螺杆制冷机：回油系统优化与故障诊断

1、气驱动回油
气驱动回油是利用压缩机排气压力 , 将油气分离器中的油自动输送回压缩机的一种方式。其基本原理是 : 压缩机排出的高温高压油气混合物 , 首先进入油气分离器 , 油滴在重力和离心力作用下沉积在分离器底部 , 而气体则从分离器顶部排出 ; 分离器内积油经回油管流回压缩机 , 回油的驱动力来自排气压力与压缩机吸气压力之差 , 即回油压差 [1] 。  

气驱动回油系统简单可靠 , 不需要额外的动力装置 , 已在小型螺杆机组中得到广泛应用。但其存在两个局限性 : 一是随着压缩机排气量的减小 , 回油压差降低 , 回油量减少 ; 二是当压缩机停机时 , 排气压力消失 , 回油中断。因此 , 气驱动回油不适用于需频繁变载或启停的螺杆机组 [2] 。

2、油泵强制回油
油泵强制回油是采用机械油泵 , 将油气分离器中的油抽吸并输送回压缩机的一种方式。其工作过程为 : 齿轮油泵通过轴封与压缩机主轴连接 , 随主机同步运转 ; 油泵入口与油气分离器底部相通 , 出口通过单向阀与主机润滑管路相连 ; 油泵运转时 , 不断将分离器内的积油抽吸排出 , 克服管路阻力和机壳压力 , 定量输送到压缩机各润滑点 [3] 。  

与气驱动回油相比 , 油泵强制回油的最大优点是回油压力和回油量恒定 , 不受主机负荷和运行状态的影响 , 因此成为大型螺杆机组的首选回油方式。此外 , 启停油泵还可方便地实现回油系统与主机的分离控制。但油泵强制回油也存在一定不足 , 如油泵轴封易磨损渗漏、齿轮啮合间隙增大导致泵效下降等 , 因此对油泵的设计制造和日常保养提出了更高要求 [4] 。  

3、喷油回油
喷油回油是一种直接向压缩机腔内喷射润滑油的回油方式。其特点是在压缩机吸气端设置喷油嘴 , 通过高压油管将冷却后的油雾状喷入压缩机转子腔 , 利用高速油雾对转子和轴承进行润滑冷却 , 并随排气带出 [5] 。喷油回油无需气液分离 , 油直接参与压缩制冷过程 , 因此回油效率高 , 油循环周期短 , 尤其适用于氨系统等对压缩机入口含油量要求严格的工况 [6] 。  

但喷油回油对喷嘴的雾化性能和可靠性要求很高 , 喷嘴失效会直接导致润滑中断。同时 , 喷油量难以精确控制 , 容易引起润滑油过量或不足。此外 , 由于大部分润滑油直接进入系统 , 油的劣化速度加快 , 需要频繁更换油品 , 维护成本较高。因此 , 喷油回油目前主要应用于小型氨螺杆机组 [7] 。

1、回油不畅的原因
回油不畅是指回油量不足以满足压缩机润滑需求的情况 , 其原因可分为机械故障和系统失调两类。  

机械故障引起的回油不畅主要包括 :  

(1) 油路堵塞 : 回油管路和油道内积聚水垢、炭粉等杂质 , 堵塞油流通道 , 严重时可导致回油中断。尤其是狭窄复杂的回油口和轴承油槽 , 更易发生堵塞 [8] 。  

(2) 油泵失效 : 齿轮磨损、轴承烧蚀等导致油泵机械损坏 , 泵效下降甚至无法运转 ; 电机烧毁、电容损坏等引起油泵断电 , 无法建立回油压力 [9] 。  

(3) 回油管破裂 : 制冷剂对回油管产生低温脆化 , 振动应力又导致疲劳断裂 , 回油管破裂后润滑油外泄 , 压缩机缺油 [10] 。  

(4) 单向阀失灵 : 回油管单向阀弹簧断裂、阀芯卡涩 , 使单向阀失去止回作用 , 高压气体倒流进油气分离器 , 抑制油的正常回流 [11] 。

系统失调引起的回油不畅主要包括 :  

(1) 吸气过热 : 吸气温度过高会降低回油管内油的黏度 , 加剧回油阻力 , 使油难以克服排气背压而流回压缩机 [12] 。  

(2) 低温运行 : 冷冻工况下 , 蒸发温度过低会使回油管局部结霜 , 阻碍油的顺畅流动 ; 低温黏油还会堵塞油滤网 , 进一步加剧回油阻力 [13] 。  

(3) 油位过低 : 机组漏油、补油不及时等 , 导致油气分离器液位降低 , 回油管入口露出油面 , 使回油系统抽空 , 回不到油 [14] 。

2、跑油的原因
跑油是指大量未经充分利用的润滑油 , 随排气流失到系统中的现象。跑油会恶化制冷剂与润滑油的互溶性 , 加剧换热器结垢变质 , 降低系统传热效率。同时 , 跑油也意味着压缩机得不到有效润滑 , 易引发磨损烧瓦等故障。跑油的主要原因包括 :  

(1) 油气分离器失效 : 分离器结构设计不合理 , 气液分离效果差 ; 旁通阀密封不严 , 分离后的油气混合物直接进入排气管 ; 油位计失灵 , 液位过高 , 油从排气口溢出 [15] 。  

(2) 排气温度过高 : 排气温度超过润滑油的闪点 , 使大量油气化并随排气带走 ; 排气温度过高还会加剧油的氧化劣变 , 产生积碳 , 堵塞油道 [16] 。  

(3) 低压运行 : 蒸发压力过低会使油的环境压力降低 , 挥发度增大 , 从而加剧油的气化流失 ; 同时 , 低压时油的黏度降低 , 更易被气流夹带 [17] 。  

(4) 冷凝不足 : 冷凝器散热不良、冷凝压力过低等 , 会使油温升高 , 黏度下降 , 不利于油气分离 , 加剧油的夹带外逸 [18] 。  

此外 , 机油选型不当 ( 如黏度过低 ) 、压缩机间隙配合不当 ( 如间隙过大 ) 等 , 也是导致跑油的常见原因。

(1) 化学清洗 : 在机组运行状态下 , 向油气分离器中加入油路清洗剂 , 利用机组本身的油流冲刷油路 ; 清洗后再用新油置换 2~3 次 , 彻底清除残留的清洗剂 [19] 。  

(2) 反向吹扫 : 用压缩空气或氮气 , 从回油管出口反向吹扫 , 排出堵塞油路的杂质 ; 吹扫压力应控制在 0.4MPa 以下 , 以免损伤管路和密封件 [20] 。  

(3) 机械疏通 : 拆开回油管 , 用软质细钢丝或尼龙刷清理管内壁 , 直至疏通 ; 对于微小油道 , 可用高压水枪或超声波清洗器进行清理疏通 [21] 。  

1、更换油泵
对于因油泵磨损、烧毁等引起的回油不畅 , 需要对油泵进行修复或更换 :  

(1) 齿轮油泵 : 更换同型号的新油泵总成 , 注意转向应与原泵一致 ; 对于轻度磨损的泵 , 可更换磨损的齿轮 , 并检查轴承、油封等零部件 [22] 。  

(2) 离心油泵 : 更换损坏的电机、电容 , 必要时更换泵体 ; 检查并紧固泵体与电机之间的联轴器 , 确保同轴运转 [23] 。  

更换油泵后 , 应在运行状态下检查其回油压力和流量 , 压力应稳定在 0.2~0.4MPa, 流量应满足压缩机润滑需求 [24] 。

2、修复管路
对于因管路破裂、单向阀失灵等引起的回油不畅 , 应及时修复或更换损坏的管路和阀门 :  

(1) 断裂管路 : 截去断裂部分 , 用同材质、同规格的管件焊接 , 焊缝应饱满、均匀、无针孔 ; 焊接后进行氦检 , 确保无泄漏 [25] 。  

(2) 单向阀 : 更换同型号的新单向阀 , 注意流向应与原阀一致 ; 检查阀座密封面 , 必要时进行研磨 , 确保密封良好 [26] 。  

修复或更换后 , 应在常温常压下进行试压 , 压力应为工作压力的 1.5 倍 , 保压 30min 无渗漏为合格 [27] 。  

3、清洗油滤
对于因油滤堵塞引起的回油不畅 , 可拆下油滤器进行清洗或更换 :  

(1) 金属滤网 : 用煤油浸泡并刷洗 , 直至滤孔清晰透亮 ; 对于磨损变形的滤网 , 应及时更换 [28] 。  

(2) 纸质滤芯 : 直接更换新滤芯 , 选型时应参照原滤芯的型号和过滤精度 ; 安装时注意密封圈到位 , 避免漏油 [29] 。  

清洗或更换后 , 在运行状态下观察油滤压差 , 压差应控制在 0.05~0.1MPa, 过大说明滤芯堵塞 , 过小说明滤芯失效 [30] 。

4、校验油位计
对于因油位计失灵引起的回油异常 , 可对油位计进行校验或更换 :  

(1) 浮球油位计 : 检查浮球是否畅通、浮杆是否变形 , 指示面板是否清晰完整 ; 必要时更换浮球总成 , 并在油位计上标注正常液位线 [31] 。  

(2) 光电油位计 : 检查发射器和接收器是否对准 , 透镜是否清洁完整 ; 检查控制电路板 , 确认电源和信号线连接可靠 ; 校准油位计的 4mA 和 20mA 输出点 [32] 。  

(3) 雷达油位计 : 检查天线是否污损、变形 , 必要时进行清洗或更换 ; 检查供电电压 , 确认电源连接可靠 ; 用标准油位校准雷达液位计的零位和满位 [33] 。

1、回油压差法
回油压差是判断回油量的一个重要指标。回油压差等于油气分离器压力与压缩机吸气压力之差 , 通常应维持在 0.05~0.15MPa[34] 。当回油压差过小时 , 说明回油管阻力过大或油泵压头不足 , 回油量偏低 ; 当回油压差过大时 , 说明回油管路异常通畅或单向阀失灵 , 易发生油液冲击和倒灌。因此 , 在回油管路进出口安装压力表 , 实时监测回油压差 , 可为判断回油状况提供依据。

2、排气温度法
压缩机的排气温度可间接反映回油量的充足与否。一般来说 , 排气温度应控制在 90~120℃[35] 。当排气温度过高时 , 说明回油不足 , 压缩机得不到有效冷却 ; 当排气温度过低时 , 说明回油过剩 , 冷却剂夹带过多的低温油气。因此 , 在压缩机排气口安装温度传感器 , 监测排气温度变化 , 并结合油的使用温度范围 , 可初步判断回油量是否合适。  

3、油位波动法
油气分离器的油位波动情况 , 可直观地反映回油系统的运行状态。正常情况下 , 油位应稳定在液位计的中上部 , 波动幅度不宜超过 20%[36] 。当油位持续下降时 , 说明系统漏油或回油受阻 ; 当油位大幅波动时 , 说明回油间歇性中断或油泵出现故障 ; 当油位过高并溢出时 , 说明油过量或气液分离不良。因此 , 通过油位计观察分离器油位的波动情况 , 可为诊断回油系统故障提供直接依据。

4、轴承温升法
压缩机轴承的温升情况 , 是判断轴承润滑状况的可靠依据。一般来说 , 轴承温升应控制在 30K 以内 [37] 。当轴承温升过高时 , 说明回油量不足或油质变差 , 轴承润滑失效 ; 当轴承温升正常 , 但温差过大时 , 说明回油分布不均 , 个别轴承润滑不足。因此 , 在压缩机轴承座附近布置温度传感器 , 实时监控轴承的温升情况 , 并结合停机后人工触摸轴承座的温差体验 , 可准确判断轴承的润滑状态。

1、合理设计油路
在螺杆机组的设计阶段 , 应充分考虑回油系统的合理性和可靠性 , 从源头上预防回油故障 :  

(1) 管径匹配 : 根据螺杆机的型号和回油量 , 选择合适口径的回油管 , 一般应选用内径为 12~40mm 的无缝钢管 , 过大会增加冷冻油的循环量 , 过小则会产生较大的阻力 [38] 。  

(2) 管路布置 : 回油管路应尽量减少弯头和变径 , 以降低局部阻力 ; 应避开热源 , 以防止热辐射使油温升高 , 黏度降低 ; 宜采取倾斜敷设 , 坡度不小于 1/100, 便于冷凝水和杂质的排出 [39] 。  

(3) 油滤设置 : 在回油管进口处设置 80 目金属滤网 , 在出口处设置 25μm 的精密滤油器 , 配备压差表 , 实现对回油油质的双重保护和实时监控 [40] 。  

(4) 安全阀选用 : 在回油管与压缩机之间 , 设置安全阀 , 当回油压力超过 0.6MPa 时自动泄压 , 既可保护压缩机 , 又可及时发现回油异常 [41] 。

2、规范施工安装
在螺杆机组的施工安装阶段 , 应严格按照设计图纸和规范要求 , 细化落实各项施工工艺 , 确保回油系统安装质量 :  

(1) 清洗油路 : 在安装回油管路前 , 应先用压缩空气或氮气吹扫 , 再用合格的冷冻机油冲洗 , 除去制作和运输过程中的污物和水分 [42] 。  

(2) 焊接工艺 : 采用氩弧焊等先进焊接工艺 , 做到焊缝饱满、均匀、无针孔、无夹渣 , 焊后应进行 100% 射线探伤或染色探伤 , 确保焊缝质量 [43] 。  

(3) 试压测漏 : 管路安装完毕后 , 用 1.25 倍工作压力的氮气进行吹扫、试压 , 保压 24h, 压力降不超过 0.05MPa; 再用氦质谱检漏仪进行检漏 , 灵敏度应达到 10-9Pa·m3/s[44] 。  

(4) 油泵就位 : 油泵安装就位后 , 应检查其与电机间的同心度 , 偏差应小于 0.2mm; 并在油泵出口安装压力表 , 调试运行 , 确认其压头和流量满足设计要求 [45] 。  

3、加强运行维护   
在螺杆机组的运行阶段 , 还应通过加强日常维护和定期检修 , 及时发现和消除回油系统的隐患 , 保障回油系统长周期、高可靠运转 :  

( 1) 定期换油 : 根据冷冻油的使用情况 , 一般每 2000~4000h 更换一次 , 夏季高温季节应适当缩短更换周期 ; 更换时 , 须用同牌号、同规格油品 , 并做好标识记录 [46] 。  

(2) 清洗油箱 : 在每次换油前 , 将油箱内的残油和杂质放尽 , 用煤油对油箱进行清洗 , 然后用压缩空气吹干 ; 检查油箱内壁有无锈蚀、裂纹 , 必要时进行修补 [47] 。  

(3) 巡检制度 : 设专人定期巡检 , 每班不少于 1 次 ; 重点检查油位、油温、油压、轴承温度等参数 , 如发现异常 , 及时分析原因 , 采取措施 [48] 。  

(4) 定检制度 : 根据螺杆机的使用情况 , 制定月度、季度、年度定期检修计划 , 并严格执行 ; 定检内容包括测量轴承间隙、检查油泵齿轮、清理油滤网、校验油位计等 [49] 。