壓縮空氣中水分的來源、危害與對策

(太原重工股份有限公司技術中心， 山西太原 030024)

引言

在壓縮空氣系統(tǒng)設計和應用中，冷凝水必須引起高度重視。氣路系統(tǒng)常見故障表現(xiàn)為冷凝水凍結引發(fā)的氣動元件漏氣，管道凍結堵塞，使氣路系統(tǒng)立即失效[1]。在高溫高濕度環(huán)境下，表現(xiàn)為氣路管道、控制元件的銹蝕。國內近年對于壓縮空氣中水分的來源、危害及應對措施的研究越來越重視， 也取得了一定的研究成果。基礎研究方面有空氣濕度對壓縮機的影響[2]、壓縮空氣露點控制[3]、濕空氣參數(shù)在工業(yè)的應用[4]、壓縮空氣含水量計算[5]等。工程應用方面，國內在醫(yī)用氣源、化工管道和壓縮機應用領域，對壓縮空氣中水分的含量和危害進行了一定的研究，現(xiàn)場技術工程師對上述工況做了很多探討[6-8]。在低溫下，很多應用領域使用無熱再生吸附式除水方法，這一方法需要消耗干燥的壓縮空氣[9]，有可能對主氣路系統(tǒng)會產生一定沖擊，應用效果還有待進一步的提升。目前的氣動應用手冊中沒有針對極低溫的詳細的含水量應用數(shù)據(jù)。作為一線工作的壓縮空氣應用工程師和設備維護服務人員，有很強的意愿了解壓縮狀態(tài)下濕空氣中水分的定量分析計算方法，具體工況下的含水量應用數(shù)據(jù)，空氣后處理設備的設計選用原則和使用注意事項。目前關于在嚴寒地區(qū)工作的壓縮空氣系統(tǒng)的應用情況相關技術介紹比較少，我們長期從事極端工況下大型露天礦設備壓縮空氣系統(tǒng)設計和應用方面的工作，結合大型露天礦設備在極地礦區(qū)壓縮空氣應用工況，對壓縮空氣中水分的來源、危害和應對措施做一些初步探討，希望能對類似應用場合的相關設計、應用提供借鑒。

1 空壓機進氣狀態(tài)的空氣含濕量計算和典型數(shù)據(jù)

濕空氣是干空氣和水蒸氣的混合物?？諌簷C工作時，將完全吸入大氣壓力狀態(tài)(0.1013 MPa)下濕空氣中的水蒸氣。含濕量是指每千克干空氣中所含水蒸汽的質量。計算公式為：

(1)

式中,d—— 含濕量，g·kg-1

φ—— 相對濕度

p—— 濕空氣的壓力，Pa

psv—— 飽和水蒸氣壓力，Pa

根據(jù)熱力學理論，飽和水蒸氣壓力可以從水蒸氣圖表查出，對圖表未給出的數(shù)據(jù)，參考經驗公式進行計算：

(2)

根據(jù)式(1)、式(2)經過計算得到在壓力為0.1013 MPa 條件下，飽和濕空氣的分壓力和含濕量數(shù)據(jù)，見表1。

表1 在壓力為0.1013 MPa條件下飽和濕空氣分壓力和含濕量

2 單位時間進入空氣系統(tǒng)的水的定量計算

單位時間內進入壓縮空氣系統(tǒng)的水量與空壓機排量、進氣環(huán)境溫度、濕空氣的相對濕度有關。空壓機連續(xù)工作1 h從大氣中吸入空氣系統(tǒng)的水分可按下列公式計算：

m=60×qvχmaxφ

(3)

式中,m—— 每小時進入空氣系統(tǒng)的水的質量，g/h

qv—— 空壓機的排氣量，m3/min

χmax—— 飽和濕空氣的絕對濕度，g/m3

φ—— 空氣的相對濕度

飽和濕空氣的絕對濕度根據(jù)表1中飽和含濕量ds和空氣密度ρ按式(4)換算：

χmax=ds×ρ

(4)

應用案例：某大型露天礦設備，使用一臺空壓機，qv為2.3，m3/min。φ為空氣的相對濕度取0.8空壓機連續(xù)工作1 h，計算帶入空氣系統(tǒng)的水蒸汽的質量。

根據(jù)式(3)、式(4)代入上述數(shù)值計算，結果如表2所示。

3 不同溫度、不同壓力下壓縮空氣飽和含濕量計算

取不同的濕空氣壓力，根據(jù)式(1)、式(2)計算得到與溫度、壓力對應的壓縮空氣的含濕量，見表3。

表2 2.3 m3/min空壓機極端工況條件下吸入系統(tǒng)的水蒸氣質量

表3 壓縮空氣的飽和含濕量 g·kg-1

4 壓縮空氣中冷凝水的定量分析和計算

壓縮空氣管路中冷凝水的多少與壓縮空氣壓力和管道中壓縮空氣的溫度有關。隨著壓力升高、溫度降低、飽和濕空氣中含水量減少，因而析出的冷凝水增加。

根據(jù)表1～表3所提供的計算數(shù)據(jù)表，可以方便應用工程師分析計算具體空氣系統(tǒng)的含水量，為采取有針對的除水措施提供參考。

分析表1，表3在-20 ℃時數(shù)據(jù)，0.1013 MPa壓力下，空氣中飽和含濕量為0.77 g·kg-1，0.7 MPa壓力下，空氣中飽和含濕量為0.0963 g·kg-1，兩者差值為空氣被壓縮后析出冷凝水量。

分析表3數(shù)據(jù)可知，同一壓力下壓縮空氣在不同溫度下的飽和含水量，隨溫度降低而下降。因此，從空氣壓縮機出口到用氣點，如果發(fā)生降溫，會析出部分冷凝水。析出水量為溫差所對應的飽和含濕量差值。

分析表2數(shù)據(jù)，可見該設備壓縮空氣系統(tǒng)空壓機連續(xù)工作1 h，將帶入系統(tǒng)的水量的絕對數(shù)值隨進氣溫度升高而增加。對于高溫高濕度的工況，顯然應該引起高度重視；相對于低溫工況，進入系統(tǒng)的水的絕對數(shù)值低，危害性容易被使用者忽視，但是連續(xù)作業(yè)條件下，其危害性更大，要特別注意。

5 壓縮空氣中冷凝水的危害

大型露天礦設備壓縮空氣系統(tǒng)需要24 h連續(xù)工作。面對低溫高濕度、高溫高濕度環(huán)境的考驗。在北緯60°附近礦區(qū)，冬季最冷月份平均氣溫低于-30 ℃，最低氣溫-50 ℃，平均相對濕度大于50%，連續(xù)降雪時相對濕度超過90%。在熱帶、亞熱帶礦區(qū)，夏季平均氣溫超過30 ℃，最高氣溫50 ℃，平均相對濕度大于50%，雨季相對濕度超過90%。

圖1所示為工作在極地礦區(qū)的大型露天礦設備冬季氣路系統(tǒng)排放冷凝水凍結情況。

圖1 極地礦區(qū)某大型露天礦設備

在嚴寒地區(qū)，氣路系統(tǒng)常見故障表現(xiàn)為冷凝水凍結引發(fā)的氣動元件漏氣，密封件撕裂，管道凍結堵塞甚至是斷裂，使氣路系統(tǒng)立即失效。在熱帶地區(qū)，常見故障表現(xiàn)為冷凝水使氣動元件、管道發(fā)生銹蝕而引發(fā)緩慢失效。如圖2所示，為極地礦區(qū)油水分離排氣管道因冷凝水排放不及時引起排放管路凍結的情況。

圖2 冷凝水排放膠管凍結失效

圖3 汽水分離器筒體發(fā)生銹蝕

6 某大型露天設備壓縮空氣防凍應對措施

6.1 氣源組成及工作原理

露天礦設備典型氣源凈化處理系統(tǒng)如圖4所示。

1.空壓機 2.后冷卻器 3.濕空氣儲氣包 4.油水分離器5.干燥機 6.干空氣儲氣包 7.空氣過濾器 8.管道防凍器9.自動排水閥 10.球閥 11.空濾器圖4 氣源凈化處理系統(tǒng)

該氣源凈化處理系統(tǒng)工作原理簡述如下：空壓機1通過空濾器11從大氣中吸入濕空氣，經壓縮后的熱空氣進入后冷卻器2初步冷卻，隨后進入濕空氣儲氣包3,在這里，冷凝水通過自動排水閥9排放，壓縮空氣得到初步處理。從儲氣包3出來的壓縮空氣經汽水分離器4，干燥機5進一步處理后進入干空氣儲存氣包6之后，壓縮空氣經過空氣過濾器7、管道防凍器8進入各個氣路控制單元。

6.2 不同除水措施的應用效果及不足

(1) 在圖4中濕空氣儲氣包3具有冷卻作用，可以促進冷凝水的形成，降低壓縮空氣中的水分。冷凝水通過自動排水閥9排出。

此方法有一定效果，不足是受到設備空間限制，儲氣包容積有限，除水效果一般。

(2) 在重要用氣點前安裝油水分離器4。利用氣流的離心力除去空氣中的水滴[9]。

此方法能夠快速除去從空壓機出來的熱空氣中的液體水分，油水分離器的分水率在0.8以上。不足是并不能除去空氣中的溶膠和水蒸氣。另外是分離器殼體內排出過程中排水管道容易凍結，如圖2所示。冷凝水通過自動排水閥9是必要的，并且要注意合理設置排放時間，如圖5所示。

圖5 自動排水閥定時器

自動排水閥可以設定排水間隔時間和排水時間。依據(jù)實際情況進行設定。在極寒地區(qū)，排水時間(設定范圍0.5～10 s)和間隔時間(設定范圍0.5～50 min)要設置短點。

(3) 在干式儲氣罐6前加裝適應不同環(huán)境工況的空氣干燥機5。在露天礦設備上，把干燥機安裝在空壓機出口與干空氣儲氣罐中間，確保儲氣罐出口是干燥空氣。球閥10用于在干燥機出現(xiàn)故障或維護時隔離干燥機。常用干燥機特點和應用[10-11]見表4。

(4) 在低溫工況下，在露天安裝的氣路管道、氣動控制箱外表面必須保溫處理；在控制箱體內安裝適合的電加熱器，用溫控開關控制；在管道上安裝無水酒精防凍器，酒精度達到99.9%以上。

6.3 吸附式干燥機的應用及效果

從表4可知，冷凍式干燥機的壓力露點在2～10 ℃，所以不適用于環(huán)境溫度低于0 ℃的條件。

針對工作在嚴寒地區(qū)的壓縮空氣系統(tǒng)，使用吸附式干燥機是必要的。但是吸附式干燥機再生工作時要消耗15%～20%的干燥空氣，會對氣源壓力形成沖擊。這點在實際應用中必須引起足夠重視。

表4 各類干燥機特點和應用

為避免儲氣罐內干燥空氣通過干燥機消耗，通過控制程序對干燥機運行與空壓機運行采取連鎖控制策略。當空壓機處于加載狀態(tài)工作時，干燥機同步工作；當空壓機處于卸荷運行狀態(tài)時，干燥機凍結干燥循環(huán)；直到空壓機再次加載運行時恢復被凍結的干燥循環(huán)。圖6是某型號無熱再生吸附式干燥機在極地礦區(qū)的應用。

圖6 在極地礦區(qū)設備使用的無熱再生吸附式干燥機

在該露天礦設備使用的吸附式干燥機上，具有遠程控制連接器。如果打開遠程控制連接器的輸入電路，則干燥機將“凍結”干燥周期，凈化氣流將停止。當連接到連接器的觸點被再次打開時，干燥機將切換塔并繼續(xù)正常運行。此功能可以在壓縮機未持續(xù)加載運行時防止壓縮空氣(凈化空氣)流失。如圖6所示，氣路系統(tǒng)的干燥程序處于“凍結”狀態(tài)，此時兩個干燥塔都處于升壓狀態(tài)?？刂飘嬅骘@示干燥機左塔處于吸附狀態(tài)，右塔處于“凍結”狀態(tài)。

該干燥機控制系統(tǒng)指出，對于配有加載/卸載控制的壓縮機，可將遠程控制連接器連接至壓縮機的無源觸點(在壓縮機卸載運行時，觸點將打開)。 如果沒有提供無源觸點，則應在壓縮機 的加載/卸載接觸器上安裝附加的無源觸點以使用此功能。

由于露天礦設備用氣點對壓縮空氣消耗量隨工作狀態(tài)不同而不同，空壓機工作時加載卸載比較頻繁，這種工況下不允許電機頻繁啟停，空壓機電機一直處于帶電運行狀態(tài)，因此“凍結”信號不能從啟動空壓機的接觸器輔助觸點直接取出。

7 結論

(1) 通過計算，得到不同溫度、不同壓力下的濕空氣含水量典型數(shù)據(jù)，可以用來定量分析計算具體系統(tǒng)中冷凝水的量，為采取有針對的除水措施提供參考；

(2) 除水措施和設備的選擇主要考慮環(huán)境溫度和相對濕度。在低溫工況下，要采取必要的防凍措施；在高溫工況下，主要關注冷凝水的及時排放，避免管路銹蝕；

(3) 無熱再生吸附式除水方法在低溫下應用廣泛，除水效果也很顯著，可以對干燥機運行與空壓機運行采取連鎖控制來減緩對主要氣路的沖擊。極地礦區(qū)露天礦的應用也充分驗證了這一點，但仍然存在一定的壓縮空氣消耗，需要更深入研究；

(4) 著重關注已經進入空氣系統(tǒng)的水分的應對措施。如果能夠對空壓機進口處空氣預先采取必要的除水，將是有意義的，但目前還未在實踐中看到類似應用，有必要進一步研究。