離心式空壓機運行效率下降原因分析與處理

席光耀

（銅陵有色金冠銅業分公司，安徽銅陵 244000）

0 引言

某銅冶煉廠制氧站35 000 m3/h 空分系統配套RIK100-4型多級離心式空壓機，配置內置式冷卻器，機殼為水平剖分式，主要功能是對空氣進行壓縮及輸送。壓縮機主要有定子（機殼、隔板、平衡盤機座）、轉子（軸、葉輪、平衡盤、聯軸器）及徑向軸承、推力軸承、軸端密封等組成，4 級壓縮，級間及軸端密封采用迷宮密封，聯軸器采用膜片聯軸器，徑向軸承采用可傾瓦軸承，推力軸承采用米歇爾型軸承。

空壓機設計參數：進氣壓力99 kPa，進氣溫度30 ℃，排氣壓力613 kPa，排氣溫度81.4 ℃，流量184 800 Nm3/h，電機功率16 150 kW。機組于2012 年8 月完成調試，投入運行至今。

1 空壓機運行狀況

35 000 m3/h 空分系統自投產以來，空壓機出口流量逐年下降，尤其到夏季生產難以維持額定產氧量，導葉全開無法達到設計流量。將機組歷年運行參數進行對比，空壓機效率降低嚴重影響工況正常建立，進而影響主生產系統的負荷率（表1）。

2 可能原因分析

2.1 設計、制造、安裝

RIKT100 型空壓機自投產運行至今，總體上故障率較低，按照GB 19153—2003 能效標準計算，空壓機輸入比功率為4.58 kW/（m3/min），性能優越。根據試運行性能測試，排氣壓力、流量達到設計要求。

2.2 密封泄漏

（1）內漏，即級間竄氣，使壓縮過的氣體倒回再進行第二次壓縮。它將影響各級的工況，使低壓級壓比增加，高壓級壓比下降，使機組偏離設計工況，排氣量下降。2017 年對空壓機大修理，二、三、四級級間密封進行更換并測量，裝配間隙符合設備安裝要求。

表1 機組歷年運行參數

（2）外漏，即從軸端密封處向機殼外漏氣，或放空閥、管道連接法蘭處等泄漏。吸入量雖然不變，但壓縮后的氣體漏掉一部分，自然造成排氣量減少。日常點檢對空壓機本體中分面、進出口法蘭端面、冷卻器端面、放空閥及沿線管路進行排查，未發現明顯泄漏及異常。

2.3 系統阻塞

空壓機自潔式過濾器阻力過大，空氣濾清器堵塞或阻力增加，引起空壓機吸入壓力降低。在出口壓力不變時，使空壓機壓比增加。根據空壓機的性能曲線，當壓比增加時，排氣量會減少。入口過濾器芯定期更換，壓差維持在正常值40 Pa。空分設備管路阻塞，阻力增加或閥門故障，引起空壓機排氣壓力升高。在吸入壓力不變的條件下，壓比增加，造成排氣量減少。檢查空壓機出口壓力與空分上塔壓力，壓力損失無異常（表2）。

表2 空壓機后續管路壓損kPa

2.4 導葉卡澀及內部結垢

葉片磨損及積灰過多，導葉卡澀在小角度均會影響到空壓機排氣量。2017 年大修過程對空壓機導葉、轉子及氣道進行檢查清理，檢查導葉結構無異常，葉輪葉片表面無損傷，整體清洗較為干凈。

2.5 環境溫度

整個機組的溫度升高時，氣體便會因熱而膨脹，在體積不變的情況下，量必然縮小，進而造成排量不足。通過日常數據及歷年同期對比可以看出，環境空氣溫度升高影響空壓機氣量是客觀存在的因素，溫度越高空氣密度越小，排氣量必然下降，但歷年同期對比排氣量或排氣壓力逐年下降，非環境溫度因素影響。

2.6 轉速

轉速越快、產氣量越高，兩者之間是會形成一定比例，而此時的狀態受到電壓、頻率決定，若想提高排氣，應想辦法來提升此處兩個數值，讓整個系統的運行達到最佳。電網的頻率或電壓下降，引起電機和空壓機轉速下降，排氣量減少。空壓機電機為工頻，當前空壓機轉速一直保持在5676.17 r/min 左右（設計轉速5681 r/min）。

2.7 疏水閥

自動疏水閥不能自動疏水，冷凝出的水會導致下級壓縮氣體含水量增大，進而影響排氣量，同時氣流中的水同時會對端面密封的沖刷使得密封腐蝕而損傷。手動旁通疏水開的過大會造成氣體的損失。現場空壓機每級疏水配套自動及手動疏水閥，功能正常。

2.8 中間冷卻器

2.8.1 冷卻器泄漏

一、二級泄漏，因水側壓力高于氣側壓力，冷卻水進入氣側，并進一步被氣流夾帶進入葉輪及擴壓器。經一定時間后造成結垢、堵塞，使空氣流量減少；三級冷卻器泄漏，因氣側壓力高于水側，壓縮空氣將漏入冷卻水中跑掉，使排氣量減少。停機測試，在單進水路情況下空壓機手動疏水全開，無任何積水排除。

2.8.2 冷卻水影響因素

冷卻器設計流量為1200 m3/h，循環水設計壓力為0.35 MPa，目前冷卻器進水量1400 m3/h，母管壓力0.45 MPa。冷卻水溫亦是另一重要因素，冷卻水溫度高，冷卻溫差降低，造成氣體密度變低，影響排氣量。空壓機冷卻水設計要求最高溫度33 ℃，高溫天氣冷卻水進水溫度達到38～41 ℃，夏季冷卻水溫度相對偏高。

2.8.3 冷卻器換熱效果

（1）冷卻器氣側結垢。冷卻器翅片長期被空氣中所含電化學物質腐蝕氧化，翅片倒伏、脫落后堵塞空氣進風流道。表3為同等環境溫度下歷年各級壓力值比較，氣側結垢直接增大沿程損失。

表3 歷年機組各級壓力值kPa

（2）冷卻器水側水垢過多或被泥沙及有機雜質堵塞。中間冷卻器工作是氣體在通過外部翅片與管內循環水進行換熱，降低空氣溫度，當內部管束出現堵塞、結垢、氧化等情況，會造成換熱效果下降，影響氣體產量。大修期間中間冷卻器只是進行了管束的物理清洗，對內部結垢及氧化情況無法準確判斷，但一級換熱效果明顯低于要求。

（3）冷卻器捕霧器（氣水分離器）效果差。空氣通過中間冷卻器換熱后降溫，空氣中冷凝水被析出，通過冷卻器后捕霧器將水分隔離后流至疏水管路，當捕霧器不能有效地將水分隔離，冷凝水將跟隨氣體進入下一級氣道及葉輪，占據壓縮空間及消耗能量，通過旁通疏水閥排放情況來看，氣夾水現象較為嚴重。

3 處理過程

根據以上過程分析，級間冷卻器換熱溫差及壓力損失存在異常，初步對空壓機一級冷卻器進行改進并更換，提高換熱能力及效率。具體配置參見表4，其余因素按正常維護方案執行。

表4 新型與原設計冷卻器參數對比

4 改進效果

通過更換空壓機一級冷卻器，空壓機在2018 年夏季高溫環境下未出現氣量及壓力不足狀況，環境溫度最高41 ℃時，空壓機出口壓力610 kPa（A.），保持1%放空，產氣177 000 Nm3/h，系統產氧35 200 m3/ h，解決問題。

查閱資料得出換熱器的溫度效率η=（t2-t1）/（T1-T2）。其中，T1、T2為加熱工質進、出換熱器的溫度，t1、t2為被加熱工質進、出換熱器的溫度。通過現場測量及經驗公式計算，更換一級冷卻器前，一級冷卻器換熱效率為80.33%；更換后一級冷卻器后，一級冷卻器換熱效率達到98.72%。

更換一級冷卻器后一級排氣溫度明顯降低，前后相差將近10 ℃，換熱效率相比更換前明顯升高，將近18%，同時二、三級中間冷卻器換熱效率也有一定提升（表5）。

改進后，相同流量壓力下空壓機的運行電流有所降低，導葉開度及放空裕度均有所改善。不考慮放空因素，同樣生產負荷下空壓機電流比處理前減少了6 A（表6，若考慮放空因素降低的電流更多），每小時節電94 kW·h，每年降低電耗82×104kW·h，按目前工業用電0.65 元/（kW·h）計算，全年節約電費54 萬元，經濟效益明顯。

5 經驗和啟發

（1）空壓機級間參數監控對空壓機運行狀態監控尤為重要，通過測算可以掌握各級轉子及冷卻器的實際狀態及效率。

表5 改進前后機組相關參數對比

表6 改進前后機組相關參數對比

（2）大型空壓機運行效率高低對生產成本影響大，合理高效的維護保障機組高效運行可極大降低能耗。冷卻器換熱效果、級間密封對空壓機效率影響較大。

（3）內置式冷卻器要通過水路調整保障換熱溫差相對平衡。

（4）操作要做好空壓機的各級疏水，如若疏水不暢應及時更換疏水閥或加大旁通手動疏水，保障機組安全。

（5）針對類似進口設備，要綜合考慮采購成本、維護方案、生產條件等因素合理制定對策，以適應公司發展要求。

（6）后續計劃開展對舊冷卻器的清洗維護，根據相關文獻及網上資料，針對此類冷卻器一般用人工清洗（清水浸泡、沖洗）幾乎沒有效果，機械清洗對冷卻器損傷較大，化學清洗效果好但對冷卻器強度會有很大影響，國內目前清洗的成熟案例較少，清洗方案也在不斷摸索，具體方案有待延續深入學習討論。