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)的工程設計

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，各類大型生產裝置的建設，空氣壓縮系統(tǒng)尤顯重要。本文以離心式空壓機組和配套的壓縮熱再生式干燥機組的工程設計為例，總結了應注意的問題及相應措施?？諝鈮嚎s及干燥系統(tǒng)工藝流程見圖1。

一、離心式空壓機組設計

離心式空壓機組主要由壓縮機、電機、級間冷卻器、油冷卻器、油過濾器、進出口膨脹節(jié)等組成。

1. 結構和工作原理。機組屬整體齒輪增速離心式，具有三級壓縮裝置和級間冷卻器；壓縮機、電機、潤滑油系統(tǒng)、聯(lián)軸器、中冷卻器、就地控制盤及聯(lián)結管路均放置在一個公用底座上。壓縮機由一個大齒輪帶動兩個小齒輪，其中一、二級葉輪對稱安裝在一個小齒輪上，三級葉輪安裝在另一個小齒輪上?？諝饨?jīng)入口過濾器、入口膨脹節(jié)和導流葉片進入一級葉輪壓縮；由一、二級間冷卻器冷卻后進入二級葉輪壓縮；由二、三級間冷卻器冷卻后進入三級葉輪壓縮；壓縮后的空氣進入后置空氣處理系統(tǒng)，除去其中大部分的水并降溫至40℃。機組采用迷宮式氣封和油封，產品空氣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. 機組特點。機組主要特點：機組結構緊湊、實用，占地面積小，以排氣量330Nm3/m in的機組為例，其設備尺寸約為5 000mm×2 200mm×2 700mm(長×寬×高)；單機設備容量大，耗電量低；控制方式先進，采用自動雙重改進式控制，利用節(jié)流或卸載以維持系統(tǒng)壓力使壓縮機出氣量符合系統(tǒng)需求，確保系統(tǒng)壓力不低于壓力設定值，從而降低壓縮機運轉功率，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；主軸驅動油泵，正常運轉時提供壓縮機潤滑，輔助油泵開機和低油壓時提供壓縮機潤滑，停電時提供慣性保護。

3. 設備基礎設計。離心式壓縮機在高速運轉時能達到動力平衡，不產生不平衡力，但在設計基礎時應考慮來自機器本身的不平衡力。機組產生的唯一的震動力來自驅動器與壓縮機轉子之間的微小偏差。這種震動能量不大，但頻率很高，因此，基礎應滿足以下要求：基礎整體澆注，并做箍筋處理。雖然機組具有抗喘振能力，但瞬間喘振對機組基礎危害很大，因此必須做箍筋處理?；A下介質均勻，即全部為巖石層或全部為硬土層?；A溫度均勻，采取措施使混凝土基礎周圍溫度均勻。混凝土基礎的最小厚度為450mm?；A的重量至少為設備全部重量的50%?；A豎直方向的高、寬比率不應超過0.85。在基礎與建筑物基礎之間要設置震動接頭或空氣間隙，以避免外界震動傳至設備，極限震動值限定在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. 機組進口系統(tǒng)設計。

（1）進口過濾器。過濾器將空氣中的固體顆粒清除，避免引起空氣動力元件磨損。其阻力必須控制在允許的范圍以內。進口過濾器一般布置于室外，必須考慮當?shù)貧夂虻挠绊?。國內發(fā)生過因濾芯表層結霜，阻力突然增大，濾芯被卷入機器內毀壞葉輪的事故。設計中過濾器的選型流量約為離心空壓機組額定流量的2倍，不僅可以有效防止惡劣天氣（大霧、霜或沙塵暴等）對空壓機安全運行的威脅，而且可大大延長濾芯更換周期，使壓縮機長周期安全運行。

（2）進口膨脹節(jié)。進口管道在靠近壓縮機的位置應裝有膨脹節(jié)，以補償因熱膨脹或管道移位而產生的應力。如果采用波紋膨脹節(jié)，那么應安裝襯里，以防止氣流不穩(wěn)對管道產生空氣動力擾動。

（3）管道支撐。應采取有效措施減少壓縮機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生的位移。

（4）進口管道。應有足夠的強度以承受管道內可能引起的負壓和結構應力。管道內氣體流速設計為15m/s，不得過大。進口管道應耐腐蝕，可采用不銹鋼材料，在靠近壓縮機入口的低點設置排凝液口。開機前應對管道嚴格檢查，磨平焊縫，清理干凈管道，避免任何雜質對壓縮機高速運轉的葉輪可能造成的危害。

5. 機組出口系統(tǒng)設計。

（1）出口管道。相對于進口管道，出口管道溫度高、壓力高，設計時需考慮更多的因素。出口管道的腐蝕問題也要有所考慮，它會對儀表、氣動工具或需要清潔壓縮空氣的工藝過程造成影響。在壓縮機發(fā)生喘振時，腐蝕的碎片可能會被吸入壓縮機內。管道配制時應進行機械除銹，安裝后管道內要保持清潔，不能有灰塵或雜物。

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

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

（4）止回閥和安全閥。壓縮機出口必須設置止回閥，以防止停機時產生倒流，同時也有減小喘振的作用。同時為防止誤操作或堵塞等因素造成系統(tǒng)憋壓，產生危險，止回閥后應設置安全閥。

二、壓縮熱再生式干燥機組設計

1. 機組工作原理。高溫、飽和的濕空氣由壓縮機二級冷卻器排出后直接進入干燥機，其中先進入干燥機的一塔對其進行加熱，后進入后冷卻器，再進入汽水分離器，液態(tài)水分被分離后再進入另一塔進行干燥，經(jīng)過干燥的壓縮空氣由出口排出進入使用管網(wǎng)；一定時間后，被加熱的塔由旁通閥旁通，高溫、飽和的濕空氣直接進入后冷卻器冷卻，再經(jīng)過汽水分離、干燥進入使用管網(wǎng)，而由干燥機的出口引一部分氣流經(jīng)過節(jié)流孔，完成對被加熱的塔冷吹，這一部分氣流最后由再生排氣口排出。冷吹結束，開始升壓，待雙塔壓力均衡，雙塔切換，干燥機進行另外一塔的再生。如干燥機處于露點監(jiān)控狀態(tài)，在升壓結束后，干燥機根據(jù)出口露點情況切換。

2. 機組特點。

（1）能耗少、運行費用低。高度節(jié)能是壓縮熱再生式干燥機組的最顯著特點。該機組利用空壓機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，壓縮空氣將大部分熱量直接傳給干燥劑，后冷卻器負荷減小，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。不同類型的干燥機能耗比較見表1。

表1 不同類型的干燥機能耗比較

續(xù)表1

（2）結構緊湊、安裝方便。該機組將干燥機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的出口再配置后冷卻器，節(jié)約用戶的投入，減小了整個空壓系統(tǒng)的故障率。

（3）設計獨特。機組空塔流速慢，吸附接觸時間少。內設增壓系統(tǒng)，使干燥機在切換前進行增壓，減少機器在切換時對干燥劑的磨耗和管網(wǎng)波動。采用雙重泄壓再生系統(tǒng)，降低干燥劑磨耗率。

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

三、結論與建議

空氣壓縮及干燥系統(tǒng)作為一個基本單元在化工生產裝置中有著重要的作用。通過不斷地總結設計經(jīng)驗，使其設計方案更加優(yōu)化，工藝流程更加合理，從而保證該系統(tǒng)在生產中安全穩(wěn)定地運行。