空分壓縮機(jī)級(jí)間冷卻器換熱效果影響因素分析

汪青青，黃 栩，王發(fā)兵

（馬鋼比歐西氣體有限責(zé)任公司，安徽馬鞍山 243000）

1 概述

馬鋼比歐西氣體公司現(xiàn)有兩套40000 m3/h空分裝置，由LINDE AG設(shè)計(jì)配套，其中每套空分配備空壓機(jī)、增壓機(jī)和氮壓機(jī)各一臺(tái)，均由SIEMENS AG制造。馬鋼比歐西公司空壓機(jī)采用三級(jí)壓縮兩級(jí)冷卻，額定功率16900 kW，增壓機(jī)和氮壓機(jī)采用六級(jí)壓縮六級(jí)冷卻，額定功率分別為8400 kW和5400 kW。壓縮機(jī)的級(jí)間冷卻器的主要作用是降低排氣溫度，使壓縮過程更接近于等溫壓縮，提高壓縮機(jī)的等溫效率，等溫壓縮過程耗功最少從而降低電機(jī)拖動(dòng)的電耗。目前主流空分公司均使用趨近溫度來衡量換熱器的換熱效果，其定義為壓縮機(jī)冷卻器排氣溫度與冷卻水溫度的差值。馬鋼比歐西壓縮機(jī)冷卻器全部采用進(jìn)口Oeltechnik公司U型管式換熱器，空壓機(jī)、增壓機(jī)和氮壓機(jī)設(shè)計(jì)趨近溫度分別為5℃、7℃、7℃，工藝空氣走殼程，水走管程，同時(shí)氣側(cè)設(shè)置折流板，氣流通常是縱掠管束，示意圖如圖1。

圖1 介質(zhì)流向示意圖

從圖1可看出空氣要與管束內(nèi)的循環(huán)水換熱需經(jīng)過工藝空氣與外壁之間的對流換熱，管壁的傳導(dǎo)換熱和內(nèi)壁與水之間的對流換熱，任何影響這一過程的因素都會(huì)影響冷卻器的換熱效果。2016年11月和2017年6月打開1#和2#ASU空壓機(jī)和增壓機(jī)的封頭之后并用內(nèi)窺鏡拍照查看后發(fā)現(xiàn)：（1）管束內(nèi)有堵塞跡象；（2）銅管壁上有結(jié)垢，管壁上的橫紋已不明顯；（3）回水側(cè)結(jié)垢較明顯，見圖2和圖3。

圖2 冷卻器回水側(cè)較進(jìn)水側(cè)結(jié)垢明顯

圖3 清洗前內(nèi)窺鏡檢查管束內(nèi)存在結(jié)垢和堵塞

結(jié)合目前的運(yùn)行狀況及檢修情況，總結(jié)目前常見到的影響冷卻器的換熱效果因素有：冷卻器水側(cè)管束內(nèi)結(jié)垢或堵塞、管程水流速偏低、氣側(cè)管壁有結(jié)垢、空氣濕度增加，同時(shí)總結(jié)了高壓清洗冷卻器管束前后趨近溫度變化情況。

2 影響因素

2.1 冷卻器水側(cè)管束內(nèi)結(jié)垢和堵塞對換熱的影響

檢修時(shí)打開換熱器水側(cè)封頭之后發(fā)現(xiàn)管束內(nèi)存在結(jié)垢現(xiàn)象，結(jié)垢阻礙了管道內(nèi)壁與水之間的傳熱，熱阻增加，熱流必須穿過結(jié)垢層再與水進(jìn)行對流換熱，影響冷卻器的效果。導(dǎo)致結(jié)垢的因素很多，如循環(huán)水質(zhì)、管內(nèi)流速及流態(tài)、循環(huán)水溫度以及換熱器的結(jié)構(gòu)等，結(jié)合工廠的運(yùn)行情況主要原因如下：

（1）循環(huán)水質(zhì)的影響

循環(huán)水冷卻水在運(yùn)行過程中隨著水分的蒸發(fā)消耗，水中的各種雜質(zhì)濃度會(huì)升高，結(jié)垢概率增加。pH、電導(dǎo)率及濁度等指標(biāo)異常會(huì)導(dǎo)致結(jié)垢的產(chǎn)生。

（2）循環(huán)水流速過低的影響

冷卻器中，流速對結(jié)垢的影響有兩方面：水中雜質(zhì)沉降和對污垢的沖刷剝離，圓管中水流流態(tài)以無量綱雷諾數(shù)2300為界，低于2300為層流，高于2300為紊流[1]，冷卻器中某些部位流速過小或水流分配不均流速低時(shí)易出現(xiàn)層流流動(dòng)，流速大小在圓管剖面上呈拋物線分布，如圖4所示，主流區(qū)流速較快，而接近壁面處由于流體存在黏性產(chǎn)生附面層，在附面層內(nèi)流體近似于停滯狀態(tài)，使循環(huán)水中存在的雜質(zhì)沉降結(jié)垢，同時(shí)對壁面的沖刷剝離作用減弱，加速了結(jié)垢。

圖4 圓管內(nèi)層流和紊流速度分布

（3）循環(huán)水溫度對結(jié)垢的影響

冷卻水中的水垢一般都是具有反常溶解度的難溶或微溶鹽類，具有固定晶形的無機(jī)物，按結(jié)晶的規(guī)律最容易在金屬的傳熱面上析出，結(jié)垢質(zhì)地堅(jiān)硬，厚實(shí)且致密，大部分呈白色或灰白色，其溶解度與一般的鹽類不同，不是隨著溫度的升高而升高，而是隨著溫度的升高而降低。當(dāng)水流速比較小或傳熱而比較粗糙時(shí)，這些結(jié)晶沉淀物就容易沉積在傳熱面上，研究表明當(dāng)水溫高于45度時(shí)冷卻器內(nèi)的結(jié)垢會(huì)急劇增加，大大影響冷卻器的換熱效果。

2.2 管內(nèi)流速及流態(tài)對換熱的影響

如上節(jié)所述，低流速情況下會(huì)導(dǎo)致管道內(nèi)層流流動(dòng)產(chǎn)生附面層，不但會(huì)導(dǎo)致結(jié)垢，還會(huì)對換熱產(chǎn)生影響，原因是在流體流過壁面時(shí)，邊界層附近因傳熱形成的具有溫度梯度的薄層，也就是對流傳熱熱阻所在的區(qū)域[2]，由于熱阻的增加使熱流密度減小，影響換熱。

2.3 氣側(cè)管束外壁結(jié)垢

空壓機(jī)冷卻器氣側(cè)可能會(huì)結(jié)垢影響換熱效果，而增壓機(jī)和氮壓機(jī)因壓縮介質(zhì)已經(jīng)過凈化和分離可不考慮。空壓機(jī)氣側(cè)結(jié)垢污染的主要原因是原料空氣過濾不充分或者前置過濾器安裝短路及過濾器密封不好導(dǎo)致空氣中的粉塵和顆粒直接進(jìn)入壓縮機(jī)，與經(jīng)壓縮冷卻過程中析出的水分共同作用產(chǎn)生結(jié)垢，影響冷卻器的換熱效果。

2.4 空氣濕度增加

空氣濕度增加或者陰雨天氣和大霧天氣空氣中的游離水增加時(shí)導(dǎo)致空氣經(jīng)壓縮冷卻之后析出的水分增加，析出的水分部分會(huì)附著在冷卻器的管束上，在管束上形成一層薄薄的水膜，水膜越厚熱阻越大，影響冷卻器的換熱效果。

3 解決措施

3.1 用高壓清洗的方式對管束水側(cè)結(jié)垢進(jìn)行清洗

由專業(yè)的承包商進(jìn)行，通常是通過泵將水壓縮到4000 kPa以上，然后通過噴嘴霧化伸入管束內(nèi)進(jìn)行沖洗，依靠水流的沖刷剝離作用，使污垢從管壁脫離，清洗后的狀況如圖5。

圖5 清洗后內(nèi)窺鏡檢查管束內(nèi)情況

從內(nèi)窺鏡拍攝的照片中可看出清洗之后管道內(nèi)壁較干凈，壁面上的橫紋清洗可見，當(dāng)流體流經(jīng)橫向紋時(shí)在管壁附近形成了軸向渦流，加強(qiáng)了邊界層的擾動(dòng)，有利于熱量通過邊界層向主流區(qū)傳遞，強(qiáng)化傳熱[3]。2016年12月份對清洗出的雜質(zhì)分析發(fā)現(xiàn)其主要成分是泥沙。對比清洗前后相同負(fù)荷及循環(huán)水量的情況下2#空壓機(jī)一級(jí)和二級(jí)的趨近溫度如圖6。

圖6 2#MAC一級(jí)和二級(jí)清洗前后趨近溫度對比

從圖6可看出檢修后2#空壓機(jī)冷卻器趨近溫度平均下降0.85℃，說明冷卻器換熱效果變好，采集其他機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)對比趨近溫度下降如表1。

表1 各機(jī)組冷卻器趨近溫度平均值清洗前后對比 ℃

按照排氣溫升3℃，能耗增加1%計(jì)算，清洗5臺(tái)機(jī)組每年可節(jié)省電量約110萬kW·h，節(jié)能效果明顯。

3.2 加強(qiáng)對水處理系統(tǒng)的監(jiān)控管理

密切關(guān)注水處理的各項(xiàng)指標(biāo)，控制好循環(huán)倍數(shù)、濁度、電導(dǎo)率及濁度，根據(jù)水質(zhì)情況及時(shí)要求水處理承包商合理增減藥劑，保持各項(xiàng)指標(biāo)在正常范圍內(nèi)。

3.3 控制冷卻器的水量，避免流速過低

根據(jù)壓縮機(jī)廠家的要求管道內(nèi)流速不能低于1 m/s，實(shí)際生產(chǎn)過程中為了發(fā)揮冷卻塔的最大效率，將循環(huán)水泵的運(yùn)行模式由“五開三備”調(diào)整為“四開四備”（每臺(tái)額定流量1400 m3/h），同時(shí)也請水處理承包商關(guān)注水處理的各項(xiàng)指標(biāo)，對各壓縮機(jī)的進(jìn)回水管道內(nèi)流速用超聲波流量計(jì)進(jìn)行檢測，避免結(jié)垢而腐蝕，如有檢修機(jī)會(huì)安排清洗。

3.4 關(guān)注前置過濾器的工作狀況

目前前置過濾器典型的性能規(guī)格是持續(xù)脫除97%的大于2 μm的顆粒，同時(shí)關(guān)注前置過濾的壓降，安裝過程中防止出現(xiàn)密封不嚴(yán)等情況，目前出現(xiàn)的案例表明空氣不進(jìn)行過濾不但會(huì)造成空壓機(jī)冷卻器結(jié)垢，還會(huì)對壓縮機(jī)葉輪及流道產(chǎn)生影響。針對空氣中游離水量含量增加，目前已有過濾器廠商提出解決方案，在過濾之前加裝除水過濾器，目前沿海地區(qū)的空分開始使用此類過濾器，主要還是為了降低空壓機(jī)能耗。

4 結(jié)論

綜上所述，空分日常運(yùn)行過程中關(guān)注壓縮機(jī)的冷卻器運(yùn)行狀況，發(fā)現(xiàn)趨近溫度擴(kuò)大趨勢及時(shí)分析原因并采取相關(guān)措施，同時(shí)遇到檢修機(jī)會(huì)及時(shí)清洗換熱效果較差的冷卻器。目前空分工藝流程相對成熟，做好經(jīng)濟(jì)運(yùn)行工作意義重大，作為企業(yè)應(yīng)積極響應(yīng)國家節(jié)能減排政策，減少碳排放量，扎實(shí)推進(jìn)節(jié)能減排工作。