某船空調器的故障分析及改造實例

姜良優，劉長杰，宋永真

（中國科學院海洋研究所，山東 青島 266000）

船舶空調除某些特殊艙室要求恒溫恒濕外，一般屬于舒適空調的范疇，為船上人員提供一個舒適的生活和工作環境。空調效果的好壞直接影響船上人員的工作及精神狀態。船用空調總的設計指導思想是不僅要適應海上潮濕、霉菌、鹽霧等極端環境，而且要適應艦船搖擺、傾斜等不規則運動，還要考慮設備的可靠性和可維修性。船舶空調系統按空調器與空調艙室的布置關系，主要分為三類：集中式、半集中式和分散式系統，其中集中式空調系統最常用。空調器是船用集中式空調系統的核心設備，是全年使用的機械設備，夏季供冷風、冬季供暖風、中間季節單純通風。夏季高溫高濕多雨（熱雨同期）的氣候特點，給船舶空調帶來了極大的挑戰，特別是應用在船上人員來回穿梭于室內室外之間的工程船或科考船的空調。作者分享了兩例船舶空調系統中空調器的故障分析及改造實例，供同人參考。

1 空調器的基本結構

某船空調系統采用TMU(W)-6 型間接式空調器，其型式為吸入式、間接冷卻、熱水加熱、濕膜加濕、風機恒速運轉，適用于單管無再熱的空調系統。空調器主要由進風箱、空氣過濾器、熱交換器（空氣冷卻/加熱器）、擋水器、濕膜加濕器、離心通風機、船用電機、減震器、出風靜壓箱、電氣控制箱、冷媒水管系、加濕管系、各類調節閥及控制器等組成，見圖1。所有的熱濕交換空氣處理集中在空調器內完成，處理好的空氣通過風機、風管、末端布風器送往船舶各個艙室。每個艙室的送風量可以通過布風器手動調節。制冷工況時，空調器內的冷凝水通過U 型彎排到空調機房的排水孔內。

圖1 TMU(W)-6 船用間接式空調器系統原理圖

2 改造實例一

2.1 故障現象

空調制冷工況時，空調啟動一段時間后，多個艙室內布風器處出現大量水霧或水滴，嚴重時大量水滴隨供風噴出。

2.2 故障查找

艙室內布風器處出現大量水滴的原因有：①室內環境悶熱，空氣濕度較大，空氣的露點溫度較高。當空調末端送風溫度低于室內空氣露點溫度，空調末端與室內空氣進行換熱時，水蒸氣在空調末端出風口處析出而形成結露、冷凝水；②擋水器變形、松動、掉落或擋水板表面臟堵，擋水效果變差。冷凝水滴穿過擋水器來到風機風輪內部，被風機葉片甩至風道，隨供風到達布風器進入艙室；③空調器內表冷器的冷媒水水管或加濕器供水管泄露，漏水進入風輪內；④凝水盤泄水孔堵塞，凝水不能及時排出。當冷凝水水位達到一定高度時，再加上船舶搖擺的影響，凝水盤內部分冷凝水濺到風輪內部；⑤風機運行時，空調器內形成負壓，在負壓的作用下，很多凝水無法排出，當冷凝水水位積存到一定高度，再加上船舶搖擺的影響，凝水盤內部分冷凝水濺到風輪內部。

第①項一般出現在空調剛開機時，是一種正常現象，表示空調制冷效果好。空調運轉一段時間后，現象就會消失，排除①。檢查空調系統冷媒水狀態，發現其工作壓力穩定，水量正常，打開空調器道門內部檢查，未發現表冷器、加濕器水管有滴漏現象，未發現擋水器變形、掉落、松動現象，未見擋水器表面臟堵，排除②、③；打開空調器機箱道門的瞬間，凝水盤內凝水開始從泄水口流出，打開泄水管路檢查未發現臟堵，排除④。

對第⑤項重點檢查，當剛停止風機打開機箱道門時，道門有明顯的吸入感，說明空調器箱體內部有不小的負壓。開門瞬間凝水盤內部留存凝水很多，液位較高。當負壓被打破，冷凝水便會從泄水口泄出。確認⑤為故障原因。

2.3 故障分析

空調制冷時，冷水機組的冷媒水經冷媒水管系進入空氣冷卻器后，空氣通過空氣冷卻器是進行濕熱交換。濕熱交換過程中，室外新風(或混合風)含的水蒸氣在表冷器壁面析出而結露，形成大量冷凝水并聚集在空調器底部的凝水盤內。雖然空調設計時機外余壓值符合技術規格要求，但是空調器內形成負壓很難避免。如何讓凝水盤內凝水及時排除，防止濺入離心風機風輪內才是解決問題的關鍵。

2.4 改造方案

（1）在凝水盤底部加裝下沉式凝水井，并加裝潛水泵、液位自動控制等裝置實現冷凝水自動排放。讓冷凝水無法積存，就無法濺入風機風輪內。由于該船空調器下面是燃油艙，所以此方案施工改造難度較大，可行性不高，非最優方案，排除。

（2）整體抬高風機高度。當冷凝水積存到一定高度，其重力大于空調器內負壓就會流出，液位不再增加就不會濺入風機風輪內。此方案不僅需要整體加高空調器和各風管高度，施工難度較大，成本較高；而且空調器內部空間的加大勢必影響內部氣流方向，降低空調制冷效果，排除此方案。

（3）該船中央空調系統有1 號、2 號兩個空調器共用1 套中央冷水機組。當只有一個空調器內風機停止，不會引起中央冷水機組故障（例如壓縮機停機、冷媒水泵停止等）及空調系統報警。在兩臺風機控制箱內分別加裝循環時間控制器KT1、兩位轉換開關SA3，實現風機只在制冷工況下定時循環啟停，控制箱電氣原理改造前后對比見圖2。風機短暫停止的時間里，空凋器內負壓被破壞，冷凝水流出，然后風機自動開啟運行（例如：運行60min，停止3min，時間可以根據空調冷凝水的產量及流出速度進行自主設定）。風機運行時間遠大于停止時間，這種情況不會對空調制冷效果造成太大影響。通過設定循環時間繼電器的通斷時間，把兩個空調器風機的停機時段錯開，避免同時停止導致中央冷水機組故障。確定此改造方案，改造前、后風機啟停操作步驟略有不同如表1，整個空調系統的其他操作不變。

圖2 風機控制箱電氣原理改造前后對比圖

表1 改造前后風機啟停操作對照表

3 改造實例二

3.1 故障現象

空調制冷工況時，空調風機電機經常出現絕緣值低故障。

3.2 故障查找

空調風機電機出現絕緣值低原因有：①電機接線盒內引線端子處絕緣保護套損毀，引起絕緣不良；②電機繞組老化、臟污，造成絕緣阻值低；③電機軸承損壞，轉子軸偏離發生掃堂現象，造成絕緣值低；④電機工作環境濕度太大，電機內部空氣與環境空氣難免發生少量交換，電機繞組發熱帶來的濕潤熱空氣接觸接線盒和電源線等低溫部件時就會在其表面形成結露、凝水，引起絕緣值低故障。

拆檢電機發現，接線盒內引線端子絕緣保護套完好；定子繞組沒有明顯臟污老化現象；軸承完好，電機內部未發現掃堂現象；接線盒內未發現結露，但是電機內部底部有凝水出現。排除①、②、③項，確定第④項為故障原因。清洗電機內部，烘干除潮后，重新安裝電機，恢復正常使用。故障修復后，使用2-3 周，又出現同樣的故障。

3.3 故障分析

電機內部出現結露，不僅會造成電機內部零件的腐蝕破壞，下降電機的絕緣指數，而且會影響電機的安全運行及使用壽命，尤其是防護等級IP55 及以上的電機。降低電機內部結露現象是凝露行業的一大難題。該風機電機防護等級為IP56，絕緣等級為 F 級，電機機殼內外表面噴涂有隔熱層，電機接線盒蓋內部加裝了隔熱墊，用以降低熱傳導差異引起的電機內部結露。同時電機輸出軸和前端蓋之間加裝了骨架密封用以加強電機各個零件的氣密性，減少電機內外的空氣交換來降低電機內部結露。

雖然該風機電機防護等級較高，電機輸出軸和前端蓋之間已經加裝骨架密封，但是電機工作環境濕度太大，機殼內外溫差較大，風機電機極易結露。這才是夏季空調制冷工況時，空調風機電機經常出現絕緣值低故障根本原因。

3.4 改造方案

（1）換用防護等級、氣密性更高的電機。這樣的電機生產工藝的難度高，制造成本高。目前，凝露行業沒法完全杜絕，只能相對降低。電機的防護等級越高，一旦出現結露，結露對其影響也大。此方案非最優方案，排除。

（2）該風機為直接連接電機驅動，非皮帶連接驅動。可在空調器內加裝電機隔離艙室，把電機從潮濕的環境中隔離出來，隔離艙室加裝前、后效果對比見圖3。利用電機底座面和風輪與電機的連接面，在電機上方加裝拱型罩，為電機制作一個臥式的拱型袋狀艙室。把空調器箱體的一面挖個與拱型袋狀艙口相同的洞，洞口即拱型袋狀艙室的電機冷卻通風口。拱型袋狀艙室零件連接處做密封處理后，電機就被該隔離艙室從空調器中隔離出來。電機工作環境變得干燥，電機內外溫差也減小，結露現象得到充分改善，結露引起的電機絕緣故障得到解決。可以把拱型罩做成徑向兩部分組成，用卡扣或螺栓連接，電機檢修時便于拆卸。拱型罩外側粘貼隔熱層，防止隔離艙內側結露。電機自身風扇的罩殼適當加長，改善改造后的自身冷卻效果。此方案最優。

圖3 電機隔離艙加裝前后對比圖

4 結束語

兩個故障現象都不是空調系統的常見故障，已按文中最優方案改造解決。縱觀故障排查、分析、改造、解決的過程，設備管理者既有不解決故障不罷休的執著精神，又有抓住故障根源開拓解決思路的創新精神，非常值得學習借鑒。機械設備出現故障或設計缺陷在所難免，管理者或設計者找出導致設備故障或設計缺陷的根本原因至關重要，只有不斷總結經驗，才能促進設備應用或研發的技術革新。現在新型船舶空調器的風機多為變頻電機驅動，采用中壓低噪聲離心風機變頻調速控制，通過自動和手動分檔控制風量和機外余壓，滿足不同季節、不同艙室的使用要求，提高了空調系統使用效率，達到空調裝置降噪、節能的目的。