壓縮空氣預冷機組典型故障分析與排除

王 彬 王炳忠 胡新生

（海軍航空大學青島校區，青島 266041）

目前，航空制氧制氮設備中廣泛應用壓縮空氣預冷機組作為壓縮機的后處理裝置來進行空氣預冷和除濕。制取氧氣和氮氣的過程中，經常因為壓縮空氣預冷機組出現故障導致制氧制氮效果降低甚至失敗。因此，研究壓縮空氣預冷機組故障原因分析與排除方法，對有效實施空氣分離而成功制氧制氮具有重要意義。

1 工作原理

壓縮空氣預冷機組利用制冷原理強制冷卻壓縮空氣，使壓縮空氣中的水蒸氣在低溫下飽和。當溫度低于露點溫度時，水蒸氣達到過飽和而冷凝結露，利用慣性將水分從壓縮空氣中分離出來[1]。從壓縮機出來的壓縮空氣，從空氣進口進入壓縮空氣預冷機組蒸發器。在蒸發器中，制冷劑蒸發吸收壓縮空氣的熱量，使壓縮空氣降溫同時除濕。壓縮空氣預冷機組工作流程如圖1所示。

圖1 壓縮空氣預冷機組工作流程圖

2 典型故障分析與排除

壓縮空氣預冷機組出現的故障各種各樣，其中較為主要包括以下幾種典型問題。

2.1 制冷效果差

制冷效果差現象較為簡單，主要表現為蒸發器出口的壓縮空氣溫度較高，達不到預設的溫度值。但是，造成制冷效果差的原因很多。從理論上分析，壓縮空氣預冷機組是基于壓縮蒸氣制冷循環而設計的，最基本的原理是傳熱。因此，在蒸發器中，制冷劑與壓縮空氣的換熱量Q決定了制冷效果。其中，換熱量Q的計算公式為[2]：

式中：t1為熱側進口溫度；t2為熱側出口溫度；t3為冷側進口溫度；t4為冷側出口溫度；K為換熱系數；A為換熱面積；m為冷媒流量；ΔT為對數平均溫差。

在某些特殊情況下，可以用算術平均溫差代替對數平均溫差。本文采用定性分析法，因此可用算術平均溫差代替對數平均溫差。影響式（1）中換熱量Q的因素主要有4個，分別為冷媒流量m、換熱系數K、換熱面積A以及傳熱溫差T，其中傳熱溫差T為壓縮空氣的平均換熱溫度T1與蒸發器中制冷劑的平均換熱溫度T2之差。

2.2 冷媒流量類故障

冷媒流量并不是越多越好。當制冷劑量m增大時，會使蒸發壓力增大，進而使蒸發溫度和平均換熱溫度T1增加，傳熱溫差T減小；當冷媒流量增大、傳熱溫差減小時，其乘積為不定式，換熱量可能增大也可能減小。壓縮空氣預冷機組由于管路腐蝕、管路接口泄漏等，可能出現冷媒泄漏。當冷媒稍有減少時，將導致制冷量偏離設計最優點，換熱量可能不變或者減小；當冷媒大幅度減小時，質量流量和傳熱溫差的不定式中的質量影響較大。由于制冷量減小，會導致制冷效果變差。

制冷劑質量流量減小會使制冷效果變差。導致其流量減小的原因有以下幾點：第一，管路腐蝕、接口密封不嚴等導致冷媒泄漏；第二，節流元件采用毛細管時，毛細管冰堵或者臟堵導致質量流量減小；第三，節流元件采用熱力膨脹閥時，熱力膨脹閥故障。冷媒流量類故障應針對上述情況進行有針對性的消除處理，以使冷媒流量達到設計要求。

2.3 傳熱溫差類故障

壓縮空氣溫度受外界環境因素和壓縮機影響較大，如影響壓縮空氣平均換熱溫度和蒸發器中制冷劑平均傳熱溫度的因素都會影響制冷量。當壓縮空氣溫度升高時，會使傳熱溫差增大，從而使制冷量增大。此時，雖然制冷量增加，但是由于壓縮空氣溫度的提高，導致換熱后的壓縮空氣溫度比換熱前壓縮空氣的溫度高，因此制冷效果不佳。影響蒸發器中制冷劑平均傳熱溫差的因素主要有蒸發溫度和過熱度。通常，過熱度較小，因此影響制冷劑平均傳熱溫差的因素主要為蒸發溫度。蒸發溫度主要與蒸發壓力有關，而蒸發壓力主要與制冷劑流量和冷凝壓力等有關。當蒸發壓力增加時，會使蒸發溫度增加，傳熱溫差減小，從而導致制冷效果變差。

導致蒸發壓力或蒸發溫度增加的原因主要有以下兩個方面[3]。一方面，冷凝器外結垢嚴重或者冷凝風機故障，導致冷凝器換熱效果差，從而使冷凝壓力和蒸發壓力增加。另一方面，旁通閥故障，導致閥門開度過大，冷凝器出口溫度過高，使蒸發溫度過高。傳熱溫差類故障應針對上述兩種情況進行有針對性的消除處理，以使傳熱溫差達到設計要求。

2.4 換熱系數下降

換熱系數下降會導致制冷效果變差。常見的導致換熱系數下降的主要原因是蒸發器表面結垢。換熱系數類故障應清除處理蒸發器表面結垢，以使換熱系數達到設計要求。

2.5 過載保護類故障

為防止壓縮機過載燒毀，通常在冷凝器出口設置有高壓開關。當冷凝器出口壓力大于2.1 MPa時，高壓開關跳脫，機組停止工作。因為引起冷凝壓力高和冷凝器換熱效果差的因素都會導致冷凝器出口壓力升高而誘發過載保護，所以冷凝器出口壓力主要與冷凝壓力和換熱情況有關。冷凝壓力主要與冷媒量和壓縮機排氣壓力等有關，因為壓縮機到冷凝器的壓力損失較小，所以冷凝器壓力近似等于壓縮機排氣壓力。

引起冷凝壓力過大的原因主要有3個方面：第一，加注冷媒量過多；第二，毛細管堵塞，壓縮機的負載增大，導致排氣壓力和冷凝壓力增大；第三，進入蒸發器的壓縮空氣溫度過高[4]。當壓縮空氣溫度以及蒸發器出口的制冷劑溫度很高時，會使壓縮機的吸氣溫度和吸氣壓力增高，從而導致壓縮機的排氣壓力和冷凝壓力增大。引起冷凝器換熱效果差的主要原因有冷凝器結垢和冷凝風機故障兩種情況。過載保護類故障應針對引起冷凝壓力過大和引起冷凝器換熱效果差的2大類5種情況進行有針對性的處理，以消除過載保護對壓縮空氣預冷機組工作的影響。

2.6 低壓保護類故障

壓縮空氣預冷機組中，設置有低壓保護開關，主要是為了防止蒸發壓力太低，保證壓縮空氣預冷機組處于較好的工作狀態。蒸發壓力過低時，會使低壓保護開關跳脫。究其原因，主要在于4個方面[5]。第一，冷媒泄漏，缺少制冷劑。第二，毛細管堵塞，節流效果加強，節流降壓后使蒸發壓力變得更低。第三，外界溫度環境過低，導致冷凝器出口溫度過低，經過毛細管節流降壓后，使蒸發溫度和蒸發壓力降低。第四，壓縮空氣溫度過低，導致蒸發溫度過低。低壓保護類故障應針對上述引壓縮空氣預冷機組低壓保護的情況進行有針對性的處理，以消除低壓保護對壓縮空氣預冷機組工作的影響。

3 結語

壓縮空氣預冷機組發生故障相對較多，故障原因分析比較復雜，但是故障排除相對簡單。因此，制氧機壓縮空氣預冷機組發生故障時，維修人員快速準確定位故障成為迅速消除故障和恢復壓縮空氣預冷機組正常工作狀態的關鍵。為了快速定位故障，一般應遵循先理論分析后實際行動、先簡單后煩瑣的原則，優先檢查發生故障概率大者。