曹旭东

(国家管网集团天津液化天然气有限责任公司，天津 300000)

0 引言

LNG接收站是我国LNG行业的核心设施，空调系统对于LNG行业的作用是不可替代的。由于其临近海边的特殊作业条件，环境湿度较大，作业空间狭小，对平台设备设施及工作人员健康影响极大。同时房间设备分布密集，散热量大，空气含盐量较高，如果仅采用风机进行散热无法满足设备设施正常工作环境，导致设备运行不正常，缩短使用寿命。

由于分体空调无论冬夏都需要长期不间断连续运行，并且环境恶劣，易出现压缩机、风机频繁启停、空调震动高、制冷剂管线薄弱处容易破损漏氟、热交换过度导致低压报警等问题，此外，由于现场环境复杂导致部分室外机与室内机管线过长、高度落差较大，空调制冷效果不佳，因此对于提升R134A分体空调连续运行的稳定性十分必要。

1 分体空调结构及原理

随着科技的不断提升，空调的使用越来越广泛。目前LNG接收站的空调主要分为中央空调和分体空调两类。而分体空调又分为壁挂式、吊顶式、嵌入式和立柜式空调。

分体空调由制冷系统、风路系统、电气系统、箱体和面板四部分组成，主要包含压缩机、储液罐、蒸发器、冷凝器、膨胀阀、电磁阀、供液过滤器、风机和控制电路等部件。

分体空调常用R134A作为制冷剂，其工作原理(见图1)，即压缩机将气态的制冷剂压缩为高温高压的液态制冷剂，然后送到冷凝器散热后成为低温高压的液态制冷剂，循环到室内机后在膨胀阀、毛细管的作用下压力减小气化为低温低压的气态制冷剂，最后在蒸发器内吸收室内空气中的热量吹出冷风制冷。

图1 分体空调系统原理图

2 分体空调性能提升方案

R134A分体空调由于工作环境限制需要长时间连续运行，易出现出现高、低报警，冷媒管线泄漏、结霜，制冷效果不佳、压缩机损坏等问题，对于设备设施的正常运行造成极大的影响，因此需要采取相应措施提升分体空调连续运行的稳定性。

2.1 缩短室内外机制冷剂管线长度，调整高度落差

由于房屋及内部空间受限，环境复杂，部分分体空调室内、外机的连接管线较长、高度落差较大，会增大制冷剂在管线中流动的阻力，产生不同程度的压降，对分体空调压缩机功率、制冷剂温度、压力等都会造成影响，降低分体空调的制冷效果。

分体空调室外机与室内机的冷媒连接管有低压管线和高压管线2根。高压管线通过热力膨胀阀连接蒸发器，内部制冷剂以液体为主，低压管线通过压缩机和储液罐与冷凝器连接，内部制冷剂以气态为主，制冷剂在管线内流动时会产生相应的阻力，主要包括水平管线的沿程阻力、垂直管线的静压降和管线弯头与接口等造成的局部阻力(局部阻力较小通常忽略不计)。

制冷剂管线沿程阻力压降、静压降阻力算法如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

其中：P1为水平阻力(Pa)，P2为垂直阻力(Pa)，f为管内沿程阻力系数，u为制冷剂平均流速(m/s)，qm为制冷剂质量流量，Re为雷诺系数，v为制冷剂比热容，ρ为制冷剂密度(kg/m3)，l为管长(m)，d为管内直径(cm)。

由式(4)(5)可知管线越长，高度落差越大制冷剂的压降越大。计算结果如表1、表2所示。

表1 空调水平管线与压降的管线

表2 高度落差与压降的关系

通过计算得知，分体空调70 m水平管的制冷剂的压降是15 m水平管的6.15倍，5 m垂直管的制冷剂的压降是3 m水平管的1.82倍，因此管线越长、高度落差越大制冷剂压降越大。

在实际安装中空调水平管尽量不超过20 m，垂直管落差不超过5 m，并减少制冷剂管线局部弯曲、接头等情况，以减小制冷剂在室内、外机管线中的压降，提升分体空调使用效率。

2.2 降低冷凝器热交换，提升冬季低温制冷性能

家用分体空调通常在夏季高温的情况下才启动制冷，但在设备间的设备散热较大，冬季室外低温的情况下仍然需要进行室内制冷。在低温环境下，室外机换热环境恶劣，冷凝器对流换热系数增大，制冷剂散热快，冷凝压力急剧降低，大量制冷剂聚集在冷凝器中，导致蒸发器内制冷剂压力降低，制冷能力衰减严重；此外，还会造成蒸发器结霜、低压报警、压缩机抱死等问题，导致分体空调不能正常工作，甚至故障停机。解决分体空调冬季低温制冷不佳问题的核心在于降低冷凝器换热能力。

冷凝器外侧的对流换热系数计算公式如下：

(6)

其中，h为冷凝器外侧空气对流换热系数，V为冷凝翅片最窄处空气流速，D为直径当量，v为空气运动黏度，Re为冷凝器外侧空气雷诺系数，n为经验系数(n<1)。

通过对流换热系数计算公式(6)，采取降低空气流动速率的措施降低冷凝器的对流换热系数的方法，提高冷凝温度和蒸发温度。

2.2.1 室外机添加百叶窗挡风装置

可在室外机冷凝翅片外侧安装百叶窗挡风装置，根据环境气温变化，手动调节百叶窗挡风装置风条角度，改变百叶窗挡风装置翅片开度，减少冷凝翅片处的空气流动，增加冷凝器外侧进风阻力，使式(6)中冷凝器外侧最窄处空气流动速度减小。在其他条件不变的情况下，冷凝器对流换热系数h降低，冷凝翅片处制冷剂与外界换热速度降低，提高冷凝器温度，防止制冷剂快速散热使得冷凝器出口压力降低。

在冷凝翅片处安装百叶窗，不仅可以大大缓解分体空调冬季制冷效率低的问题，而且安装便捷，在改善空调性能的同时也可以防止冷凝翅片灰尘聚集导致滤网脏堵，减少空调室外机维护保养频率。

2.2.2 限制室外机风机启动频率

室外风机启动会加速冷凝器与外界换热是造成冬季制冷效果不佳的重要原因，相同时间流过冷凝翅片的风量越大，换热越充分。目前海洋平台上使用的分体空调大多使用定频风机，如果采用变频或者变压调速的方法，分体空调的改造成本较高，电路较复杂，因此此处采用降低风机启动频率的方法。

如图2所示，可在室外机风机控制回路中串入旋钮式温度开关常开触点，根据冷凝器处温度控制风机的启动停止；同时，根据室外温度手动设置温度开关触点动作温度值。当冷凝器处温度低于设定值时，抑制风机启动，通过自然散热对冷凝翅片进行降温；当冷凝器处温度高于设定值时，温度开关常开触点闭合，风机启动对冷凝器进行降温，降低风机的启动频率，增加冷凝压力和蒸发压力，达到提升分体空调低温制冷的效果。

图2 室外风机改造电路图

此外，采用旋钮温度开关降低风机启动频率的方法，不仅在低温环境下使用，也可以长期保持。根据渤海平均气温在-15℃～35℃，压缩机启动时，冷凝器温度在10℃～50℃变化，根据外界气温的变化，改变旋钮式温度开关的动作值，防止高温时风机频繁启动，也可以在一定程度上减小分体空调室外机的震动，防止分体空调内部软管和管线焊接薄弱处破裂，防止制冷剂泄漏，提升分体空调连续运行的稳定性。

2.3 安装气液分离器，延长压缩机使用寿命

在空调制冷运行时，低温高压制冷剂在蒸发器内吸热蒸发形成高温低压的汽态制冷剂，但往往在实际运行中会出现制冷剂无法完全蒸发的现象。未完全蒸发的液体制冷剂在压缩机内部升温膨胀，使压缩机气缸压力骤增，产生液击，造成压缩机出现不同程度的损伤，甚至严重损坏，影响空调的正常运行。

为尽可能地避免液击，保证压缩机的稳定运行，可在压缩机吸气口加装气液分离器，防止液态制冷剂进入压缩机，同时为溢流而出的液态制冷剂提供临时的储存，降低压缩机的故障率，保证空调长期连续的正常运行。气液分离器安装示意图如图3所示。

图3 气液分离器安装示意图

根据实际经验，安装分体空调气液分离器后可以延长压缩机寿命2～3年，具有实际意义。

2.4 喷涂防腐材料，防止制冷剂泄漏

分体空调通常采用铜或铜铝合金作为制冷剂管线和冷凝器原料，其耐腐蚀性能较铝管好，但由于海风中含有大量NaCl粒子，部分油田还会有微量HS2气体，随着空气流动逐渐沉积至铜管和冷凝器上。

当分体空调运行时，铜管和冷凝器上会产生冷凝水，溶解NaCl产生Cl-，Cl-半径小但穿透性强，易破坏铜表面的氧化膜形成点蚀源，在电化学腐蚀的共同作用下产生CuCl，CuCl和水发生水解反应：

H2O+CuCl→Cu2O+2HCl

产生HCl进一步加重腐蚀，导致制冷剂泄漏。为防止管线、冷凝器点蚀可以在铜管和冷凝器表面喷涂铜管缓蚀剂(如苯骈三氮唑、甲基苯骈三氮唑缓蚀剂)形成一层或者多层保护膜，延长管线和冷凝器的使用寿命。

3 实施效果

3.1 设计方法简洁有效

依托分体空调自身设计，完成相关适应性改造设计。在改造设计进行大胆创新，并且设计简洁有效，安装时不用大改大造，施工成本低，将降本增效的理念运用于实际。

3.2 现场操作简单，实际效果稳定

在分体空调运行时，只需根据现场环境温度调节百叶窗翅片角度及旋钮式温度开关设定值，便可以极大提升空调冬季制冷的效果，维持房间温度恒定，减少人员维护保养和故障维修的次数，并对其他LNG行业所使用的分体空调性能提升改造具有实际意义。

4 结语

通过对R134A分体空调工作原理及低温制冷效果不佳、压缩机损坏等常见故障问题的分析，采取相应措施，通过减少室内外机管线长度、高度落差、风机控制回路串入旋钮式温度开关降低风机启动频率、安装百叶窗、喷涂铜管缓蚀剂等措施，提升分体空调长期连续运行的稳定性，降低分体空调故障率，维持房间设备设施的最佳工作环境，保障设备设施的正常运转。