降低空壓機(jī)喘振頻次 提高制氧空壓機(jī)運(yùn)行效率

楊玉峰

（安徽銅陵有色金昌冶煉廠，安徽銅陵 244000）

0 引言

2015年初，二期制氧空壓機(jī)陸續(xù)出現(xiàn)四級(jí)、五級(jí)進(jìn)氣溫度偏高、運(yùn)行電流低、機(jī)組喘振等現(xiàn)象，尤其是在夏季時(shí)，空氣濕度大，喘振現(xiàn)象更為明顯。為了降低空壓機(jī)得喘振頻次，保證機(jī)組安全運(yùn)行，金昌冶煉廠車間采取了降低進(jìn)口導(dǎo)葉，減少進(jìn)氣量，同時(shí)提高進(jìn)氣溫度的措施來(lái)緩解設(shè)備的喘振問(wèn)題，但該措施犧牲了氧產(chǎn)量，造成奧爐系統(tǒng)供氧不足的窘?jīng)r。

1 原因分析

金昌冶煉廠二期制氧系統(tǒng)（6500 m3/h）配套的原料空壓機(jī)系杭氧透平機(jī)械有限公司制造的5TYD160型空壓機(jī)。該機(jī)型采用的是單軸、五級(jí)壓縮、四級(jí)冷卻的等溫型設(shè)計(jì)，四級(jí)中間冷卻器分別配置在機(jī)組兩側(cè)（圖1）。

圖1 空壓機(jī)壓縮工藝流程

隨機(jī)選取3個(gè)時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析（表1）。

表1 3個(gè)時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)

從表 1 可以看出，加工空氣量為（27 000～28 000）m3/h，氧氣產(chǎn)量為6000 m3/h左右，但空氣和氧氣壓力呈遞減趨勢(shì)，四級(jí)進(jìn)氣溫度在（48～50）℃范圍波動(dòng)，剛剛達(dá)到空壓機(jī)四級(jí)進(jìn)氣的標(biāo)準(zhǔn)（45～50）℃，但五級(jí)進(jìn)氣溫度仍然高于機(jī)組設(shè)計(jì)要求的（45～50）℃，最高達(dá)到65℃。溫度過(guò)高，空氣密度增大，導(dǎo)致實(shí)際進(jìn)氣量減少，嚴(yán)重時(shí)造成機(jī)組喘振。

2 進(jìn)氣溫度偏高、機(jī)組喘振的主要表現(xiàn)

根據(jù)離心風(fēng)機(jī)的特性，結(jié)合金昌冶煉廠多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為風(fēng)機(jī)冷卻效果不佳是造成進(jìn)氣溫度偏高、引起機(jī)組喘振的主要原因之一。具體表現(xiàn)在4個(gè)方面。

2.1 氣流短路

部分空氣未經(jīng)四級(jí)中間冷卻器冷卻，直接進(jìn)入五級(jí)壓縮，造成五級(jí)進(jìn)氣溫度偏高。經(jīng)過(guò)解體檢查四級(jí)冷卻器發(fā)現(xiàn)，在安裝四級(jí)冷卻器的腔體內(nèi)壁有一個(gè)長(zhǎng)30 mm、寬2 mm的裂口，導(dǎo)致部分空氣未經(jīng)冷卻器直接進(jìn)入五級(jí)壓縮，溫度升高（圖2）。

2.2 冷卻水量不足

圖2 四級(jí)冷卻器殼體泄露

圖3 中間冷卻器

圖4 中間冷卻器內(nèi)部換熱管破裂

該機(jī)型中間冷卻器采用翅片管式設(shè)計(jì)，芯子由若干個(gè)單元的疊片管束脹接在兩端的管板上，管束與上、下水蓋構(gòu)成水腔，下管板與下水蓋采用螺栓連接固定，冷卻水均從下水蓋進(jìn)、出，進(jìn)出水腔體采用中間隔板隔開(kāi)（圖 3）。

經(jīng)過(guò)檢查分析，冷卻水量不足，主要是3個(gè)原因引起的。

（1）冷卻水內(nèi)漏。該型號(hào)中間冷卻器采用一張張矩形的翅片與換熱管脹接成一個(gè)單元換熱管，再由單元管組成管束，水走管內(nèi)，氣走管外。一方面換熱管經(jīng)氣流長(zhǎng)期的沖刷，管壁減薄，另一方面，受外部環(huán)境的影響，二期制氧系統(tǒng)進(jìn)氣點(diǎn)位于奧爐的下風(fēng)口，空氣中二氧化硫的含量高，對(duì)換熱管的腐蝕，造成換熱管內(nèi)漏（圖4），換熱管內(nèi)漏一方面造成氣路帶水，氣流將水一起帶入氣水分離器，由于水含量過(guò)大，氣水分離器無(wú)法快速有效地將水分離，一部分水進(jìn)入下一級(jí)壓縮，另一部分水仍然懸浮在氣水分離器上，與空氣中的灰塵混合粘結(jié)在氣水分離器上，堵塞氣水分離器，使得氣流無(wú)法有效通過(guò)，流量降低，壓力升高，造成喘振。同時(shí)內(nèi)漏也造成了實(shí)際冷卻水量不足，氣體溫度偏高。

（2）冷卻水短路。將四級(jí)中間冷卻器抽出后發(fā)現(xiàn)，底部中間隔板已經(jīng)腐蝕的凹凸不平，已經(jīng)無(wú)法將進(jìn)水和出水的2個(gè)腔體完全分隔（圖5），部分冷卻水直接通過(guò)中間隔板流出，發(fā)生冷卻水系統(tǒng)短路現(xiàn)象，從而使得通過(guò)實(shí)際通過(guò)中間冷卻器的冷卻水量減少，冷卻水量不足，氣體經(jīng)過(guò)中間冷卻器后得不到充分冷卻，導(dǎo)致排出的氣體溫度偏高。

（3）冷卻水質(zhì)差。水中的雜質(zhì)無(wú)法有效的驅(qū)除，造成雜質(zhì)隨著冷卻水進(jìn)入換熱管，在換熱管內(nèi)壁上逐漸粘結(jié)，最終堵塞換熱管，造成空氣冷卻不足、溫度升高。檢查中間冷卻器時(shí)發(fā)現(xiàn)，很多換熱管被很多泥漿狀雜質(zhì)堵塞（圖6）。

圖5 中間冷卻器中間隔板受損

圖6 中間冷卻器換熱管堵塞

2.3 密封間隙增大、發(fā)生級(jí)間串氣現(xiàn)象

空氣經(jīng)五級(jí)壓縮后，壓力達(dá)（0.47～0.50）MPa，而低壓側(cè)壓力僅為0.38 MPa左右，因此，部分空氣從密封器高壓測(cè)串至低壓側(cè)，空氣被循環(huán)壓縮，溫度升高，進(jìn)氣量減少，壓力升高，發(fā)生喘振現(xiàn)象（圖7）。從圖7可以看出，迷宮密封腐蝕、磨損嚴(yán)重，部分迷宮密封已經(jīng)脫落，密封間隙增大。

圖7 空壓機(jī)級(jí)間密封損壞

2.4 翅片變形翻卷、堵塞氣流通道

由于中間冷卻器翅片自身缺陷，造成部分翅片經(jīng)高壓氣流沖擊后，翅片發(fā)生變形翻卷，堵塞氣流通道，氣量降低，壓力升高，機(jī)組發(fā)生喘振現(xiàn)象（圖 8）。

3 解決措施

根據(jù)空壓機(jī)運(yùn)行狀況以及存在的問(wèn)題，針對(duì)性的提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施，對(duì)機(jī)組進(jìn)行解體檢修，具體做法如下。

（1）仔細(xì)檢查空氣流道，對(duì)流道中出現(xiàn)裂縫、漏洞的地方進(jìn)行補(bǔ)焊，解決空氣短路現(xiàn)象。

圖8 中間冷卻器翅片變形

（2）拆除腐蝕嚴(yán)重的四級(jí)中間冷卻器的中間隔板，重新制作、安裝一塊中間隔板，并在原有基礎(chǔ)上加寬，更換新的密封條，使得進(jìn)、出水腔體能夠完全隔離，避免冷卻水系統(tǒng)短路現(xiàn)象。

（3）四級(jí)中間冷卻器中有一根換熱管破裂，因?yàn)楣鼙谧儽。瑹o(wú)法補(bǔ)焊，所以只能采取兩側(cè)封堵的方案處理破裂的換熱管。雖然減少了1根換熱管，但是消除了由于換熱管內(nèi)漏故障引起的溫度升高現(xiàn)象。

（4）在中間冷卻器進(jìn)口兩側(cè)增加2層密封條，一層為厚度0.2 mm的銅皮，另一層為厚度1.5 mm的四氟乙烯材料的密封條，可有效降低氣體短路現(xiàn)象（圖9）。

（5）考慮到該臺(tái)密封器無(wú)備件且拆、裝非常困難，因此對(duì)密封器進(jìn)行了修復(fù)，將每一個(gè)迷宮密封捋順，清除迷宮密封內(nèi)的雜物，減緩級(jí)間串氣的現(xiàn)象。

圖9 中間冷卻器增加密封

（6）人工修復(fù)中間冷卻器翅片。將翻卷的翅片重新復(fù)位，提高氣體通流面積，減緩機(jī)組喘振。

（7）全面清洗中間冷卻器冷卻水管以及空壓機(jī)的空氣流道、轉(zhuǎn)子、葉輪，確?？諝饬鞯浪ǖ酪约皶惩?，解決氣路、水路的堵塞問(wèn)題，有效避免排氣溫度高、機(jī)組出現(xiàn)喘振等現(xiàn)象發(fā)生。

4 效果分析

經(jīng)過(guò)一系列的改進(jìn)措施，機(jī)組投入運(yùn)行后，各級(jí)進(jìn)氣溫度明顯降低，喘振現(xiàn)象得到改善（表2）。比較表1和表2可以看出，與改進(jìn)前相比，五級(jí)進(jìn)氣溫度基本達(dá)到機(jī)組設(shè)計(jì)要求，溫度下降了近10℃；四級(jí)排氣溫度下降了8℃、達(dá)到42℃左右，低于空壓機(jī)標(biāo)準(zhǔn)要求的45℃，因此，仍然有調(diào)節(jié)的余量。經(jīng)過(guò)改進(jìn)，這對(duì)空壓機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，對(duì)降低機(jī)組喘振頻次起到了一定作用。同時(shí)，空壓機(jī)的進(jìn)氣量也略有增加，對(duì)提高氧產(chǎn)量、降低制氧電單耗也起到一定作用。

表2 改進(jìn)后空壓機(jī)的運(yùn)行參數(shù)

5 建議

通過(guò)一系列的改進(jìn)措施，機(jī)組運(yùn)行狀況良好，各級(jí)進(jìn)氣溫度和排氣溫度明顯降低，喘振頻次明顯減少，達(dá)到了預(yù)期效果。但是，由于空壓機(jī)運(yùn)行年限過(guò)長(zhǎng)，設(shè)備中的一些零部件老化，變形、腐蝕等原因，如密封器的腐蝕、磨損，中間冷卻器翅片在高壓氣流沖擊下發(fā)生的變形翻卷現(xiàn)象等，無(wú)法徹底根治。同時(shí)，氣源受外部環(huán)境影響，機(jī)組的運(yùn)行效率無(wú)法達(dá)到機(jī)組最佳狀態(tài)，空壓機(jī)的喘振現(xiàn)象無(wú)法徹底避免。因此，只有從管理上、操作上進(jìn)行有效控制，才能降低機(jī)組喘振頻次，提高機(jī)組的運(yùn)行效率，減少能耗。

（1）嚴(yán)格控制吸入空氣的質(zhì)量。由于二期制氧空壓機(jī)進(jìn)氣室位置處于奧爐下風(fēng)口，空氣中含有大量粉塵和二氧化硫，質(zhì)量很差，目前只能通過(guò)定期人工清掃和更換過(guò)濾器的方式，降低空壓機(jī)進(jìn)氣阻力和能耗，緩解機(jī)組流道堵塞和設(shè)備腐蝕的情況。

（2）嚴(yán)格控制冷卻水水質(zhì)。對(duì)冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行定期加藥，并定期檢測(cè)化驗(yàn)水質(zhì)，緩解水中微生物的繁殖和各類微容鹽類結(jié)晶析出；并根據(jù)冷卻水壓力變化情況，定期清洗冷卻水過(guò)濾器，從源頭上杜絕雜質(zhì)隨循環(huán)水進(jìn)入中間冷卻器，減少中間冷卻器的堵塞現(xiàn)象，提高冷卻效果，降低空氣的進(jìn)氣、排氣溫度。

（3）做好設(shè)備計(jì)劃性檢修工作。根據(jù)空壓機(jī)的運(yùn)行狀況和多年管理操作上的經(jīng)驗(yàn)，無(wú)法徹底解決機(jī)組腐蝕、堵塞造成的機(jī)組喘振、氣量下降等現(xiàn)象，因此，應(yīng)根據(jù)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行狀況，有計(jì)劃地做好空壓機(jī)的檢修工作，采取定期清洗空壓機(jī)的轉(zhuǎn)子、葉輪、流道、中間冷卻器等，修復(fù)級(jí)間密封器、中間冷卻器的翅片，更換密封條等措施，提高通流面積，緩解級(jí)間串氣、氣體短路現(xiàn)象，從而降低空氣進(jìn)、排氣的溫度，提高機(jī)組的進(jìn)氣量，達(dá)到增加產(chǎn)量、降低能耗的目的。