壓縮機(jī)段間冷卻器結(jié)垢原因分析及對(duì)策

房全國，萬 寧，楊鐵樺，張志華

(中國五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

換熱設(shè)備污垢是指與流體接觸的換熱表面上沉積的那層“多余的”固態(tài)物質(zhì)，據(jù)調(diào)查，90%以上的換熱設(shè)備都有不同程度的結(jié)垢問題[1]。換熱設(shè)備換熱表面結(jié)垢會(huì)降低換熱效率，有研究表明，換熱設(shè)備表面結(jié)垢厚度為1mm時(shí)，換熱效率將下降10%～20%[2]。此外，結(jié)垢的形成會(huì)減小流體的流通面積，增加流動(dòng)阻力，嚴(yán)重時(shí)會(huì)堵塞流體通道，影響設(shè)備和工藝系統(tǒng)的正常運(yùn)行[3，4]。

在某工程項(xiàng)目中，有一臺(tái)壓縮機(jī)段間冷卻器，殼程介質(zhì)為工藝氣，管側(cè)介質(zhì)為循環(huán)冷卻水，換熱管內(nèi)壁頻繁結(jié)垢，部分換熱管堵塞，不利于冷卻器的正常運(yùn)行，從而影響整個(gè)壓縮機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，并造成工廠的非計(jì)劃停車，嚴(yán)重影響工廠的經(jīng)濟(jì)效益。為保證冷卻器和壓縮機(jī)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，本文對(duì)壓縮機(jī)段間冷卻器的結(jié)垢原因進(jìn)行了分析，并提出相應(yīng)的解決方案。

1 壓縮機(jī)段間冷卻器

該項(xiàng)目壓縮機(jī)段間冷卻器是一臺(tái)NEN型式的換熱器，其作用是將壓縮機(jī)出口的工藝氣溫度由192℃冷卻到工藝要求的40℃，冷卻后的工藝氣進(jìn)入下一級(jí)壓縮機(jī)，從而提高壓縮機(jī)的效率，降低壓縮機(jī)的功耗。管側(cè)介質(zhì)為循環(huán)冷卻水，循環(huán)冷卻水的溫度由28℃加熱到38℃，壓縮機(jī)段間冷卻器的技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 壓縮機(jī)段間冷卻器技術(shù)參數(shù)

2 結(jié)垢情況

2019年4月，壓縮機(jī)段間冷卻器換熱管內(nèi)壁結(jié)垢、堵塞嚴(yán)重，工廠非計(jì)劃停車，對(duì)換熱管進(jìn)行高壓水射流清洗。2019年5月，工廠大檢修，再次對(duì)換熱管進(jìn)行高壓水射流清洗，全部清洗干凈花費(fèi)十幾天時(shí)間。冷卻器運(yùn)行一個(gè)月后再次出現(xiàn)換熱管堵塞問題，2019年6月，由于水質(zhì)變差，換熱管結(jié)垢、堵塞問題更加嚴(yán)重，工藝氣出口溫度升高，管側(cè)阻力增大。2019年8月，對(duì)換熱管進(jìn)行了兩次化學(xué)清洗，工藝氣出口溫度略有降低，但依然達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，部分堵塞嚴(yán)重的換熱管無法通過化學(xué)清洗的方法除垢。

通過檢修檢查，得到換熱管內(nèi)的結(jié)垢分布情況(見圖1)。壓縮機(jī)段間冷卻器換熱管長6 000mm，在靠近循環(huán)冷卻水進(jìn)口2 000mm范圍內(nèi)，換熱管內(nèi)有輕微結(jié)垢，在靠近循環(huán)冷卻水出口4 000mm范圍內(nèi)換熱管內(nèi)結(jié)垢、堵塞嚴(yán)重。換熱管端部情況見圖2。

圖1 換熱管內(nèi)的結(jié)垢分布情況

圖2 換熱管端部情況

3 結(jié)垢原因分析

水垢一般是由具有反常溶解度的微溶或難溶的無機(jī)鹽組成，在循環(huán)冷卻水中，最常見的微溶及難溶鹽有CaCO3、Ca3(PO4)2、CaSO4、MgSiO4、Zn3(PO4)2等。影響水垢形成的因素很多，其中影響換熱管內(nèi)壁結(jié)垢的因素主要有循環(huán)冷卻水水質(zhì)、換熱管壁溫、循環(huán)冷卻水流速、換熱管表面狀態(tài)[1]。

3.1 循環(huán)冷卻水水質(zhì)

壓縮機(jī)段間冷卻器管側(cè)用循環(huán)冷卻水為開式循環(huán)冷卻水，由于風(fēng)吹損失、水分蒸發(fā)等情況，使循環(huán)水不斷濃縮，水中離子濃度增加，某些離子含量因超過其鹽類的溶解度而析出產(chǎn)生水垢。

該項(xiàng)目循環(huán)冷卻水水質(zhì)較差、濃縮倍數(shù)大、成垢離子多、易達(dá)到飽和狀態(tài)而產(chǎn)生水垢，循環(huán)冷卻水水質(zhì)情況見表2。

表2 循環(huán)冷卻水水質(zhì)情況

3.2 換熱管壁溫

與一般鹽類不同，CaCO3的溶解度隨著溫度的升高而降低，溫度升高，CaCO3更容易達(dá)到飽和，產(chǎn)生水垢。此外，溫度升高還會(huì)導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)速率和結(jié)晶速率增加，加速水垢的生成。有研究表明，循環(huán)冷卻水側(cè)換熱管壁溫大于70℃，會(huì)加速換熱管的結(jié)垢[5]。

壓縮機(jī)段間冷卻器殼側(cè)工藝氣進(jìn)口溫度192℃，溫度較高，加熱換熱管，使得靠近工藝氣進(jìn)口(即靠近循環(huán)水出口)處的換熱管壁溫較高，最高壁溫達(dá)到94℃，加之循環(huán)冷卻水水質(zhì)較差，從而導(dǎo)致此范圍內(nèi)換熱管內(nèi)結(jié)垢、堵塞嚴(yán)重。靠近工藝氣出口(即靠近循環(huán)水進(jìn)口)處，雖然循環(huán)冷卻水水質(zhì)較差，但由于此區(qū)域換熱管壁溫相對(duì)較低，所以，此區(qū)域換熱管內(nèi)僅有輕微的結(jié)垢現(xiàn)象。

3.3 循環(huán)冷卻水流速

流速會(huì)影響水流的剪切力、CaCO3向壁面的傳質(zhì)速率和水中細(xì)菌向壁面遷移附著的趨勢，從而影響水垢的形成。這個(gè)影響過程非常復(fù)雜，有研究表明，隨著冷卻水流速的增加，結(jié)垢現(xiàn)象呈現(xiàn)先降低、后加快、而后又降低的趨勢[6]。在GB/T 50050工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范中，循環(huán)冷卻水管側(cè)流速應(yīng)大于1m/s[7]。

壓縮機(jī)段間冷卻器管側(cè)循環(huán)水流速為1.85m/s，在標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)范圍，本文認(rèn)為流速不是該設(shè)備結(jié)垢的關(guān)鍵因素。

3.4 換熱管表面狀態(tài)

通常情況下，粗糙的材料表面比光滑的材料表面更易結(jié)垢[1]，壓縮機(jī)段間冷卻器采用碳鋼涂層換熱管，增加換熱管表面的光滑度，前期可減緩水垢問題，但換熱管內(nèi)表面前期水垢形成后，內(nèi)表面因水垢而不平，使得后期形成的水垢更易附著，從而加速水垢的形成。

4 解決方案

為保證壓縮機(jī)段間冷卻器安全穩(wěn)定運(yùn)行，通過上述對(duì)管內(nèi)結(jié)垢原因的分析，筆者從降低溫度、改變冷卻介質(zhì)的角度出發(fā)，提出了三個(gè)解決方案。

4.1 方案一

在壓縮機(jī)段間冷卻器前串聯(lián)一臺(tái)除鹽水預(yù)冷卻器，采用除鹽水冷卻，將工藝氣溫度由192℃冷卻到105℃，冷卻后的工藝氣再進(jìn)入壓縮機(jī)段間冷卻器。該方案通過降低工藝氣的入口溫度，從而降低換熱管壁溫，解決運(yùn)行期間管內(nèi)結(jié)垢堵塞的問題。

4.2 方案二

將壓縮機(jī)段間冷卻器的冷卻介質(zhì)由循環(huán)冷卻水改為除鹽水，增加一套閉式冷卻塔，用于冷卻換熱后的高溫除鹽水，冷卻后的除鹽水再循環(huán)至壓縮機(jī)段間冷卻器。該方案通過改變管內(nèi)冷卻介質(zhì)，采用水質(zhì)較好的除鹽水，可徹底解決管內(nèi)結(jié)垢堵塞問題。

4.3 方案三

新增加一臺(tái)壓縮機(jī)段間冷卻器，兩臺(tái)冷卻器可自由切換操作，當(dāng)管內(nèi)結(jié)垢嚴(yán)重時(shí)，可切換至另一臺(tái)冷卻器操作，通過機(jī)械清洗的方法清除冷卻器管內(nèi)水垢。該方案雖然無法解決管內(nèi)結(jié)垢堵塞的問題，但可以切換設(shè)備，保證裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

5 結(jié)語

壓縮機(jī)段間冷卻器是壓縮機(jī)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，其換熱管內(nèi)結(jié)垢堵塞嚴(yán)重，直接影響壓縮機(jī)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。經(jīng)檢修發(fā)現(xiàn)，壓縮機(jī)段間冷卻器管內(nèi)結(jié)垢堵塞嚴(yán)重的區(qū)域主要分布在靠近高溫工藝氣的進(jìn)口處，通過分析得出，壓縮機(jī)段間冷卻器殼側(cè)工藝氣進(jìn)口溫度高，循環(huán)冷卻水水質(zhì)差，是導(dǎo)致?lián)Q熱管內(nèi)結(jié)垢堵塞的主要原因。結(jié)合結(jié)垢原因進(jìn)行分析，提出了三個(gè)解決方案。用戶可以結(jié)合工廠自身?xiàng)l件、投資費(fèi)用進(jìn)行方案評(píng)估，選擇具體實(shí)施方案，以保證壓縮機(jī)段間冷卻器的安全穩(wěn)定運(yùn)行。