制冷机主压缩机采用的是双螺杆变频调速压缩机。考虑BEPCII低温系统每年需要连续运行10个月,压缩机故障停机后处理的时间较长,严重的影响BEPCII的运行。所以2009年夏季检修期间,增加了一台备用压缩机,备用压缩机可以代替压缩机A,也可以代替压缩机B运行,所以目前两套系统有3台压缩机可交替运行,大大提高了系统运行的可靠性。但冷箱还是两套,没有备件。
冷箱包括:换热器、吸附器、透平、阀门和管道等部件。透平、阀门都可以从冷箱顶部取出进行维护。运行这些年,更换过透平几次,更换过阀门垫圈。但冷箱内部到目前为止还没有维护过。图1为冷箱外观图,从外观看冷箱的体积比较庞大,要维护一次需要大量的人力和物力。
故障分析:
制冷机在运行中发现控制液氮预冷的阀门CV3615A在自动控制下开度变小,同时级换热器的温度TI3610A无法维持在设定值而温度升高,使得制冷能力降低。液氮供应阀门CV3615A采用的PID控制,主要用来控制级换热器的温度TI3610A和氮气出口管道温度TI3605A,分别如图3、图4所示。
正常情况下TI3610A,TI3605A都能工作在设定值,前几年运行中发现TI3610A温度低于设定值,PID的控制CV3615A开度,使液氮流量减小,TI3610A温度升高。即在原来流量下,液氮与级换热器换热不充分,导致液氮的冷量没被换热器带走,被带到液氮出口管道,所以液氮出口管道温度降低,为了保证TI3610A达到设定值,PID要求CV3615A阀门开度变小,流量减小,然而这样引起TI3605A温度高于设定值,TI3605A的PID控制逻辑又要求阀门CV3615A开度增大。两个矛盾的控制逻辑,CV3615的开度只能取两个控制逻辑的小值,所以在自动控制下出现级换热器温度升高(如图2)的现象。液氮管道与换热器的换热不充分,也就是说换热器换热效率降低,导致级换热器温度升高,制冷能力下降。导致换热器换热效率降低的因素有3点:(1)管道严重泄漏(2)管道堵塞(3)管道“结垢”。
同样在运行维护时,发现CV3130阀杆上存在活性炭粉末,2014年有一台TGL16透平出现问题,寄回厂家返修时,发现透平内部很多活性炭粉末。级换热器后端有两个80 K吸附器,主要成分为活性炭,其主要功能是吸附氦气中的杂质气体氮和水。吸附器经过长时间的运行,由于高压氦气的冲刷,一部分活性炭变成了粉末,并随着高压气流流入透平和冷箱后端。活性碳粉末的存在严重威胁了透平的可靠运行,同时吸附器也不能起到它应有的吸附效果,无法保证系统的稳定运行。
冷箱的维护:
针对冷箱出现的这些现象,根据厂商提供的说明及压缩机油的性质,决定选择比较环保的Enasolv 365AZ清洗剂。在清洗前,先用干燥空气吹扫每个管道,尤其吹扫二三级换热器,有大量的活性炭粉末被吹出。首先清洗剂循环清洗2 h后,换新的清洗剂清洗,直到清洗完的清洗剂没有分层,无油。清洗完的管道用热氮气吹扫,保证入口温度在70 ℃,出口温度超过溶剂的沸点温度到50 ℃后,继续吹扫几个小时,确保所有的清洗剂挥发掉。更换了两个新的80 K吸附器,同时考虑运行时间将20 K的吸附器也一并更换。
结论:
经过测试,当有液氮预冷时测试制冷能力为553 W,液化率215.8 L/h,如图9所示,达到初图9制冷机制冷能力和液化能力的验收指标。改造后效果良好,目前制冷机运行稳定。