水冷卻器在發電廠空氣壓縮機中的應用分析

王 晉

空氣壓縮機的冷卻系統研究一直是空氣壓縮機研究項目中的熱點。山西西山熱電有限責任公司(以下簡稱西山熱電)使用的UD250A－8型風冷螺桿式空氣壓縮機(以下簡稱空壓機)在運行過程中噪音較大，冷卻風機進風量為900 m3/h，空氣由室外進入室內攜帶大量粉塵，使空壓機內部污染嚴重、磨損較大，減少了設備的使用壽命。其冷卻介質為空氣，受環境溫度影響較大，使空壓機的排氣溫度波動較大，對壓縮空氣及潤滑油的冷卻效果差，造成空壓機經常故障停機，且冬季環境溫度低，冷空氣進入室內，導致室內環境溫度低設備無法啟動。為保證空氣壓縮機的正常工作和安全穩定運行，亟需對空壓機的冷卻系統進行改造。本文就水冷式空壓機相對風冷式空壓機在實際運行中的優越性進行了分析，并提出具體改進方案。

1 風冷式空壓機

UD250A－8型空壓機為電機驅動單級雙螺桿空壓機，由壓縮機主機、電機、傳動機構、冷卻系統、控制系統及外罩等部分組成，螺桿空壓機的壓縮產生于2根螺桿(陽轉子和陰轉子)的嚙合。其冷卻系統原理示意圖見圖1，空壓機冷卻油通過金屬管道成蛇形盤成一個平面，此平面與冷卻風機平行，壓縮空氣管道與油管道在一個平面，同時平行與冷卻風機，當空壓機啟動時，冷卻風機同時啟動，通過風機吹出的空氣與油管道、壓縮空氣管道進行換熱。

圖1 空氣冷卻器冷卻原理簡圖

2 水冷式空壓機

在原有空壓機系統上對冷卻系統進行了改造，由原來的空氣冷卻器改為水冷卻器，改造后的冷卻系統基本流程見圖2，壓縮空氣與冷卻潤滑油分別進入2個冷卻器腔室，冷卻器內部分布大量蛇形管，蛇形管內部為冷卻介質循環水，循環水依次進入冷卻器與油、壓縮空氣進行對流換熱，換熱后的循環水進入工業循環水回水母管，回到循環水池。

圖2 水冷卻器基本流程圖

3 對比分析

1)對空壓機運行穩定性、冷卻效果的影響。

空氣(液體)與固體邊界接觸時會有對流換熱的現象發生，對流換熱量由牛頓公式算得：

式中：

h—對流傳熱系數;

Tg—換熱邊界條件的兩個溫度之一，冷卻介質(空氣或冷卻水)的溫度;

Tf—換熱邊界條件的兩個溫度之一，被冷卻對象(最終反映為管道表面)的溫度;

A—換熱面積。

由公式可知：

a)對流換熱量與空氣、管道的溫度有關，該空壓機冷卻風機不可調，進風量為900 m3/h，當對流換熱量不變時，管道內工質(壓縮空氣和潤滑油的溫度，最終反映為與冷卻介質接觸的管道壁溫度)的溫度Tf會因環境溫度(環境溫度即冷卻風機吸入冷卻介質空氣的溫度Tg)變化而波動，波動幅度達到7℃ ～15℃，最終導致排氣溫度的波動，影響空壓機的穩定運行;改為水冷卻器后，冷卻工質(工業循環水)的溫度Tg相對比較穩定，波動幅度在1℃ ～3℃，對排氣溫度的影響大大減小，提高了空壓機運行的穩定性。

b)由公式(1)可知，對流換熱量Q的大小與對流傳熱系數h成正比，同時空壓機的冷卻方式為強制對流冷卻，氣體在強制對流時的傳熱表面傳熱系數h為(20～100)W/m2·K，水在強制對流時的傳熱表面傳熱系數h為(1 000～1 500)W/㎡·K，所以在溫差和傳熱面積不變的情況下，用水作為冷卻介質要比空氣作為冷卻介質時的冷卻效果要提高15倍以上。

c)改造前后，換熱面積A大小不變，所以不做分析。

2)對空壓機使用壽命影響。

風冷式空壓機由于冷卻介質為空氣，西山熱電選用的冷卻風機進風量為900 m3/h，且空壓機房建造在1#爐鋼渣倉旁邊，當渣倉放渣時，由于空壓機運行時要吸入空氣，放渣時的揚塵隨空氣進入空壓機房內，空氣中所含顆粒物直徑及數量遠遠超出空壓機設計要求(空壓機空氣過濾器設計通過顆粒物直徑為3 μm)，致使空壓機空氣過濾器平均使用900 h左右出現堵塞報警、油過濾器平均使用1 800 h左右出現堵塞報警，而空氣過濾器、油過濾器的設定使用時間分別為1 500 h、2 666 h，因此，空壓機被迫停運更換空氣過濾器、油過濾器。同時，大量超標顆粒物進入空壓機主機，加劇了主機及軸承的磨損，致使主機工作聲音異常，空壓機機頭僅使用4年就需返廠大修一次。使用水冷卻器后，按3臺機組運行，需要啟動空壓機3臺，每小時減少2 700 m3進氣量，大大改善了空壓機工作環境，空氣過濾器、油過濾器未出現過堵塞報警，均按設計要求，達到設計使用時間后進行定期更換，同時，進入主機的顆粒物減少，減少了主機的磨損，延長了空壓機的使用壽命，自更換為水冷卻器以后，空壓機主機工作穩定、正常。

3)經濟效益對比。

a)風冷式空壓機冷卻系統造價在53 000元左右，水冷式空壓機冷卻系統造價在90 000元左右，雖然水冷卻系統初期造價高，但是使用的是電廠工業循環水，而且循環水為閉式循環系統，基本不存在水量消耗。而風冷式空壓機的冷卻風扇由Y2－160L－6型電動機驅動，該電機的功率為11 kW，根據現場實際情況，單臺空壓機每年平均使用時間按4 500 h計算，電費按發電成本0.5元/kW·h計算：

單臺冷卻風機每年消耗電費=11×4 500×0.5=24 750元。

通過計算，水冷式冷卻系統造價高出氣冷式冷卻系統37 000元，但是每年節省電費24 750元，因此，水冷式空壓機運行一年半即可彌補造價差距，以后每運行一年，一臺空壓機可節省電費24 750元。

b)采用風冷式冷卻系統更換空氣過濾器、油過濾器的時間分別為900 h、1 800 h，采用水冷式冷卻系統更換空氣過濾器、油過濾器的時間分別為1 500 h、2 666 h，單臺空壓機按每年平均使用4 500 h計算，該廠使用的優耐特斯UD250W－8型空氣壓縮機共4臺，因此，采用風冷式冷卻系統：

每年更換空氣過濾器次數=4 500×4/900=20次。

每年更換油過濾器次數=4 500×4/1 800=10次。

采用水冷式冷卻系統：

每年更換空氣過濾器次數=4 500×4/1 500=12次。

每年更換油過濾器次數=4 500×4/2 666=6.75次≈7次。

通過計算可以看出，采用水冷式冷卻系統每年可以少換8次空氣過濾器(每次更換1個)、3次油過濾器(每次更換2個)，空氣過濾器價格為2 300元/個，油過濾器價格為900元/個，所以每年節省備件費用=2 300×8+900×2×3=23 800元。

除此之外，還節省了空壓機主機返廠大修費用78 000元/臺，將此費用平均分配到5年中，每年可節省費用62 400元，所以，通過上述計算：

每年累計節約費用=62 400+23 800+24 750=110 950元

4 故障分析對比

通過對該廠4臺UD250W－8型空壓機冷卻器改造前后出現的故障原因進行分析，改造前，頻繁出現因冷卻效果差導致排氣溫度高故障停機現象，改造后，不但降低了因排氣溫度高故障停機的次數，同時整體上降低了空壓機的故障次數。對兩種冷卻形式各以1年為統計周期，進行對比，故障停機原因分析見圖3。通過對比可以發現，改造為水冷卻器后，排氣溫度高導致的故障停機次數大大降低，從而減少了空壓機非正常停運次數，延長了空壓機的使用壽命，提高了空壓機的運行穩定性。

圖3 故障停機分析圖表

5 結束語

通過對冷卻系統的改造，解決了空壓機排氣溫度波動大、冷卻效果差的問題，減少了外界環境對空壓機運行的干擾，改善了空壓機的工作環境，提高了空壓機的運行穩定性;同時減少了備品備件的更換頻率，降低了能耗及設備運行成本，為企業節能降耗做出了貢獻。

［1］ 趙鎮南.傳熱學［M］.北京：高等教育出版社，2008：4 －15.