席光耀

（銅陵有色金冠銅業(yè)分公司，安徽銅陵 244000）

0 引言

某銅冶煉廠制氧站35 000 m3/h 空分系統(tǒng)配套R(shí)IK100-4型多級(jí)離心式空壓機(jī)，配置內(nèi)置式冷卻器，機(jī)殼為水平剖分式，主要功能是對(duì)空氣進(jìn)行壓縮及輸送。壓縮機(jī)主要有定子（機(jī)殼、隔板、平衡盤機(jī)座）、轉(zhuǎn)子（軸、葉輪、平衡盤、聯(lián)軸器）及徑向軸承、推力軸承、軸端密封等組成，4 級(jí)壓縮，級(jí)間及軸端密封采用迷宮密封，聯(lián)軸器采用膜片聯(lián)軸器，徑向軸承采用可傾瓦軸承，推力軸承采用米歇爾型軸承。

空壓機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)：進(jìn)氣壓力99 kPa，進(jìn)氣溫度30 ℃，排氣壓力613 kPa，排氣溫度81.4 ℃，流量184 800 Nm3/h，電機(jī)功率16 150 kW。機(jī)組于2012 年8 月完成調(diào)試，投入運(yùn)行至今。

1 空壓機(jī)運(yùn)行狀況

35 000 m3/h 空分系統(tǒng)自投產(chǎn)以來，空壓機(jī)出口流量逐年下降，尤其到夏季生產(chǎn)難以維持額定產(chǎn)氧量，導(dǎo)葉全開無法達(dá)到設(shè)計(jì)流量。將機(jī)組歷年運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，空壓機(jī)效率降低嚴(yán)重影響工況正常建立，進(jìn)而影響主生產(chǎn)系統(tǒng)的負(fù)荷率（表1）。

2 可能原因分析

2.1 設(shè)計(jì)、制造、安裝

RIKT100 型空壓機(jī)自投產(chǎn)運(yùn)行至今，總體上故障率較低，按照GB 19153—2003 能效標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，空壓機(jī)輸入比功率為4.58 kW/（m3/min），性能優(yōu)越。根據(jù)試運(yùn)行性能測(cè)試，排氣壓力、流量達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2.2 密封泄漏

（1）內(nèi)漏，即級(jí)間竄氣，使壓縮過的氣體倒回再進(jìn)行第二次壓縮。它將影響各級(jí)的工況，使低壓級(jí)壓比增加，高壓級(jí)壓比下降，使機(jī)組偏離設(shè)計(jì)工況，排氣量下降。2017 年對(duì)空壓機(jī)大修理，二、三、四級(jí)級(jí)間密封進(jìn)行更換并測(cè)量，裝配間隙符合設(shè)備安裝要求。

表1 機(jī)組歷年運(yùn)行參數(shù)

（2）外漏，即從軸端密封處向機(jī)殼外漏氣，或放空閥、管道連接法蘭處等泄漏。吸入量雖然不變，但壓縮后的氣體漏掉一部分，自然造成排氣量減少。日常點(diǎn)檢對(duì)空壓機(jī)本體中分面、進(jìn)出口法蘭端面、冷卻器端面、放空閥及沿線管路進(jìn)行排查，未發(fā)現(xiàn)明顯泄漏及異常。

2.3 系統(tǒng)阻塞

空壓機(jī)自潔式過濾器阻力過大，空氣濾清器堵塞或阻力增加，引起空壓機(jī)吸入壓力降低。在出口壓力不變時(shí)，使空壓機(jī)壓比增加。根據(jù)空壓機(jī)的性能曲線，當(dāng)壓比增加時(shí)，排氣量會(huì)減少。入口過濾器芯定期更換，壓差維持在正常值40 Pa。空分設(shè)備管路阻塞，阻力增加或閥門故障，引起空壓機(jī)排氣壓力升高。在吸入壓力不變的條件下，壓比增加，造成排氣量減少。檢查空壓機(jī)出口壓力與空分上塔壓力，壓力損失無異常（表2）。

表2 空壓機(jī)后續(xù)管路壓損kPa

2.4 導(dǎo)葉卡澀及內(nèi)部結(jié)垢

葉片磨損及積灰過多，導(dǎo)葉卡澀在小角度均會(huì)影響到空壓機(jī)排氣量。2017 年大修過程對(duì)空壓機(jī)導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)子及氣道進(jìn)行檢查清理，檢查導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)無異常，葉輪葉片表面無損傷，整體清洗較為干凈。

2.5 環(huán)境溫度

整個(gè)機(jī)組的溫度升高時(shí)，氣體便會(huì)因熱而膨脹，在體積不變的情況下，量必然縮小，進(jìn)而造成排量不足。通過日常數(shù)據(jù)及歷年同期對(duì)比可以看出，環(huán)境空氣溫度升高影響空壓機(jī)氣量是客觀存在的因素，溫度越高空氣密度越小，排氣量必然下降，但歷年同期對(duì)比排氣量或排氣壓力逐年下降，非環(huán)境溫度因素影響。

2.6 轉(zhuǎn)速

轉(zhuǎn)速越快、產(chǎn)氣量越高，兩者之間是會(huì)形成一定比例，而此時(shí)的狀態(tài)受到電壓、頻率決定，若想提高排氣，應(yīng)想辦法來提升此處兩個(gè)數(shù)值，讓整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行達(dá)到最佳。電網(wǎng)的頻率或電壓下降，引起電機(jī)和空壓機(jī)轉(zhuǎn)速下降，排氣量減少?？諌簷C(jī)電機(jī)為工頻，當(dāng)前空壓機(jī)轉(zhuǎn)速一直保持在5676.17 r/min 左右（設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速5681 r/min）。

2.7 疏水閥

自動(dòng)疏水閥不能自動(dòng)疏水，冷凝出的水會(huì)導(dǎo)致下級(jí)壓縮氣體含水量增大，進(jìn)而影響排氣量，同時(shí)氣流中的水同時(shí)會(huì)對(duì)端面密封的沖刷使得密封腐蝕而損傷。手動(dòng)旁通疏水開的過大會(huì)造成氣體的損失?，F(xiàn)場(chǎng)空壓機(jī)每級(jí)疏水配套自動(dòng)及手動(dòng)疏水閥，功能正常。

2.8 中間冷卻器

2.8.1 冷卻器泄漏

一、二級(jí)泄漏，因水側(cè)壓力高于氣側(cè)壓力，冷卻水進(jìn)入氣側(cè)，并進(jìn)一步被氣流夾帶進(jìn)入葉輪及擴(kuò)壓器。經(jīng)一定時(shí)間后造成結(jié)垢、堵塞，使空氣流量減少；三級(jí)冷卻器泄漏，因氣側(cè)壓力高于水側(cè)，壓縮空氣將漏入冷卻水中跑掉，使排氣量減少。停機(jī)測(cè)試，在單進(jìn)水路情況下空壓機(jī)手動(dòng)疏水全開，無任何積水排除。

2.8.2 冷卻水影響因素

冷卻器設(shè)計(jì)流量為1200 m3/h，循環(huán)水設(shè)計(jì)壓力為0.35 MPa，目前冷卻器進(jìn)水量1400 m3/h，母管壓力0.45 MPa。冷卻水溫亦是另一重要因素，冷卻水溫度高，冷卻溫差降低，造成氣體密度變低，影響排氣量?？諌簷C(jī)冷卻水設(shè)計(jì)要求最高溫度33 ℃，高溫天氣冷卻水進(jìn)水溫度達(dá)到38～41 ℃，夏季冷卻水溫度相對(duì)偏高。

2.8.3 冷卻器換熱效果

（1）冷卻器氣側(cè)結(jié)垢。冷卻器翅片長期被空氣中所含電化學(xué)物質(zhì)腐蝕氧化，翅片倒伏、脫落后堵塞空氣進(jìn)風(fēng)流道。表3為同等環(huán)境溫度下歷年各級(jí)壓力值比較，氣側(cè)結(jié)垢直接增大沿程損失。

表3 歷年機(jī)組各級(jí)壓力值kPa

（2）冷卻器水側(cè)水垢過多或被泥沙及有機(jī)雜質(zhì)堵塞。中間冷卻器工作是氣體在通過外部翅片與管內(nèi)循環(huán)水進(jìn)行換熱，降低空氣溫度，當(dāng)內(nèi)部管束出現(xiàn)堵塞、結(jié)垢、氧化等情況，會(huì)造成換熱效果下降，影響氣體產(chǎn)量。大修期間中間冷卻器只是進(jìn)行了管束的物理清洗，對(duì)內(nèi)部結(jié)垢及氧化情況無法準(zhǔn)確判斷，但一級(jí)換熱效果明顯低于要求。

（3）冷卻器捕霧器（氣水分離器）效果差。空氣通過中間冷卻器換熱后降溫，空氣中冷凝水被析出，通過冷卻器后捕霧器將水分隔離后流至疏水管路，當(dāng)捕霧器不能有效地將水分隔離，冷凝水將跟隨氣體進(jìn)入下一級(jí)氣道及葉輪，占據(jù)壓縮空間及消耗能量，通過旁通疏水閥排放情況來看，氣夾水現(xiàn)象較為嚴(yán)重。

3 處理過程

根據(jù)以上過程分析，級(jí)間冷卻器換熱溫差及壓力損失存在異常，初步對(duì)空壓機(jī)一級(jí)冷卻器進(jìn)行改進(jìn)并更換，提高換熱能力及效率。具體配置參見表4，其余因素按正常維護(hù)方案執(zhí)行。

表4 新型與原設(shè)計(jì)冷卻器參數(shù)對(duì)比

4 改進(jìn)效果

通過更換空壓機(jī)一級(jí)冷卻器，空壓機(jī)在2018 年夏季高溫環(huán)境下未出現(xiàn)氣量及壓力不足狀況，環(huán)境溫度最高41 ℃時(shí)，空壓機(jī)出口壓力610 kPa（A.），保持1%放空，產(chǎn)氣177 000 Nm3/h，系統(tǒng)產(chǎn)氧35 200 m3/ h，解決問題。

查閱資料得出換熱器的溫度效率η=（t2-t1）/（T1-T2）。其中，T1、T2為加熱工質(zhì)進(jìn)、出換熱器的溫度，t1、t2為被加熱工質(zhì)進(jìn)、出換熱器的溫度。通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量及經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，更換一級(jí)冷卻器前，一級(jí)冷卻器換熱效率為80.33%；更換后一級(jí)冷卻器后，一級(jí)冷卻器換熱效率達(dá)到98.72%。

更換一級(jí)冷卻器后一級(jí)排氣溫度明顯降低，前后相差將近10 ℃，換熱效率相比更換前明顯升高，將近18%，同時(shí)二、三級(jí)中間冷卻器換熱效率也有一定提升（表5）。

改進(jìn)后，相同流量壓力下空壓機(jī)的運(yùn)行電流有所降低，導(dǎo)葉開度及放空裕度均有所改善。不考慮放空因素，同樣生產(chǎn)負(fù)荷下空壓機(jī)電流比處理前減少了6 A（表6，若考慮放空因素降低的電流更多），每小時(shí)節(jié)電94 kW·h，每年降低電耗82×104kW·h，按目前工業(yè)用電0.65 元/（kW·h）計(jì)算，全年節(jié)約電費(fèi)54 萬元，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

5 經(jīng)驗(yàn)和啟發(fā)

（1）空壓機(jī)級(jí)間參數(shù)監(jiān)控對(duì)空壓機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控尤為重要，通過測(cè)算可以掌握各級(jí)轉(zhuǎn)子及冷卻器的實(shí)際狀態(tài)及效率。

表5 改進(jìn)前后機(jī)組相關(guān)參數(shù)對(duì)比

表6 改進(jìn)前后機(jī)組相關(guān)參數(shù)對(duì)比

（2）大型空壓機(jī)運(yùn)行效率高低對(duì)生產(chǎn)成本影響大，合理高效的維護(hù)保障機(jī)組高效運(yùn)行可極大降低能耗。冷卻器換熱效果、級(jí)間密封對(duì)空壓機(jī)效率影響較大。

（3）內(nèi)置式冷卻器要通過水路調(diào)整保障換熱溫差相對(duì)平衡。

（4）操作要做好空壓機(jī)的各級(jí)疏水，如若疏水不暢應(yīng)及時(shí)更換疏水閥或加大旁通手動(dòng)疏水，保障機(jī)組安全。

（5）針對(duì)類似進(jìn)口設(shè)備，要綜合考慮采購成本、維護(hù)方案、生產(chǎn)條件等因素合理制定對(duì)策，以適應(yīng)公司發(fā)展要求。

（6）后續(xù)計(jì)劃開展對(duì)舊冷卻器的清洗維護(hù)，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)及網(wǎng)上資料，針對(duì)此類冷卻器一般用人工清洗（清水浸泡、沖洗）幾乎沒有效果，機(jī)械清洗對(duì)冷卻器損傷較大，化學(xué)清洗效果好但對(duì)冷卻器強(qiáng)度會(huì)有很大影響，國內(nèi)目前清洗的成熟案例較少，清洗方案也在不斷摸索，具體方案有待延續(xù)深入學(xué)習(xí)討論。