王愛龍，于 曼，周文兵

（無錫海核裝備科技有限公司，江蘇無錫 214191）

0 引言

船舶冷庫作為重要的船舶輔助機(jī)械，其能否正常運行，直接影響到船員的正常生活和工作，因此在船舶配套設(shè)備中，船用冷藏機(jī)組在制冷系統(tǒng)中尤為重要，冷庫制冷系統(tǒng)的合理設(shè)計是冷藏裝置高效、安全和可靠運行的前提和保證［1］。這就對制冷機(jī)組運行可靠性提出更高的要求，針對以往的制冷系統(tǒng)運行方式進(jìn)行設(shè)計改進(jìn)，采用并聯(lián)制冷壓縮機(jī)組可以很好地匹配系統(tǒng)的動態(tài)負(fù)荷變化，避免單壓縮機(jī)制冷運行過程中出現(xiàn)“大馬拉小車” 的情況，因此并聯(lián)制冷壓縮機(jī)組更適用船舶冷藏一機(jī)多庫的制冷方式，可以保證制冷設(shè)備以最經(jīng)濟(jì)的方式運行，最大限度節(jié)約能源。

1 并聯(lián)制冷壓縮機(jī)組介紹

在制冷系統(tǒng)中，并聯(lián)制冷壓縮機(jī)組是指有2 臺或2 臺以上壓縮機(jī)集成在一起為多臺蒸發(fā)器提供冷量的設(shè)備，它一般由機(jī)架、壓縮機(jī)、排氣集管、回氣集管、油分離器、儲油器等部件組成。機(jī)組運行時壓縮機(jī)可以根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷的大小自動調(diào)節(jié)壓縮機(jī)運行臺數(shù)，具有節(jié)能、調(diào)節(jié)方便等特點。在船舶制冷系統(tǒng)壓縮機(jī)都要求有備用壓縮機(jī)的型式，一般設(shè)計采用2 臺壓縮機(jī)，可實現(xiàn)交替使用并互為備用運行，能夠均衡磨損，保證壓縮機(jī)的同等運行壽命，確保系統(tǒng)的可靠性。本文以兩臺壓縮機(jī)并聯(lián)運行為例加以說明，其系統(tǒng)原理如圖1 所示。

圖1 并聯(lián)制冷壓縮機(jī)組原理

流程說明：來自不同蒸發(fā)器的制冷劑蒸汽經(jīng)回氣集管分別進(jìn)入兩臺壓縮機(jī)的吸氣端，經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后成高溫高壓的氣體匯集到排氣集管，然后經(jīng)過高效油分離器，將制冷劑排氣中夾帶的潤滑油分離出來，滯留在油分底部，不含油的制冷劑經(jīng)過油分離器的出口連接到系統(tǒng)冷凝器去參與制冷循環(huán)；滯留在油分離器底部的潤滑油經(jīng)回油管路，將分離出來的潤滑油集中儲存在儲油器中，然后根據(jù)每臺壓縮機(jī)的油位情況，自動通過油位調(diào)節(jié)器［2］補充到壓縮機(jī)曲軸箱內(nèi)，保證壓縮機(jī)的油位正常。

2 并聯(lián)制冷壓縮機(jī)組回油控制

潤滑油在制冷系統(tǒng)中起到至關(guān)緊要的重要。潤滑油能夠減少軸與軸承、活塞環(huán)與氣缸壁等運動部件接觸面的機(jī)械磨損，減少摩擦耗功，提高機(jī)械效率，延長零部件的使用壽命，也可以帶走摩擦產(chǎn)生的熱量，降低各運動部件的溫度，提高壓縮機(jī)的機(jī)械性能，增強氣缸與活塞之間的密封性，保證壓縮機(jī)排氣效率。

壓縮機(jī)回油是否正常，決定著壓縮機(jī)及系統(tǒng)運行的可靠性程度，在壓縮機(jī)工作時，必定會有一部分潤滑油會從氣缸中與制冷劑一起排出，進(jìn)入制冷系統(tǒng)的管道、冷凝器和蒸發(fā)器等，如果潤滑油不能有效地、及時地返回壓縮機(jī)時，嚴(yán)重情況會導(dǎo)致壓縮機(jī)因缺油而燒毀。在并聯(lián)制冷壓縮機(jī)組通常采用主動式回油方式［3］，系統(tǒng)原理見圖1，通過系統(tǒng)中的船用高效油分離器將絕大部分潤滑油分離后集中儲存在儲油器中，然后通過油位調(diào)節(jié)器補充到壓縮機(jī)曲軸箱內(nèi)，形成油路循環(huán)。

眾所周知，由于任何型式油分離器的分油率都不可能達(dá)到100%，雖然制冷劑中夾帶的潤滑油絕大部分都會經(jīng)過油分離器能夠分離出來，但是仍然會有一部分潤滑油會進(jìn)入系統(tǒng)的冷凝器和蒸發(fā)器中去，會對系統(tǒng)控制元件產(chǎn)生影響，如果滯留在冷凝器或蒸發(fā)器中，會在其表面上形成一層油膜，特別是蒸發(fā)器工作溫度較低的情況下，潤滑油粘度大，容易附著在換熱管內(nèi)壁上，流動比較困難，使其傳熱效果降低，影響整個制冷裝置運行經(jīng)濟(jì)性。這部分潤滑油可以通過管路的優(yōu)化設(shè)計，增設(shè)制冷輔助設(shè)備等措施，保證良好的回油效果，同樣能夠隨同制冷一起返回到壓縮機(jī)，這種回油方式通常稱為被動式回油。在制冷系統(tǒng)中，氣液分離器成為十分重要的必不可少的部件之一。由于氣液分離器獨特的U型管和回油孔［4］設(shè)計，既保證了良好的回油效果，又可有效地避免液體制冷劑進(jìn)入壓縮機(jī)吸氣管，防止壓縮機(jī)液擊。

對于并聯(lián)制冷壓縮機(jī)組而言，采用一種“一進(jìn)多出” 的氣液分離器［5］，圖1 中壓縮機(jī)吸氣端部分可以進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)，如圖2 所示，回氣集管連接到氣液分離器進(jìn)管，制冷劑和夾帶的潤滑油在氣液分離器內(nèi)部進(jìn)行集中分配，兩根出管分別接到＃1、＃2 壓縮機(jī)回氣端，每臺壓縮機(jī)都通過各自的管路從氣液分離器中吸入制冷劑和潤滑油，這種回油方式，不但能夠?qū)崿F(xiàn)每臺壓縮機(jī)均勻回油，而且也能減小單臺壓縮機(jī)運行或部分負(fù)荷運行時，吸氣管內(nèi)制冷劑流速減小而造成系統(tǒng)回油能力下降的問題，雖然在復(fù)雜程度和成本上有所增加，但是可靠性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性更強。

圖2 一進(jìn)兩出氣分－壓縮機(jī)并聯(lián)連接

3 并聯(lián)制冷壓縮機(jī)組能量調(diào)節(jié)控制

制冷系統(tǒng)的冷負(fù)荷包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)的滲透熱、冷藏冷凍貨物的貨物熱、通風(fēng)換氣的熱量、庫內(nèi)風(fēng)機(jī)、照明等的產(chǎn)生的熱量以及人員進(jìn)出庫房操作熱這5 部分組成，然后根據(jù)設(shè)計要求確定冷凝溫度和蒸發(fā)溫度，按照可能出現(xiàn)的最大負(fù)荷來選擇制冷壓縮機(jī)。但在實際運行過程中，冷庫負(fù)荷、運行工況總是不斷變化的，而絕大部分時間都是在部分負(fù)荷下運行的。為了滿足制冷工藝的要求，并最大限度地降低運行費用，必須采取能量調(diào)節(jié)措施，使制冷設(shè)備的制冷量與冷庫負(fù)荷相匹配。

制冷系統(tǒng)能量調(diào)節(jié)的方式主要有兩種方式，一種是壓縮機(jī)自身的調(diào)節(jié)，另一種是在制冷系統(tǒng)上設(shè)計能調(diào)措施。壓縮機(jī)能力調(diào)節(jié)的方法也有很多，應(yīng)根據(jù)裝置的具體工作要求和壓縮機(jī)配置情況而適當(dāng)?shù)倪x擇［6］。本文以圖1 為例進(jìn)行介紹，圖中為某型船舶伙食冷藏系統(tǒng)原理，制冷量為6 kW（－ 25 ℃／ 40 ℃），制冷劑為R404a，壓縮機(jī)為2 臺四缸活塞壓縮機(jī)（型號4EES－4Y－40S）并聯(lián)運行，一般情況下冷庫系統(tǒng)剛開始進(jìn)貨階段負(fù)荷最大，稱為打冷工況，當(dāng)溫度降低到設(shè)定值后，制冷系統(tǒng)是在部分負(fù)荷下運行，稱為維持工況。在打冷工況時，2 臺壓縮機(jī)同時投入運行，系統(tǒng)滿負(fù)荷工作。在維持工況下，只需要一臺壓縮機(jī)運行就足夠了，此時能量為50%調(diào)節(jié)，若負(fù)荷相對于一臺壓縮機(jī)還是偏大，壓縮機(jī)可以改變其有效工作氣缸數(shù)，使部分氣缸處于空載狀態(tài)，四缸壓縮機(jī)可以卸載兩缸運行，此時能調(diào)為25%調(diào)節(jié)，因此整個系統(tǒng)能調(diào)范圍為100%、75%、50%、25%的范圍。普通船用冷藏系統(tǒng)，往往采用單臺壓縮機(jī)“啟／停＋卸載” 的能量調(diào)節(jié)方式實現(xiàn)制冷負(fù)荷的調(diào)節(jié)，能調(diào)范圍為100%、50%的范圍，很顯然并聯(lián)制冷壓縮機(jī)組能調(diào)范圍更寬，這種運行方式不改變傳統(tǒng)冷藏系統(tǒng)設(shè)置形式和使用要求，同樣能滿足制冷設(shè)計要求，也能達(dá)到節(jié)能的目的，同時在維持工況時，可根據(jù)每臺壓縮機(jī)累計運行時間，實現(xiàn)自動交替使用，提高壓縮機(jī)的互備性、增加可靠性、自動化程度較高。

能量調(diào)節(jié)方式不局限于此，還有其他的方式，比如變頻壓縮機(jī)（通過變頻器調(diào)節(jié)進(jìn)而改變壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速）、熱氣旁通能量調(diào)節(jié)以及吸氣節(jié)流能量調(diào)節(jié)等方式，可以根據(jù)不同設(shè)計要求自行選擇。

4 并聯(lián)制冷壓縮機(jī)組冷凝壓力調(diào)節(jié)

制冷系統(tǒng)在運行過程中，冷凝壓力高低是影響制冷系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和可靠性關(guān)鍵因素之一，如果冷凝壓力過高，會導(dǎo)致壓縮機(jī)排氣溫度升高，壓縮機(jī)比增大，制冷降低，功耗增加等弊端，如果冷凝壓力過低又會造成膨脹閥前后壓差太小，供液不足，同樣會導(dǎo)致制冷量下降，因此，必須確保冷凝壓力在合理的波動范圍內(nèi)，尤其是在并聯(lián)制冷壓縮機(jī)組部分負(fù)荷運行時，通過改變冷凝器的熱交換能力來實現(xiàn)調(diào)節(jié)。

在船舶冷藏系統(tǒng)中，都采用海水冷卻的方式，因此只有通過改變流經(jīng)冷凝器的水量來調(diào)節(jié)制冷系統(tǒng)冷凝壓力。水流量調(diào)節(jié)閥是一種比例型調(diào)節(jié)閥，有壓力控制型和溫度控制型兩種。壓力控制型是根據(jù)冷凝壓力直接控制閥的開度大小，而溫度控制型是根據(jù)冷凝器出水溫度間接控制閥的開度的，如圖3 所示。

圖3 水冷式冷凝器壓力調(diào)節(jié)

制冷系統(tǒng)還需要在冷凝器后設(shè)置一個貯液器，貯液器容量的大小根據(jù)制冷劑循環(huán)量和負(fù)荷變化情況確定。設(shè)置貯液器目的主要避免制冷劑貯存在冷凝器中，占用冷凝器換熱面積，影響換熱效果。

5 并聯(lián)制冷壓縮機(jī)組PLC控制

傳統(tǒng)船舶冷藏機(jī)組采用繼電器控制，相比PLC 控制有著明顯的不足，繼電器控制利用其接觸點的斷開和接觸動作，采用硬接線邏輯，接線多而復(fù)雜，控制箱體積大，功耗也大，而PLC控制采用存儲邏輯，將控制邏輯以程序形式存儲于內(nèi)存當(dāng)中，如果要想改變控制邏輯，只要將程序變動即可，具有簡單、方便、靈活等優(yōu)點。如制冷系統(tǒng)在維持工況時，只要一臺壓縮機(jī)運行，為了避免一臺壓縮機(jī)長期運行，需要進(jìn)行輪換工作，可以根據(jù)每臺壓縮機(jī)累計運行時間，優(yōu)先啟動時間少的壓縮機(jī)，繼電器控制很難實現(xiàn)這一功能，在并聯(lián)制冷壓縮機(jī)組采用PLC編程控制［7］，可以做到一鍵開機(jī)、一鍵復(fù)位、一鍵停機(jī)，能夠?qū)χ评湎到y(tǒng)實現(xiàn)自動能量調(diào)節(jié)、故障報警提示功能等。

6 并聯(lián)制冷壓縮機(jī)組其他注意事項

在并聯(lián)系統(tǒng)中壓縮機(jī)排氣管路上設(shè)止回閥，防止單臺壓縮機(jī)運行時，運行的壓縮機(jī)排氣進(jìn)入另外一臺壓縮機(jī)。同時為了防止在系統(tǒng)停機(jī)期間，高壓回流的制冷劑在油分離器內(nèi)冷凝，影響分離出的潤滑油的稀釋度，建議在油分的出口管上安裝止回閥。儲油器出口供油管路中必須安裝油過濾器，否則容易導(dǎo)致油位調(diào)節(jié)器失靈，同時建議在管路上安裝視油鏡，方便觀察供油情況。

為了使?jié)櫥陀凶銐虻牧魉?，在儲油器與壓縮機(jī)曲軸箱之間必須有一定的壓差，保證儲油器內(nèi)的壓力比曲軸箱內(nèi)壓力略高，從而保證潤滑油順利進(jìn)入壓縮機(jī)。若忽略回氣集管至壓縮機(jī)之間的阻力損失，回氣管內(nèi)的壓力即為壓縮機(jī)曲軸箱內(nèi)的壓力，此壓差閥的設(shè)定值一般為0.15～0.3 MPa。

并聯(lián)制冷壓縮機(jī)組能否可靠、安全、高效的運行，除了機(jī)組本身的設(shè)計、組裝規(guī)范外，合理的系統(tǒng)管路設(shè)計也非常重要［8］。雖然并聯(lián)制冷壓縮機(jī)組相對于單臺壓縮機(jī)系統(tǒng)具有冷量較大、調(diào)節(jié)方便、自動化程度高等優(yōu)勢，但在設(shè)計時，并聯(lián)壓縮機(jī)以多臺同型號的壓縮機(jī)為應(yīng)優(yōu)先考慮，壓縮機(jī)臺數(shù)以3～6臺為宜。由于船舶對振動和噪聲有較高的要求，而冷藏機(jī)組的振動和噪聲主要來自壓縮機(jī)［9］，尤其多臺壓縮機(jī)并聯(lián)運行時，必須對機(jī)組采取隔振措施，壓縮機(jī)地腳安裝減震墊，進(jìn)、排氣口管路上加裝彈性避震軟管等措施，框架與船體基座之間也采用彈性安裝方式。采用雙層框架［10］可以有效減少并聯(lián)制冷壓縮機(jī)組振動的產(chǎn)生和傳遞，提高設(shè)備運行的安全性能。

7 結(jié)束語

本文介紹了并聯(lián)制冷壓縮機(jī)組的特點和用途，從系統(tǒng)原理、機(jī)組回油、能量調(diào)節(jié)、冷凝壓力調(diào)節(jié)及控制等方面進(jìn)行闡述。系統(tǒng)采用主動式回油和被動式回油相結(jié)合，確保壓縮機(jī)油位正常，減少壓縮機(jī)失油風(fēng)險；利用PLC 控制技術(shù)，能量自動調(diào)節(jié)、壓縮機(jī)均衡運行，達(dá)到節(jié)能的目的；通過冷凝壓力調(diào)節(jié)閥自動調(diào)節(jié)流經(jīng)冷凝器的水量，改變其換熱量來控制冷凝壓力在合理范圍內(nèi)的波動，提高壓縮機(jī)能效比；同時通過壓縮機(jī)的減震安裝、管路彈性連接、機(jī)組雙層框架設(shè)計，有效地降低噪聲和振動程度，通過以上設(shè)計表明并聯(lián)制冷壓縮機(jī)組具有制冷量大、調(diào)節(jié)范圍廣、智能化控制、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，適用于各型冷藏船、各類速凍冷藏漁船、氣調(diào)冷藏系統(tǒng)等，在船舶制冷系統(tǒng)具有很好推廣作用。