氨制冷螺杆冰机油温高的原因分析及处理措施

氨制冷螺杆冰机油温高的原因分析及处理措施

戴海翔

浙江省衢州市浙江晋巨化工有限公司  浙江衢州  324004

摘要:简述了氨制冷螺杆冰机的运行原理,对正常运行期间油温持续上涨进行原因分析,针对其分析的原因提出相应的处理措施,以保证制冷系统正常运行｡

Abstract: This paper briefly describes the operating principle of the ammonia refrigeration screw ice machine, analyzes the reasons for the continuous rise of oil temperature during normal operation, and puts forward corresponding measures to ensure the normal operation of the refrigeration system.

关键词:螺杆冰机;油冷却器;温控阀;弹簧刚性;感温元件

Key words: screw ice machine; oil cooler; temperature control valve; spring rigidity; temperature sensing element

1设备概况

某化工有限公司年产50万t合成氨/80万t尿素项目配套氨制冷螺杆冰机机组,螺杆冰机机组由YORK公司设计,制冷机组运行时R717制冷剂气体经RWF222双螺杆压缩机压缩后由冷凝器冷凝成高压饱和制冷剂液体,通过重力作用流入储液器｡由储液器流出的制冷剂液体进入经济器,其间蒸发的制冷剂气体回到压缩机经济器补气口;液态制冷剂储存在经济器中并通过供液管路节流后进入客户的氨制冷,降低氨制冷压力,确保系统安全｡

该化工公司所购买的螺杆压缩机在运行条件下无须润滑油泵运行,从油分离器被送到压缩机的润滑油,达到系统排出压力｡油在压缩机内与所有的部件接触,并送回到压缩机体上比压缩机出口压力低的部位｡压缩机的正常操作,使得压缩机基本上以它自身的运行起到油泵的作用｡所有进入压缩机的油被压缩机转子向外推出至压缩机出口处,再返回油分离器｡所有的喷油及润滑是均靠压差来实现,不但节省功耗同时更是减少了潜在的故障点,避免了因油泵故障导致的压缩机跳停或缺油而轴承抱轴报废的现象

2流程简述

氨贮罐TK40101A/B中的气氨[温度-33.9℃,压力3.8kPa(g),流量0.992t/h]进入气液分离器PV-103分离液氨后,进入氨制冷螺杆冰机压缩机组入口加压,然后进入冷凝器HX-101的壳程,与管程中的循环水(循环水温度由28℃升至35℃)进行换热后,气氨冷凝为液氨,流入下部储罐PV-101中,然后分两股进入经济器HX-102中,第一股液氨由自调阀YV-101控制,进入HX-102的壳程中蒸发为气氨,温度降至-12.4℃,气氨经气液分离器PV-102分离夹带的液氨后,进入冷冻的压缩机组入口;第二股液氨流经HX-102的管程,温度降至-7.4℃,经手动膨胀阀HCV-102节流降压后[压力降至0MPa(g),温度降至-33.9℃],回到TK40101A/B中。

3高温情况简述

2020年9月10日21:00,氨制冷螺杆冰机正常运行期间油温出现缓慢上涨的趋势,且在此期间因氨储罐压力低压缩机一直处于低负荷运行｡在氨储罐压力没有出现突然上涨的情况下,油温由14:00时的53℃缓慢涨至21:00时75℃,达到油温高联锁螺杆冰机跳车｡后重新启动螺杆冰机油温很快达到跳车值75℃,该螺杆冰机无法正常运行｡启动备用螺杆冰机,备用螺杆冰机启动后油温正常｡

4原因分析

4.1油冷却器循环水的影响引起油温升高

水冷式油冷却器为壳管式结构,油在壳侧,其设计压力为2.2MPa｡油冷却器固定在压缩机撬块上,其后的三通油温控制阀保证供油温度范围稳定在43.3~54.4℃｡经过和前期循环水上回水温度进行对比,循环水上水温度没有出现明显升高,反而回水温度却低于以往正常情况下回水温度,循环水上回水温差变小｡初步判定油冷却器换热管结垢堵塞造成换热效果下降引起油温高｡随后对油冷却器进行物理清洗处理,清洗完成后,重新启动螺杆冰机油温还是持续升高达到跳车值,无法运行,所以排除循环水和油冷却器结垢堵塞等问题导致本次油温升高｡

4.2油过滤器出现堵塞引起油温的升高

如油过滤器出现堵塞现象,经过油冷却器阻力变大,会导致螺杆冰机润滑油油压降低,出油量变小等一系列问题,最终导致润滑油温度升高,严重时会出现轴承抱轴等事故的发生｡经过远传仪表的显示和就地手动测量均显示过滤器压差为35kPa,和以往正常工况下过滤器压差数值基本一致,过滤器压差未出现上涨,且压缩机轴承振动一直处于正常范围内,没有波动上涨的现象出现,所以排除油过滤器压差高导致压缩机油温升高｡

4.3仪表出现故障造成油温出现假值

该氨制冷螺杆冰机控制系统为PLC控制,出现冰机油温持续升高无法运行,仪表人员对PLC控制回路中数据点进行手动测量,与控制面板反馈数据一致,均达到螺杆冰机跳车值75℃｡同时现场使用红外测温枪对螺杆冰机油温进行测温显示78℃,与实际控制面板数据相符,故排除仪表故障引起螺杆冰机油温高联锁跳车｡

4.4温控阀失控引起油温的升高

经过油冷器冷却后的冷油和未经过油冷却器的热油汇合后经过三通油温控制阀保证供油温度稳定在43.3~54.4℃｡经现场使用红外线测温枪对经过油冷却器热油温度和冷油温度进行测温,发现油冷却器前热油温度和油冷却器汇合后的油温都为73℃,进油冷却器热油温度(温控阀后)为37℃,且油冷却器循环水上回水温差仅有3℃,说明进入油冷却器的油量非常少,温控阀失去作用导致油温升高压缩机无法正常运行｡

5温控阀失效原因分析和处理措施

5.1原因分析

氨制冷冰机油系统上的温控阀开启和关闭的过程就是感温介质受热膨胀力与弹簧压缩力相互作用的平衡过程｡因此,假设在某温度下,阀芯的移动量为△X,温控阀达到平衡状态｡对阀芯进行受力分析,则有:

Fx=P膨胀力+K×△X+F弹簧力+f=0(1)

其中:P膨胀力为感温介质受热膨胀力;K为弹簧刚度;F弹簧力为弹簧的预紧力;f为阻力(阀芯的摩擦力)｡

Fx为阀芯的驱动力,并取阀芯打开的运动方向为正,在温控阀出口温度升高的过程中Fx≥0,则有:

Fx=P膨胀力-K×△X-F弹簧力-f≥0

即P膨胀力≥K×△X+F弹簧力+f(2)

反之,在温控阀出口温度降低的过程中,感温介质处于收缩状态,则P膨胀力=0,Fx≤0,故有:Fx=f-P膨胀力-K×△X-F弹簧力≤0

即K×△X+F弹簧力≥f(3)

自力式温控阀的控温过程是一个动态的平衡过程,由上式可以看出,在感温介质和运动阻力不变的情况下,阀芯的驱动力只与弹簧刚度和弹簧力有关｡而弹簧的设计应满足:

P膨胀力≥K×△X-F弹簧力≥f(4)

在弹簧力一定的的条件下,由(2)式可以看出,弹簧的刚度K增大可以使阀芯的驱动力减小｡为了驱动阀芯动作就需要更大感温介质的膨胀力｡出口温度反馈感温元件3(温包)来对感温介质膨胀力进行调节,一旦感温元件出现问题,导致感温元件没有随着油温的升高发生变化和及时调整,最终导致油温持续升高压缩机跳车｡

由此可知当调节弹簧的刚度逐渐减小时,回复温度也逐渐降低,甚至会超出控温要求的下限｡这是因为相对较小的弹簧刚度会造成阀芯回复过程中,不能提供足够的弹簧力以克服运动阻力f｡相反,增大弹簧刚度有利于阀芯的快速回位,提高温控阀的降温响应速度,但同时也会造成温控阀整体工作温度升高｡

图1弹簧刚度对温度影响的曲线

综上分析此温控阀失去作用应该为温控阀感温元件(温包)失效导致其失去自动调节功能,以及弹簧刚度随着使用时间变长刚度逐渐降低,使温控阀降温响应速度变慢,导致油温出现持续上涨等现象发生,最终导致螺杆冰机无法运行｡

5.2处理措施

根据以上原因分析及现场实际工况,临时将此温控阀改为手动闸阀进行手动调节控制，另外加急采购温控阀配件。改造完成后，此冰机重新启动运行,压缩机油温一直维持在45~53℃,运行工况良好｡

参考文献

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