螺桿式主空壓機排氣冰堵分析及防治措施

梁德龍

（中車青島四方機車車輛股份有限公司 技術中心，山東 青島 266111）

2017 年12 月，某動車組運行途中發現總風壓力偏低，通過總風數據分析，主空壓機按BCU 指令正常運轉，但總風壓力持續下降。現場排查，主空壓機空氣冷卻器排氣管路存在冰堵，導致上游安全閥起排，無法輸出列車所需排氣量及壓力，凍結情況如圖1 所示。

圖1 空壓機管路凍結情況

在環境溫度-20 ℃～-10 ℃的情況下，進行多次主空壓機啟停試驗，故障重現。現場連接風壓表進行壓力測試，安全閥檢測點處壓力值約為12.5 bar（達到安全閥動作值），冷卻器下游壓力值為8～8.5 bar。

1 原因分析

1.1 工作原理

故障產品為噴油螺桿式主空壓機，其氣路流程為：外界空氣經過濾器過濾后進入螺桿主機壓縮并與潤滑油混合后，經過油分離器進行油氣分離，再經過冷卻器、WSDR 水分離器（濾水效率90%）、DDR 管道過濾器（0.01 ppm）、PDR 管道過濾器（0.003 ppm）和膜式干燥器進行處理，達到列車壓縮空氣質量等級要求后進入總風管路，氣路流程如圖2 所示。

圖2 氣路流程

1.2 理論分析

由熱力學理論，空氣中所容納的水分含量與溫度成正比、與壓力成反比。一定濕度的空氣經壓縮后溫度與壓力均上升，其是否飽和、是否有液態水析出取決于其溫度及壓力上升量［1-2］。

由此可分別計算主空壓機吸氣環境下含水量m1和經冷卻后對應溫度和壓力下的飽和含水量m2，通過比較m1、m2即可判斷壓縮空氣冷卻后是否析出液態水。

經現場排查及測試，主空壓機運轉率約10%，其環境溫度：-18 ℃，相對濕度：80%，冷卻器出口溫度：-11.1 ℃，冷卻器出口壓力：9 barg。

通過式（1）計算：

綜上，主空壓機吸氣環境含水量m1遠大于冷卻器出口壓縮空氣飽和含水量m2，即冷卻器出口壓縮空氣處于飽和析水狀態，壓縮空氣在冷卻器冷卻過程已有液態水析出，由于溫度低于0 ℃，液態水逐漸凝固在冷卻器內部翅片及出口管路，隨時間運轉，最終造成冷卻器出氣口堵塞。由于冰堵截流，下游總風壓力無法升至主空壓機停機壓力（880 kPa），BCU 持續輸出主空壓機工作信號，主空壓機持續打風，導致冷卻器上游安全閥排放，因而總風壓力無法得到及時補充，隨著列車耗氣，最終導致總風壓力異常下降。

2 改進措施

鑒于噴油螺桿式主空壓機結構、工作原理及冰堵故障原因分析，在運用環境主空壓機運轉率無法改變情況下，減小壓縮空氣溫降并通過一定措施實現壓縮空氣水蒸氣飽和時處于0 ℃以上，可有效避免液態水析出量及結冰［3］，為此，從以下2個方面進行優化。

2.1 壓縮空氣冷卻氣路優化

（1）在冷卻器入口及出口增加旁通接頭，新增2 個電磁閥控制管路通閉（NO 電磁閥控制冷卻器入口通閉，NC 電磁閥控制冷卻器旁通支路通閉），其供電同排污電磁閥加熱器一致，均由車輛側直接供電，通過5 ℃溫度開關控制。

（2）當環境溫度大于5 ℃時，2 個新增電磁閥均不得電，常開電磁閥（NO）保持打開，常閉電磁閥（NC）保持關閉，壓縮空氣經NO 電磁閥進入冷卻器，進行常規冷卻。

（2）當環境溫度小于5 ℃時，2 個新增電磁閥均得電，壓縮空氣通過NC 電磁閥直接進入水分離器，減小壓縮空氣溫降，控制液態水的析出量。

優化后的氣路流程及電氣控制如圖3、圖4所示。

圖3 優化后的氣路流程1

圖4 優化后電氣控制

2.2 壓縮空氣后處理氣路優化

在WSDR 水分離器、DDR 過濾器、壓縮空氣管路及膜式干燥器入口處使用保溫材料包裹，避免壓縮空氣在后處理過程中降至0 ℃以下，如圖5所示。

圖5 保溫材料防護

同時將PDR 過濾器移至膜式干燥器入口處，以攔截過濾前部管路中產生的液態水，PDR 排污電磁閥由NO 變更為NC，控制邏輯由停機斷電排污、每連續運行2 min 排污2 s，變更為開機排污2 s，每連續運行2 min 排污2 s，避免液態水進入膜式干燥器影響其使用壽命。

優化后的氣路流程如圖6 所示。

圖6 優化后的氣路流程2

3 改進效果

為驗證優化改造方案有效性，模擬主空壓機低溫、低運轉率使用工況，對氣路各點進行溫度監控，監控點包括：T1冷卻器前端、T2WSDR 水分離器前端、T3WSDR 水分離器后端、T4膜式干燥器前端，具體監控位置如圖7 所示。

圖7 溫度監控

試驗數據匯總如下：

（1）空壓機間歇性運轉測試數據，見表1。

表1 間歇性運轉數據

通過以上數據分析，只有工況1 極端工況下膜入口溫度低于0 ℃，該溫度下如無液態水析出則無結冰現象；工況2～工況4 下溫度均高于0 ℃，不存在結冰風險，但如過多液態水析出則影響膜式干燥器使用壽命。

（2）為充分說明問題，以下分析均按吸氣環境相對濕度100%進行計算分析，見表2。

通過以上數據分析，可以得出以下結論：

（1）極端低溫工況下（-40 ℃），各測點溫度對應最高含水量均高于吸氣含水量，即壓縮空氣進干燥器前均無液態水析出，不存在冰堵風險。

（2）旁通冷卻器最高溫度下（5 ℃），壓縮空氣WSDR 水分離器出口處均未飽和，膜入口前壓縮空氣處于飽和狀態，由于改造方案將PDR 過濾器移至膜入口，其將液態水進行了攔截過濾，不會影響干燥膜使用壽命。

綜上，優化改造方案能夠滿足低溫、低運轉率使用工況。

4 后續設計方向

目前軌道交通車輛用主空壓機冷卻器散熱風扇多由壓縮機驅動電機同步驅動。為滿足主空壓機高溫環境使用需求，散熱風扇及冷區器多按最高運行溫度所需風量機散熱面積進行配置，導致任何環境下散熱風扇均處于工作狀態，當環境溫度較低、空壓機運轉率偏低時便會出現散熱器冷卻能力過強，造成壓縮空氣飽和析水出現冷卻器冰堵，影響列車用風需求。

針對該問題，后續設計產品可考慮將冷卻器散熱風扇設置為獨立變頻電機驅動，通過對設置在氣路的傳感器數據進行采集并采用邏輯算法進行實時調整散熱風扇轉速，不但可以降低冷卻器冰堵風險還可避免高溫報警故障及潤滑油乳化等。