并联制冷压缩机组在船舶冷藏系统中的应用

王爱龙，于 曼，周文兵

（无锡海核装备科技有限公司，江苏无锡 214191）

0 引言

船舶冷库作为重要的船舶辅助机械，其能否正常运行，直接影响到船员的正常生活和工作，因此在船舶配套设备中，船用冷藏机组在制冷系统中尤为重要，冷库制冷系统的合理设计是冷藏装置高效、安全和可靠运行的前提和保证［1］。这就对制冷机组运行可靠性提出更高的要求，针对以往的制冷系统运行方式进行设计改进，采用并联制冷压缩机组可以很好地匹配系统的动态负荷变化，避免单压缩机制冷运行过程中出现“大马拉小车” 的情况，因此并联制冷压缩机组更适用船舶冷藏一机多库的制冷方式，可以保证制冷设备以最经济的方式运行，最大限度节约能源。

1 并联制冷压缩机组介绍

在制冷系统中，并联制冷压缩机组是指有2 台或2 台以上压缩机集成在一起为多台蒸发器提供冷量的设备，它一般由机架、压缩机、排气集管、回气集管、油分离器、储油器等部件组成。机组运行时压缩机可以根据系统负荷的大小自动调节压缩机运行台数，具有节能、调节方便等特点。在船舶制冷系统压缩机都要求有备用压缩机的型式，一般设计采用2 台压缩机，可实现交替使用并互为备用运行，能够均衡磨损，保证压缩机的同等运行寿命，确保系统的可靠性。本文以两台压缩机并联运行为例加以说明，其系统原理如图1 所示。

图1 并联制冷压缩机组原理

流程说明：来自不同蒸发器的制冷剂蒸汽经回气集管分别进入两台压缩机的吸气端，经压缩机压缩后成高温高压的气体汇集到排气集管，然后经过高效油分离器，将制冷剂排气中夹带的润滑油分离出来，滞留在油分底部，不含油的制冷剂经过油分离器的出口连接到系统冷凝器去参与制冷循环；滞留在油分离器底部的润滑油经回油管路，将分离出来的润滑油集中储存在储油器中，然后根据每台压缩机的油位情况，自动通过油位调节器［2］补充到压缩机曲轴箱内，保证压缩机的油位正常。

2 并联制冷压缩机组回油控制

润滑油在制冷系统中起到至关紧要的重要。润滑油能够减少轴与轴承、活塞环与气缸壁等运动部件接触面的机械磨损，减少摩擦耗功，提高机械效率，延长零部件的使用寿命，也可以带走摩擦产生的热量，降低各运动部件的温度，提高压缩机的机械性能，增强气缸与活塞之间的密封性，保证压缩机排气效率。

压缩机回油是否正常，决定着压缩机及系统运行的可靠性程度，在压缩机工作时，必定会有一部分润滑油会从气缸中与制冷剂一起排出，进入制冷系统的管道、冷凝器和蒸发器等，如果润滑油不能有效地、及时地返回压缩机时，严重情况会导致压缩机因缺油而烧毁。在并联制冷压缩机组通常采用主动式回油方式［3］，系统原理见图1，通过系统中的船用高效油分离器将绝大部分润滑油分离后集中储存在储油器中，然后通过油位调节器补充到压缩机曲轴箱内，形成油路循环。

众所周知，由于任何型式油分离器的分油率都不可能达到100%，虽然制冷剂中夹带的润滑油绝大部分都会经过油分离器能够分离出来，但是仍然会有一部分润滑油会进入系统的冷凝器和蒸发器中去，会对系统控制元件产生影响，如果滞留在冷凝器或蒸发器中，会在其表面上形成一层油膜，特别是蒸发器工作温度较低的情况下，润滑油粘度大，容易附着在换热管内壁上，流动比较困难，使其传热效果降低，影响整个制冷装置运行经济性。这部分润滑油可以通过管路的优化设计，增设制冷辅助设备等措施，保证良好的回油效果，同样能够随同制冷一起返回到压缩机，这种回油方式通常称为被动式回油。在制冷系统中，气液分离器成为十分重要的必不可少的部件之一。由于气液分离器独特的U型管和回油孔［4］设计，既保证了良好的回油效果，又可有效地避免液体制冷剂进入压缩机吸气管，防止压缩机液击。

对于并联制冷压缩机组而言，采用一种“一进多出” 的气液分离器［5］，图1 中压缩机吸气端部分可以进一步优化改进，如图2 所示，回气集管连接到气液分离器进管，制冷剂和夹带的润滑油在气液分离器内部进行集中分配，两根出管分别接到＃1、＃2 压缩机回气端，每台压缩机都通过各自的管路从气液分离器中吸入制冷剂和润滑油，这种回油方式，不但能够实现每台压缩机均匀回油，而且也能减小单台压缩机运行或部分负荷运行时，吸气管内制冷剂流速减小而造成系统回油能力下降的问题，虽然在复杂程度和成本上有所增加，但是可靠性和系统的稳定性更强。

图2 一进两出气分－压缩机并联连接

3 并联制冷压缩机组能量调节控制

制冷系统的冷负荷包括围护结构的渗透热、冷藏冷冻货物的货物热、通风换气的热量、库内风机、照明等的产生的热量以及人员进出库房操作热这5 部分组成，然后根据设计要求确定冷凝温度和蒸发温度，按照可能出现的最大负荷来选择制冷压缩机。但在实际运行过程中，冷库负荷、运行工况总是不断变化的，而绝大部分时间都是在部分负荷下运行的。为了满足制冷工艺的要求，并最大限度地降低运行费用，必须采取能量调节措施，使制冷设备的制冷量与冷库负荷相匹配。

制冷系统能量调节的方式主要有两种方式，一种是压缩机自身的调节，另一种是在制冷系统上设计能调措施。压缩机能力调节的方法也有很多，应根据装置的具体工作要求和压缩机配置情况而适当的选择［6］。本文以图1 为例进行介绍，图中为某型船舶伙食冷藏系统原理，制冷量为6 kW（－ 25 ℃／ 40 ℃），制冷剂为R404a，压缩机为2 台四缸活塞压缩机（型号4EES－4Y－40S）并联运行，一般情况下冷库系统刚开始进货阶段负荷最大，称为打冷工况，当温度降低到设定值后，制冷系统是在部分负荷下运行，称为维持工况。在打冷工况时，2 台压缩机同时投入运行，系统满负荷工作。在维持工况下，只需要一台压缩机运行就足够了，此时能量为50%调节，若负荷相对于一台压缩机还是偏大，压缩机可以改变其有效工作气缸数，使部分气缸处于空载状态，四缸压缩机可以卸载两缸运行，此时能调为25%调节，因此整个系统能调范围为100%、75%、50%、25%的范围。普通船用冷藏系统，往往采用单台压缩机“启／停＋卸载” 的能量调节方式实现制冷负荷的调节，能调范围为100%、50%的范围，很显然并联制冷压缩机组能调范围更宽，这种运行方式不改变传统冷藏系统设置形式和使用要求，同样能满足制冷设计要求，也能达到节能的目的，同时在维持工况时，可根据每台压缩机累计运行时间，实现自动交替使用，提高压缩机的互备性、增加可靠性、自动化程度较高。

能量调节方式不局限于此，还有其他的方式，比如变频压缩机（通过变频器调节进而改变压缩机的转速）、热气旁通能量调节以及吸气节流能量调节等方式，可以根据不同设计要求自行选择。

4 并联制冷压缩机组冷凝压力调节

制冷系统在运行过程中，冷凝压力高低是影响制冷系统经济性和可靠性关键因素之一，如果冷凝压力过高，会导致压缩机排气温度升高，压缩机比增大，制冷降低，功耗增加等弊端，如果冷凝压力过低又会造成膨胀阀前后压差太小，供液不足，同样会导致制冷量下降，因此，必须确保冷凝压力在合理的波动范围内，尤其是在并联制冷压缩机组部分负荷运行时，通过改变冷凝器的热交换能力来实现调节。

在船舶冷藏系统中，都采用海水冷却的方式，因此只有通过改变流经冷凝器的水量来调节制冷系统冷凝压力。水流量调节阀是一种比例型调节阀，有压力控制型和温度控制型两种。压力控制型是根据冷凝压力直接控制阀的开度大小，而温度控制型是根据冷凝器出水温度间接控制阀的开度的，如图3 所示。

图3 水冷式冷凝器压力调节

制冷系统还需要在冷凝器后设置一个贮液器，贮液器容量的大小根据制冷剂循环量和负荷变化情况确定。设置贮液器目的主要避免制冷剂贮存在冷凝器中，占用冷凝器换热面积，影响换热效果。

5 并联制冷压缩机组PLC控制

传统船舶冷藏机组采用继电器控制，相比PLC 控制有着明显的不足，继电器控制利用其接触点的断开和接触动作，采用硬接线逻辑，接线多而复杂，控制箱体积大，功耗也大，而PLC控制采用存储逻辑，将控制逻辑以程序形式存储于内存当中，如果要想改变控制逻辑，只要将程序变动即可，具有简单、方便、灵活等优点。如制冷系统在维持工况时，只要一台压缩机运行，为了避免一台压缩机长期运行，需要进行轮换工作，可以根据每台压缩机累计运行时间，优先启动时间少的压缩机，继电器控制很难实现这一功能，在并联制冷压缩机组采用PLC编程控制［7］，可以做到一键开机、一键复位、一键停机，能够对制冷系统实现自动能量调节、故障报警提示功能等。

6 并联制冷压缩机组其他注意事项

在并联系统中压缩机排气管路上设止回阀，防止单台压缩机运行时，运行的压缩机排气进入另外一台压缩机。同时为了防止在系统停机期间，高压回流的制冷剂在油分离器内冷凝，影响分离出的润滑油的稀释度，建议在油分的出口管上安装止回阀。储油器出口供油管路中必须安装油过滤器，否则容易导致油位调节器失灵，同时建议在管路上安装视油镜，方便观察供油情况。

为了使润滑油有足够的流速，在储油器与压缩机曲轴箱之间必须有一定的压差，保证储油器内的压力比曲轴箱内压力略高，从而保证润滑油顺利进入压缩机。若忽略回气集管至压缩机之间的阻力损失，回气管内的压力即为压缩机曲轴箱内的压力，此压差阀的设定值一般为0.15～0.3 MPa。

并联制冷压缩机组能否可靠、安全、高效的运行，除了机组本身的设计、组装规范外，合理的系统管路设计也非常重要［8］。虽然并联制冷压缩机组相对于单台压缩机系统具有冷量较大、调节方便、自动化程度高等优势，但在设计时，并联压缩机以多台同型号的压缩机为应优先考虑，压缩机台数以3～6台为宜。由于船舶对振动和噪声有较高的要求，而冷藏机组的振动和噪声主要来自压缩机［9］，尤其多台压缩机并联运行时，必须对机组采取隔振措施，压缩机地脚安装减震垫，进、排气口管路上加装弹性避震软管等措施，框架与船体基座之间也采用弹性安装方式。采用双层框架［10］可以有效减少并联制冷压缩机组振动的产生和传递，提高设备运行的安全性能。

7 结束语

本文介绍了并联制冷压缩机组的特点和用途，从系统原理、机组回油、能量调节、冷凝压力调节及控制等方面进行阐述。系统采用主动式回油和被动式回油相结合，确保压缩机油位正常，减少压缩机失油风险；利用PLC 控制技术，能量自动调节、压缩机均衡运行，达到节能的目的；通过冷凝压力调节阀自动调节流经冷凝器的水量，改变其换热量来控制冷凝压力在合理范围内的波动，提高压缩机能效比；同时通过压缩机的减震安装、管路弹性连接、机组双层框架设计，有效地降低噪声和振动程度，通过以上设计表明并联制冷压缩机组具有制冷量大、调节范围广、智能化控制、性能稳定等优点，适用于各型冷藏船、各类速冻冷藏渔船、气调冷藏系统等，在船舶制冷系统具有很好推广作用。