徐曉劍

(洛陽石化聚丙烯有限責任公司，河南洛陽 471012)

1 壓縮機概述

C5001B壓縮機是空分空壓裝置的關鍵設備，也是洛陽石化分公司特級維護設備之一。該機組型號為310DA3，1994年整體引進于美國埃立奧特(ELLIOTT)公司，主電機由廠家選用德國西門子公司產品，該設備具有自動控制程度高、結構緊湊等特點。

C5001B壓縮機組對過濾后空氣進行三級壓縮，大齒輪由電動機驅動，第一級葉輪安裝在低速齒輪上，二、三級葉輪安裝在高速齒輪軸的兩端。設計出口壓力0.80～0.85 MPa，氣體處理量5 640 Nm3/h，額定轉速:低速軸32000r/min，高速軸為52000 r/min。機組在三級之間設有兩個中間冷卻器，均置于主機下方，布置結構十分緊湊。

2 310DA3壓縮機中間冷卻器結構與特點

C5001B機組中間冷卻器換熱器管程走冷卻水，氣體在翅片間流動換熱，其肋化系數在10～12之間。其芯子是銅管套整體鋁翅片，所用銅管為Φ12，翅片厚度為0.25 mm，片距1.25 mm，以循環(huán)冷卻水為冷卻介質，水壓0.35～0.45 MPa，進水水溫一般控制在23～27℃。

這種銅管套鋁制整體翅片冷卻器，其散熱片表面氣膜熱阻占總熱阻的80.1% ，水膜熱阻只占10%，為了強化傳熱，機組中冷器翅片采用波浪形翅片，來擴大氣側的傳熱面積。一般情況下，中冷器冷卻性能的85%～90%是由氣側之傳熱系數決定的。翅片的材料、氣側的對流傳熱系數、翅片與管之間接觸間隙熱阻的大小、翅片上污垢或水膜帶來的傳熱熱阻的大小等都直接影響這種中冷器的傳熱性能。

3 中冷器的失效

自1994年投用以后，C5001B壓縮機故障率一直較高，通過車間和維修人員的技術攻關，1998年以后C5001B運行情況有所改善，但仍有許多問題。2000年元月開始，中冷器工作情況逐步惡化，一、二級中冷器冷后溫度逐步上升，二級中冷器冷后溫度由43℃上升近20℃，接近報警值(67℃)，7月5日二級中冷器冷后溫度報警，并迅速上升至聯鎖值，機組停機。拆中冷器發(fā)現一、二級冷卻器翅片均腐蝕嚴重，部分翅片已粉化脫落，迎風面的翅片間遍布白色粉末(凝結水水垢和翅片氧化粉末)，冷卻器芯子頂部和底部橡膠擋板老化、倒伏，部分脫落。由于沒有備用冷卻器，車間對兩臺中間冷卻器進行除銹、酸洗、防腐，更換橡膠擋板后重新投用，冷后溫度降至50℃左右。但運行至同年11月二級中冷器冷后溫度重新突破60℃。不得已，在備用冷卻器到貨后，于12月停機，對C5001B中冷器進行了更新。

4 中冷器失效原因分析

4.1 橡膠隔板老化

C5001B機組的中冷器為箱形結構，設計緊湊，進入換熱器的熱空氣和冷卻后空氣僅靠貼近進氣側的橡膠隔板分離。壓縮機的一、二級出口溫度外部實測均在120℃以上，內部溫度更高，在高溫壓縮風的作用下，如果橡膠隔板的耐熱性能不夠，在極短的使用期限內即會出現老化、倒伏甚至破碎的情況。一旦隔板老化、倒伏，部分熱空氣不經冷卻器換熱便從換熱器頂部和底部的縫隙走短路進入下一級，進而導致冷后溫度超高，機組聯鎖停機。因此，橡膠隔板老化是造成中冷器失效的重要原因。

4.2 翅片間距過小

C5001B機組的中冷器設計上具有很高的緊湊性，但由于翅片片距過小，當壓縮機在相對濕度較大的條件下工作時，空氣經壓縮冷卻后，當氣體溫度低于其露點溫度時，空氣中的水分就析出，加上周圍工廠空氣中含有SO2、CO2等腐蝕性氣體，凝結水不但覆蓋在部分翅片表面，增加換熱過程的傳熱熱阻，也腐蝕翅片，導致鋁翅片破碎，甚至部分氧化成粉末，和水垢、灰塵積聚在翅片間，阻塞換熱通道，嚴重影響正常換熱的進行。下面從這兩方面做進一步分析。針對翅片管式換熱器，當流體在翅片間流動時，其流動邊界層和傳熱邊界層如圖1所示。流體沿X方向強制流動時，根據其流體連續(xù)性方程、動量、熱量傳遞方程，可得此種換熱器在不同Re數下翅片間流動邊界層和傳熱邊界層的厚度如表1所示。

表1 不同Re下流體在翅片間的流動邊界層與傳熱邊界層的厚度

圖1 流體的邊界層示意圖

由表1可以看出，氣體在翅片間流動時，當流速較低時，翅片之間的傳熱邊界層很容易發(fā)生重疊，特別當翅片間距過小，翅片表面有凝結水析出時，在較大的氣體流速下，同樣也會出現邊界層的重疊，這樣會大大增加傳熱熱阻。

由于壓縮機的排濕量很大，特別在夏季高溫、多雨的情況下，空氣的相對濕度在80%以上，而C5001B機組的中冷器翅片間距在1.25 mm左右，這為凝結水析出、架橋提供了條件，加上煉廠周圍空氣含有SO2、CO2等腐蝕性氣體與水共同作用，從而嚴重氧化、腐蝕鋁翅片和銅管。凝結水的析出不但會腐蝕設備，而且能夠在翅片表面形成一層水膜，從而增大了傳熱邊界層的厚度，增加了傳熱熱阻;由于翅片間距過小，極易造成凝結水架橋，這樣會進一步增加傳熱熱阻，使得換熱器的換熱性能很快下降。因此可以說C5001B中冷器失效的根本原因是翅片間距過小。

4.3 中冷器箱體設計存在缺陷

4.3.1 二級中冷器風道設計不合理

如圖2所示，一級中冷器箱體內一級壓縮后熱空氣入口和冷后空氣出口分別位于中冷器的兩端，這樣設計比較合理，空氣從入口到出口基本上流通冷卻器的全段，換熱效果較好。而二級中冷器由于機組設計過于緊湊，熱空氣入口和冷后空氣出口距離很近，基本都位于二級中冷箱體的內半段，空氣從入口到出口流通的僅是冷卻器全段的1/2～2/3，換熱效果相對差很多;而同時由于換熱部分過分集中，也加速了這部分管段的翅片腐蝕和橡膠隔板的老化，縮短了二級中冷器的使用壽命。實際運行中，每次均是二級中冷器冷后溫度首先突破報警值，也證明了其風道設計的缺陷。

圖2 C5001B一、二級中冷器結構示意圖

4.3.2 中冷器箱體上無類似軌道的設計

由于冷卻器內冷、熱空氣僅靠芯子頂部和底部的橡膠隔板分離，一旦隔板損壞，中冷器會很快失去應有的換熱能力。而該機組中冷器箱體上沒有設計軌道，在吊裝和抽芯過程中稍不注意就會損壞橡膠隔板，造成中冷器性能下降。

4.4 吸塵大，污垢多，傳熱熱阻增大

該機組原設計入口過濾器為二級板式過濾器，由于進口過濾網成本高，后進行國產化，但國內廠家過濾網質量不穩(wěn)定，且因設計缺陷，機組入口過濾器過濾面積偏小，導致進入機組內空氣灰塵大，空氣流通部位積碳、積垢，中間冷卻器翅片間灰塵積聚，翅片表面?zhèn)鳠徇吔鐚雍穸仍龃蟆鳠釤嶙柙黾?，換熱性能大大降低。

5 改進措施

①選用耐高溫性能好、質量穩(wěn)定的橡膠板。通過定期抽芯檢查、更換中冷器隔板，必要時清洗翅片或酸洗、疏通管程，保證中冷器冷卻性能。由于對原橡膠隔板材質不清楚，在首次更換橡膠板時采用的是普通耐高溫橡膠板，使用半年便開始老化;在更新中冷器后，新中冷器使用至2004年2月才進行橡膠板的更換，此次更換使用的是耐200℃高溫的氟橡膠板，但也僅使用一年便開始老化。因此，到底哪種橡膠板更適合、更耐用，還需要我們進一步實踐驗證。

②查閱相關資料計算結果得知，該類型中冷器翅片間距在2.5～3.5 mm是最佳選擇，在更新換熱器時可要求在滿足換熱條件前提下，將翅片間距增大至2.5～3.5 mm;此外，由于凝結水的析出、架橋是換熱器損壞和效能降低的另一主要因素，故應選用防腐效果更好的材料沖制翅片，翅片表面進行親水膜處理，防止凝結水析出、架橋使換熱能力降低。

③對于中冷器箱體和缺乏安裝保護的設計缺陷，由于機組結構過于緊湊，沒有進行改造的空間，只能要求檢修人員在安裝、抽芯、吊裝過程中，制定詳細的作業(yè)方案，采取嚴格的防范措施，保護中冷器橡膠隔板不受損傷，同時，安裝時要注意橡膠隔板的安裝方向必須正確，必須是折向迎風側，否則在運行一段時間后，高溫壓縮風會使橡膠隔板很快倒伏，部分空氣不經冷卻即從上下隔板處走“短路”，使中冷器冷卻效果大幅降低，失去冷卻作用。

④由于原入口過濾器設計過濾面積偏小、過濾精度不夠，導致空氣管線、蝸殼、葉輪、中冷翅片等部位積碳、積垢，機組每六個月必須拆機進行一次清理，空氣中灰塵過多加速了中冷器失效，縮短了中冷器的使用壽命，為此，我們在2005年6月對C5001B壓縮機入口過濾系統(tǒng)進行了改造，將原板式過濾器改造更新為帶自動反吹筒式過濾器，共12組過濾筒，過濾面積大大增加，同時要求濾網廠家采用進口過濾紙，以保證過濾精度。

6 實施效果

由于2000年中間冷卻器報廢更新時僅是同型號更新，未對中冷翅片片距、材質等做改動，在運行使用7年后，兩臺中冷器又先后出現鋁質翅片部分嚴重腐蝕粉化、翅片間結垢阻塞，中冷器失效報廢，于2007年2月和4月先后進行了更新，此次更新，將中冷翅片片距增大至2.5 mm，同時為保證換熱性能，將翅片材質改為銅合金。更新后效果明顯，使用三年來，中冷器冷后溫度保持穩(wěn)定，即使夏季高溫季節(jié)冷后溫度也未突破45℃，對比上次更換三年后的數據，冷后溫度低6～8℃，冷卻效果十分良好。另外，由于對入口過濾系統(tǒng)進行了改造，過濾精度、過濾面積的增加，使吸入壓縮機的空氣含塵量大大降低，在定期的檢修中發(fā)現空氣流道、葉輪、蝸殼等部件上積碳、積垢明顯減少，2008年大檢修期間對中冷器的抽芯檢查，發(fā)現翅片間灰塵、積垢很少，說明過濾系統(tǒng)更新改造效果顯著。

總之，310DA3型離心壓縮機在設計上高度重視結構緊湊化、輕型化的同時，忽略了對其中間冷卻器的功能性和運行長久性方面的考慮，這要求我們在重視設備關鍵部件的檢查維護的同時，需進一步重視和加強對中間冷卻器等附屬設備的檢查維護力度，以保證整個機組的長周期運行。