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某LNG运输船制冷型空气干燥器高压停机故障分析

2022-03-04李宇初再宇郑庆国

航海 2022年1期
关键词:故障诊断

李宇 初再宇 郑庆国

摘  要:压缩空气广泛应用于船舶的柴油机起动、设备控制和日常杂用,制冷型空气干燥器是确保压缩空气干燥、洁净的重要部件。本文针对某液化天然气运输船压缩空气系统的制冷型空气干燥器频繁出现的高压停机报警,展开故障诊断和分析,为同类型设备的运行管理提供了有益的借鉴。

关键词:LNG运输船;压缩空气系统;制冷型空气干燥器;制冷压缩机高压停机;故障诊断

0 引 言

在船舶上,压缩空气广泛用于船舶柴油机起动、气动阀件的自动控制以及日常杂用。根据压缩空气的应用场合,通常分为起动空气、控制空气和杂用空气等三类。压缩空气尤其是控制空气的干燥和洁净程度直接影响各主辅机械设備和控制系统工作的可靠性,例如:压缩空气中的水分会造成部件锈蚀,油分能使橡胶密封圈老化失效,粉尘会造成部件磨损和通道堵塞等。因此,合格的压缩空气对轮机设备及系统的安全正常运行至关重要。压缩空气中的油分和粉尘通常可通过油气分离器和吸入过滤器进行清除,而经空气压缩机加压之后的空气中的水分通常以过热形态存在,一般的机械方法无法清除。因此,压缩空气净化的关键是进行干燥处理。通常,船舶上的压缩空气经空气压缩机加压进入空气瓶之前,均设置有专门的制冷型空气干燥器,辅以自动放残装置,以清除其中的水分和残余油分。

1 系统介绍

某液化天然气运输船上的货控系统、机舱遥控系统、安全系统和蒸汽系统等众多系统中均装有气动控制阀,对压缩空气系统提出了更高的要求。其压缩空气系统的基本组成如图1所示。系统包括3台额定工作压力为12 bar的杂用和控制空气压缩机,各自配备用1台制冷型空气干燥器。空气压缩机根据设定压力自动启停,3台制冷型空气干燥器一直保持运转状态。杂用和控制空气压缩机产生的压缩空气经过干燥器降温除湿后进入杂用空气瓶和控制空气瓶,供机舱和货舱杂用空气、控制空气系统和氮气发生器等使用。

制冷型空气干燥器为挪威Tamrotor Marine Compressors AS公司的R 600-S型空气干燥器,其系统布置如图2所示。在该制冷型空气干燥器中,来自空气压缩机的含饱和水分的热压缩空气经过两级处理,被冷却到2 ℃。其中,预冷却是流入干燥器的热压缩空气与流出干燥器的冷压缩空气经一级热交换器换热实现的;经预冷却的压缩空气进一步在二级热交换器中通过制冷剂蒸发带走热量。气液分离器将经冷凝的压缩空气中的水滴、油滴和颗粒物予以分离,积累到一定程度后经自动放残装置泄放。经流入干燥器的压缩空气加热后,流出干燥器的压缩空气温度约为10 ℃,变得温热和干燥。制冷循环系统是完全密封的,制冷压缩机吸入蒸发的制冷剂气体并加压到一个较高的压力;在风冷式冷凝器中,两台冷却风机根据负荷的高低自动启停,经加压的制冷剂被液化;经过毛细管装置的节流(相当于膨胀阀),液态制冷剂压力下降,并喷射入制冷剂——压缩空气换热的二级热交换器(蒸发器),吸收压缩空气的热量,热的制冷剂气体循环到制冷压缩机的入口。冷凝器出口至制冷压缩机入口的管路上装设有热气旁通调节阀,根据二级热交换器需求的制冷量自动调节。

2 故障描述

2021年1月,该轮在中国南方某船厂进坞维修。此前考虑到压缩空气流经制冷型空气干燥器的压降比以往的记录偏大,这意味着很可能是空气干燥器气路脏污,于是决定在船厂期间按计划对空气干燥器气路进行化学清洗。将其中一台被清洗的空气干燥器从系统中隔离出来,保证整个压缩空气系统的正常使用。拆掉空气干燥器的压缩空气进出口阀,连接清洗管路。将盛有草酸溶液的容器中吸入清洗剂溶液并泵送到干燥器的压缩空气出口,溶液进入干燥器后溢流回容器中,以此实现对空气干燥器气路的逆向循环冲洗。清洗持续了3 h。为了防止草酸残留在气路中对系统有腐蚀,将空气干燥器内的草酸溶液泵出后,用清水对系统进行冲洗。将干燥器内的清水全部泵出,少量残余水分经凝水泄放装置排出。清洗结束后,装复压缩空气进出口阀,空气干燥器投入备用。

坞修结束后,该轮驶向新加坡进行加油,航行途中在进行机舱无人值守例行检查时,发现经化学清洗的空气干燥器警报面板显示“高压停机”。复位警报后,重新启动,该空气干燥器会立即出现“高压停机”警报,无法持续运转。随后轮机部船员将空气干燥器的压缩空气进出口阀关闭,使其从系统中隔离出来。

3 故障分析

结合制冷系统工作原理及该轮空气干燥器制冷系统图,轮机部船员开展了系列故障分析与处理工作。

(1)制冷系统过载

将空气干燥器进口阀慢慢关小,同时不断尝试启动。结果直到进口阀完全关闭,空气干燥器的制冷系统负荷为零,依然无法启动。因此,排除了制冷系统过载造成高压的可能。

(2)制冷系统冷凝器冷却不良

①该航次沿途气温在不断升高,机舱空压机间的温度从18 ℃上升到25 ℃,但是另外两台干燥器运行良好,因此排除了冷凝器冷却介质(环境空气)温度升高导致故障的因素。

②整个坞修期间,机舱的灰尘较以往多,冷凝器的换热器表面比较脏,考虑到可能是此原因,对冷凝器换热翅片表面进行了清洁,但是故障依然未能消除。

③轮机部船员额外增加了一台外接风机,以加大冷凝器冷却介质流量,故障仍未解决。

④考虑到之前会运转一段时间再高压停机,结合以往的经验轮机部船员怀疑可能是冷凝器风机马达的电容出现故障。由于冷凝器风机是根据负荷自动启停的,如果电容状况不好,不能保证每次风机都能正常启动。如果运行过程中风机正常停机,但若负荷增加,风机在应该自动启动时由于电容状况不良无法启动,将会出现这种故障现象。对电容进行了测量,额定3 µF的电容测量值为2.9 µF,因此也排除了电容导致故障的可能。

(3)高压开关出现故障

高压开关动作值为19 bar,在冷凝器下游的服务阀处连接压力表进行测试,停机状态下压力表测量值为10 bar。在启动的瞬间,压力表读数为20 bar,确实出现高压,基本排除了高压开关出现故障的可能。更换该制冷系统的高压开关,故障也未见消除。

(4)冷凝器出口的干燥过滤器脏堵

用新备件更换冷凝器出口的干燥过滤器,故障未见消除。

(5)热气旁通管路上的粗滤器脏堵

尝试调节热气旁通阀到不同的位置来启动干燥器。热气旁通阀拧紧一圈后启动,出口压力仍瞬间达到20 bar,干燥器高压停机。继续拧紧到两圈位置,出口压力仍瞬间达到20 bar,但是停机后从20 bar恢复到10 bar的時间加长。继续拧紧到三圈位置时候,可以连续运转,排出压力在15~16 bar波动,吸入压力在7 bar波动。运转起来之后,将旁通阀调节螺丝向外拧出90°,排出压力在17~17.5 bar之间波动,吸入压力在6.5 bar波动。在调节的过程中发现伴随着旁通阀调节螺丝的向内拧紧,吸入压力在升高,排出压力在下降。对比正常工作的干燥器,吸入压力在2 bar左右,排出压力约为14 bar。尝试将热气旁通阀的调节螺丝向外拧出,使吸入压力下降、排出压力上升。虽然干燥器在持续运转但是却没有产生制冷效果。伴随热气膨胀阀开度的手动调节,压缩机的吸排压力在不断的变化,由此排除了热气旁通阀管路上粗滤器脏堵的可能。

(6)热气旁通阀故障

保证热气旁通阀的调节螺丝位置在原始状态下不变,从压缩机出口释放冷剂,与此同时不断尝试启动干燥器,直到干燥器能持续运转时停止放冷剂。干燥器运转起来之后,干燥器的出口压力较低,此时再向系统内充入冷剂,直到吸排压力与正常运转的干燥器吸排压力接近为止。此时干燥器空气进出口出现温差,冷却效果显著。并且冷凝器风机可以根据负荷的大小进行自动起停,能够保证干燥器正常运行。由此排除了热气旁通阀失去调节能力造成故障的可能。但是运转几小时后干燥器又出现“低压停机”警报。

4 故障解决

通过一系列的故障分析和查找,仍未能排除故障。联想到故障出现前后唯一的不同是进行了空气干燥器气路的化学清洗,因此还得从这方面进行思考,即是否存在二级热交换器破损漏泄的可能。在进行化学清洗期间,空气压缩机停止工作,二级热交换器冷剂侧压力大于空气侧压力。如果二级热交换器发生漏泄,化学清洗期间制冷剂会不断漏泄到空气侧,制冷系统系统内的制冷剂减少。在化学清洗结束后,起动空气压缩机运转,空气侧压力(通常大于10 bar)大于制冷系统中制冷剂压力(此时制冷压缩机未启动),所以此时会有压缩空气会进入制冷系统内。制冷系统中进入了压缩空气,系统压力升高,同时也影响了冷凝器的冷却效果,因此出现了高压停机警报。在故障查找和处理过程中,虽然轮机部船员尝试调节了热气旁通阀,迫使系统保持运转,但是冷凝器并未产生冷却效果;通过释放大量制冷剂,一定程度上将空气放出,重新充入制冷剂后,短时间内能够产生一定的制冷效果。在系统起动运行期间,冷剂侧的压力会高于空气侧,制冷剂不断漏向空气侧,所以运转一段时间后又出现了低压停机报警。为了验证推测,将空气干燥器的压缩空气进出口阀关闭,打开空气侧的凝水泄放阀将干燥器空气侧的压力释放后关闭。在放置一夜后,重新打开凝水泄放阀,发现空气侧有压力建立起来,并且从中放出伴有滑油的气体,由此判定二级热交换器(蒸发器)发生漏泄。

在拆解空气干燥器之后,发现内部二级热交换器所有的部件均为焊接,修复难度较大。考虑到该空气干燥器已经运行十余年,整个系统性能有所下降,于是决定申请一个新的空气干燥器备件进行整体更换。

作者简介:

李宇,机务经理,(E-mail) liyu@nbmc.com.cn

初再宇,三管轮,(E-mail) 885315213@qq.com

郑庆国,轮机长,(E-mail) zhengqg@chipolbrok.com.cn

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