船用R134A分體空調(diào)連續(xù)運(yùn)行穩(wěn)定性提升

宋力威，尹國(guó)占，孟才植

（中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司，天津，300450）

0 引言

海洋石油平臺(tái)是我國(guó)海洋石油開采的核心設(shè)施，但由于其遠(yuǎn)離陸地的特殊作業(yè)條件，環(huán)境濕度大、作業(yè)空間狹小，對(duì)平臺(tái)設(shè)備設(shè)施及工作人員健康影響極大。同時(shí)房間設(shè)備分布密集，散熱量大，空氣含鹽量較高，如果僅使用風(fēng)機(jī)進(jìn)行散熱無法滿足設(shè)備正常工作環(huán)境，導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行異常，縮短使用壽命，因此空調(diào)系統(tǒng)對(duì)于海洋石油平臺(tái)的作用是不可替代的。

由于海洋石油平臺(tái)分體空調(diào)需長(zhǎng)期不間斷連續(xù)運(yùn)行，并且冬季環(huán)境惡劣，易出現(xiàn)風(fēng)機(jī)頻繁啟停、震動(dòng)高、制冷劑管線容易破損漏氟、熱交換過度等問題，此外平臺(tái)部分室內(nèi)、外機(jī)管線過長(zhǎng)、高度落差大，空調(diào)制冷效果不佳，因此對(duì)于提升船用R134A分體空調(diào)連續(xù)運(yùn)行的穩(wěn)定性是十分有必要的。

1 分體空調(diào)結(jié)構(gòu)及原理

隨著科技的提升，空調(diào)在海洋石油平臺(tái)上的使用越來越廣泛，分為：中央空調(diào)、分體空調(diào)。而分體空調(diào)又分為壁掛式、吊頂式、嵌入式和立柜式空調(diào)等[1]，由四部分組成：制冷系統(tǒng)、風(fēng)路系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和箱體和面板[2]，主要包含壓縮機(jī)、儲(chǔ)液罐、蒸發(fā)器、冷凝器、膨脹閥、電磁閥、供液過濾器、軸流風(fēng)機(jī)以及控制電路等部件。

船用分體空調(diào)制冷劑常用R134A，其工作原理為壓縮機(jī)將氣態(tài)的制冷劑壓縮為高溫高壓的液態(tài)制冷劑，然后在冷凝器內(nèi)散熱成為低溫高壓的液態(tài)制冷劑，通過室內(nèi)外機(jī)冷媒管線循環(huán)到室內(nèi)在膨脹閥、毛細(xì)管的作用下氣化為低溫低壓的氣態(tài)制冷劑，最后在蒸發(fā)器內(nèi)吸收室內(nèi)空氣中的熱量吹出冷風(fēng)制冷。

圖1 分體空調(diào)系統(tǒng)原理圖

2 分體空調(diào)性能提升方案

在海洋石油平臺(tái)上，分體空調(diào)由于工作環(huán)境限制需要長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行，易出現(xiàn)各種各樣的問題，對(duì)于設(shè)備設(shè)施的正常運(yùn)行造成極大的影響，因此需要對(duì)分體空調(diào)采取相應(yīng)的改造措施。

2.1 縮短室內(nèi)外機(jī)制冷劑管線長(zhǎng)度調(diào)整高度落差

海洋石油平臺(tái)環(huán)境復(fù)雜，部分分體空調(diào)室內(nèi)、外機(jī)連接管線較長(zhǎng)、高度落差較大，會(huì)增大制冷劑在管線中流動(dòng)的阻力，產(chǎn)生不同程度的壓降，對(duì)分體空調(diào)壓縮機(jī)功率、制冷劑溫度、壓力等都會(huì)造成影響，降低分體空調(diào)的制冷效果[3]。

船用R134A分體空調(diào)的冷媒管線共有兩根，一根低壓氣態(tài)管線，一根高壓液態(tài)管線。高壓管線通過膨脹閥連接蒸發(fā)器，內(nèi)部制冷劑以液體為主，低壓管線通過壓縮機(jī)與冷凝器連接，內(nèi)部制冷劑以氣態(tài)為主。制冷劑在管線內(nèi)循環(huán)產(chǎn)生的阻力包括水平管線的沿程阻力、垂直管線的靜壓降和管線彎頭、接口等造成的局部阻力（局部阻力較小忽略不計(jì)）。

制冷劑的沿程阻力和靜壓降算法如下：

其中：P1為水平阻力，P2為垂直阻力，f為管線沿程阻力系數(shù)，u為制冷劑平均流速，qm為制冷劑質(zhì)量流量，Re為雷諾系數(shù)，v制冷劑比熱容,ρ為制冷劑密度，l為管長(zhǎng),d為管內(nèi)直徑[4]。

根據(jù)圖2可知，制冷劑管線越長(zhǎng)、高度落差越大制冷劑壓降越大，其中70米水平管的壓降是15米管的6.15倍，5米垂直管的壓降是3米管的1.82倍。

圖2 制冷劑管線長(zhǎng)度與壓降變化情況

在實(shí)際安裝過程中空調(diào)水平管應(yīng)不超過20m,垂直管落差不超過10m，并減少制冷劑管線局部彎曲、接頭等情況，減小制冷劑的壓降，提升分體空調(diào)制冷效率。

2.2 降低冷凝器熱交換提升低溫制冷性能

家用分體空調(diào)通常在夏季高溫時(shí)下才啟動(dòng)制冷模式，但渤海石油平臺(tái)房間設(shè)備散熱較大，冬季低溫的情況下仍需要進(jìn)行房間制冷，此時(shí)冷凝器換熱環(huán)境惡劣，制冷劑散熱快，冷凝壓力急劇降低，大量制冷劑聚集在冷凝器中導(dǎo)致循環(huán)量減少，制冷能力衰減嚴(yán)重，解決分體空調(diào)低溫制冷效果不佳問題的核心在于降低冷凝器熱交換能力。

冷凝器對(duì)流換熱系數(shù)計(jì)算公式為：

其中，h為冷凝器對(duì)流換熱系數(shù)，V為冷凝翅片最窄處空氣流速，D為直徑當(dāng)量，v為空氣運(yùn)動(dòng)粘度，Re為雷諾系數(shù)，n為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)（n＜1）[5]。

根據(jù)式（6）可知，采取降低空氣流速的方法以減小冷凝器對(duì)流換熱系數(shù)，提高冷凝溫度和蒸發(fā)溫度。

2.2.1 添加百葉窗擋風(fēng)裝置

如圖所示，在冷凝器外側(cè)安裝百葉窗擋風(fēng)裝置，根據(jù)氣溫變化調(diào)節(jié)百葉窗翅片開度，增強(qiáng)冷凝器外側(cè)進(jìn)風(fēng)阻力，降低空氣流速，在其他條件不變的情況下，減小對(duì)流換熱系數(shù)h，防止制冷劑快速散熱，提高冷凝溫度。

圖3 百葉窗擋風(fēng)裝置示意圖

百葉窗擋風(fēng)裝置安裝便捷，在緩解分體空調(diào)冬季制冷效率低的同時(shí)有效防止冷凝翅片處灰塵聚集導(dǎo)致臟堵，減少空調(diào)維護(hù)保養(yǎng)頻率。

2.2.2 限制室外風(fēng)機(jī)啟動(dòng)頻率

單位時(shí)間流過冷凝翅片的風(fēng)量越大，冷凝器換熱越充分，因此室外風(fēng)機(jī)啟動(dòng)加速換熱是造成冬季制冷效果不佳的重要原因。目前海洋平臺(tái)使用的分體空調(diào)一般為定頻風(fēng)機(jī)，如果采用變頻或變壓調(diào)速的方法，電路改造復(fù)雜，成本較高，因此優(yōu)先采用限制室外風(fēng)機(jī)啟動(dòng)頻率的方法。

在室外機(jī)控制板中串入溫度開關(guān)控制電路，通過冷凝翅片溫度變化控制風(fēng)機(jī)的啟停，手動(dòng)設(shè)置溫控器動(dòng)作值，當(dāng)檢測(cè)溫度低于設(shè)定值時(shí)，抑制風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，采用自然散熱對(duì)冷凝器進(jìn)行降溫；當(dāng)檢測(cè)溫度高于設(shè)定值時(shí)，溫度開關(guān)常開觸點(diǎn)閉合，啟動(dòng)風(fēng)機(jī)進(jìn)行強(qiáng)制降溫。

圖4 室外風(fēng)機(jī)改造示意圖

通過限制風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)頻率，增大冷凝壓力和蒸發(fā)壓力，達(dá)到提升空調(diào)低溫制冷的效果。此外，采用降低風(fēng)機(jī)啟動(dòng)頻率的方法，不僅可以在低溫環(huán)境下使用，也可以長(zhǎng)期保持。壓縮機(jī)啟動(dòng)時(shí)，冷凝器溫度在10～50℃變化，可根據(jù)氣溫變化，改變溫度開關(guān)設(shè)定值，防止風(fēng)機(jī)頻繁啟動(dòng)，在一定程度上降低室外機(jī)震動(dòng)，避免空調(diào)內(nèi)部軟管或管線焊接薄弱處破損導(dǎo)致制冷劑泄漏，減少空調(diào)故障。

2.3 安裝氣液分離器延長(zhǎng)壓縮機(jī)使用壽命

在空調(diào)運(yùn)行時(shí)，低溫高壓的液態(tài)制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)吸熱蒸發(fā)形成高溫低壓的汽態(tài)制冷劑，但往往在實(shí)際運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)制冷劑無法完全蒸發(fā)的現(xiàn)象，未完全蒸發(fā)的制冷劑在壓縮機(jī)內(nèi)部迅速升溫膨脹，使得壓縮機(jī)氣缸壓力驟增，產(chǎn)生液擊造成壓縮機(jī)內(nèi)部出現(xiàn)不同程度的損傷，甚至嚴(yán)重?fù)p壞。

為盡可能的避免液擊，保證壓縮機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，在壓縮機(jī)吸氣口加裝氣液分離器，防止液態(tài)制冷劑進(jìn)入壓縮機(jī)，同時(shí)為溢流而出的液態(tài)制冷劑提供臨時(shí)的儲(chǔ)存空間，降低壓縮機(jī)的故障率，保證空調(diào)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的穩(wěn)定性。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，安裝氣液分離器后壓縮機(jī)壽命可以延長(zhǎng)2～3年，具有實(shí)際意義。

2.4 噴涂防腐材料防止制冷劑泄漏

分體空調(diào)常采用銅或銅鋁合金作為制冷劑管線和冷凝器原料，其耐腐蝕性能較鋁好。但海風(fēng)中含有大量NaCl粒子，部分油田還存在微量HS2氣體，隨著空氣流動(dòng)逐漸吸附沉積至銅管和冷凝器上。當(dāng)分體空調(diào)運(yùn)行時(shí)會(huì)在銅管和冷凝器上產(chǎn)生冷凝水，溶解NaCl產(chǎn)生Cl-，Cl-半徑小并且穿透性強(qiáng)，易破壞銅表面的氧化膜形成點(diǎn)蝕源，在電化學(xué)腐蝕的作用下產(chǎn)生CuCl，CuCl發(fā)生水解產(chǎn)生HCl進(jìn)一步加重腐蝕，導(dǎo)致制冷劑泄漏[6]。

為防止管線、冷凝器點(diǎn)蝕可以在銅管和冷凝器表面噴涂銅管緩蝕劑（如苯駢三氮唑、甲基苯駢三氮唑緩蝕劑）形成一層或者多層保護(hù)膜，延長(zhǎng)管線和冷凝器的使用壽命。

3 小結(jié)

通過對(duì)分體空調(diào)主要故障問題和工作原理分析，針對(duì)性的采取相應(yīng)措施，減少室內(nèi)外機(jī)管線長(zhǎng)度、高度落差、串入溫度開關(guān)控制電路、安裝百葉窗、噴涂銅管緩蝕劑等，降低分體空調(diào)故障率，提升分體空調(diào)連續(xù)運(yùn)行的穩(wěn)定性，維持房間設(shè)備的最佳工作環(huán)境，保障海洋石油的正常開采。

（1）結(jié)合實(shí)際展開分析，采取針對(duì)性措施

結(jié)合渤海油田分體空調(diào)實(shí)際使用情況，對(duì)分體空調(diào)的報(bào)警和故障進(jìn)行詳細(xì)分析并鎖定根本原因，突破常規(guī)，有針對(duì)性的采取措施，有效降低了空調(diào)故障率。

（2）設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)潔有效，改造安裝實(shí)施便捷

依托平臺(tái)分體空調(diào)自身硬件，完成相關(guān)優(yōu)化性改造。在設(shè)計(jì)上大膽創(chuàng)新，簡(jiǎn)潔有效，避免大改大造，施工成本低，將降本增效的理念運(yùn)用于實(shí)際。

（3）現(xiàn)場(chǎng)操作簡(jiǎn)單，實(shí)際效果穩(wěn)定

在分體空調(diào)運(yùn)行時(shí)，只需根據(jù)環(huán)境溫度調(diào)節(jié)百葉窗翅片角度及溫度開關(guān)設(shè)定值，便可以極大提升空調(diào)冬季制冷的效果，維持房間溫度恒定，減少人員維護(hù)保養(yǎng)和故障維修的次數(shù)，并對(duì)渤海其他油田分體空調(diào)性能提升改造具有實(shí)際意義。