船舶制冷裝置的常見故障和排除

汪永鑫 余恒宇 廣東海洋大學(xué)海運學(xué)院

孔建華 趙志強(qiáng) 廣東海洋大學(xué)海運學(xué)院 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實驗室(湛江)

作為現(xiàn)代船舶系統(tǒng)的重要組成部分之一，船舶制冷裝置在確保船舶系統(tǒng)的正常運行起著著至關(guān)重要的作用。船舶制冷裝置面臨著高維修和管理的要求。當(dāng)船舶制冷裝置發(fā)生故障時，如果采取的措施不及時或者不正確，將不可避免地影響貨物質(zhì)量與全船人員的生活和工作效率，更有甚者將會面臨重大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，確保船舶制冷裝置的有效運行對保證船員工作效率，降低運行成本，提高船舶運輸經(jīng)濟(jì)性具有重要意義。

在國外，船舶制冷裝置多為離心式制冷機(jī)組；而在國內(nèi)，大部分采用活塞連桿式冷水機(jī)組，并采用氟利昂作為制冷工質(zhì)。在船舶制冷系統(tǒng)設(shè)備運行中，由于工況的異常變化，設(shè)備部件制造不夠科學(xué)以及輪機(jī)員操作管理不當(dāng)，會致使制冷裝置在運行過程中發(fā)生故障。

若不及時發(fā)現(xiàn)并消除故障，制冷系統(tǒng)將出現(xiàn)制冷能力下降、能耗增加以及能耗比顯著降低的情況。同時影響船舶制冷裝置的正常運行。

1.船舶制冷裝置基本原理及組成

船舶制冷是一個復(fù)雜的熱力系統(tǒng)，具有多變量、多狀態(tài)、參數(shù)變化大、易被干擾、強(qiáng)耦合、強(qiáng)時變、時滯長等特點。圖1是其工作原理示意圖。我國大部分船舶制冷裝置采用蒸汽壓縮式制冷的方法，該制冷系統(tǒng)主要由壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器和膨脹閥四大部件組成。制冷工質(zhì)在不同的部件中呈現(xiàn)不同的狀態(tài)。本文主要是研討蒸汽壓縮式制冷裝置的常見故障分析和排除方法。

圖1 蒸汽壓縮式制冷原理圖

2.壓縮機(jī)常見故障及排除

船舶制冷裝置的壓縮機(jī)是實現(xiàn)制冷循環(huán)的核心部件，它是制冷裝置的動力源。由于工作條件惡劣，是船舶制冷裝置發(fā)生故障的主要部位。壓縮機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為壓力能傳遞給制冷工質(zhì)，使之能夠連續(xù)不斷地在制冷系統(tǒng)中進(jìn)行循環(huán)工作，其工作性能的好壞直接決定了制冷裝置的制冷劑流量、工作效率和制冷量。

2.1 壓縮機(jī)啟停頻繁

船舶制冷系統(tǒng)采用一機(jī)多庫運轉(zhuǎn)模式，制冷壓縮機(jī)啟停頻繁是制冷裝置的常見故障。若壓縮機(jī)在短時間內(nèi)出現(xiàn)多次啟停的現(xiàn)象，每小時的平均啟停次數(shù)遠(yuǎn)超過正常值，就會極大地?fù)p害了壓縮機(jī)的可靠性和使用壽命，降低其制冷效果。常見故障主要從四個方面進(jìn)行研究。

（1）低壓繼電器幅差值過小。低壓繼電器是以壓縮機(jī)低壓側(cè)（吸口處）的壓力為控制信號，如果低壓繼電器上下限幅差值過小會造成低壓繼電器頻繁接通和斷開，從而引起制冷壓縮機(jī)啟停頻繁。

該故障排除的具體方法為：參照壓縮機(jī)的吸入壓力表合理地調(diào)節(jié)低壓繼電器的幅差值，在制冷裝置運行過程中，首先將主調(diào)彈簧調(diào)節(jié)到合適位置以設(shè)定上限值，然后根據(jù)壓縮機(jī)實際運行狀態(tài)，以實測數(shù)值為標(biāo)準(zhǔn)調(diào)節(jié)幅差彈簧，根據(jù)上限值與幅差值的差值得到下限值。定期檢查低壓繼電器的參數(shù)和工作狀態(tài)，以免上限值太低，下限值太高，始終保持低壓繼電器的上下限在調(diào)定范圍內(nèi)。

（2）壓縮機(jī)內(nèi)部或安全閥漏泄。船舶在不同的航區(qū)航行時，冷卻水溫度和外界溫度變化極大，造成制冷劑流量不穩(wěn)定。壓縮機(jī)在這種狀況下運行時，高低壓閥片會因為長時間處于交變應(yīng)力下導(dǎo)致過度磨損、疲勞變形甚至斷裂，從而引起壓縮機(jī)內(nèi)部制冷劑從高壓側(cè)向低壓側(cè)漏泄。安全閥漏泄則是因為某一突發(fā)故障導(dǎo)致安全閥動作，導(dǎo)致安全閥無法重新關(guān)緊而產(chǎn)生漏泄。這兩種漏泄都會引起壓縮機(jī)啟停頻繁的故障。

該故障的解決方法為：對已經(jīng)損害的高低壓閥片根據(jù)壓縮機(jī)使用說明書上的規(guī)格進(jìn)行更換，應(yīng)值得注意的是，壓縮機(jī)高低壓閥的閥座和閥片是一對偶件，需要同時更換；對于安全閥漏泄可以觀察安全閥是否可以修復(fù)，若不行，則更換同樣規(guī)格的安全閥。另外，也可以從設(shè)計制造和選材方面進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)。

（3）滑油分離器回油閥泄漏。回油閥長期處于排出口的高壓狀態(tài)下工作，致使回油針閥與閥座被高壓滑油長時間沖刷而磨損嚴(yán)重，從而導(dǎo)致回油閥泄漏。回油閥嚴(yán)重泄漏時，油壓損失過大，從而導(dǎo)致在壓縮機(jī)停機(jī)狀態(tài)下高壓制冷劑漏泄進(jìn)入曲軸箱，最終引起壓縮機(jī)啟停頻繁。

排除該故障的方法為：檢查回油針閥與閥座的磨損情況，如果磨損較輕微時，可重新研磨后安裝；如果磨損較為嚴(yán)重時，可根據(jù)說明書更換相同規(guī)格的回油閥。另外可采用圖2所示管路來防止因滑油分離器回油閥泄漏造成的壓縮機(jī)啟停頻繁。管路上的電磁閥的通斷與壓縮機(jī)密切相關(guān)，開啟時，電磁閥隨著壓縮機(jī)啟動延時20～30min開啟，關(guān)閉時，隨著壓縮機(jī)停機(jī)而關(guān)閉。

圖2 滑油分離器的回油管路

（4）制冷裝置臟堵。制冷裝置經(jīng)過長期工作后，由于設(shè)備運動部件的相互摩擦、滑油的氧化分解等其他作用下分解生成酸性物質(zhì)、固體雜質(zhì)、金屬顆粒或其他雜質(zhì)污物，引起系統(tǒng)管路出現(xiàn)局部的臟堵，造成制冷裝置的制冷劑通過膨脹閥時流量降低，從而引起壓縮機(jī)啟停頻繁的故障。另外，制冷裝置的油濾器在長期工作后會出現(xiàn)油臟堵，使回油困難造成油壓損失過大，導(dǎo)致壓縮機(jī)油壓力難以建立，也會引起壓縮機(jī)的啟停頻繁。

解決該故障對策為：在制冷裝置使用管理過程中,注意檢查相關(guān)運動部件的工作狀況，制定符合使用說明書和實際情況的維護(hù)保養(yǎng)計劃；定期拆卸并清洗干燥器和油濾器，然后用干燥的壓縮空氣進(jìn)行干燥，干燥器換上新的硅膠干燥劑，以確保系統(tǒng)管路暢通無阻；注意定期檢查曲軸箱中的滑油質(zhì)量，并在發(fā)現(xiàn)變質(zhì)時及時更換，以防止使用時間過長使滑油氧化變質(zhì)產(chǎn)生油垢而堵塞系統(tǒng)。

2.2 壓縮機(jī)運轉(zhuǎn)時間過長

該情況意味著壓縮機(jī)長時間運行卻無法確保冷庫溫度下降到標(biāo)定溫度，其根本原因在于制冷裝置制冷量不足或冷庫的熱負(fù)荷過大。可簡要分為以下三方面。

（1）制冷量不足。制冷劑不足和膨脹閥開度不足會造成制冷劑的循環(huán)量降低，導(dǎo)致制冷劑進(jìn)入蒸發(fā)器的流量減少。此時，壓縮機(jī)的吸入壓力和排出壓力都低于壓力繼電器的設(shè)定值，壓縮機(jī)長時間運轉(zhuǎn)而冷庫溫度卻仍然無法降下來，甚至引起壓縮機(jī)啟停頻繁。圖3所示為蒸發(fā)器出口過熱度與膨脹閥開度的關(guān)系，膨脹閥的開度在額定流量開度范圍內(nèi)，吸氣過熱度與膨脹閥開度成正比，當(dāng)膨脹閥開度大于額定流量開度時，吸氣過熱度會迅速上升。如果是因為制冷劑不足引起故障的話，制冷劑在蒸發(fā)器出口的過熱度則是高于正常水平。由此可以判斷制冷裝置的制冷能力下降的原因。

圖3 吸氣過熱度與膨脹閥開度的關(guān)系

這種故障的解決方法為：首先需要判斷是由于何種因素引起的制冷量不足，將膨脹閥前的截止閥關(guān)閉，手動開啟旁通調(diào)節(jié)閥，如果壓縮機(jī)運轉(zhuǎn)時間過長的現(xiàn)象消除，則可判斷出該故障是由膨脹閥開度過小所引起的，這樣可以針對膨脹閥是否發(fā)生臟堵、冰塞或其他雜物造成的開度不足進(jìn)行故障排除。若是由于制冷劑不足引發(fā)的壓縮機(jī)運轉(zhuǎn)時間過長可通過補(bǔ)充制冷劑即可排除，在添加制冷劑時要注意需要虛接防止空氣進(jìn)入系統(tǒng)。

（2）冷庫的熱負(fù)荷過大。常見原因有：①冷庫門的密封條損壞或者年久失修引起庫門過度變形導(dǎo)致庫門關(guān)閉不嚴(yán)，這將引起內(nèi)部與外界產(chǎn)生熱交換，使進(jìn)入冷庫的熱量異常增加；②冷庫的保溫隔熱材料經(jīng)過長時間使用會出現(xiàn)變質(zhì)或者受淡、海水侵蝕而受潮，以及選擇的保溫隔熱材料種類不當(dāng)。這些都會削弱冷庫的隔熱性能，使?jié)B入冷庫的熱量異常增加；③冷庫進(jìn)貨量過多，導(dǎo)致冷庫顯熱負(fù)荷增加。

此類故障的排除方法為：若是由①引起的故障可以對庫門進(jìn)行維修以及加強(qiáng)日常維護(hù)管理工作，多注意庫門密封條的使用狀況，必要時及時更換；由②引起的故障必須著重考慮保溫隔熱材料的隔熱性能，保溫隔熱材料變質(zhì)或是受潮時，應(yīng)及時進(jìn)行干燥處理，必要時進(jìn)行更換；由③引起的故障需要對冷庫的制冷量和熱負(fù)荷有一定的認(rèn)知，合理地根據(jù)冷庫的貨物數(shù)量，適當(dāng)?shù)奶岣呃鋷鞙囟仍O(shè)定值，并在制冷裝置穩(wěn)定運行后再調(diào)整為正常值。

（3）控制元件失靈。船舶制冷裝置存在三個控制元件：低壓繼電器、溫度繼電器及供液電磁閥。一般而言，當(dāng)冷庫溫度下降到設(shè)定值時，各供液電磁閥將同時關(guān)閉，壓縮機(jī)的吸入壓力將隨之下降至停車的設(shè)定值，即低壓繼電器動作使壓縮機(jī)停車。如果控制元件失靈，即使冷庫溫度降到設(shè)定值，制冷壓縮機(jī)也會因為控制元件無動作而始終無法正常停車。

此類故障的排除方法為：Ⅰ.檢查溫度繼電器和低壓繼電器的設(shè)定值是否在設(shè)定范圍內(nèi)，如果不在設(shè)定范圍內(nèi)則調(diào)節(jié)至使用說明書上規(guī)定的數(shù)值；Ⅱ.檢查溫度繼電器和低壓繼電器工作是否正常，若有異常進(jìn)行維修，如果損壞嚴(yán)重進(jìn)行更換；Ⅲ.檢查供液電磁閥的閥芯與閥座是否過度磨損或者堵塞，造成電磁閥關(guān)閉不嚴(yán)，若存在應(yīng)該對電磁閥進(jìn)行清洗，必要時可以更換電磁閥的閥芯和閥座。

2.3 液擊

制冷裝置在運行期間，液態(tài)冷劑或滑油隨著氣體以較高速度被吸入制冷壓縮機(jī)的氣缸內(nèi)時，在高速沖擊下產(chǎn)生瞬間高液壓力，吸排閥片、活塞、曲軸等重要部件產(chǎn)生變形乃至損壞。液擊，是制冷壓縮機(jī)的致命殺手。

一般來說，形成液擊的主要來源有以下幾種。

（1）壓縮機(jī)的回液。通常回液與膨脹閥的設(shè)定密切相關(guān)，膨脹閥開度過大、吸氣過熱度設(shè)定值過小、感溫包安裝位置不當(dāng)以及膨脹閥失靈都有可能造成回液。

此類故障的排除方法為：通過安裝氣液分離器在制冷系統(tǒng)的回氣管路中，對氣態(tài)制冷劑和液態(tài)制冷劑進(jìn)行分離，保證進(jìn)入壓縮機(jī)的制冷劑是氣態(tài)制冷劑。合理選用型號合適的膨脹閥，吸氣過熱度根據(jù)實際運行狀況設(shè)定，保證制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)完全蒸發(fā)為氣體。

（2）壓縮機(jī)帶液啟動。壓縮機(jī)啟動會造成壓力突降，這將導(dǎo)致溶解在滑油中的制冷劑劇烈沸騰，滑油形成大量的泡沫漂浮在油面上，甚至將曲軸箱充滿。一旦這些滑油泡沫被吸入氣缸,泡沫會在高壓下重新恢復(fù)為液體，從而引起液擊。

此類故障的排除方法為：盡量選用與滑油不兼容的制冷劑，以減少形成大量泡沫的可能。此外，在壓縮機(jī)啟動之前，使用油加熱器預(yù)熱曲軸箱的滑油，以降低制冷劑在滑油中的溶解量，從而減少壓縮機(jī)帶液啟動的危害。

（3）壓縮機(jī)滑油過多。如果壓縮機(jī)滑油添加過多，將導(dǎo)致曲軸箱油位過高。當(dāng)壓縮機(jī)在運轉(zhuǎn)時，高速運轉(zhuǎn)的曲軸和連桿大端就會頻繁撞擊油面，造成滑油大量飛濺，一旦壓縮機(jī)吸口吸入飛濺的滑油就很大幾率引起液擊。

此種故障排除：當(dāng)制冷裝置出現(xiàn)滑油不足時，首先需要檢查滑油管路是否出現(xiàn)漏泄的情況，即使是油位過低了，也需要注意是否出現(xiàn)回油故障等原因。經(jīng)過檢查，如果確實是滑油不足，則可進(jìn)行滑油添加，一般來說，滑油油位在1/3～1/2之間即可。

3.冷凝器常見故障及排除

冷凝器作為制冷裝置的兩個主要的熱交換部件之一，冷凝溫度決定著冷凝器的冷凝性能，而冷凝性能決定了冷凝器的熱交換能力，直接影響膨脹閥的供液量和壓縮機(jī)的功耗，進(jìn)而影響了整個制冷系統(tǒng)制冷性能的好壞。

此種故障排除方法為：當(dāng)發(fā)現(xiàn)冷凝器冷凝溫度過高或過低時，可通過調(diào)節(jié)冷凝水的循環(huán)量將冷凝溫度維持在一個適合的范圍。一般來說，在日常使用制冷裝置時，應(yīng)確保在啟動制冷壓縮機(jī)之前開啟冷凝水泵；制冷壓縮機(jī)停車后，冷凝水泵繼續(xù)保持冷凝水循環(huán)。在日常維護(hù)保養(yǎng)中，需要定期對冷凝器冷凝水側(cè)和冷凝水泵吸口濾器進(jìn)行清洗，以確保冷凝器冷凝溫度保持在適合的范圍內(nèi)。

4.膨脹閥常見故障及排除

膨脹閥常見故障堵塞的主要原因有冰塞、臟堵以及感溫包或傳壓細(xì)管漏泄。膨脹閥臟堵在上文已有論述，這里就不多加贅述，下面主要介紹冰塞故障。

水在液體制冷劑中的溶解度及飽和制冷劑蒸汽中的溶解度如圖4所示，當(dāng)制冷劑的含水量超過飽和狀態(tài)時制冷裝置的制冷劑中游離狀態(tài)的水經(jīng)過膨脹閥的節(jié)流降壓作用后，溫度會迅速降至0℃以下，這樣游離狀態(tài)的水就會冷凍結(jié)冰，在管道狹窄處形成冰塞。膨脹閥的閥孔通道非常窄小，并且是節(jié)流降壓元件，因此在膨脹閥處最容易發(fā)生冰塞。當(dāng)發(fā)生冰塞故障時，流經(jīng)蒸發(fā)器的制冷劑流量將減少，這使得壓縮機(jī)的吸氣過熱度增加并降低制冷裝置的制冷能力；當(dāng)冰塞故障嚴(yán)重時，甚至?xí)?dǎo)致制冷壓縮機(jī)啟停頻繁，結(jié)果使制冷裝置無法正常工作，并且壓縮機(jī)的工作壽命大大縮短。

圖4 水在液體制冷劑中的溶解度及飽和制冷劑蒸汽中的溶解度

消除冰塞的措施有以下幾種。

（1）熱敷并啟用干燥器。以熱敷將冰融化成水，并隨著制冷劑在系統(tǒng)中循環(huán)時被干燥器所吸收。此方法需要反復(fù)多次操作才能奏效。

（2）當(dāng)制冷系統(tǒng)存在著大量水分時，可將系統(tǒng)中的所有制冷劑全部抽空，然后使用高壓氮氣將系統(tǒng)吹干，最后重新?lián)Q上新的制冷劑。

（3）使用解凍劑并與干燥器配合使用以消除冰塞，應(yīng)該注意的是，解凍劑必須由干燥器從系統(tǒng)中完全吸出，否則會對制冷裝置的金屬產(chǎn)生腐蝕作用。

（4）在緊急狀況下，可向制冷系統(tǒng)中添加約1%的純甲醇，從而可以有效地將冰塞消除。但是，甲醇具有腐蝕金屬的作用，并且對壓縮機(jī)具有鍍銅作用。

5.蒸發(fā)器常見故障及排除

作為制冷裝置的兩個主要的熱交換部件之一，蒸發(fā)器處于制冷裝置溫度最低的位置，其常見故障是蒸發(fā)盤管表面結(jié)霜嚴(yán)重，導(dǎo)致一些自動調(diào)節(jié)元件失靈，最終使得冰庫溫度無法正常下降到設(shè)定值。一般而言，蒸發(fā)器蒸發(fā)盤管表面結(jié)有一層薄霜屬于正常現(xiàn)象，如果霜層凝結(jié)得太厚，制冷裝置不可避免地出現(xiàn)一些故障。

對蒸發(fā)器蒸發(fā)盤管結(jié)霜嚴(yán)重的處理方法為：Ⅰ.壓縮機(jī)強(qiáng)制停車融霜，等蒸發(fā)盤管的霜層逐漸消融，再重新啟動壓縮機(jī)；Ⅱ.熱水融霜，當(dāng)蒸發(fā)器結(jié)霜較為嚴(yán)重時，可以將壓縮機(jī)停車，用熱水澆注結(jié)霜部位，將霜層融化再重新啟動壓縮機(jī)；Ⅲ.熱氣融霜，無需停止壓縮機(jī)，利用壓縮機(jī)的高溫排氣將蒸發(fā)盤管的霜層融化。

6.結(jié)語

制冷裝置的組成和工作機(jī)制是極為復(fù)雜的，并且系統(tǒng)中每個工作元件不是單獨存在的，它們是相互聯(lián)系且缺一不可，這就導(dǎo)致了一種故障可能是由多種因素所引起的。從上文列舉了制冷裝置一些常見的故障，對各種故障進(jìn)行了詳細(xì)的研究和分析，并總結(jié)了故障排除方法。因此，熟練掌握制冷裝置的基本結(jié)構(gòu)和工作原理是分析故障的前提，能夠根據(jù)故障現(xiàn)象來分析和判斷出故障類型，并確定故障排除的方法。同時，在日常管理中，有必要針對不同的故障制定相應(yīng)的維護(hù)保養(yǎng)計劃，良好的日常維護(hù)保養(yǎng)是制冷設(shè)備安全、高效、經(jīng)濟(jì)運行的根本保證。