿壓縮機1中間補氣口進(jìn)入壓縮機，和來自低循桶的氨氣一同被壓縮加壓后，再次進(jìn)入冷凝器冷凝成高壓液氨。

再來看氨泵組的流程圖，常規(guī)氨泵組中低循桶內(nèi)液面高度的控制邏輯是這樣的:當(dāng)液面低于低液位控制器2對應(yīng)的位置高度時，電磁閥3開啟，液氨b通過節(jié)流閥4節(jié)流降壓后，不斷向低循桶內(nèi)補充低溫低壓氨液，閃蒸的氨氣和蒸發(fā)器回流來的氨氣經(jīng)抽氣口進(jìn)入壓縮機;當(dāng)液面逐步升高并最終高于高液位控制器1對應(yīng)的位置高度時，電磁閥3關(guān)閉，液氨b的通路被切斷，不再流動，因此，低循桶內(nèi)不再有低壓氨液補充。此時，氨泵仍不斷將氨液加壓輸送至蒸發(fā)器蒸發(fā)，低循桶內(nèi)的氨液不斷消耗，液面逐漸降低，當(dāng)液面再次低于低液位控制器2對應(yīng)的位置高度時，電磁閥3再次開啟，液氨b再次通過節(jié)流閥4節(jié)流降壓后進(jìn)入低循桶。如此循環(huán)往復(fù)，低循桶內(nèi)的液面總是波動的上下變化，同時，液氨b也是間歇式的流動和停止。

圖1 制冷機組流程圖Fig.1 The flow chart of refrigerant units

當(dāng)氨泵組的電磁閥3在開啟狀態(tài)時，液氨b通過該閥并經(jīng)過節(jié)流閥4節(jié)流降壓形成低溫低壓氨液和氨氣混合物進(jìn)入低循桶內(nèi)。一旦泵組的電磁閥3處于關(guān)閉狀態(tài)且螺桿經(jīng)濟器機組電磁閥4處于開啟狀態(tài)時，經(jīng)過中間冷卻器的液氨b處于不流動狀態(tài)，此時液氨a無法吸收到熱量，不能氣化，最終以液態(tài)形式通過壓縮機補氣口進(jìn)入壓縮機。由于熱力膨脹閥5的特性是只要其兩端有壓差存在，就會有流體經(jīng)過該閥，其本身不具備關(guān)閉的能力，電磁閥3和4不改變當(dāng)前的狀態(tài)，就會有液氨不斷地經(jīng)過補氣口進(jìn)入壓縮機，輕則會造成壓縮機組的排溫降低、油溫下降、機組跑油等不正常的運行狀態(tài)，重則會導(dǎo)致壓縮機液擊。

1.4 解決辦法

氨泵組和螺桿經(jīng)濟器機組是兩個獨立的完整產(chǎn)品，其控制都是獨立的。由于兩者的組合存在上述不可避免的弊端，為了機組的安全穩(wěn)定運行，有必要進(jìn)行調(diào)整。一種是將兩者的控制捏合在一起，這個調(diào)整適合產(chǎn)品合同訂購前，對于很多已經(jīng)運行的項目，筆者試著找出一個簡便、安全、成本低廉的改造方式。

1.電磁閥3和4并聯(lián)，開關(guān)由螺桿經(jīng)濟器機組的控制器控制:這樣的調(diào)整方式會產(chǎn)生液面低于最低液位控制器2對應(yīng)的位置高度時因壓縮機負(fù)載小而導(dǎo)致電磁閥不開啟的現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致氨泵空轉(zhuǎn)、電機燒毀的嚴(yán)重后果。所以，這種調(diào)整方式不可取。

2.電磁閥3和4并聯(lián)，開關(guān)由氨泵組的控制器控制:該調(diào)整方案有一個隱患，當(dāng)氨泵組運行而壓縮機組停機時，會有氨液經(jīng)補氣口進(jìn)入壓縮機轉(zhuǎn)子腔，當(dāng)液體量達(dá)到一定數(shù)值時，一旦壓縮機啟動很可能造成液擊。除非將氨泵組與螺桿經(jīng)濟器機組的運行進(jìn)行聯(lián)鎖，否則，該方案也不可取。

3.在電磁閥4后串聯(lián)一個與其等規(guī)格的電磁閥:串聯(lián)的電磁閥和電磁閥3的電線線路并聯(lián)，這樣既避免了壓縮機液擊或帶液壓縮也保證了氨泵的安全運行，但改造的工作量最大。

2 供液高度不足

2.1 氨泵反轉(zhuǎn)

解決辦法是將三相接線中的任意兩相互換。

2.2 入口閥門開度過小

氨泵入口截止閥是用于檢修氨泵的，在氨泵運轉(zhuǎn)時應(yīng)處于全開狀態(tài)。

2.3 氨泵氣蝕

氣蝕是造成氨泵供液高度不足的原因中最常見也是最難解決的一個。

氣蝕是一種流體動力學(xué)現(xiàn)象，在液體通過泵加壓輸送的領(lǐng)域里都有氣蝕現(xiàn)象發(fā)生的可能性。氨泵氣蝕的現(xiàn)象就是當(dāng)氨泵入口處氨液的壓力等于或低于氨液溫度對應(yīng)的飽和壓力時，部分氨液會蒸發(fā)產(chǎn)生氣泡，氣泡隨液氨一起被泵加壓時就會重新凝結(jié)成氨液，這個過程中，氣泡逐漸變形，進(jìn)而破裂，破裂產(chǎn)生的沖擊力巨大不斷作用在葉輪上，影響葉輪的工作狀態(tài)或侵蝕葉輪。一般程度的氣蝕會導(dǎo)致氨泵揚程達(dá)不到設(shè)計值，產(chǎn)生供液高度不足的現(xiàn)象。

2.3.1 安裝高度過低

每一個型號的氨泵，都有裝置的最低安裝高度，是相對高度，即低循桶設(shè)計允許的最低液面高度與安裝后的氨泵入口高度的差值，這個差值產(chǎn)生的氨液液柱壓強用于克服氨泵入口管線的阻力損失及葉輪入口處的負(fù)壓，理論上，為了保證氨泵安全，該數(shù)值越大越好。一旦設(shè)計時忽略了安裝高度這個因素，導(dǎo)致其值小于裝置最低安裝高度，則現(xiàn)場改造只能通過抬高低循桶安裝高度或降低氨泵安裝高度來解決了。

2.3.2 低循桶下液口處存在漩渦

對于低循桶下液口管線垂直于低循桶液面的結(jié)構(gòu)設(shè)計，即便是安裝高度滿足了氨泵的最低裝置安裝高度要求，也可能產(chǎn)生氣蝕。一旦下液口處氨液的流速過高，在該處就會產(chǎn)生渦旋，氣體就會在快速流動的液體的慣性力帶動下進(jìn)入氨泵，從而產(chǎn)生氣蝕。以筆者的經(jīng)驗，下液口處液體流速控制在1 m/s左右為宜，如條件許可，應(yīng)將下液流速設(shè)計在0.5 m/s上下。

2.3.3 過濾網(wǎng)堵塞

有些泵組初始運行穩(wěn)定，過了一段時間卻出現(xiàn)了氣蝕的現(xiàn)象，原因很可能是入口管道阻力損失突然增大，比如，過濾網(wǎng)堵塞。氨系統(tǒng)的清潔度一般都不高，系統(tǒng)運行一段時間后，氨泵入口前的過濾網(wǎng)會被焊渣、污物等堵塞，當(dāng)堵塞產(chǎn)生的阻力損失消耗掉安裝高度富余量時，就會產(chǎn)生氣蝕。低溫系統(tǒng)更容易產(chǎn)生過濾網(wǎng)堵塞造成的氨泵氣蝕，尤其是－30℃以下系統(tǒng)。由于冷凍油幾乎不融入氨且其密度又大于液氨的密度，常規(guī)設(shè)計的低循桶內(nèi)的冷凍油都會隨液氨一起經(jīng)過過濾器進(jìn)入氨泵，溫度越低冷凍油的粘度越高，流動性越差，一旦附著在過濾網(wǎng)上，會逐漸將過濾網(wǎng)眼堵塞，造成該處阻力損失大增，氨泵產(chǎn)生氣蝕。解決辦法就是縮短過濾網(wǎng)的清洗間隔時間，并及時排放與低循桶內(nèi)聯(lián)接的低壓集油器內(nèi)的冷凍油。

3 電機燒毀問題

氨泵組選用的氨泵基本都是制冷用屏蔽泵，即離心泵和三相交流電機的共同體。過流部件(葉輪)直接與驅(qū)動電機軸相連，共同組成轉(zhuǎn)動部件，屏蔽套嵌在定子內(nèi)側(cè)以隔離轉(zhuǎn)子腔和定子腔，最終實現(xiàn)用所輸送的一少部分介質(zhì)冷卻電機的目的。根據(jù)電機冷卻液最后流向的不同又分為內(nèi)循環(huán)冷卻屏蔽泵和外循環(huán)冷卻屏蔽泵。電機燒毀主要是因為電機過載、電機冷卻不良或氨泵運行長時間存在氣蝕。

3.1 氨泵選型不合理

比如某－30℃的氨制冷系統(tǒng)，單臺氨泵的設(shè)計參數(shù)流量Q為12 m3/h，揚程H為38 m，但工程設(shè)計人員為了安全起見，將揚程留有20 m余量，實際提交給泵廠的參數(shù)中揚程的數(shù)值為58 m，就是這個簡單的修改很可能造成電機運行時因超載而燒毀，對于同一臺氨泵，設(shè)計工作點的不同很可能導(dǎo)致匹配的電機功率也不同，如果設(shè)計點的功率小于實際運行工況點的功率，就是小馬拉大車，就可能導(dǎo)致電機燒毀。

氨泵的流量和揚程設(shè)定后，就能選得到適合的離心泵，再通過該氨泵性能曲線上的工作點計算氨泵應(yīng)該選配的電機。

先從氨泵性能曲線圖上查設(shè)計工況點a的各參數(shù)值:

ηa=0.41;計算設(shè)計工況點a的軸功率:

設(shè)計選配電機，電機功率P:

可以選用4.5 kW常用規(guī)格的屏蔽電機。

圖2 氨泵性能曲線Fig.2 The performance curves of ammonia pump

以a點為設(shè)計工況點計算下來，配備的氨泵電機功率為4.5 kW，電機留有約45%的富余量，電機安全余量已經(jīng)遠(yuǎn)超過20%了。

但由于設(shè)計選型時在氨泵揚程上留有較大余量，氨泵運行時，流量會比設(shè)計點a高很多，揚程也有所增加，最終實際運行的工作點將落在b處，查表b點相關(guān)參數(shù)值如下:

Qb=34 m3/h;Hb=44 m;ηb=0.59;計算 b 點的軸功率:

經(jīng)過計算氨泵在實際運行點b處的軸功率達(dá)到了4.7 kW，超過了設(shè)計選配電機的額定功率，如長時間運行則電機會因為超載而燒毀。

3.2 操作不當(dāng)

氨泵電機的燒毀有很大比例是操作不當(dāng)造成的，多發(fā)生在運行調(diào)試初期。氨制冷系統(tǒng)完成安裝、壓力試驗和抽真空試驗后，要向系統(tǒng)充灌制冷劑氨，先將氨加入到低循桶內(nèi)，再將低循桶中的氨液通過氨泵加壓輸送至蒸發(fā)器。氨泵啟動前有些操作人員是將泵出口截止閥6全開的，由于氨泵出口至蒸發(fā)器這段管路幾乎沒有氨液，也就是說氨泵出口近似無阻力損失，氨泵啟動后，流量會遠(yuǎn)超過設(shè)計值，電機功率急劇上升，瞬間即會超載。

正確的操作步驟是稍微開啟氨泵出口截止閥6，開啟氨泵，當(dāng)氨泵出入口壓差值達(dá)到或超過氨泵設(shè)計揚程值后，緩慢開啟截止閥6，當(dāng)壓差值略有降低時，停止開啟截止閥。

3.3 電機冷卻量不足

氨泵組中的氨泵多數(shù)都選用屏蔽泵，其電機是靠輸送的氨液進(jìn)行冷卻的，一旦冷卻回路里的液氨流動不暢，其電機就會因冷卻液不足導(dǎo)致燒毀。內(nèi)、外循環(huán)冷卻氨泵的冷卻回路設(shè)計略有不同。外循環(huán)冷卻氨泵的電機末端有一接口應(yīng)與低循桶相連，氨泵運轉(zhuǎn)時，只要該路線被截斷，無論氨泵出口截止閥6有否開閉，氨泵電機都會被燒毀;內(nèi)循環(huán)冷卻氨泵，由于其冷卻回路在泵體內(nèi)，只要氨泵出口截止閥6和旁通閥5不同時關(guān)閉，氨泵電機就不會因冷卻液不足而被燒毀。

3.4 氨泵氣蝕

長期氣蝕可能會導(dǎo)致軸承的損壞，造成轉(zhuǎn)動系統(tǒng)運轉(zhuǎn)不暢，使電機因為過載而燒毀;也可能導(dǎo)致屏蔽套的泄漏，造成氨液腐蝕定子，電機會因短路而燒毀。

4 結(jié)束語

為了減少氨泵組的故障發(fā)生，除了正確的操作和細(xì)心的維護(hù)外，更重要的工作是在氨泵組選型時，一定要做到匹配合適的主機，合理的確定氨泵的參數(shù)，正確地設(shè)計電機冷卻回路。做好這些準(zhǔn)備工作，氨泵組基本上可以在制冷系統(tǒng)中正常、穩(wěn)定地發(fā)揮應(yīng)有的作用。

［1］吳達(dá)人.泵與風(fēng)機［M］.西安:西安交通大學(xué)出版社，1989.