螺杆制冷机：回油系统优化与故障诊断

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本文我们将介绍螺杆制冷机组的三种主要回油方式,以及回油系统失效的两大表现,分析引发失效的机械原因;同时,从压缩机吸气过热、系统低温运行、冷凝压力过低、蒸发压力过高等方面,揭示了导致失效的工况因素。以期为提高螺杆机组运行可靠性提供参考。

（示意图，不对应文中任何具体信息）
一、螺杆制冷机组的回油方式   

1、气驱动回油
气驱动回油是利用压缩机排气压力,将油气分离器中的油自动输送回压缩机的一种方式。其基本原理是:压缩机排出的高温高压油气混合物,首先进入油气分离器,油滴在重力和离心力作用下沉积在分离器底部,而气体则从分离器顶部排出;分离器内积油经回油管流回压缩机,回油的驱动力来自排气压力与压缩机吸气压力之差,即回油压差[1]。

气驱动回油系统简单可靠,不需要额外的动力装置,已在小型螺杆机组中得到广泛应用。但其存在两个局限性:一是随着压缩机排气量的减小,回油压差降低,回油量减少;二是当压缩机停机时,排气压力消失,回油中断。因此,气驱动回油不适用于需频繁变载或启停的螺杆机组[2]。

2、油泵强制回油
油泵强制回油是采用机械油泵,将油气分离器中的油抽吸并输送回压缩机的一种方式。其工作过程为:齿轮油泵通过轴封与压缩机主轴连接,随主机同步运转;油泵入口与油气分离器底部相通,出口通过单向阀与主机润滑管路相连;油泵运转时,不断将分离器内的积油抽吸排出,克服管路阻力和机壳压力,定量输送到压缩机各润滑点[3]。

与气驱动回油相比,油泵强制回油的最大优点是回油压力和回油量恒定,不受主机负荷和运行状态的影响,因此成为大型螺杆机组的首选回油方式。此外,启停油泵还可方便地实现回油系统与主机的分离控制。但油泵强制回油也存在一定不足,如油泵轴封易磨损渗漏、齿轮啮合间隙增大导致泵效下降等,因此对油泵的设计制造和日常保养提出了更高要求[4]。

3、喷油回油
喷油回油是一种直接向压缩机腔内喷射润滑油的回油方式。其特点是在压缩机吸气端设置喷油嘴,通过高压油管将冷却后的油雾状喷入压缩机转子腔,利用高速油雾对转子和轴承进行润滑冷却,并随排气带出[5]。喷油回油无需气液分离,油直接参与压缩制冷过程,因此回油效率高,油循环周期短,尤其适用于氨系统等对压缩机入口含油量要求严格的工况[6]。

但喷油回油对喷嘴的雾化性能和可靠性要求很高,喷嘴失效会直接导致润滑中断。同时,喷油量难以精确控制,容易引起润滑油过量或不足。此外,由于大部分润滑油直接进入系统,油的劣化速度加快,需要频繁更换油品,维护成本较高。因此,喷油回油目前主要应用于小型氨螺杆机组[7]。

二、回油系统失效的原因分析   

1、回油不畅的原因
回油不畅是指回油量不足以满足压缩机润滑需求的情况,其原因可分为机械故障和系统失调两类。

机械故障引起的回油不畅主要包括:

(1)油路堵塞:回油管路和油道内积聚水垢、炭粉等杂质,堵塞油流通道,严重时可导致回油中断。尤其是狭窄复杂的回油口和轴承油槽,更易发生堵塞[8]。

(2)油泵失效:齿轮磨损、轴承烧蚀等导致油泵机械损坏,泵效下降甚至无法运转;电机烧毁、电容损坏等引起油泵断电,无法建立回油压力[9]。

(3)回油管破裂:制冷剂对回油管产生低温脆化,振动应力又导致疲劳断裂,回油管破裂后润滑油外泄,压缩机缺油[10]。

(4)单向阀失灵:回油管单向阀弹簧断裂、阀芯卡涩,使单向阀失去止回作用,高压气体倒流进油气分离器,抑制油的正常回流[11]。

系统失调引起的回油不畅主要包括:

(1)吸气过热:吸气温度过高会降低回油管内油的黏度,加剧回油阻力,使油难以克服排气背压而流回压缩机[12]。

(2)低温运行:冷冻工况下,蒸发温度过低会使回油管局部结霜,阻碍油的顺畅流动;低温黏油还会堵塞油滤网,进一步加剧回油阻力[13]。

(3)油位过低:机组漏油、补油不及时等,导致油气分离器液位降低,回油管入口露出油面,使回油系统抽空,回不到油[14]。

2、跑油的原因
跑油是指大量未经充分利用的润滑油,随排气流失到系统中的现象。跑油会恶化制冷剂与润滑油的互溶性,加剧换热器结垢变质,降低系统传热效率。同时,跑油也意味着压缩机得不到有效润滑,易引发磨损烧瓦等故障。跑油的主要原因包括:

(1)油气分离器失效:分离器结构设计不合理,气液分离效果差;旁通阀密封不严,分离后的油气混合物直接进入排气管;油位计失灵,液位过高,油从排气口溢出[15]。

(2)排气温度过高:排气温度超过润滑油的闪点,使大量油气化并随排气带走;排气温度过高还会加剧油的氧化劣变,产生积碳,堵塞油道[16]。

(3)低压运行:蒸发压力过低会使油的环境压力降低,挥发度增大,从而加剧油的气化流失;同时,低压时油的黏度降低,更易被气流夹带[17]。

(4)冷凝不足:冷凝器散热不良、冷凝压力过低等,会使油温升高,黏度下降,不利于油气分离,加剧油的夹带外逸[18]。

此外,机油选型不当(如黏度过低)、压缩机间隙配合不当(如间隙过大)等,也是导致跑油的常见原因。

三、回油系统故障的检修措施   对于因油路堵塞引起的回油不畅,可采取以下疏通措施:

(1)化学清洗:在机组运行状态下,向油气分离器中加入油路清洗剂,利用机组本身的油流冲刷油路;清洗后再用新油置换2~3次,彻底清除残留的清洗剂[19]。

(2)反向吹扫:用压缩空气或氮气,从回油管出口反向吹扫,排出堵塞油路的杂质;吹扫压力应控制在0.4MPa以下,以免损伤管路和密封件[20]。

(3)机械疏通:拆开回油管,用软质细钢丝或尼龙刷清理管内壁,直至疏通;对于微小油道,可用高压水枪或超声波清洗器进行清理疏通[21]。

1、更换油泵
对于因油泵磨损、烧毁等引起的回油不畅,需要对油泵进行修复或更换:

(1)齿轮油泵:更换同型号的新油泵总成,注意转向应与原泵一致;对于轻度磨损的泵,可更换磨损的齿轮,并检查轴承、油封等零部件[22]。

(2)离心油泵:更换损坏的电机、电容,必要时更换泵体;检查并紧固泵体与电机之间的联轴器,确保同轴运转[23]。

更换油泵后,应在运行状态下检查其回油压力和流量,压力应稳定在0.2~0.4MPa,流量应满足压缩机润滑需求[24]。

2、修复管路
对于因管路破裂、单向阀失灵等引起的回油不畅,应及时修复或更换损坏的管路和阀门:

(1)断裂管路:截去断裂部分,用同材质、同规格的管件焊接,焊缝应饱满、均匀、无针孔;焊接后进行氦检,确保无泄漏[25]。

(2)单向阀:更换同型号的新单向阀,注意流向应与原阀一致;检查阀座密封面,必要时进行研磨,确保密封良好[26]。

修复或更换后,应在常温常压下进行试压,压力应为工作压力的1.5倍,保压30min无渗漏为合格[27]。

3、清洗油滤
对于因油滤堵塞引起的回油不畅,可拆下油滤器进行清洗或更换:

(1)金属滤网:用煤油浸泡并刷洗,直至滤孔清晰透亮;对于磨损变形的滤网,应及时更换[28]。

(2)纸质滤芯:直接更换新滤芯,选型时应参照原滤芯的型号和过滤精度;安装时注意密封圈到位,避免漏油[29]。

清洗或更换后,在运行状态下观察油滤压差,压差应控制在0.05~0.1MPa,过大说明滤芯堵塞,过小说明滤芯失效[30]。

4、校验油位计
对于因油位计失灵引起的回油异常,可对油位计进行校验或更换:

(1)浮球油位计:检查浮球是否畅通、浮杆是否变形,指示面板是否清晰完整;必要时更换浮球总成,并在油位计上标注正常液位线[31]。

(2)光电油位计:检查发射器和接收器是否对准,透镜是否清洁完整;检查控制电路板,确认电源和信号线连接可靠;校准油位计的4mA和20mA输出点[32]。

(3)雷达油位计:检查天线是否污损、变形,必要时进行清洗或更换;检查供电电压,确认电源连接可靠;用标准油位校准雷达液位计的零位和满位[33]。

四、回油系统故障的诊断方法   

1、回油压差法
回油压差是判断回油量的一个重要指标。回油压差等于油气分离器压力与压缩机吸气压力之差,通常应维持在0.05~0.15MPa[34]。当回油压差过小时,说明回油管阻力过大或油泵压头不足,回油量偏低;当回油压差过大时,说明回油管路异常通畅或单向阀失灵,易发生油液冲击和倒灌。因此,在回油管路进出口安装压力表,实时监测回油压差,可为判断回油状况提供依据。

2、排气温度法
压缩机的排气温度可间接反映回油量的充足与否。一般来说,排气温度应控制在90~120℃[35]。当排气温度过高时,说明回油不足,压缩机得不到有效冷却;当排气温度过低时,说明回油过剩,冷却剂夹带过多的低温油气。因此,在压缩机排气口安装温度传感器,监测排气温度变化,并结合油的使用温度范围,可初步判断回油量是否合适。

3、油位波动法
油气分离器的油位波动情况,可直观地反映回油系统的运行状态。正常情况下,油位应稳定在液位计的中上部,波动幅度不宜超过20%[36]。当油位持续下降时,说明系统漏油或回油受阻;当油位大幅波动时,说明回油间歇性中断或油泵出现故障;当油位过高并溢出时,说明油过量或气液分离不良。因此,通过油位计观察分离器油位的波动情况,可为诊断回油系统故障提供直接依据。

4、轴承温升法
压缩机轴承的温升情况,是判断轴承润滑状况的可靠依据。一般来说,轴承温升应控制在30K以内[37]。当轴承温升过高时,说明回油量不足或油质变差,轴承润滑失效;当轴承温升正常,但温差过大时,说明回油分布不均,个别轴承润滑不足。因此,在压缩机轴承座附近布置温度传感器,实时监控轴承的温升情况,并结合停机后人工触摸轴承座的温差体验,可准确判断轴承的润滑状态。

五、预防回油故障的系统化措施   

1、合理设计油路
在螺杆机组的设计阶段,应充分考虑回油系统的合理性和可靠性,从源头上预防回油故障:

(1)管径匹配:根据螺杆机的型号和回油量,选择合适口径的回油管,一般应选用内径为12~40mm的无缝钢管,过大会增加冷冻油的循环量,过小则会产生较大的阻力[38]。

(2)管路布置:回油管路应尽量减少弯头和变径,以降低局部阻力;应避开热源,以防止热辐射使油温升高,黏度降低;宜采取倾斜敷设,坡度不小于1/100,便于冷凝水和杂质的排出[39]。

(3)油滤设置:在回油管进口处设置80目金属滤网,在出口处设置25μm的精密滤油器,配备压差表,实现对回油油质的双重保护和实时监控[40]。

(4)安全阀选用:在回油管与压缩机之间,设置安全阀,当回油压力超过0.6MPa时自动泄压,既可保护压缩机,又可及时发现回油异常[41]。

2、规范施工安装
在螺杆机组的施工安装阶段,应严格按照设计图纸和规范要求,细化落实各项施工工艺,确保回油系统安装质量:

(1)清洗油路:在安装回油管路前,应先用压缩空气或氮气吹扫,再用合格的冷冻机油冲洗,除去制作和运输过程中的污物和水分[42]。

(2)焊接工艺:采用氩弧焊等先进焊接工艺,做到焊缝饱满、均匀、无针孔、无夹渣,焊后应进行100%射线探伤或染色探伤,确保焊缝质量[43]。

(3)试压测漏:管路安装完毕后,用1.25倍工作压力的氮气进行吹扫、试压,保压24h,压力降不超过0.05MPa;再用氦质谱检漏仪进行检漏,灵敏度应达到10-9Pa·m3/s[44]。

(4)油泵就位:油泵安装就位后,应检查其与电机间的同心度,偏差应小于0.2mm;并在油泵出口安装压力表,调试运行,确认其压头和流量满足设计要求[45]。

3、加强运行维护   
在螺杆机组的运行阶段,还应通过加强日常维护和定期检修,及时发现和消除回油系统的隐患,保障回油系统长周期、高可靠运转:

(1)定期换油:根据冷冻油的使用情况,一般每2000~4000h更换一次,夏季高温季节应适当缩短更换周期;更换时,须用同牌号、同规格油品,并做好标识记录[46]。

(2)清洗油箱:在每次换油前,将油箱内的残油和杂质放尽,用煤油对油箱进行清洗,然后用压缩空气吹干;检查油箱内壁有无锈蚀、裂纹,必要时进行修补[47]。

(3)巡检制度:设专人定期巡检,每班不少于1次;重点检查油位、油温、油压、轴承温度等参数,如发现异常,及时分析原因,采取措施[48]。

(4)定检制度:根据螺杆机的使用情况,制定月度、季度、年度定期检修计划,并严格执行;定检内容包括测量轴承间隙、检查油泵齿轮、清理油滤网、校验油位计等[49]。

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