降低空壓機喘振頻次 提高制氧空壓機運行效率

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，二期制氧空壓機陸續出現四級、五級進氣溫度偏高、運行電流低、機組喘振等現象，尤其是在夏季時，空氣濕度大，喘振現象更為明顯。為了降低空壓機得喘振頻次，保證機組安全運行，金昌冶煉廠車間采取了降低進口導葉，減少進氣量，同時提高進氣溫度的措施來緩解設備的喘振問題，但該措施犧牲了氧產量，造成奧爐系統供氧不足的窘況。

1 原因分析

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

圖1 空壓機壓縮工藝流程

隨機選取3個時間點的數據進行分析（表1）。

表1 3個時間點的數據

從表 1 可以看出，加工空氣量為（27 000～28 000）m3/h，氧氣產量為6000 m3/h左右，但空氣和氧氣壓力呈遞減趨勢，四級進氣溫度在（48～50）℃范圍波動，剛剛達到空壓機四級進氣的標準（45～50）℃，但五級進氣溫度仍然高于機組設計要求的（45～50）℃，最高達到65℃。溫度過高，空氣密度增大，導致實際進氣量減少，嚴重時造成機組喘振。

2 進氣溫度偏高、機組喘振的主要表現

根據離心風機的特性，結合金昌冶煉廠多年的運行經驗，認為風機冷卻效果不佳是造成進氣溫度偏高、引起機組喘振的主要原因之一。具體表現在4個方面。

2.1 氣流短路

部分空氣未經四級中間冷卻器冷卻，直接進入五級壓縮，造成五級進氣溫度偏高。經過解體檢查四級冷卻器發現，在安裝四級冷卻器的腔體內壁有一個長30 mm、寬2 mm的裂口，導致部分空氣未經冷卻器直接進入五級壓縮，溫度升高（圖2）。

2.2 冷卻水量不足

圖2 四級冷卻器殼體泄露

圖3 中間冷卻器

圖4 中間冷卻器內部換熱管破裂

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

經過檢查分析，冷卻水量不足，主要是3個原因引起的。

（1）冷卻水內漏。該型號中間冷卻器采用一張張矩形的翅片與換熱管脹接成一個單元換熱管，再由單元管組成管束，水走管內，氣走管外。一方面換熱管經氣流長期的沖刷，管壁減薄，另一方面，受外部環境的影響，二期制氧系統進氣點位于奧爐的下風口，空氣中二氧化硫的含量高，對換熱管的腐蝕，造成換熱管內漏（圖4），換熱管內漏一方面造成氣路帶水，氣流將水一起帶入氣水分離器，由于水含量過大，氣水分離器無法快速有效地將水分離，一部分水進入下一級壓縮，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在氣水分離器上，堵塞氣水分離器，使得氣流無法有效通過，流量降低，壓力升高，造成喘振。同時內漏也造成了實際冷卻水量不足，氣體溫度偏高。

（2）冷卻水短路。將四級中間冷卻器抽出后發現，底部中間隔板已經腐蝕的凹凸不平，已經無法將進水和出水的2個腔體完全分隔（圖5），部分冷卻水直接通過中間隔板流出，發生冷卻水系統短路現象，從而使得通過實際通過中間冷卻器的冷卻水量減少，冷卻水量不足，氣體經過中間冷卻器后得不到充分冷卻，導致排出的氣體溫度偏高。

（3）冷卻水質差。水中的雜質無法有效的驅除，造成雜質隨著冷卻水進入換熱管，在換熱管內壁上逐漸粘結，最終堵塞換熱管，造成空氣冷卻不足、溫度升高。檢查中間冷卻器時發現，很多換熱管被很多泥漿狀雜質堵塞（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、發生級間串氣現象

空氣經五級壓縮后，壓力達（0.47～0.50）MPa，而低壓側壓力僅為0.38 MPa左右，因此，部分空氣從密封器高壓測串至低壓側，空氣被循環壓縮，溫度升高，進氣量減少，壓力升高，發生喘振現象（圖7）。從圖7可以看出，迷宮密封腐蝕、磨損嚴重，部分迷宮密封已經脫落，密封間隙增大。

圖7 空壓機級間密封損壞

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，造成部分翅片經高壓氣流沖擊后，翅片發生變形翻卷，堵塞氣流通道，氣量降低，壓力升高，機組發生喘振現象（圖 8）。

3 解決措施

根據空壓機運行狀況以及存在的問題，針對性的提出了相應的改進措施，對機組進行解體檢修，具體做法如下。

（1）仔細檢查空氣流道，對流道中出現裂縫、漏洞的地方進行補焊，解決空氣短路現象。

圖8 中間冷卻器翅片變形

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

（3）四級中間冷卻器中有一根換熱管破裂，因為管壁變薄，無法補焊，所以只能采取兩側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漏故障引起的溫度升高現象。

（4）在中間冷卻器進口兩側增加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象（圖9）。

（5）考慮到該臺密封器無備件且拆、裝非常困難，因此對密封器進行了修復，將每一個迷宮密封捋順，清除迷宮密封內的雜物，減緩級間串氣的現象。

圖9 中間冷卻器增加密封

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

（7）全面清洗中間冷卻器冷卻水管以及空壓機的空氣流道、轉子、葉輪，確保空氣流道水通道以及暢通，解決氣路、水路的堵塞問題，有效避免排氣溫度高、機組出現喘振等現象發生。

4 效果分析

經過一系列的改進措施，機組投入運行后，各級進氣溫度明顯降低，喘振現象得到改善（表2）。比較表1和表2可以看出，與改進前相比，五級進氣溫度基本達到機組設計要求，溫度下降了近10℃；四級排氣溫度下降了8℃、達到42℃左右，低于空壓機標準要求的45℃，因此，仍然有調節的余量。經過改進，這對空壓機運行平穩，對降低機組喘振頻次起到了一定作用。同時，空壓機的進氣量也略有增加，對提高氧產量、降低制氧電單耗也起到一定作用。

表2 改進后空壓機的運行參數

5 建議

通過一系列的改進措施，機組運行狀況良好，各級進氣溫度和排氣溫度明顯降低，喘振頻次明顯減少，達到了預期效果。但是，由于空壓機運行年限過長，設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生的變形翻卷現象等，無法徹底根治。同時，氣源受外部環境影響，機組的運行效率無法達到機組最佳狀態，空壓機的喘振現象無法徹底避免。因此，只有從管理上、操作上進行有效控制，才能降低機組喘振頻次，提高機組的運行效率，減少能耗。

（1）嚴格控制吸入空氣的質量。由于二期制氧空壓機進氣室位置處于奧爐下風口，空氣中含有大量粉塵和二氧化硫，質量很差，目前只能通過定期人工清掃和更換過濾器的方式，降低空壓機進氣阻力和能耗，緩解機組流道堵塞和設備腐蝕的情況。

（2）嚴格控制冷卻水水質。對冷卻水系統進行定期加藥，并定期檢測化驗水質，緩解水中微生物的繁殖和各類微容鹽類結晶析出；并根據冷卻水壓力變化情況，定期清洗冷卻水過濾器，從源頭上杜絕雜質隨循環水進入中間冷卻器，減少中間冷卻器的堵塞現象，提高冷卻效果，降低空氣的進氣、排氣溫度。

（3）做好設備計劃性檢修工作。根據空壓機的運行狀況和多年管理操作上的經驗，無法徹底解決機組腐蝕、堵塞造成的機組喘振、氣量下降等現象，因此，應根據機組實際運行狀況，有計劃地做好空壓機的檢修工作，采取定期清洗空壓機的轉子、葉輪、流道、中間冷卻器等，修復級間密封器、中間冷卻器的翅片，更換密封條等措施，提高通流面積，緩解級間串氣、氣體短路現象，從而降低空氣進、排氣的溫度，提高機組的進氣量，達到增加產量、降低能耗的目的。