船用冷庫的故障診斷及處理對策

文/ 廈門海洋職業技術學院 林文城

一、故障一例

對于遠洋運輸而言，制冷空調技術的應用情況直接影響船舶的作業半徑和船員的生活條件。根據海上航行的特點，保證船用冷庫穩定正常運行顯得非常重要，這就要求輪機員必須具備制冷裝置的正常維護保養知識和系統故障的快速診斷排除能力。以往返于印尼與中國的某船為例，其伙食冷庫系統（制冷劑選用R22）的低溫冷庫溫度只有-10 ℃左右，遠未達到設計的低溫值(-20 ℃左右），蒸發盤管只有靠近膨脹閥約1/2處結霜，壓縮機運轉時間長。經檢查發現，壓縮機回氣過熱，熱力膨脹閥出口處溫度偏低。用數字式溫度計測得系統蒸發器出口溫度為-18 ℃， 用壓力表測得回氣壓力為0.1 MPa，對應的飽和溫度為-40 ℃ ，制冷劑過熱度為22 ℃，遠遠超過系統正常的過熱度。經進一步檢查發現，冷卻水泵和蒸發器風機正常運轉，高低壓壓力繼電器、溫度繼電器、供液電磁閥、油壓差繼電器、背壓調節閥和止回閥等均無異常，排除這些部件、元件產生故障的可能性。

二、故障機理分析

壓縮機長時間運轉，低溫冷庫的溫度還是無法滿足要求，原因可能是低溫冷庫隔熱差、制冷劑不足、冷凝溫度和蒸發溫度出現偏差等。

1. 冷庫隔熱差

冷庫隔熱差直接導致冷庫全熱負荷大幅度增加，壓縮機一直運轉，蒸發器大量吸熱仍無法使庫溫降到設定的溫度。檢查低溫冷庫隔熱層，沒有發現損壞，庫門也沒有關不嚴的現象，所以排除環境熱量進入冷庫導致庫溫無法降低的可能性。

2. 系統制冷劑不足

系統中制冷劑太少，液管吸口有時高于制冷劑液面，則液管中混有制冷劑氣體，即使膨脹閥全開，液態制冷劑流量仍不足，致使：（1）蒸發溫度低于0 ℃的冷庫，蒸發器后段的結霜融化。（2）壓縮機吸氣過熱溫度增加，吸入壓力和排出壓力都降低，制冷量減少或者壓縮機長時間運轉庫溫仍降不下來，嚴重時庫溫未到下限壓縮機就因吸氣壓力過低而停車，引起壓縮機起停頻繁。

該船冷庫制冷系統要求制冷劑全部回收時液位高度在80%左右，正常工作時根據冷庫熱負荷的大小，液位一般在1/3～1/2。冷凝器兼作貯液器并裝有液位鏡。故障時觀察制冷劑液位在2/3處，可排除系統制冷劑過少因素。

3. 冷凝溫度出現較大偏差

冷凝溫度過高將造成冷庫的制冷量不足。如圖1所示，在壓焓圖上標示系統的循環為1-2-3-4-1，冷凝壓力為pk，冷凝溫度為tk，制冷壓縮機的制冷量可由式（1）來表示：

其中：λ為壓縮機的輸氣系數；Vt為壓縮機的理論排氣量；q0為制冷劑的單位制冷量；υ1為制冷劑在壓縮機吸入口的比容。

制冷壓縮機的軸功率可由式（2）來表示：

其中：w0為壓縮機的單位理論功；ηe為壓縮機的軸效率。

圖1 冷凝溫度變化對制冷循環的影響

當冷卻水溫度過高或流量不足、冷凝器換熱面臟污或制冷劑混入空氣時，冷凝器的冷卻能力會下降，冷凝壓力升高為pk′，冷凝溫度隨之升高為t k′，系統的循環改變為1-2′-3′-4′-1，相應地，單位制冷量由q0下降為q0′，單位理論功由w0增加為w0′，壓縮機的輸氣系數λ降低，而比容υ1和軸效率ηe不變。基于以上分析，根據式（1）和式（2）可得，當冷凝溫度升高時，壓縮機的軸功率Pe增加，制冷量Q0下降。

隨著冷凝壓力的下降，冷凝溫度也會隨之降低，并在一定程度上降低壓縮機的軸功率和提高系統的制冷量；但冷凝壓力過低反而導致通過膨脹閥的制冷劑減少，進入蒸發器的制冷劑流量不足。冷凝壓力不足的產生原因主要是壓縮機故障或冷凝器冷凝能力過強。吸排氣閥片漏泄、活塞環密封不嚴或壓縮機無法增載，均導致壓縮機排壓不足，而冷卻水溫度過低或流量過大也將導致冷凝壓力下降。

經檢查系統中表值，壓縮機的排氣壓力為1.61 MPa，冷凝器中制冷劑的溫度為40.5 ℃，符合系統運行參數要求，從而排除壓縮機和冷凝器出現故障的可能。

4. 蒸發溫度過低

蒸發器蒸發壓力過低，決定了蒸發溫度偏低將使系統的制冷量降低。如圖2所示，在壓焓圖上標示制冷循環為1-2-3-4-1，蒸發壓力為p0，蒸發溫度為t0。蒸發器換熱能力下降或制冷劑不足將使蒸發器的制冷能力下降，蒸發壓力下降為p0′，蒸發溫度隨之降低為t0′，系統的循環改變為1′-2′-3-4′-1′，相應地單位制冷量由q0下降為q0′，單位理論功由w0增加為w0′，壓縮機的輸氣系數λ降低，比容υ1增大，軸效率ηe基本不變。基于以上分析，根據式（1）和式（2）可得，當蒸發溫度降低時，壓縮機的軸功率Pe和制冷量Q0都下降。

圖2 蒸發溫度變化對制冷循環的影響

（1）蒸發器換熱能力下降。

檢查蒸發器時，發現蒸發器外表面并沒有臟污情況，內表面油污也不明顯，經過熱氣除霜后效果也沒有大的變化，所以排除蒸發器換熱能力差的可能性。

（2）制冷劑流量不足。

蒸發器內制冷劑蒸發溫度偏低的另一個原因是制冷劑流量不足，這種現象可能是由于系統出現冰塞、臟堵或熱力膨脹閥故障造成的。

①冰塞。系統內含水量超過制冷劑的溶解能力，一旦溫度低于0 ℃，水會迅速凝結形成冰塞。冰塞一般發生在流道狹窄處。膨脹閥閥孔通道狹窄、膨脹閥前后的閥件開度不足或濾器臟堵等原因都會導致冰塞。冰塞程度較輕會造成進入蒸發器的制冷劑不足，冷庫溫度不符合要求。冰塞嚴重時會導致壓縮機停車時間加長，運轉時間更短，以致不能正常工作，但本故障是壓縮機長時間運轉仍無法使冷庫溫度符合設計要求，所以排除嚴重冰塞的可能。

為了證實是否存在冰塞，可以停止壓縮機運轉一段時間，并用開水澆燙膨脹閥，啟用干燥過濾器，然后啟動壓縮機，運行1 h后，重新將干燥過濾器旁通，再讓系統正常運行一段時間，發現庫溫并沒有太大變化，徹底排除了冰塞的可能。

②油堵。若冷凍機油凝固點較高，在溫度低于冷凍機油凝固點的系統某處凝固，即為油堵。油堵時壓縮機表現類似冰塞，不同點在于曲軸箱內滑油油位會明顯降低。消除油堵最根本的方法是更換全部冷凍機油，臨時措施是加熱油堵部位。檢查壓縮機曲軸箱內油位，確認其正常，排除油堵的可能。

③干燥過濾器臟堵。裝置正常運行時，干燥過濾器處于被旁通狀態，以防制冷劑的流動阻力增加和干燥劑進入系統。只有系統出現“冰塞”、充注制冷劑、更換冷凍機油或進行維修可能混入水分時，才將干燥過濾器接入系統吸收水分。干燥過濾器出現臟堵的后果與冰塞相似：輕則導致蒸發器制冷劑流量不足，制冷能力下降；重則引起流量不足、吸入壓力降低、吸氣過熱度增加和壓縮機起停頻繁等現象。但臟堵比較穩定，隨時間延長而加重的情況不明顯。

判斷干燥過濾器是否臟堵，可以觀察它后面的管路是否結霜。若存在結霜現象，則說明在干燥過濾器處出現堵塞，液態制冷劑在該處節流降壓，導致少量制冷劑提前“閃發”（汽化）吸熱使后面管路溫度降低而在表面結霜，消除的方法只能是拆下清洗濾器或更換干燥劑。本例中，發現干燥過濾器后的管路無結霜現象，故排除干燥過濾器堵塞的可能。

④熱力膨脹閥故障或調節不當。熱力膨脹閥通過感受蒸發器出口氣態制冷劑的過熱度，控制進入蒸發器的制冷劑流量，以調節制冷系統工況。這樣既避免壓縮機吸進濕蒸氣發生液擊，也防止供液過少蒸發器不能充分發揮作用。若膨脹閥感溫包內液體因使用時間長而減少，或膨脹閥彈簧調節過緊，則膨脹閥開度過小，制冷劑流量過小，蒸發器后段結霜融化，壓縮機吸氣過熱度增加，制冷量減少，冷庫溫度偏高。

正常時候，熱力膨脹閥閥體靠出口一半（針閥后一半閥體）會結霜，原因是經過針閥節流降壓后，少量液態制冷劑提前“閃發”吸熱導致后面閥體溫度降低并在其表面產生結霜現象。經檢查發現整個熱力膨脹閥閥體嚴重結霜。根據以上對其他設備元件的工作分析并排除它們產生故障的可能，判斷本故障基本是膨脹閥異常造成的。

三、故障的排除

關閉低溫庫膨脹閥前的截止閥，抽空制冷劑，再關閉膨脹閥后的截止閥，拆下膨脹閥檢查，發現閥前濾器的濾網比較臟。正因為膨脹閥進口濾器出現臟堵，造成液體制冷劑流經該濾器時已經被節流降壓，提前“閃發”使整個閥體結霜，更嚴重的是導致進入蒸發器的制冷劑不足，冷庫溫度一直無法降低。

找出本故障的原因后，先對該熱力膨脹閥的濾器進行清洗，并正確安裝在系統中，同時對膨脹閥重新調整。啟動制冷裝置并使冷庫處于正常穩定運行狀態下，小幅度轉動調節螺桿的圈數（每次調1/4圈），每次調節間隔的時間要求達到30 min，因為實際工作中的熱力膨脹閥感溫系統存在一定熱惰性，信號傳遞滯后，所以每次調節之后需待系統運行基本穩定后，再根據冷庫的熱力參數值確定是否需要進一步調整。正確調整熱力膨脹閥后，蒸發器出口溫度為-25 ℃ ，回氣壓力為0.16 MPa，對應飽和溫度為 -30 ℃，相減后過熱度為5 ℃ ，符合過熱度的要求，同時數小時之后該低溫庫的溫度達到-20 ℃（設定值）。

四、結束語

船用冷庫的特殊性以及制冷裝置自身的復雜性，給輪機員準確分析故障并采取相應排除措施帶來很大的壓力。當冷庫出現異常時，應迅速判斷故障的類型，熟練運用有關理論知識，借助系統采集的數據參數值對照系統的設計值，初步確定產生故障的原因，并利用豐富的實踐經驗最終找出故障產生的準確部位并采取正確的處理方法予以排除。

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