压缩空气预冷机组典型故障分析与排除

王 彬 王炳忠 胡新生

（海军航空大学青岛校区，青岛 266041）

目前，航空制氧制氮设备中广泛应用压缩空气预冷机组作为压缩机的后处理装置来进行空气预冷和除湿。制取氧气和氮气的过程中，经常因为压缩空气预冷机组出现故障导致制氧制氮效果降低甚至失败。因此，研究压缩空气预冷机组故障原因分析与排除方法，对有效实施空气分离而成功制氧制氮具有重要意义。

1 工作原理

压缩空气预冷机组利用制冷原理强制冷却压缩空气，使压缩空气中的水蒸气在低温下饱和。当温度低于露点温度时，水蒸气达到过饱和而冷凝结露，利用惯性将水分从压缩空气中分离出来[1]。从压缩机出来的压缩空气，从空气进口进入压缩空气预冷机组蒸发器。在蒸发器中，制冷剂蒸发吸收压缩空气的热量，使压缩空气降温同时除湿。压缩空气预冷机组工作流程如图1所示。

图1 压缩空气预冷机组工作流程图

2 典型故障分析与排除

压缩空气预冷机组出现的故障各种各样，其中较为主要包括以下几种典型问题。

2.1 制冷效果差

制冷效果差现象较为简单，主要表现为蒸发器出口的压缩空气温度较高，达不到预设的温度值。但是，造成制冷效果差的原因很多。从理论上分析，压缩空气预冷机组是基于压缩蒸气制冷循环而设计的，最基本的原理是传热。因此，在蒸发器中，制冷剂与压缩空气的换热量Q决定了制冷效果。其中，换热量Q的计算公式为[2]：

式中：t1为热侧进口温度；t2为热侧出口温度；t3为冷侧进口温度；t4为冷侧出口温度；K为换热系数；A为换热面积；m为冷媒流量；ΔT为对数平均温差。

在某些特殊情况下，可以用算术平均温差代替对数平均温差。本文采用定性分析法，因此可用算术平均温差代替对数平均温差。影响式（1）中换热量Q的因素主要有4个，分别为冷媒流量m、换热系数K、换热面积A以及传热温差T，其中传热温差T为压缩空气的平均换热温度T1与蒸发器中制冷剂的平均换热温度T2之差。

2.2 冷媒流量类故障

冷媒流量并不是越多越好。当制冷剂量m增大时，会使蒸发压力增大，进而使蒸发温度和平均换热温度T1增加，传热温差T减小；当冷媒流量增大、传热温差减小时，其乘积为不定式，换热量可能增大也可能减小。压缩空气预冷机组由于管路腐蚀、管路接口泄漏等，可能出现冷媒泄漏。当冷媒稍有减少时，将导致制冷量偏离设计最优点，换热量可能不变或者减小；当冷媒大幅度减小时，质量流量和传热温差的不定式中的质量影响较大。由于制冷量减小，会导致制冷效果变差。

制冷剂质量流量减小会使制冷效果变差。导致其流量减小的原因有以下几点：第一，管路腐蚀、接口密封不严等导致冷媒泄漏；第二，节流元件采用毛细管时，毛细管冰堵或者脏堵导致质量流量减小；第三，节流元件采用热力膨胀阀时，热力膨胀阀故障。冷媒流量类故障应针对上述情况进行有针对性的消除处理，以使冷媒流量达到设计要求。

2.3 传热温差类故障

压缩空气温度受外界环境因素和压缩机影响较大，如影响压缩空气平均换热温度和蒸发器中制冷剂平均传热温度的因素都会影响制冷量。当压缩空气温度升高时，会使传热温差增大，从而使制冷量增大。此时，虽然制冷量增加，但是由于压缩空气温度的提高，导致换热后的压缩空气温度比换热前压缩空气的温度高，因此制冷效果不佳。影响蒸发器中制冷剂平均传热温差的因素主要有蒸发温度和过热度。通常，过热度较小，因此影响制冷剂平均传热温差的因素主要为蒸发温度。蒸发温度主要与蒸发压力有关，而蒸发压力主要与制冷剂流量和冷凝压力等有关。当蒸发压力增加时，会使蒸发温度增加，传热温差减小，从而导致制冷效果变差。

导致蒸发压力或蒸发温度增加的原因主要有以下两个方面[3]。一方面，冷凝器外结垢严重或者冷凝风机故障，导致冷凝器换热效果差，从而使冷凝压力和蒸发压力增加。另一方面，旁通阀故障，导致阀门开度过大，冷凝器出口温度过高，使蒸发温度过高。传热温差类故障应针对上述两种情况进行有针对性的消除处理，以使传热温差达到设计要求。

2.4 换热系数下降

换热系数下降会导致制冷效果变差。常见的导致换热系数下降的主要原因是蒸发器表面结垢。换热系数类故障应清除处理蒸发器表面结垢，以使换热系数达到设计要求。

2.5 过载保护类故障

为防止压缩机过载烧毁，通常在冷凝器出口设置有高压开关。当冷凝器出口压力大于2.1 MPa时，高压开关跳脱，机组停止工作。因为引起冷凝压力高和冷凝器换热效果差的因素都会导致冷凝器出口压力升高而诱发过载保护，所以冷凝器出口压力主要与冷凝压力和换热情况有关。冷凝压力主要与冷媒量和压缩机排气压力等有关，因为压缩机到冷凝器的压力损失较小，所以冷凝器压力近似等于压缩机排气压力。

引起冷凝压力过大的原因主要有3个方面：第一，加注冷媒量过多；第二，毛细管堵塞，压缩机的负载增大，导致排气压力和冷凝压力增大；第三，进入蒸发器的压缩空气温度过高[4]。当压缩空气温度以及蒸发器出口的制冷剂温度很高时，会使压缩机的吸气温度和吸气压力增高，从而导致压缩机的排气压力和冷凝压力增大。引起冷凝器换热效果差的主要原因有冷凝器结垢和冷凝风机故障两种情况。过载保护类故障应针对引起冷凝压力过大和引起冷凝器换热效果差的2大类5种情况进行有针对性的处理，以消除过载保护对压缩空气预冷机组工作的影响。

2.6 低压保护类故障

压缩空气预冷机组中，设置有低压保护开关，主要是为了防止蒸发压力太低，保证压缩空气预冷机组处于较好的工作状态。蒸发压力过低时，会使低压保护开关跳脱。究其原因，主要在于4个方面[5]。第一，冷媒泄漏，缺少制冷剂。第二，毛细管堵塞，节流效果加强，节流降压后使蒸发压力变得更低。第三，外界温度环境过低，导致冷凝器出口温度过低，经过毛细管节流降压后，使蒸发温度和蒸发压力降低。第四，压缩空气温度过低，导致蒸发温度过低。低压保护类故障应针对上述引压缩空气预冷机组低压保护的情况进行有针对性的处理，以消除低压保护对压缩空气预冷机组工作的影响。

3 结语

压缩空气预冷机组发生故障相对较多，故障原因分析比较复杂，但是故障排除相对简单。因此，制氧机压缩空气预冷机组发生故障时，维修人员快速准确定位故障成为迅速消除故障和恢复压缩空气预冷机组正常工作状态的关键。为了快速定位故障，一般应遵循先理论分析后实际行动、先简单后烦琐的原则，优先检查发生故障概率大者。