黎明化工研究院 王 波 王生輝 黃曉宇 張惠平

空氣壓縮及干燥系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)

黎明化工研究院 王 波 王生輝 黃曉宇 張惠平

隨著我國化工事業(yè)的迅速發(fā)展，各類大型生產(chǎn)裝置的建設(shè)，空氣壓縮系統(tǒng)尤顯重要。本文以離心式空壓機(jī)組和配套的壓縮熱再生式干燥機(jī)組的工程設(shè)計(jì)為例，總結(jié)了應(yīng)注意的問題及相應(yīng)措施?？諝鈮嚎s及干燥系統(tǒng)工藝流程見圖1。

一、離心式空壓機(jī)組設(shè)計(jì)

離心式空壓機(jī)組主要由壓縮機(jī)、電機(jī)、級(jí)間冷卻器、油冷卻器、油過濾器、進(jìn)出口膨脹節(jié)等組成。

1. 結(jié)構(gòu)和工作原理。機(jī)組屬整體齒輪增速離心式，具有三級(jí)壓縮裝置和級(jí)間冷卻器；壓縮機(jī)、電機(jī)、潤滑油系統(tǒng)、聯(lián)軸器、中冷卻器、就地控制盤及聯(lián)結(jié)管路均放置在一個(gè)公用底座上。壓縮機(jī)由一個(gè)大齒輪帶動(dòng)兩個(gè)小齒輪，其中一、二級(jí)葉輪對(duì)稱安裝在一個(gè)小齒輪上，三級(jí)葉輪安裝在另一個(gè)小齒輪上。空氣經(jīng)入口過濾器、入口膨脹節(jié)和導(dǎo)流葉片進(jìn)入一級(jí)葉輪壓縮；由一、二級(jí)間冷卻器冷卻后進(jìn)入二級(jí)葉輪壓縮；由二、三級(jí)間冷卻器冷卻后進(jìn)入三級(jí)葉輪壓縮；壓縮后的空氣進(jìn)入后置空氣處理系統(tǒng)，除去其中大部分的水并降溫至40℃。機(jī)組采用迷宮式氣封和油封，產(chǎn)品空氣100%無油。潤滑油系統(tǒng)包括輔助油泵、主油泵、水冷卻器、電加熱器和過濾器。

2. 機(jī)組特點(diǎn)。機(jī)組主要特點(diǎn)：機(jī)組結(jié)構(gòu)緊湊、實(shí)用，占地面積小，以排氣量330Nm3/m in的機(jī)組為例，其設(shè)備尺寸約為5 000mm×2 200mm×2 700mm(長×寬×高)；單機(jī)設(shè)備容量大，耗電量低；控制方式先進(jìn)，采用自動(dòng)雙重改進(jìn)式控制，利用節(jié)流或卸載以維持系統(tǒng)壓力使壓縮機(jī)出氣量符合系統(tǒng)需求，確保系統(tǒng)壓力不低于壓力設(shè)定值，從而降低壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)功率，降低放空損失，減少管路泄漏損失，為最高效率之控制方法；排氣壓力平穩(wěn)，排出空氣無油，凈化度高；主軸驅(qū)動(dòng)油泵，正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)提供壓縮機(jī)潤滑，輔助油泵開機(jī)和低油壓時(shí)提供壓縮機(jī)潤滑，停電時(shí)提供慣性保護(hù)。

3. 設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。離心式壓縮機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)能達(dá)到動(dòng)力平衡，不產(chǎn)生不平衡力，但在設(shè)計(jì)基礎(chǔ)時(shí)應(yīng)考慮來自機(jī)器本身的不平衡力。機(jī)組產(chǎn)生的唯一的震動(dòng)力來自驅(qū)動(dòng)器與壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子之間的微小偏差。這種震動(dòng)能量不大，但頻率很高，因此，基礎(chǔ)應(yīng)滿足以下要求：基礎(chǔ)整體澆注，并做箍筋處理。雖然機(jī)組具有抗喘振能力，但瞬間喘振對(duì)機(jī)組基礎(chǔ)危害很大，因此必須做箍筋處理。基礎(chǔ)下介質(zhì)均勻，即全部為巖石層或全部為硬土層?；A(chǔ)溫度均勻，采取措施使混凝土基礎(chǔ)周圍溫度均勻?；炷粱A(chǔ)的最小厚度為450mm?；A(chǔ)的重量至少為設(shè)備全部重量的50%?；A(chǔ)豎直方向的高、寬比率不應(yīng)超過0.85。在基礎(chǔ)與建筑物基礎(chǔ)之間要設(shè)置震動(dòng)接頭或空氣間隙，以避免外界震動(dòng)傳至設(shè)備，極限震動(dòng)值限定在0.012mm。采用防收縮灌漿，確保灌漿連續(xù)均勻并防止產(chǎn)生水泡。灌漿后拆掉所有墊片，均勻地上緊地腳螺栓，墊片所留的空隙由水泥漿填充。

4. 機(jī)組進(jìn)口系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

（1）進(jìn)口過濾器。過濾器將空氣中的固體顆粒清除，避免引起空氣動(dòng)力元件磨損。其阻力必須控制在允許的范圍以內(nèi)。進(jìn)口過濾器一般布置于室外，必須考慮當(dāng)?shù)貧夂虻挠绊?。國?nèi)發(fā)生過因?yàn)V芯表層結(jié)霜，阻力突然增大，濾芯被卷入機(jī)器內(nèi)毀壞葉輪的事故。設(shè)計(jì)中過濾器的選型流量約為離心空壓機(jī)組額定流量的2倍，不僅可以有效防止惡劣天氣（大霧、霜或沙塵暴等）對(duì)空壓機(jī)安全運(yùn)行的威脅，而且可大大延長濾芯更換周期，使壓縮機(jī)長周期安全運(yùn)行。

（2）進(jìn)口膨脹節(jié)。進(jìn)口管道在靠近壓縮機(jī)的位置應(yīng)裝有膨脹節(jié)，以補(bǔ)償因熱膨脹或管道移位而產(chǎn)生的應(yīng)力。如果采用波紋膨脹節(jié)，那么應(yīng)安裝襯里，以防止氣流不穩(wěn)對(duì)管道產(chǎn)生空氣動(dòng)力擾動(dòng)。

（3）管道支撐。應(yīng)采取有效措施減少壓縮機(jī)入口法蘭上的靜荷載，例如采用彈性支撐。管道支撐可以承受由接頭施加的壓力或沖擊力，以及由支撐位置和接頭的軸心不重合而產(chǎn)生的位移。

（4）進(jìn)口管道。應(yīng)有足夠的強(qiáng)度以承受管道內(nèi)可能引起的負(fù)壓和結(jié)構(gòu)應(yīng)力。管道內(nèi)氣體流速設(shè)計(jì)為15m/s，不得過大。進(jìn)口管道應(yīng)耐腐蝕，可采用不銹鋼材料，在靠近壓縮機(jī)入口的低點(diǎn)設(shè)置排凝液口。開機(jī)前應(yīng)對(duì)管道嚴(yán)格檢查，磨平焊縫，清理干凈管道，避免任何雜質(zhì)對(duì)壓縮機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)的葉輪可能造成的危害。

5. 機(jī)組出口系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

（1）出口管道。相對(duì)于進(jìn)口管道，出口管道溫度高、壓力高，設(shè)計(jì)時(shí)需考慮更多的因素。出口管道的腐蝕問題也要有所考慮，它會(huì)對(duì)儀表、氣動(dòng)工具或需要清潔壓縮空氣的工藝過程造成影響。在壓縮機(jī)發(fā)生喘振時(shí)，腐蝕的碎片可能會(huì)被吸入壓縮機(jī)內(nèi)。管道配制時(shí)應(yīng)進(jìn)行機(jī)械除銹，安裝后管道內(nèi)要保持清潔，不能有灰塵或雜物。

（2）出口膨脹節(jié)。出口管道應(yīng)安裝膨脹節(jié)，以防止管道和放空閥對(duì)壓縮機(jī)法蘭施加載荷。膨脹節(jié)的安裝應(yīng)盡量靠近機(jī)組出口處，要有足夠的強(qiáng)度，能經(jīng)受住壓縮機(jī)喘振的壓力。

（3）放空控制閥/消音器。放空控制閥應(yīng)盡可能靠近壓縮機(jī)組出口，放空管道盡可能短，放空消音器應(yīng)正確固定，并做防雨處理，放空管道低點(diǎn)設(shè)置排凝液口。

（4）止回閥和安全閥。壓縮機(jī)出口必須設(shè)置止回閥，以防止停機(jī)時(shí)產(chǎn)生倒流，同時(shí)也有減小喘振的作用。同時(shí)為防止誤操作或堵塞等因素造成系統(tǒng)憋壓，產(chǎn)生危險(xiǎn)，止回閥后應(yīng)設(shè)置安全閥。

二、壓縮熱再生式干燥機(jī)組設(shè)計(jì)

1. 機(jī)組工作原理。高溫、飽和的濕空氣由壓縮機(jī)二級(jí)冷卻器排出后直接進(jìn)入干燥機(jī)，其中先進(jìn)入干燥機(jī)的一塔對(duì)其進(jìn)行加熱，后進(jìn)入后冷卻器，再進(jìn)入汽水分離器，液態(tài)水分被分離后再進(jìn)入另一塔進(jìn)行干燥，經(jīng)過干燥的壓縮空氣由出口排出進(jìn)入使用管網(wǎng)；一定時(shí)間后，被加熱的塔由旁通閥旁通，高溫、飽和的濕空氣直接進(jìn)入后冷卻器冷卻，再經(jīng)過汽水分離、干燥進(jìn)入使用管網(wǎng)，而由干燥機(jī)的出口引一部分氣流經(jīng)過節(jié)流孔，完成對(duì)被加熱的塔冷吹，這一部分氣流最后由再生排氣口排出。冷吹結(jié)束，開始升壓，待雙塔壓力均衡，雙塔切換，干燥機(jī)進(jìn)行另外一塔的再生。如干燥機(jī)處于露點(diǎn)監(jiān)控狀態(tài)，在升壓結(jié)束后，干燥機(jī)根據(jù)出口露點(diǎn)情況切換。

2. 機(jī)組特點(diǎn)。

（1）能耗少、運(yùn)行費(fèi)用低。高度節(jié)能是壓縮熱再生式干燥機(jī)組的最顯著特點(diǎn)。該機(jī)組利用空壓機(jī)高溫排氣的熱量直接加熱再生干燥劑，不需要額外的電加熱器。同時(shí)，壓縮空氣將大部分熱量直接傳給干燥劑，后冷卻器負(fù)荷減小，從而極大地減少了后冷卻器循環(huán)冷卻水的用量，最大程度地節(jié)約了能量，可以說從根本上解決了節(jié)能的問題。不同類型的干燥機(jī)能耗比較見表1。

表1 不同類型的干燥機(jī)能耗比較

續(xù)表1

（2）結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便。該機(jī)組將干燥機(jī)與后冷卻器融為一體，既給用戶安裝提供了方便，又讓用戶不需要在空壓機(jī)的出口再配置后冷卻器，節(jié)約用戶的投入，減小了整個(gè)空壓系統(tǒng)的故障率。

（3）設(shè)計(jì)獨(dú)特。機(jī)組空塔流速慢，吸附接觸時(shí)間少。內(nèi)設(shè)增壓系統(tǒng)，使干燥機(jī)在切換前進(jìn)行增壓，減少機(jī)器在切換時(shí)對(duì)干燥劑的磨耗和管網(wǎng)波動(dòng)。采用雙重泄壓再生系統(tǒng)，降低干燥劑磨耗率。

（4）具有露點(diǎn)控制功能。在滿足露點(diǎn)要求時(shí)，延長干燥塔的吸附工作時(shí)間，節(jié)約了再生氣耗。同時(shí)加入了吸附工作時(shí)間極限控制，延長了干燥劑的壽命和減少出口露點(diǎn)波動(dòng)。

三、結(jié)論與建議

空氣壓縮及干燥系統(tǒng)作為一個(gè)基本單元在化工生產(chǎn)裝置中有著重要的作用。通過不斷地總結(jié)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，使其設(shè)計(jì)方案更加優(yōu)化，工藝流程更加合理，從而保證該系統(tǒng)在生產(chǎn)中安全穩(wěn)定地運(yùn)行。