某電氣模塊項目中央空調壓縮機故障分析及解決方案

張敏

（博邁科海洋工程股份有限公司，天津 300457）

本項目為FPSO的某一個MV電氣模塊，此模塊采用的是集中式空氣處理單元+風冷式冷凝單元的中央空調系統(tǒng)。根據(jù)業(yè)主要求，該空調系統(tǒng)中使用了2臺風冷冷凝單元，1用1備。每臺風冷冷凝單元采用了2臺某品牌的8缸半封閉活塞式制冷壓縮機，壓縮機是制冷系統(tǒng)的動力和核心，它完成制冷劑氣體從低壓向高壓不斷輸送的過程；高溫高壓的制冷劑氣體經過風冷式冷凝器，變成常溫高壓的制冷劑液體；再經過電磁膨脹閥進行節(jié)流，轉變?yōu)榈蜏氐蛪旱闹评鋭┮后w，隨后在空氣處理單元的蒸發(fā)器中完成與空氣的換熱，帶走空氣的熱量，從而實現(xiàn)制冷循環(huán)。在氣候惡劣的巴西，曾發(fā)生過一次4臺壓縮機全部缸體損毀的事故，為保證電氣模塊正常運行，廠家對4臺壓縮機進行過一次整體更換。經過上次壓縮機事故的整體換新后，空調系統(tǒng)又恢復了正常運行，但是就在距離上次事故3個月后，部分壓縮機再一次同時發(fā)生故障。本文即是對此次故障的原因分析和解決辦法。

1 事故情況描述

該電氣模塊在新加坡某船廠完成了與FPSO的組裝工作，F(xiàn)PSO整體調試完成后，離開新加坡前往巴西，在巴西某船廠進行最后的休整。在休整期間，客戶反饋電氣模塊的中央空調系統(tǒng)一直出現(xiàn)高溫報警，智能控制系統(tǒng)自動停止出現(xiàn)故障的機組，并切換至備用機組運行。為盡快讓電氣模塊恢復正常運轉，維修人員調整了空調控制盤的部分控制邏輯，并對4臺壓縮機進行了整體換新。換新工作完成后，維修人員再次對整個空調系統(tǒng)進行了調試。電氣模塊恢復正常運行，F(xiàn)PSO順利離港作業(yè)。3個月后，使用方再次反饋電氣模塊的中央空調系統(tǒng)出現(xiàn)高溫報警同時伴有低油壓報警，整個中央空調系統(tǒng)再次故障停機。為徹底解決該問題，維修人員將4臺壓縮機拆卸下來進行檢查，發(fā)現(xiàn)壓縮機一些氣缸的安全閥假蓋都已打開或者損毀。維修人員還從壓縮機本體的視液鏡中，發(fā)現(xiàn)壓縮機的潤滑油都已流失。由此，維修人員斷定，在中央空調運行過程中，制冷劑液體和壓縮機潤滑油被帶入到了壓縮機氣缸中無法及時排出，當氣缸中的活塞運動接近上止點時，液體因被壓縮而產生了瞬間高液壓，造成了液擊。

2 原因分析

液擊是活塞式壓縮機比較常見的故障。發(fā)生液擊，表明系統(tǒng)或設備維護中一定存在問題，需要加以糾正。不從根源上防止液擊，而簡單地將故障壓縮機維修或更換一臺新壓縮機，只能使液擊再次發(fā)生。引起壓縮機液擊的原因有如下幾種。

（1）回液。回液是指壓縮機運行時蒸發(fā)器中的液態(tài)制冷劑或者潤滑油通過吸氣管路回到壓縮機的現(xiàn)象或過程。當制冷系統(tǒng)中的制冷劑無法在蒸發(fā)器中與室內空氣形成充分換熱并蒸發(fā)成高溫氣體時，將保持液體狀態(tài)隨系統(tǒng)回流至壓縮機氣缸中。如蒸發(fā)器表面結霜嚴重時，蒸發(fā)器表面?zhèn)鳠嵝式档?，導致制冷劑無法與空氣充分換熱，制冷劑蒸發(fā)不充分，未蒸發(fā)的液體就會引起回液。

（2）壓縮機帶液啟動。由于曲軸箱內的潤滑油溶解了大量的制冷劑，當壓縮機啟動時，曲軸箱內的壓力會突然降低，這些液態(tài)制冷劑開始急劇沸騰，導致潤滑油出現(xiàn)起泡現(xiàn)象。一旦泡沫通過壓縮機進氣道吸入氣缸，泡沫就會形成液體，很容易引起液擊。顯然帶液啟動引起的液擊只發(fā)生在壓縮機啟動過程。引起帶液啟動的制冷劑是以“制冷劑遷移”的方式進入曲軸箱的。制冷劑遷移是指壓縮機停止運行時，蒸發(fā)器中的制冷劑以氣體形式通過回氣管路進入壓縮機，由于潤滑油中的制冷劑蒸汽分壓低，就會吸收油面上的制冷劑蒸汽，造成曲軸箱氣壓低于蒸發(fā)器中的氣壓，蒸發(fā)器中的蒸汽就會慢慢向曲軸箱“遷移”。當曲軸箱中的潤滑油溫度越低時，曲軸箱中的蒸汽壓力也就越低，對制冷劑蒸汽的吸收力就越大。在壓縮機中安裝曲軸箱加熱器可以有效防止制冷劑遷移。當系統(tǒng)短時間停機后時，維持曲軸箱加熱器通電，可以使?jié)櫥蜏囟嚷愿哂谙到y(tǒng)其它部位，制冷劑遷移不會發(fā)生。長時間停機不用后，開機前先保持曲軸箱加熱器通電一段時間，對潤滑油進行加熱，可以蒸發(fā)掉潤滑油中的大部分制冷劑，既可以減小帶液啟動時液擊的可能性，也可以降低制冷劑沖刷造成的危害。

（3）冷凍潤滑油充注過多。當壓縮機中潤滑油充注過多時，壓縮機中油位就會太高。高速旋轉的曲軸和連桿大頭就可能頻繁撞擊油面，引起潤滑油大量飛濺。飛濺的潤滑油一旦竄入進氣道，帶入氣缸，就可能引起液擊。半封閉壓縮機通常都有油視鏡，以便觀察油位高低。油位高于油視鏡的范圍時，表明壓縮機內潤滑油太多了。

3 根本原因確定

由于多種原因都能在壓縮機汽缸內產生液擊，為了確定導致液擊的根本原因，維修人員對整個空調系統(tǒng)進行了如下檢查。

（1）檢查熱力膨脹閥是否正常工作，過熱度設定是否符合要求；熱力膨脹閥不僅實現(xiàn)制冷劑從冷凝壓力至蒸發(fā)壓力的節(jié)流，同時控制制冷劑的流量；它的體積雖小，但作用大，它的工作好壞直接決定整個系統(tǒng)的工作質量。如果熱力膨脹閥未正常工作，容易導致蒸發(fā)器中制冷劑流量過大，液態(tài)制冷劑無法在蒸發(fā)器中充分蒸發(fā)。實際檢查確定熱力膨脹閥工作正常，其設定值滿足設計要求。

（2）檢查壓縮機上的油壓控制器、低壓控制器、高壓控制器是否正常工作，設定值是否符合要求；這些儀表的主要功能是保護壓縮機，如果這些儀表設定值偏高或者未正常工作，壓縮機本身將處于危險的工作狀態(tài)。檢查結果表明壓縮機上的保護儀表工作正常。

（3）檢查回風管路上的溫濕度傳感器是否正常工作，是否需要重新標定；該溫濕度傳感器用于檢測房間內溫濕度并將房間溫濕度狀態(tài)反饋給空調控制盤，控制盤中的PLC將根據(jù)這些溫濕度信號對壓縮機進行能級調節(jié)。如果該傳感器未正常工作，將導致反饋的房間溫濕度信息與實際房間內工況不符。當房間內部熱負荷較低時，壓縮機仍保持100%的功率運轉。房間熱負荷無法將蒸發(fā)器中的制冷劑完全蒸發(fā)，導致蒸發(fā)器表面凝霜。實際檢查確定溫濕度傳感器工作正常，其設定值滿足設計要求。

（4）檢查空調控制盤內置PLC的控制邏輯及房間溫濕度設定是否符合要求；由于該中央空調控制系統(tǒng)具備溫度和濕度控制功能，PLC的控制邏輯中需要對房間溫度和濕度進行綜合判斷，來調節(jié)壓縮機的運行功率。如果控制邏輯設置不合理，當房間溫度較低，但是濕度較大的情況下，壓縮機為了保證除濕效率，將繼續(xù)按照100%功率運行。實際檢查發(fā)現(xiàn)，由于巴西屬于熱帶氣候，近海區(qū)域氣候潮濕，空氣溫度處于29～36℃，濕度處于60%～90%。設計之初，電氣模塊的空調系統(tǒng)是按照當?shù)刈類毫拥沫h(huán)境溫度以及電氣模塊內部最高熱負荷工況進行的計算選型。而實際使用時，由于FPSO還未完全投產，電氣模塊內部的部分配電系統(tǒng)還未完成調試，電氣盤柜沒有全部投入使用，實際房間熱負荷不到設計熱負荷的50%。而且，為方便人員調試，電氣模塊長期處于開啟狀態(tài)。操作方將空調系統(tǒng)的室內設定溫度調節(jié)到14℃，室內設定濕度調節(jié)至50%。這種工況下，由于房間一直與外界環(huán)境連通，房間內濕度一直高于55%，壓縮冷凝單元中的2臺壓縮機一直處于100%的功率運行。而實際房間內溫度已經接近14℃，房間內的空氣溫度較低，無法滿足蒸發(fā)器中制冷劑的蒸發(fā)需求，制冷劑蒸發(fā)不充分，蒸發(fā)器表面出現(xiàn)凝霜現(xiàn)象。

（5）核對上一次系統(tǒng)的調試報告，確定壓縮機潤滑油及制冷劑的充注情況；根據(jù)上次調試簽署的報告情況，壓縮機潤滑油及制冷劑的充注量正常。

（6）檢查制冷系統(tǒng)抽真空停車邏輯，未發(fā)現(xiàn)邏輯異常。

（7）梳理制冷系統(tǒng)原理圖，即P&ID圖紙，核查系統(tǒng)設計缺陷；檢查發(fā)現(xiàn)制冷系統(tǒng)中未設置氣液分離器，存在安全隱患。

綜上所述，此類事故是由于系統(tǒng)實際運行工況與設計工況存在較大差異，空氣處理單元的蒸發(fā)器中制冷劑液體蒸發(fā)不充分，且制冷循環(huán)中未設置氣液分離器，液態(tài)制冷劑回流進壓縮機，在壓縮機汽缸內以液體形態(tài)被壓縮形成液擊，導致壓縮機損毀。

4 解決方案

為解決以上問題，維修人員采取了如下措施：在壓縮機吸氣端加設氣液分離器，用于貯存系統(tǒng)內未充分蒸發(fā)的液體制冷劑，防止液態(tài)制冷劑回流至壓縮機中稀釋氣缸內的潤滑油或形成液擊；對PLC中的系統(tǒng)控制邏輯進行升級。根據(jù)現(xiàn)場實際測量工況，重新寫入房間溫濕度與壓縮機能級調節(jié)的邏輯對應關系。當房間內處于低溫高濕情況時，PLC通過減少壓縮機運行數(shù)量并啟動管道內加熱器，以確保系統(tǒng)除濕的同時，房間溫度不會持續(xù)降低。在空氣處理單元的蒸發(fā)盤管上加裝溫度傳感器，溫度傳感器將蒸發(fā)盤管表面溫度傳輸至PLC，當蒸發(fā)盤管表面溫度低于10℃時，PLC將停止壓縮機的運轉，以防止蒸發(fā)盤管表面溫度過低而凝霜。在系統(tǒng)控制盤的PLC上增加無線傳輸模塊，通過無線網絡傳輸技術，將系統(tǒng)中各設備的運行狀況傳輸至互聯(lián)網上，維修人員可通過互聯(lián)網實時監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)，確保在系統(tǒng)出現(xiàn)異常時可以第一時間采取應對措施。維修人員在完成以上整改措施后，對中央空調系統(tǒng)進行了整體調試以及72小時連續(xù)運轉，未發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)異常。

參考文獻：

[1]郭慧敏．淺析活塞式壓縮機氣閥故障及設計分析[J]．科技與企業(yè) ,2013，(13):368．