羅芬激光器冷卻系統(tǒng)故障分析

楊海生 于洪喜 齊杰斌 鄭利元 宋錫友 馬建陽 高 超

(1：首鋼智新遷安電磁材料有限公司 河北省遷安市 064400； 2：首鋼股份公司遷安鋼鐵公司 河北省遷安市 064400)

1 前言

工業(yè)生產(chǎn)中，為保證設(shè)備能夠正常穩(wěn)定的運(yùn)行，必須對其運(yùn)行過程中產(chǎn)生的熱量進(jìn)行散發(fā)，目前常用的冷卻系統(tǒng)為水冷、風(fēng)冷和油冷三種方式，其中水冷方式因其對流換熱系數(shù)為空氣自然換熱系數(shù)的150倍以上，散熱效率極高而得到廣泛應(yīng)用[1]。

本文所述冷卻系統(tǒng)為首鋼遷鋼羅芬激光器冷卻系統(tǒng)，采用的即是以水作為冷媒，冷卻對象包括激光器光閘及能量吸收盒、功率傳感器、光路鏡片、前鏡后鏡、射頻管冷循環(huán)換熱器、諧振腔高壓極板、金剛石窗口鏡片、空間濾波器及外光路鏡片，由于激光束的高能量使上述元器件在運(yùn)行過程中產(chǎn)生大量的熱量，這些熱量將直接導(dǎo)致元器件的工作特性失效甚至損壞；該冷卻系統(tǒng)即是在循環(huán)過程中帶走激光器工作時的熱能，保證元器件的工作精密度，使激光器穩(wěn)定運(yùn)行；具有體積小，效率高，運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn)。

2 冷卻系統(tǒng)工作原理

2.1工作原理簡介

如圖1冷卻系統(tǒng)由壓縮機(jī)、風(fēng)冷冷凝器、熱力膨脹閥、盤管式蒸發(fā)器等組成，制冷劑的低壓蒸汽由壓縮機(jī)吸入，經(jīng)過壓縮變?yōu)楦邏赫羝?，送至冷凝器；同時軸流風(fēng)扇吸入的機(jī)箱外空氣流經(jīng)冷凝器，帶走氣態(tài)制冷劑的熱量，使高壓蒸汽凝結(jié)為高壓常溫液態(tài),過冷約5開爾文；該液態(tài)制冷劑經(jīng)膨脹閥毛細(xì)管節(jié)流降壓成為低壓低溫的濕蒸汽，制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)，在一定的蒸發(fā)壓力、蒸發(fā)溫度下汽化，從被冷卻對象即回水管路的熱水中吸收熱量，汽化后的低壓高溫蒸汽又被壓縮機(jī)抽出，如此往復(fù)循環(huán)將回水管路的熱量帶走，輸出冷源給設(shè)備，完成設(shè)備的冷卻。

圖1 水冷機(jī)制冷系統(tǒng)原理圖

2.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

2.2.1 溫度控制模式

羅芬激光器冷卻系統(tǒng)采用熱力膨脹閥和電磁閥配合的方式對溫度進(jìn)行控制，系統(tǒng)可以有效控制過熱度，并且可以在接近目標(biāo)值時打開電磁旁通閥，實(shí)現(xiàn)微量制冷逐漸接近目標(biāo)溫度，此種配置，可以對系統(tǒng)輸出冷量分段，但是在接近設(shè)定目標(biāo)值時，溫度常有微調(diào)現(xiàn)象，且由于比較難以控制系統(tǒng)溫度，系統(tǒng)啟停相對頻繁[2]。

2.2.2 盤管式蒸發(fā)器

設(shè)計(jì)為盤管式蒸發(fā)器，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，載冷劑容量大，冷量貯存多，熱穩(wěn)定性好。

由于形狀成螺旋狀，換熱面積可以做到十幾平方以上，而傳熱系數(shù)也很高，同時，由于蒸發(fā)流體的不斷沖刷作用使管能自由浮動，脹縮自如，因而不易結(jié)垢，若在長期使用過程中，積累了少量水(油)垢，通過管子的膨脹，將能實(shí)現(xiàn)自動脫垢，因而長期使用換熱能力下降不會太明顯，換熱效果良好。

傳熱特性：制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)吸熱后，達(dá)到該壓力下的飽和溫度時，在加熱表面形成許多汽泡，汽泡增大上升、破裂而達(dá)到沸騰。此狀態(tài)下制冷劑放熱系數(shù)和熱流密度隨溫差的增大而增大。

運(yùn)行中的蒸發(fā)器導(dǎo)致其性能降低的原因分析：

1)制冷劑供給不足：結(jié)霜嚴(yán)重或者風(fēng)速降低相當(dāng)于傳熱系數(shù)降低等原因，這是蒸發(fā)器性能曲線由Z1變?yōu)閆2，工況點(diǎn)由1變?yōu)?，則相應(yīng)的蒸發(fā)溫度t02(蒸發(fā)壓力p02)降低，制冷量q02變小。

2)蒸發(fā)器表面污垢過多，導(dǎo)致傳熱面積變小，則同樣導(dǎo)致制冷量q02變小。

3)如果壓縮機(jī)性能下降：性能曲線由C變?yōu)镃′，工況點(diǎn)1移至1′，則裝置蒸發(fā)溫度(蒸發(fā)壓力)提高，但制冷量也會下降。

2.2.3 防污防垢防腐設(shè)計(jì)

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中，最常見的問題是系統(tǒng)結(jié)垢、腐蝕、微生物污染。為解決該問題，該水冷機(jī)采用水箱內(nèi)添加某指定品牌殺菌劑和緩蝕劑。該緩蝕阻垢劑屬于有機(jī)磷酸鹽，是一種陰極緩蝕劑，主要通過多價螯合作用與鐵、鈣等金屬離子結(jié)合，在金屬表面形成一層抑制腐蝕作用的保護(hù)膜，并能防止鈣、鎂等離子結(jié)晶析出。

圖2 蒸發(fā)器性能曲線

2.2.4 霜凍保護(hù)

如果水冷機(jī)設(shè)計(jì)場所環(huán)境溫度低于5攝氏度，且無配套的防霜凍的設(shè)備時，則意味著有霜凍的可能，為解決該問題，水冷機(jī)在水箱內(nèi)設(shè)計(jì)有加熱裝置，將水溫控制在15攝氏度以上。

2.2.5 過熱度調(diào)節(jié)

采用蒸汽過熱度調(diào)整機(jī)構(gòu)熱力膨脹閥。它通過蒸發(fā)器出口蒸汽過熱度的大小調(diào)整熱負(fù)荷和供液量的匹配關(guān)系，以此控制節(jié)流孔的開度大小，實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)器供液量隨熱負(fù)荷變化而改變的調(diào)節(jié)機(jī)制。系統(tǒng)可以有效控制過熱度，并且可以在接近目標(biāo)值是打開電磁旁通閥，實(shí)現(xiàn)微量制冷逐漸接近目標(biāo)溫度。

2.2.6 冷凝器

采用風(fēng)冷翅片管式換熱器作為冷凝器。由等距且相互平行的翅片和與翅片垂直并按一定規(guī)律排列的管束組成。翅片側(cè)流體為空氣強(qiáng)迫對流換熱，管內(nèi)側(cè)流體為制冷劑冷凝換熱。

3 冷卻系統(tǒng)改造

水冷機(jī)承擔(dān)著為激光器光學(xué)元件冷卻的作用，需要為其輸出恒溫、恒壓、恒流的冷卻水，其運(yùn)行穩(wěn)定性尤為重要。但在實(shí)際應(yīng)用中，環(huán)境的不穩(wěn)定因素和設(shè)備設(shè)計(jì)與現(xiàn)場的不匹配性已經(jīng)嚴(yán)重影響其正常運(yùn)行。

如夏季廠房內(nèi)溫度過高，多次出現(xiàn)水冷機(jī)制冷劑壓力超范圍導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行故障；制冷效果差導(dǎo)致鏡片曲率發(fā)生變化，功率降低，激光焦點(diǎn)偏移等故障，鑒于這些情況特提出以下改造方案：

3.1 風(fēng)扇啟動方式優(yōu)化

原風(fēng)扇啟動方式為：當(dāng)控制器發(fā)出制冷指令時，壓縮機(jī)開始運(yùn)行，制冷劑回路壓力小于15bar時風(fēng)扇不啟動，大于18bar時，風(fēng)扇開始運(yùn)行，當(dāng)制冷劑回路壓力小于21bar時風(fēng)扇接線方式為星型接法，低速運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)壓力大于26bar時風(fēng)扇接線方式為三角型接法，高速運(yùn)轉(zhuǎn)。經(jīng)過長時間跟蹤，此種設(shè)計(jì)已不滿足現(xiàn)場使用要求，由于夏季廠房內(nèi)溫度高達(dá)40℃，且冷卻系統(tǒng)周邊設(shè)備較為密集，空氣對流差，若等制冷劑壓力滿足要求再使風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)則不能在短時間內(nèi)完成換熱，極易造成制冷劑壓力過高報(bào)警而導(dǎo)致機(jī)組停機(jī)。

經(jīng)過多次嘗試，對其啟動方式進(jìn)行優(yōu)化：取消制冷劑回路壓力大于18bar時風(fēng)扇再啟動的設(shè)計(jì)，改為：風(fēng)扇與壓縮機(jī)同步啟動。

經(jīng)過跟蹤，改造后，大幅提高冷卻系統(tǒng)與大氣的強(qiáng)制對流能力和對流速度，制冷效果顯著。

3.2新型冷凝器濾網(wǎng)

冷凝器主要熱阻在空氣側(cè)，空氣側(cè)的換熱性能決定了整個冷凝器的性能，而現(xiàn)場水冷機(jī)周邊灰塵較多，尤其在春夏季節(jié)會有大量柳絮附著在冷凝器上，導(dǎo)致迎面風(fēng)速不均勻甚至堵塞，造成溫度場的不均勻，進(jìn)而導(dǎo)致?lián)Q熱效率的降低；原有濾網(wǎng)為棉質(zhì)材料，厚度大，透氣性差且不易清掃更換。

新型濾網(wǎng)為雙層紡織纖維濾網(wǎng)，篩孔增大，濾網(wǎng)四周用金屬條固定且設(shè)計(jì)有易拆裝鎖扣。

新型濾網(wǎng)較原有設(shè)計(jì)優(yōu)勢明顯：

1)取代傳熱能力差的棉質(zhì)材料，采用纖維材質(zhì)，可重復(fù)清洗循環(huán)利用，經(jīng)濟(jì)性高，使用壽命長；

2)篩孔增大，透氣性更好，低壓損，增加空氣對流面積，且不易堵塞，易于清掃；

3)濾網(wǎng)厚度由原5mm改為1mm，增強(qiáng)傳熱能力；

4)設(shè)計(jì)易拆裝鎖扣更利于日常清掃更換。

3.3水過濾器升級

設(shè)備的冷卻效果好壞取決于冷卻水溫和流量 ,當(dāng)管道設(shè)計(jì)安裝定型后,冷卻水流量的大小完全取決于水的壓力。而現(xiàn)場管路沒有可視化的壓力表，讓維護(hù)人員對冷卻水壓力無從把握。

升級版的水過濾器即是在原有反沖洗過濾器的基礎(chǔ)上增加溫度表和出水壓力表，實(shí)現(xiàn)維護(hù)人員在點(diǎn)巡檢過程中可實(shí)時查看溫度和壓力，把握冷卻水狀態(tài)。

4 冷卻系統(tǒng)維護(hù)

設(shè)備維護(hù)機(jī)制的不完善是導(dǎo)致設(shè)備故障的重要因素，結(jié)合現(xiàn)場人員配置和設(shè)備周邊環(huán)境情況特制定如下維護(hù)方法：

1)維護(hù)人員固定化，避免員工對設(shè)備知識和維護(hù)工作能力的殘次不齊；保證維護(hù)隊(duì)伍的技術(shù)水平；

2)制定科學(xué)的點(diǎn)檢標(biāo)準(zhǔn)，點(diǎn)檢周期，充分利用維護(hù)單位的工作機(jī)制對冷卻系統(tǒng)工作狀態(tài)進(jìn)行細(xì)致跟蹤，避免低級故障發(fā)生；

3)制定備件周期性更換計(jì)劃，并嚴(yán)格執(zhí)行，將備件損壞導(dǎo)致的故障停機(jī)率降到最低；

4)春夏季節(jié)設(shè)備周邊存在大量柳絮，極易造成冷凝器濾網(wǎng)堵塞，將冷卻系統(tǒng)維護(hù)工作按季節(jié)分別制定執(zhí)行，既保證設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行又不增加維護(hù)人員的工作負(fù)擔(dān)；其中主要包括：春夏季節(jié)增

大冷凝器濾網(wǎng)清掃更換頻率和增大冷凝器及水冷機(jī)內(nèi)部壓縮空氣深度吹掃項(xiàng)目；

5)設(shè)備的長期使用，使水箱內(nèi)壁及盤式蒸發(fā)器表面產(chǎn)生頑固性污垢，針對此情況定期進(jìn)行高壓水槍清洗，保證水箱內(nèi)清潔。

5 結(jié)束語

分析了羅芬激光器冷卻系統(tǒng)工作原理及結(jié)構(gòu)，并對實(shí)際應(yīng)用中常見問題提出了合理化的改造和針對性的維護(hù)方法，為現(xiàn)場人員對羅芬激光器冷卻系統(tǒng)的維護(hù)提供了參考。