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。根據業主要求，該空調系統中使用了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流，轉變為低溫低壓的制冷劑液體，隨后在空氣處理單元的蒸發器中完成與空氣的換熱，帶走空氣的熱量，從而實現制冷循環。在氣候惡劣的巴西，曾發生過一次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，FPSO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一直出現高溫報警，智能控制系統自動停止出現故障的機組，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進行了調試。電氣模塊恢復正常運行，FPSO順利離港作業。3個月后，使用方再次反饋電氣模塊的中央空調系統出現高溫報警同時伴有低油壓報警，整個中央空調系統再次故障停機。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，發現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，發現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。發生液擊，表明系統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器中的液態制冷劑或者潤滑油通過吸氣管路回到壓縮機的現象或過程。當制冷系統中的制冷劑無法在蒸發器中與室內空氣形成充分換熱并蒸發成高溫氣體時，將保持液體狀態隨系統回流至壓縮機氣缸中。如蒸發器表面結霜嚴重時，蒸發器表面傳熱效率降低，導致制冷劑無法與空氣充分換熱，制冷劑蒸發不充分，未蒸發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，這些液態制冷劑開始急劇沸騰，導致潤滑油出現起泡現象。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器中的氣壓，蒸發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。當系統短時間停機后時，維持曲軸箱加熱器通電，可以使潤滑油溫度略高于系統其它部位，制冷劑遷移不會發生。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制冷劑從冷凝壓力至蒸發壓力的節流，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的工作質量。如果熱力膨脹閥未正常工作，容易導致蒸發器中制冷劑流量過大，液態制冷劑無法在蒸發器中充分蒸發。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。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反饋給空調控制盤，控制盤中的PLC將根據這些溫濕度信號對壓縮機進行能級調節。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器中的制冷劑完全蒸發，導致蒸發器表面凝霜。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，將繼續按照100%功率運行。實際檢查發現，由于巴西屬于熱帶氣候，近海區域氣候潮濕，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是按照當地最惡劣的環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。操作方將空調系統的室內設定溫度調節到14℃，室內設定濕度調節至50%。這種工況下，由于房間一直與外界環境連通，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，無法滿足蒸發器中制冷劑的蒸發需求，制冷劑蒸發不充分，蒸發器表面出現凝霜現象。

（5）核對上一次系統的調試報告，確定壓縮機潤滑油及制冷劑的充注情況；根據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）檢查制冷系統抽真空停車邏輯，未發現邏輯異常。

（7）梳理制冷系統原理圖，即P&ID圖紙，核查系統設計缺陷；檢查發現制冷系統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器中制冷劑液體蒸發不充分，且制冷循環中未設置氣液分離器，液態制冷劑回流進壓縮機，在壓縮機汽缸內以液體形態被壓縮形成液擊，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，用于貯存系統內未充分蒸發的液體制冷劑，防止液態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中的系統控制邏輯進行升級。根據現場實際測量工況，重新寫入房間溫濕度與壓縮機能級調節的邏輯對應關系。當房間內處于低溫高濕情況時，PLC通過減少壓縮機運行數量并啟動管道內加熱器，以確保系統除濕的同時，房間溫度不會持續降低。在空氣處理單元的蒸發盤管上加裝溫度傳感器，溫度傳感器將蒸發盤管表面溫度傳輸至PLC，當蒸發盤管表面溫度低于10℃時，PLC將停止壓縮機的運轉，以防止蒸發盤管表面溫度過低而凝霜。在系統控制盤的PLC上增加無線傳輸模塊，通過無線網絡傳輸技術，將系統中各設備的運行狀況傳輸至互聯網上，維修人員可通過互聯網實時監控系統狀態，確保在系統出現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，對中央空調系統進行了整體調試以及72小時連續運轉，未發現系統異常。

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 ,2013，(13):368．