并聯制冷壓縮機組在船舶冷藏系統中的應用

王愛龍，于 曼，周文兵

（無錫海核裝備科技有限公司，江蘇無錫 214191）

0 引言

船舶冷庫作為重要的船舶輔助機械，其能否正常運行，直接影響到船員的正常生活和工作，因此在船舶配套設備中，船用冷藏機組在制冷系統中尤為重要，冷庫制冷系統的合理設計是冷藏裝置高效、安全和可靠運行的前提和保證［1］。這就對制冷機組運行可靠性提出更高的要求，針對以往的制冷系統運行方式進行設計改進，采用并聯制冷壓縮機組可以很好地匹配系統的動態負荷變化，避免單壓縮機制冷運行過程中出現“大馬拉小車” 的情況，因此并聯制冷壓縮機組更適用船舶冷藏一機多庫的制冷方式，可以保證制冷設備以最經濟的方式運行，最大限度節約能源。

1 并聯制冷壓縮機組介紹

在制冷系統中，并聯制冷壓縮機組是指有2 臺或2 臺以上壓縮機集成在一起為多臺蒸發器提供冷量的設備，它一般由機架、壓縮機、排氣集管、回氣集管、油分離器、儲油器等部件組成。機組運行時壓縮機可以根據系統負荷的大小自動調節壓縮機運行臺數，具有節能、調節方便等特點。在船舶制冷系統壓縮機都要求有備用壓縮機的型式，一般設計采用2 臺壓縮機，可實現交替使用并互為備用運行，能夠均衡磨損，保證壓縮機的同等運行壽命，確保系統的可靠性。本文以兩臺壓縮機并聯運行為例加以說明，其系統原理如圖1 所示。

圖1 并聯制冷壓縮機組原理

流程說明：來自不同蒸發器的制冷劑蒸汽經回氣集管分別進入兩臺壓縮機的吸氣端，經壓縮機壓縮后成高溫高壓的氣體匯集到排氣集管，然后經過高效油分離器，將制冷劑排氣中夾帶的潤滑油分離出來，滯留在油分底部，不含油的制冷劑經過油分離器的出口連接到系統冷凝器去參與制冷循環；滯留在油分離器底部的潤滑油經回油管路，將分離出來的潤滑油集中儲存在儲油器中，然后根據每臺壓縮機的油位情況，自動通過油位調節器［2］補充到壓縮機曲軸箱內，保證壓縮機的油位正常。

2 并聯制冷壓縮機組回油控制

潤滑油在制冷系統中起到至關緊要的重要。潤滑油能夠減少軸與軸承、活塞環與氣缸壁等運動部件接觸面的機械磨損，減少摩擦耗功，提高機械效率，延長零部件的使用壽命，也可以帶走摩擦產生的熱量，降低各運動部件的溫度，提高壓縮機的機械性能，增強氣缸與活塞之間的密封性，保證壓縮機排氣效率。

壓縮機回油是否正常，決定著壓縮機及系統運行的可靠性程度，在壓縮機工作時，必定會有一部分潤滑油會從氣缸中與制冷劑一起排出，進入制冷系統的管道、冷凝器和蒸發器等，如果潤滑油不能有效地、及時地返回壓縮機時，嚴重情況會導致壓縮機因缺油而燒毀。在并聯制冷壓縮機組通常采用主動式回油方式［3］，系統原理見圖1，通過系統中的船用高效油分離器將絕大部分潤滑油分離后集中儲存在儲油器中，然后通過油位調節器補充到壓縮機曲軸箱內，形成油路循環。

眾所周知，由于任何型式油分離器的分油率都不可能達到100%，雖然制冷劑中夾帶的潤滑油絕大部分都會經過油分離器能夠分離出來，但是仍然會有一部分潤滑油會進入系統的冷凝器和蒸發器中去，會對系統控制元件產生影響，如果滯留在冷凝器或蒸發器中，會在其表面上形成一層油膜，特別是蒸發器工作溫度較低的情況下，潤滑油粘度大，容易附著在換熱管內壁上，流動比較困難，使其傳熱效果降低，影響整個制冷裝置運行經濟性。這部分潤滑油可以通過管路的優化設計，增設制冷輔助設備等措施，保證良好的回油效果，同樣能夠隨同制冷一起返回到壓縮機，這種回油方式通常稱為被動式回油。在制冷系統中，氣液分離器成為十分重要的必不可少的部件之一。由于氣液分離器獨特的U型管和回油孔［4］設計，既保證了良好的回油效果，又可有效地避免液體制冷劑進入壓縮機吸氣管，防止壓縮機液擊。

對于并聯制冷壓縮機組而言，采用一種“一進多出” 的氣液分離器［5］，圖1 中壓縮機吸氣端部分可以進一步優化改進，如圖2 所示，回氣集管連接到氣液分離器進管，制冷劑和夾帶的潤滑油在氣液分離器內部進行集中分配，兩根出管分別接到＃1、＃2 壓縮機回氣端，每臺壓縮機都通過各自的管路從氣液分離器中吸入制冷劑和潤滑油，這種回油方式，不但能夠實現每臺壓縮機均勻回油，而且也能減小單臺壓縮機運行或部分負荷運行時，吸氣管內制冷劑流速減小而造成系統回油能力下降的問題，雖然在復雜程度和成本上有所增加，但是可靠性和系統的穩定性更強。

圖2 一進兩出氣分－壓縮機并聯連接

3 并聯制冷壓縮機組能量調節控制

制冷系統的冷負荷包括圍護結構的滲透熱、冷藏冷凍貨物的貨物熱、通風換氣的熱量、庫內風機、照明等的產生的熱量以及人員進出庫房操作熱這5 部分組成，然后根據設計要求確定冷凝溫度和蒸發溫度，按照可能出現的最大負荷來選擇制冷壓縮機。但在實際運行過程中，冷庫負荷、運行工況總是不斷變化的，而絕大部分時間都是在部分負荷下運行的。為了滿足制冷工藝的要求，并最大限度地降低運行費用，必須采取能量調節措施，使制冷設備的制冷量與冷庫負荷相匹配。

制冷系統能量調節的方式主要有兩種方式，一種是壓縮機自身的調節，另一種是在制冷系統上設計能調措施。壓縮機能力調節的方法也有很多，應根據裝置的具體工作要求和壓縮機配置情況而適當的選擇［6］。本文以圖1 為例進行介紹，圖中為某型船舶伙食冷藏系統原理，制冷量為6 kW（－ 25 ℃／ 40 ℃），制冷劑為R404a，壓縮機為2 臺四缸活塞壓縮機（型號4EES－4Y－40S）并聯運行，一般情況下冷庫系統剛開始進貨階段負荷最大，稱為打冷工況，當溫度降低到設定值后，制冷系統是在部分負荷下運行，稱為維持工況。在打冷工況時，2 臺壓縮機同時投入運行，系統滿負荷工作。在維持工況下，只需要一臺壓縮機運行就足夠了，此時能量為50%調節，若負荷相對于一臺壓縮機還是偏大，壓縮機可以改變其有效工作氣缸數，使部分氣缸處于空載狀態，四缸壓縮機可以卸載兩缸運行，此時能調為25%調節，因此整個系統能調范圍為100%、75%、50%、25%的范圍。普通船用冷藏系統，往往采用單臺壓縮機“啟／停＋卸載” 的能量調節方式實現制冷負荷的調節，能調范圍為100%、50%的范圍，很顯然并聯制冷壓縮機組能調范圍更寬，這種運行方式不改變傳統冷藏系統設置形式和使用要求，同樣能滿足制冷設計要求，也能達到節能的目的，同時在維持工況時，可根據每臺壓縮機累計運行時間，實現自動交替使用，提高壓縮機的互備性、增加可靠性、自動化程度較高。

能量調節方式不局限于此，還有其他的方式，比如變頻壓縮機（通過變頻器調節進而改變壓縮機的轉速）、熱氣旁通能量調節以及吸氣節流能量調節等方式，可以根據不同設計要求自行選擇。

4 并聯制冷壓縮機組冷凝壓力調節

制冷系統在運行過程中，冷凝壓力高低是影響制冷系統經濟性和可靠性關鍵因素之一，如果冷凝壓力過高，會導致壓縮機排氣溫度升高，壓縮機比增大，制冷降低，功耗增加等弊端，如果冷凝壓力過低又會造成膨脹閥前后壓差太小，供液不足，同樣會導致制冷量下降，因此，必須確保冷凝壓力在合理的波動范圍內，尤其是在并聯制冷壓縮機組部分負荷運行時，通過改變冷凝器的熱交換能力來實現調節。

在船舶冷藏系統中，都采用海水冷卻的方式，因此只有通過改變流經冷凝器的水量來調節制冷系統冷凝壓力。水流量調節閥是一種比例型調節閥，有壓力控制型和溫度控制型兩種。壓力控制型是根據冷凝壓力直接控制閥的開度大小，而溫度控制型是根據冷凝器出水溫度間接控制閥的開度的，如圖3 所示。

圖3 水冷式冷凝器壓力調節

制冷系統還需要在冷凝器后設置一個貯液器，貯液器容量的大小根據制冷劑循環量和負荷變化情況確定。設置貯液器目的主要避免制冷劑貯存在冷凝器中，占用冷凝器換熱面積，影響換熱效果。

5 并聯制冷壓縮機組PLC控制

傳統船舶冷藏機組采用繼電器控制，相比PLC 控制有著明顯的不足，繼電器控制利用其接觸點的斷開和接觸動作，采用硬接線邏輯，接線多而復雜，控制箱體積大，功耗也大，而PLC控制采用存儲邏輯，將控制邏輯以程序形式存儲于內存當中，如果要想改變控制邏輯，只要將程序變動即可，具有簡單、方便、靈活等優點。如制冷系統在維持工況時，只要一臺壓縮機運行，為了避免一臺壓縮機長期運行，需要進行輪換工作，可以根據每臺壓縮機累計運行時間，優先啟動時間少的壓縮機，繼電器控制很難實現這一功能，在并聯制冷壓縮機組采用PLC編程控制［7］，可以做到一鍵開機、一鍵復位、一鍵停機，能夠對制冷系統實現自動能量調節、故障報警提示功能等。

6 并聯制冷壓縮機組其他注意事項

在并聯系統中壓縮機排氣管路上設止回閥，防止單臺壓縮機運行時，運行的壓縮機排氣進入另外一臺壓縮機。同時為了防止在系統停機期間，高壓回流的制冷劑在油分離器內冷凝，影響分離出的潤滑油的稀釋度，建議在油分的出口管上安裝止回閥。儲油器出口供油管路中必須安裝油過濾器，否則容易導致油位調節器失靈，同時建議在管路上安裝視油鏡，方便觀察供油情況。

為了使潤滑油有足夠的流速，在儲油器與壓縮機曲軸箱之間必須有一定的壓差，保證儲油器內的壓力比曲軸箱內壓力略高，從而保證潤滑油順利進入壓縮機。若忽略回氣集管至壓縮機之間的阻力損失，回氣管內的壓力即為壓縮機曲軸箱內的壓力，此壓差閥的設定值一般為0.15～0.3 MPa。

并聯制冷壓縮機組能否可靠、安全、高效的運行，除了機組本身的設計、組裝規范外，合理的系統管路設計也非常重要［8］。雖然并聯制冷壓縮機組相對于單臺壓縮機系統具有冷量較大、調節方便、自動化程度高等優勢，但在設計時，并聯壓縮機以多臺同型號的壓縮機為應優先考慮，壓縮機臺數以3～6臺為宜。由于船舶對振動和噪聲有較高的要求，而冷藏機組的振動和噪聲主要來自壓縮機［9］，尤其多臺壓縮機并聯運行時，必須對機組采取隔振措施，壓縮機地腳安裝減震墊，進、排氣口管路上加裝彈性避震軟管等措施，框架與船體基座之間也采用彈性安裝方式。采用雙層框架［10］可以有效減少并聯制冷壓縮機組振動的產生和傳遞，提高設備運行的安全性能。

7 結束語

本文介紹了并聯制冷壓縮機組的特點和用途，從系統原理、機組回油、能量調節、冷凝壓力調節及控制等方面進行闡述。系統采用主動式回油和被動式回油相結合，確保壓縮機油位正常，減少壓縮機失油風險；利用PLC 控制技術，能量自動調節、壓縮機均衡運行，達到節能的目的；通過冷凝壓力調節閥自動調節流經冷凝器的水量，改變其換熱量來控制冷凝壓力在合理范圍內的波動，提高壓縮機能效比；同時通過壓縮機的減震安裝、管路彈性連接、機組雙層框架設計，有效地降低噪聲和振動程度，通過以上設計表明并聯制冷壓縮機組具有制冷量大、調節范圍廣、智能化控制、性能穩定等優點，適用于各型冷藏船、各類速凍冷藏漁船、氣調冷藏系統等，在船舶制冷系統具有很好推廣作用。