空壓機(jī)冷卻系統(tǒng)節(jié)能改造

丁磊 王敏 劉榮

摘 要：針對(duì)空壓機(jī)冷卻系統(tǒng)存在水泵、風(fēng)機(jī)功率大，用電、水單耗高和冷卻器易結(jié)垢堵塞，運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)、成本高問(wèn)題，采用將原來(lái)水（自來(lái)水）—風(fēng)露天集中式冷卻塔（一用一備），改造升級(jí)為一臺(tái)空壓機(jī)配置一臺(tái)小型水（純水）—水（自來(lái)水）閉式冷卻塔的措施，達(dá)到空壓機(jī)正常運(yùn)行時(shí)一級(jí)、二級(jí)排氣溫度小于35°C，用電量節(jié)約40 000 kWh/月，用水量節(jié)約3 000m3/月的效果，每年可節(jié)約用電、用水和冷卻器更換成本共計(jì)約73.2萬(wàn)元。

關(guān)鍵詞：空壓機(jī)；純水冷卻系統(tǒng)；閉式冷卻塔；冷卻器

ENERGY SAVING RENOVATION OF AIR COMPRESSOR COOLING SYSTEM

Ding Lei? Wang Min? Liu Rong

（Yunnan Yunlv Yongxin Aluminum Industry Co.， Ltd.? ? Jianshui? ? 654300， China）

Abstract：In view of the problems of large power of pumps and fans， high unit consumption of electricity and water， easy scaling and blockage of the cooler， operation risk and high cost in the air compressor cooling system， the original water （tap water）-wind open-air centralized cooling tower （one use and one backup） is transformed and upgraded to an air compressor equipped with a small water （pure water）-water （tap water） closed cooling tower， so that the primary and secondary exhaust temperature is less than 35 ℃ during the normal operation of the air compressor， and the electricity consumption is saved by 40 000 kWh. The effect of saving water consumption by 3 000 m3/month can save a total of about 732 000 yuan in electricity， water and cooler replacement costs every year.

Key words：air compressor; pure water cooling system; closed cooling tower; cooler

0? ? 前? ? 言

由于空壓機(jī)在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，隨著其長(zhǎng)期運(yùn)行，冷卻效果逐漸下降，而冷卻效果下降直接影響到空壓機(jī)的排氣溫度升高，機(jī)組負(fù)荷加重，甚至?xí)?dǎo)致空壓機(jī)聯(lián)鎖跳停機(jī)[1]。目前空壓站有4臺(tái)空壓機(jī)運(yùn)行，運(yùn)行時(shí)空壓機(jī)一、二級(jí)排氣溫度長(zhǎng)期運(yùn)行于報(bào)警值（49 ℃）附近。

空壓機(jī)冷卻系統(tǒng)采用的是水（自來(lái)水）—風(fēng)露天集中式冷卻塔（一用一備），冷卻塔為露天放置，循環(huán)冷卻水蒸發(fā)量大，每天約用水150 m3，且循環(huán)冷卻水不斷蒸發(fā)濃縮、外界雜物直接進(jìn)入系統(tǒng)管路內(nèi)，易造成軋輥內(nèi)因循環(huán)水結(jié)垢或雜物堵塞而影響冷卻效果[2]。間隔很短就需要清洗一次冷卻器，而且效果并不是很明顯，只能更換冷卻器，平均每年需更換一個(gè)冷卻器，單價(jià)約30萬(wàn)元，成本較高。檢修時(shí)打開(kāi)冷卻器管束，發(fā)現(xiàn)厚度為3～5 mm的白色垢層。

空壓機(jī)冷卻系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)啟用3臺(tái)37 kW冷卻水泵、1臺(tái)11 kW循環(huán)水泵、2個(gè)21 kW風(fēng)機(jī)，總功率達(dá)到164 kW，功率大，耗電量較高。噸鋁單耗的指標(biāo)直接影響公司購(gòu)電電價(jià)，電費(fèi)是電解鋁的主要成本，電價(jià)的抬高，會(huì)迅速抬升鋁液成本，導(dǎo)致公司市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力直線下滑。為了能夠節(jié)能降耗，需要通過(guò)技術(shù)改造，采用效率更高的新模式，實(shí)現(xiàn)更高的冷卻效率，進(jìn)一步降低整流器冷卻能源消耗，為實(shí)現(xiàn)“階梯電價(jià)”中的鋁液綜合電耗提供支持。

1? ? 改造方案

1.1? ?冷卻方式更換

原空壓冷卻系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。

采用分布式閉式冷卻塔進(jìn)行冷卻，數(shù)量4組，單組塔可供1臺(tái)空壓機(jī)循環(huán)冷卻使用，如圖2所示。廠區(qū)生產(chǎn)水經(jīng)循環(huán)水池凈化提供噴淋水、冷卻循環(huán)水為軟化純水，系統(tǒng)配備水處理裝置，根據(jù)自動(dòng)進(jìn)行水循環(huán)處理，降低水質(zhì)硬度。

1）閉式冷卻塔組與空壓機(jī)和余熱再生吸附式干燥器組一一對(duì)應(yīng)，單組空壓機(jī)和余熱再生吸附式干燥器組對(duì)應(yīng)一組冷卻塔。

2）單組空壓機(jī)和余熱再生吸附式干燥器組的循環(huán)冷卻水流量為200 m3/h；冷卻水進(jìn)出水溫差△t=8 ℃，冷卻塔出口循環(huán)水溫度≤32 ℃。

3）空壓機(jī)和余熱再生吸附式干燥器循環(huán)水進(jìn)水壓力為0.30 ～ 0.50 MPa（采用壓力回水）。

4）冷卻塔主要由304不銹鋼外殼、換熱盤(pán)管、排風(fēng)系統(tǒng)、噴淋系統(tǒng)、收水系統(tǒng)、集水槽、補(bǔ)水系統(tǒng)等組成。

1.2? ? 冷卻塔控制功能

控制系統(tǒng)采用S7-200SMART PLC控制器和昆侖通泰TPC7062KX觸摸屏進(jìn)行就地控制，通過(guò)光纖將信號(hào)傳到遠(yuǎn)程上位機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，控制系統(tǒng)可監(jiān)測(cè)純水或循環(huán)水水質(zhì)異常監(jiān)測(cè)記錄（在組態(tài)報(bào)表實(shí)時(shí)記錄保存30-90天可查詢(xún)）組態(tài)要體現(xiàn)設(shè)備動(dòng)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)，可選擇手動(dòng)自動(dòng)切換主/備用設(shè)備、有維修按鈕（維修裝態(tài)下由變頻運(yùn)行改為工頻運(yùn)行），設(shè)備異常、故障報(bào)警后（30 s內(nèi)自動(dòng)切換備用設(shè)備（無(wú)人為干預(yù)）水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常報(bào)警（水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀表可設(shè)定參數(shù)）不在自動(dòng)切換設(shè)備內(nèi)（只報(bào)警）。能耗管理、功率、電流、用電量累計(jì)等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可查詢(xún)水質(zhì)監(jiān)測(cè)異常故障報(bào)警等均記錄在組態(tài)報(bào)表內(nèi)可供查詢(xún)。

自動(dòng)切換在正常工作情況下30 s內(nèi)完成（無(wú)人為干預(yù)），要在組態(tài)設(shè)置時(shí)間定期自動(dòng)切換（ 維修狀態(tài)下不執(zhí)行此項(xiàng)）。

設(shè)備維護(hù)時(shí)間提醒（可設(shè)置）列①冷卻水更換周期②管道過(guò)濾器清理③循環(huán)水定時(shí)檢查等。設(shè)備異常故障等均以微信或電話(huà)推送等通知。

1.3? ? 閉式冷卻塔工作原理

閉式系統(tǒng)中的冷卻循環(huán)水是在一個(gè)完全密閉的環(huán)形管道中進(jìn)行流動(dòng)，與外界空氣處于隔離狀態(tài)，外界異物無(wú)法進(jìn)行循環(huán)水內(nèi)，管道內(nèi)壁、換熱器內(nèi)部不會(huì)出現(xiàn)結(jié)垢、異物堵塞等現(xiàn)象；閉式循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)水和外部噴淋水完全分開(kāi)，使設(shè)備的使用壽命延長(zhǎng)，且外部噴淋水采用大流量噴淋方式，以確保換熱管組表面形成連續(xù)不斷的水膜，即增加換熱能力又避免潮差效應(yīng)的產(chǎn)生。采用有壓回水方式、就近安裝，主循環(huán)泵揚(yáng)程更低，更有利于達(dá)到節(jié)能目的。閉式循環(huán)系統(tǒng)無(wú)需水池，現(xiàn)場(chǎng)布局靈活、占地小。冷卻塔工作運(yùn)行原理如圖3。

1）風(fēng)冷部分：工作流體（軟水或其他液體）在閉式冷卻塔的盤(pán)管循環(huán)，流體熱量被盤(pán)管的管壁吸收后通過(guò)冷卻器上側(cè)部的風(fēng)機(jī)把管壁的熱量排出機(jī)外。

特點(diǎn)：風(fēng)的流向（由上向下再經(jīng)側(cè)面向上）；風(fēng)由盤(pán)管冷卻器上部的一面進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入，然后流經(jīng)盤(pán)管冷卻吸收熱量后，由冷卻器下部流經(jīng)側(cè)面向上排到冷卻塔上方空氣中。

2）水冷部分：當(dāng)流體溫度過(guò)高時(shí)（超過(guò)設(shè)定的溫度時(shí)）自動(dòng)啟動(dòng)噴淋系統(tǒng)噴淋泵將水噴灑在濕熱的管壁并形成水膜，通過(guò)蒸發(fā)式吸收大量熱量（蒸發(fā)潛熱）。噴淋水一部分變成水蒸氣，被流動(dòng)的空氣帶走，未被蒸發(fā)的水滴落在填料熱交換層上降溫后匯集入集水槽里供下一次循環(huán)使用，盤(pán)管里的流體封閉式循環(huán)，理論上無(wú)消耗量。

特點(diǎn)：噴淋水的流向（由上向下）：噴淋水由盤(pán)管冷卻器上部的噴淋管?chē)姵觯缓罅鹘?jīng)盤(pán)管冷卻器吸收熱量后滴落到冷卻塔集水槽中供下一次循環(huán)使用。

3）風(fēng)水逆向：運(yùn)用了風(fēng)水逆向二次熱交換的盤(pán)管技術(shù)，噴淋水能最大程度的覆蓋在盤(pán)管表面，保證盤(pán)管表面完全濕潤(rùn)，實(shí)現(xiàn)了高效換熱。

1.4? ? 噴淋水處理裝置

1.4.1? ? 空壓機(jī)冷卻循環(huán)水系統(tǒng)存在的問(wèn)題

水（純水）—水（自來(lái)水）閉式冷卻塔的外循環(huán)水為自來(lái)水，自來(lái)水的硬度較大，經(jīng)過(guò)測(cè)量系統(tǒng)使用的自來(lái)水硬度為1 000 mg/L，噴淋水在冷卻塔中蒸發(fā)，導(dǎo)致水中含鹽量增加，水中二氧化碳解析逸散，使水中碳酸鈣在換熱面上結(jié)垢析出，和循環(huán)冷卻過(guò)程中水體中的“Ca2+、Mg2+”等陽(yáng)離子接觸而生成“鹽垢”等物質(zhì)，導(dǎo)致冷卻塔結(jié)垢。

1.4.2? ? 水處理裝置特點(diǎn)

采用獨(dú)特的“短束纖維體”過(guò)濾技術(shù)有效去除懸浮物、生物沾泥等微小顆粒明顯改善水質(zhì)、降低濁度。同時(shí)實(shí)現(xiàn)高速過(guò)濾和高精度，并具有反沖洗效率高，反沖洗耗水量少等諸多優(yōu)點(diǎn)，能有效去除98%的懸浮物，60%的有機(jī)物，90%的細(xì)菌，65%的重金屬等。

采用國(guó)際獨(dú)特的控制釋放技術(shù)“水垢凈加藥系統(tǒng)"，能根據(jù)水質(zhì)狀況在水中按一定比例控制釋放。對(duì)人體及管道沒(méi)有任何負(fù)面影響，可直接安裝在生活水（熱水）管上，其溶解于水后，與水中陽(yáng)離子形成穩(wěn)定的絡(luò)合物，可以增加水中鈣鎂離子的允許濃度，從根本上解決水垢的形成。同時(shí)可在設(shè)備管道內(nèi)壁形成保護(hù)膜，隔離溶解氧與管壁產(chǎn)生氧化腐蝕并對(duì)水體中的細(xì)菌和藻類(lèi)起到一定的殺滅效果，從而全面改善水質(zhì)。

采用先進(jìn)的PLC及人機(jī)界面自動(dòng)控制技術(shù)，全自動(dòng)顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)。同時(shí)采用德國(guó)西門(mén)子200smart可編程控制器，對(duì)整套設(shè)備處理循環(huán)水進(jìn)行全面監(jiān)控分析，發(fā)出指令處理。

1.4.3? ? 水處理裝置工藝

在水泵前的吸水管上加絮凝劑（聚合氯化鋁），絮凝劑注入水管中，通過(guò)水泵葉輪攪拌的作用，使絮凝劑充分與水進(jìn)行混合，迅速與水中微小顆粒及膠體物質(zhì)進(jìn)行脫穩(wěn)絮凝反應(yīng)。后通過(guò)過(guò)濾單元的均勻布水裝置，經(jīng)過(guò)濾層的自然分層高精度過(guò)濾，有效去除水中的懸浮物顆粒、部分細(xì)菌、藻類(lèi)、小于10 um的水垢結(jié)晶體，使循環(huán)水水質(zhì)狀況得到明顯的改善，其中羅茨風(fēng)機(jī)是用來(lái)配合水進(jìn)行反沖洗，使反洗效果會(huì)更好。水體中的溶解氧、含鹽量直接影響到換熱系統(tǒng)銹、垢的滋生，水垢凈系統(tǒng)采用了阻銹、阻垢、殺菌滅藻、控制釋放技術(shù)，把換熱系統(tǒng)管道保護(hù)起來(lái)，往復(fù)循環(huán)處理，從而全面的改善水質(zhì)，解決閉式冷卻塔結(jié)垢腐蝕、微生物等問(wèn)題，并保證冷卻塔的正常運(yùn)行。

2? ? 設(shè)備組成

1）方便清洗的側(cè)斜式集水槽。集水池底部排污口端傾斜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，方便清除集水池的污水及深沉雜質(zhì)。

2）冷卻風(fēng)機(jī)。通風(fēng)系統(tǒng)采用冷卻塔專(zhuān)用軸流風(fēng)機(jī)，前傾式風(fēng)葉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，流線型入口風(fēng)筒，風(fēng)阻小、風(fēng)量大、噪音低性能佳、效率高。無(wú)皮帶傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)減少了傳動(dòng)部件，并采用全封閉自冷式低噪音冷卻塔專(zhuān)用電機(jī)，具有體積小，重量輕，啟動(dòng)性能佳，運(yùn)行可靠經(jīng)久耐用等特點(diǎn)。

3） 換熱器。冷卻盤(pán)管由優(yōu)質(zhì)的紫銅管焊接而成，盤(pán)管焊接、組裝及整體后均在水中經(jīng)1.6 MPa的氣密性試驗(yàn)。增強(qiáng)了盤(pán)管耐腐蝕能力，延長(zhǎng)了使用壽命。

4）外殼。外殼采用304不銹鋼板，它是當(dāng)今耐腐蝕性能較強(qiáng)的板材之一，并且有阻熱性強(qiáng)，耐熱性高，外表美觀等優(yōu)點(diǎn)。

5）循環(huán)水泵。安裝體積小，重量輕，管道直線型可方便的安裝在管路中間；靜音設(shè)計(jì)，電機(jī)采用低噪音全封閉防濺防塵室外型電機(jī)，室內(nèi)外均可安裝；防止漏水，由于采用機(jī)械密封，所以防止了漏水，并且耐久使用，易于保護(hù)維護(hù)；防銹處理，LP泵施環(huán)氧泵體都是采用精密鑄造，堅(jiān)固而且使用壽命長(zhǎng)，因此作為循環(huán)泵的使用。

6）先進(jìn)的水分配系統(tǒng)—噴淋頭。冷卻水噴淋系統(tǒng)采用大流量防堵塞的提籃式噴嘴，保證了布水的連續(xù)均勻，噴灑在盤(pán)管表面上的水，在引風(fēng)的作用下最大限度的覆蓋于盤(pán)管表面，使水、空氣與制冷劑充分進(jìn)行熱交換，從而提高了傳熱效果，噴嘴扣接于噴淋支管上，當(dāng)清洗噴嘴及噴淋支管時(shí)可方便將其拆卸。

7）PVC 進(jìn)風(fēng)格柵。特有的PVC高效進(jìn)風(fēng)格柵，經(jīng)過(guò)三次改變氣流方向，保證高效的通風(fēng)量的同時(shí)，使噴淋水的飄逸率小于0.001%，使得設(shè)備放置在水霧敏感地區(qū)成為可能。

3? ? 改造效果

通過(guò)空壓機(jī)冷卻系統(tǒng)節(jié)能改造，取得了很好的效果，如表1所示。

1）空壓機(jī)改造前排氣溫度在報(bào)警值（49 ℃）附近波動(dòng)，改造以后情況大有好轉(zhuǎn)，運(yùn)行溫度小于35 ℃，一、二級(jí)排氣溫度明顯降低，足以說(shuō)明冷卻效果有很大改善。

2）該系統(tǒng)是閉式的，充滿(mǎn)純水作為冷卻循環(huán)水之后，后續(xù)補(bǔ)水可以忽略不計(jì)。而外循環(huán)水因閉式冷卻效率高，蒸發(fā)量小，改造后每月用水量節(jié)約了約3 000 m3，該冷卻系統(tǒng)使用的自來(lái)水約6元/m3，每年節(jié)約用水成本約21.6萬(wàn)元。

3）空壓冷卻系統(tǒng)改造之前平均每月用電96 000 kWh，改造后平均每月用電56 000 kwh，用電單價(jià)0.45元/kWh，每年節(jié)約用電成本21.6萬(wàn)元。

4）改造前每年因水垢問(wèn)題，平均每年更換一個(gè)冷卻器，改造后冷卻器無(wú)結(jié)垢問(wèn)題，無(wú)需更換，一個(gè)冷卻器約30萬(wàn)元，每年可節(jié)約更換成本30萬(wàn)元。

通過(guò)空壓機(jī)冷卻系統(tǒng)的節(jié)能改造，每年共計(jì)節(jié)約73.2萬(wàn)元成本。

4? ? 結(jié)? ? 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)空壓機(jī)冷卻系統(tǒng)存在的問(wèn)題和缺陷進(jìn)行研究分析，采用高效節(jié)能的閉式冷卻塔替代原有的開(kāi)放式冷冷卻塔，有效降低了空壓機(jī)冷卻系統(tǒng)的電耗和空壓機(jī)運(yùn)行時(shí)的一、二級(jí)排氣溫度，降低了空壓機(jī)的跳機(jī)風(fēng)險(xiǎn)。節(jié)約了用水、用電和更換冷卻器等成本共計(jì)73.2萬(wàn)元，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗，提升了設(shè)備運(yùn)行效率。

參考文獻(xiàn)

[1]? ? 張曉東.進(jìn)口空壓機(jī)冷卻水系統(tǒng)改造[J].化學(xué)工程與裝備，2016（4）：190-193.

[2]? ? 王學(xué)軍.空壓機(jī)冷卻器高效清洗工藝應(yīng)用[J].自動(dòng)化應(yīng)用，2019（8）：153-154.