某LNG運輸船制冷型空氣干燥器高壓停機故障分析

李宇 初再宇 鄭慶國

摘 ?要：壓縮空氣廣泛應用于船舶的柴油機起動、設備控制和日常雜用，制冷型空氣干燥器是確保壓縮空氣干燥、潔凈的重要部件。本文針對某液化天然氣運輸船壓縮空氣系統的制冷型空氣干燥器頻繁出現的高壓停機報警，展開故障診斷和分析，為同類型設備的運行管理提供了有益的借鑒。

關鍵詞：LNG運輸船;壓縮空氣系統;制冷型空氣干燥器;制冷壓縮機高壓停機;故障診斷

0 引 言

在船舶上，壓縮空氣廣泛用于船舶柴油機起動、氣動閥件的自動控制以及日常雜用。根據壓縮空氣的應用場合，通常分為起動空氣、控制空氣和雜用空氣等三類。壓縮空氣尤其是控制空氣的干燥和潔凈程度直接影響各主輔機械設備和控制系統工作的可靠性，例如：壓縮空氣中的水分會造成部件銹蝕，油分能使橡膠密封圈老化失效，粉塵會造成部件磨損和通道堵塞等。因此，合格的壓縮空氣對輪機設備及系統的安全正常運行至關重要。壓縮空氣中的油分和粉塵通常可通過油氣分離器和吸入過濾器進行清除，而經空氣壓縮機加壓之后的空氣中的水分通常以過熱形態存在，一般的機械方法無法清除。因此，壓縮空氣凈化的關鍵是進行干燥處理。通常，船舶上的壓縮空氣經空氣壓縮機加壓進入空氣瓶之前，均設置有專門的制冷型空氣干燥器，輔以自動放殘裝置，以清除其中的水分和殘余油分。

1 系統介紹

某液化天然氣運輸船上的貨控系統、機艙遙控系統、安全系統和蒸汽系統等眾多系統中均裝有氣動控制閥，對壓縮空氣系統提出了更高的要求。其壓縮空氣系統的基本組成如圖1所示。系統包括3臺額定工作壓力為12 bar的雜用和控制空氣壓縮機，各自配備用1臺制冷型空氣干燥器。空氣壓縮機根據設定壓力自動啟停，3臺制冷型空氣干燥器一直保持運轉狀態。雜用和控制空氣壓縮機產生的壓縮空氣經過干燥器降溫除濕后進入雜用空氣瓶和控制空氣瓶，供機艙和貨艙雜用空氣、控制空氣系統和氮氣發生器等使用。

制冷型空氣干燥器為挪威Tamrotor Marine Compressors AS公司的R 600-S型空氣干燥器，其系統布置如圖2所示。在該制冷型空氣干燥器中，來自空氣壓縮機的含飽和水分的熱壓縮空氣經過兩級處理，被冷卻到2 ℃。其中，預冷卻是流入干燥器的熱壓縮空氣與流出干燥器的冷壓縮空氣經一級熱交換器換熱實現的;經預冷卻的壓縮空氣進一步在二級熱交換器中通過制冷劑蒸發帶走熱量。氣液分離器將經冷凝的壓縮空氣中的水滴、油滴和顆粒物予以分離，積累到一定程度后經自動放殘裝置泄放。經流入干燥器的壓縮空氣加熱后，流出干燥器的壓縮空氣溫度約為10 ℃，變得溫熱和干燥。制冷循環系統是完全密封的，制冷壓縮機吸入蒸發的制冷劑氣體并加壓到一個較高的壓力;在風冷式冷凝器中，兩臺冷卻風機根據負荷的高低自動啟停，經加壓的制冷劑被液化;經過毛細管裝置的節流（相當于膨脹閥），液態制冷劑壓力下降，并噴射入制冷劑——壓縮空氣換熱的二級熱交換器（蒸發器），吸收壓縮空氣的熱量，熱的制冷劑氣體循環到制冷壓縮機的入口。冷凝器出口至制冷壓縮機入口的管路上裝設有熱氣旁通調節閥，根據二級熱交換器需求的制冷量自動調節。

2 故障描述

2021年1月，該輪在中國南方某船廠進塢維修。此前考慮到壓縮空氣流經制冷型空氣干燥器的壓降比以往的記錄偏大，這意味著很可能是空氣干燥器氣路臟污，于是決定在船廠期間按計劃對空氣干燥器氣路進行化學清洗。將其中一臺被清洗的空氣干燥器從系統中隔離出來，保證整個壓縮空氣系統的正常使用。拆掉空氣干燥器的壓縮空氣進出口閥，連接清洗管路。將盛有草酸溶液的容器中吸入清洗劑溶液并泵送到干燥器的壓縮空氣出口，溶液進入干燥器后溢流回容器中，以此實現對空氣干燥器氣路的逆向循環沖洗。清洗持續了3 h。為了防止草酸殘留在氣路中對系統有腐蝕，將空氣干燥器內的草酸溶液泵出后，用清水對系統進行沖洗。將干燥器內的清水全部泵出，少量殘余水分經凝水泄放裝置排出。清洗結束后，裝復壓縮空氣進出口閥，空氣干燥器投入備用。

塢修結束后，該輪駛向新加坡進行加油，航行途中在進行機艙無人值守例行檢查時，發現經化學清洗的空氣干燥器警報面板顯示“高壓停機”。復位警報后，重新啟動，該空氣干燥器會立即出現“高壓停機”警報，無法持續運轉。隨后輪機部船員將空氣干燥器的壓縮空氣進出口閥關閉，使其從系統中隔離出來。

3 故障分析

結合制冷系統工作原理及該輪空氣干燥器制冷系統圖，輪機部船員開展了系列故障分析與處理工作。

（1）制冷系統過載

將空氣干燥器進口閥慢慢關小，同時不斷嘗試啟動。結果直到進口閥完全關閉，空氣干燥器的制冷系統負荷為零，依然無法啟動。因此，排除了制冷系統過載造成高壓的可能。

（2）制冷系統冷凝器冷卻不良

①該航次沿途氣溫在不斷升高，機艙空壓機間的溫度從18 ℃上升到25 ℃，但是另外兩臺干燥器運行良好，因此排除了冷凝器冷卻介質（環境空氣）溫度升高導致故障的因素。

②整個塢修期間，機艙的灰塵較以往多，冷凝器的換熱器表面比較臟，考慮到可能是此原因，對冷凝器換熱翅片表面進行了清潔，但是故障依然未能消除。

③輪機部船員額外增加了一臺外接風機，以加大冷凝器冷卻介質流量，故障仍未解決。

④考慮到之前會運轉一段時間再高壓停機，結合以往的經驗輪機部船員懷疑可能是冷凝器風機馬達的電容出現故障。由于冷凝器風機是根據負荷自動啟停的，如果電容狀況不好，不能保證每次風機都能正常啟動。如果運行過程中風機正常停機，但若負荷增加，風機在應該自動啟動時由于電容狀況不良無法啟動，將會出現這種故障現象。對電容進行了測量，額定3 μF的電容測量值為2.9 μF，因此也排除了電容導致故障的可能。

（3）高壓開關出現故障

高壓開關動作值為19 bar，在冷凝器下游的服務閥處連接壓力表進行測試，停機狀態下壓力表測量值為10 bar。在啟動的瞬間，壓力表讀數為20 bar，確實出現高壓，基本排除了高壓開關出現故障的可能。更換該制冷系統的高壓開關，故障也未見消除。

（4）冷凝器出口的干燥過濾器臟堵

用新備件更換冷凝器出口的干燥過濾器，故障未見消除。

（5）熱氣旁通管路上的粗濾器臟堵

嘗試調節熱氣旁通閥到不同的位置來啟動干燥器。熱氣旁通閥擰緊一圈后啟動，出口壓力仍瞬間達到20 bar，干燥器高壓停機。繼續擰緊到兩圈位置，出口壓力仍瞬間達到20 bar，但是停機后從20 bar恢復到10 bar的時間加長。繼續擰緊到三圈位置時候，可以連續運轉，排出壓力在15～16 bar波動，吸入壓力在7 bar波動。運轉起來之后，將旁通閥調節螺絲向外擰出90°，排出壓力在17～17.5 bar之間波動，吸入壓力在6.5 bar波動。在調節的過程中發現伴隨著旁通閥調節螺絲的向內擰緊，吸入壓力在升高，排出壓力在下降。對比正常工作的干燥器，吸入壓力在2 bar左右，排出壓力約為14 bar。嘗試將熱氣旁通閥的調節螺絲向外擰出，使吸入壓力下降、排出壓力上升。雖然干燥器在持續運轉但是卻沒有產生制冷效果。伴隨熱氣膨脹閥開度的手動調節，壓縮機的吸排壓力在不斷的變化，由此排除了熱氣旁通閥管路上粗濾器臟堵的可能。

（6）熱氣旁通閥故障

保證熱氣旁通閥的調節螺絲位置在原始狀態下不變，從壓縮機出口釋放冷劑，與此同時不斷嘗試啟動干燥器，直到干燥器能持續運轉時停止放冷劑。干燥器運轉起來之后，干燥器的出口壓力較低，此時再向系統內充入冷劑，直到吸排壓力與正常運轉的干燥器吸排壓力接近為止。此時干燥器空氣進出口出現溫差，冷卻效果顯著。并且冷凝器風機可以根據負荷的大小進行自動起停，能夠保證干燥器正常運行。由此排除了熱氣旁通閥失去調節能力造成故障的可能。但是運轉幾小時后干燥器又出現“低壓停機”警報。

4 故障解決

通過一系列的故障分析和查找，仍未能排除故障。聯想到故障出現前后唯一的不同是進行了空氣干燥器氣路的化學清洗，因此還得從這方面進行思考，即是否存在二級熱交換器破損漏泄的可能。在進行化學清洗期間，空氣壓縮機停止工作，二級熱交換器冷劑側壓力大于空氣側壓力。如果二級熱交換器發生漏泄，化學清洗期間制冷劑會不斷漏泄到空氣側，制冷系統系統內的制冷劑減少。在化學清洗結束后，起動空氣壓縮機運轉，空氣側壓力（通常大于10 bar）大于制冷系統中制冷劑壓力（此時制冷壓縮機未啟動），所以此時會有壓縮空氣會進入制冷系統內。制冷系統中進入了壓縮空氣，系統壓力升高，同時也影響了冷凝器的冷卻效果，因此出現了高壓停機警報。在故障查找和處理過程中，雖然輪機部船員嘗試調節了熱氣旁通閥，迫使系統保持運轉，但是冷凝器并未產生冷卻效果;通過釋放大量制冷劑，一定程度上將空氣放出，重新充入制冷劑后，短時間內能夠產生一定的制冷效果。在系統起動運行期間，冷劑側的壓力會高于空氣側，制冷劑不斷漏向空氣側，所以運轉一段時間后又出現了低壓停機報警。為了驗證推測，將空氣干燥器的壓縮空氣進出口閥關閉，打開空氣側的凝水泄放閥將干燥器空氣側的壓力釋放后關閉。在放置一夜后，重新打開凝水泄放閥，發現空氣側有壓力建立起來，并且從中放出伴有滑油的氣體，由此判定二級熱交換器（蒸發器）發生漏泄。

在拆解空氣干燥器之后，發現內部二級熱交換器所有的部件均為焊接，修復難度較大。考慮到該空氣干燥器已經運行十余年，整個系統性能有所下降，于是決定申請一個新的空氣干燥器備件進行整體更換。

作者簡介：

李宇，機務經理，（E-mail） liyu@nbmc.com.cn

初再宇，三管輪，（E-mail） 885315213@qq.com

鄭慶國，輪機長，（E-mail） zhengqg@chipolbrok.com.cn