空壓機冷卻系統改造與應用

耿中意

(中核核電運行管理有限公司運行三處，浙江 海鹽314300)

1 概述

1.1 空氣壓縮機工作原理

秦二廠所用空氣壓縮機為低噪聲，油潤滑，水冷箱式螺桿型空氣壓縮機組，型號為2R-250-10，分低壓缸和高壓缸兩級壓縮，出口為無油，無波動壓縮空氣，最大工作壓力為10bar，ZC廠房內的每個空氣壓縮機都封在一個絕熱箱內，它主要由以下幾部分組成：空氣過濾器、低壓轉子、中間冷卻器、高壓轉子、后冷卻器、電動機、聯軸器、齒輪罩、安全閥和控制系統。

空壓機從大氣取氣，經空氣過濾后，由低壓轉子壓縮后，經中間冷卻器冷卻后，送到高壓轉子，高壓轉子出口經消音器，逆止閥后，送至后冷卻器冷卻，進入除油過濾器。高壓轉子出口，當管網壓力高時，由電磁閥控制，經消音器后直接排向大氣。當中間冷卻器或后冷卻器由于故障壓力達到安全排放壓力時，自動排向大氣。油泵，低壓轉子，高壓轉子由機械連接并由同一電機帶動，潤滑油泵從油箱抽油至油泵，經油冷卻器冷卻后過濾，用以潤滑各軸承及轉子。

壓縮機組由閉路冷卻水對其進行冷卻。閉路冷卻水分兩路，一路經油冷卻器冷卻潤滑油，再依次冷卻一級壓縮機高壓轉子流體。另一路經中間冷卻器和后冷卻器冷卻壓縮空氣后，返回至閉路冷卻水出口。冷卻后的壓縮空氣，冷凝水由自動或手動冷凝水排放閥排軸。其工作原理圖如圖1所示[1]。

1.2 冷卻系統功能及組成

0SAP壓空冷卻回路為壓空機提供冷卻，保障壓空機組各部分溫度在正常范圍以內，避免因溫度高而導致壓空機停運，從而為機組正常生產和供應壓空。系統包括3臺冷卻水泵、2臺冷卻塔、2套冷凍水機組及1臺膨脹水箱等設備，所有設備都位于ZC廠房[2]。

圖1 空氣壓縮機原理圖

1.3 系統存在的問題及缺陷

1.3.1 設備老化、故障率高

目前，0SAP壓空冷卻回路采用冷卻塔水機和冷組混聯運行方式，冷水機組包括壓縮機、冷凝器、膨脹閥和蒸發器以及一些輔助設備等。該型號冷水機組存在質量差、型號老舊的情況，并且冷凍水機組只在夏季投入運行，其他季節停運，機組內部設備出現銹蝕、老化嚴重等多問題。同時冷凍水機組啟動困難，需要維修人員短接油壓低信號才能啟動，運行時故障率高，近期出現的401KR蒸發器老舊，導致換熱不均勻，經常產生高壓報警，引起跳機。跳機后無法第一時間啟動，需要儀控人員短接信號，對壓空機的運行非常不利。另外，0SAP401/402KR兩臺機組夏季不能滿足符合要求，因自我保護經常產生高壓報警，引起跳機，并且0SAP冷凍水機組采用R22制冷劑，R22制冷劑對環境臭氧層破壞嚴重，已逐漸被取締。長期運行以來，原開式冷卻塔內部零件銹蝕嚴重，導致冷卻水水質惡化，銹渣隨著冷水系統的循環，進入到冷卻水泵體內，在泵運行期間，細小的銹渣沿軸的方向向外移動，進而影響機封的運行，嚴重時造成機封漏水甚至燒壞。

1.3.2 冷卻塔投運過程中，冷卻塔容易被吸空

由于冷卻塔回路水裝量較小，在日常切換和做隔離過程中控制困難，容易出現冷卻塔被吸空現象，2018年，1#機組在對0SAP402AF實施臨時摘牌操作，并配合機械人員投運0SAP402AF進行再鑒定，在投運過程中，由于操作同步性很難掌握，0SAP401AF被吸空，0SAP壓空機因失去冷卻水而跳閘，導致機組失去壓空，當班值響應迅速，及時恢復冷卻水供應并迅速啟動壓空機組，壓空供應恢復正常。

1.3.3 單塔隔離時，冷卻水泵容易吸氣

冷卻塔回路隔離時存在較大風險，運行現場人員執行巡檢任務時，發現被隔離的冷卻塔出現吸氣現象，原因是被隔離的冷卻塔出口閥門無法保證嚴密，導致冷卻水泵吸氣，如不及時發現，嚴重時也會導致冷卻水斷水，壓空機組停運。

1.3.4 兩個冷卻塔供水調配困難，補水閥容易卡塞

兩個冷卻塔經常出現供水不均現象，很難調配均勻，需要花費大量時間才能調配均勻，給運行人員帶來極大麻煩。并且冷卻塔回路補水浮球閥容易卡死不能正常動作，由于冷卻塔為開式布置，回路水分蒸發迅速，如果補水回路不能正常工作，冷卻水會很快蒸發掉，進而導致冷卻水斷水。

綜上所述，目前冷卻塔和冷水機組已不能保證機組安全生產需求，存在多處隱患，為保證高溫天氣壓控機組的正常運行，需要對冷卻回路進行改造。

2 改造方案

本次改造是對空氣壓縮機房冷卻水系統進行改造，冷卻水系統新增兩臺開式冷卻塔（13.5 kW，380V）代替原來的開式冷卻塔和冷水機組，新增的開式冷卻塔可以全年為空氣壓縮機提供所需的冷卻水。新增的兩臺開式冷卻塔布置在ZC廠房外，每臺開式冷卻塔可以為兩臺空氣壓縮機組提供冷卻水，在正常運行情況下，兩臺開式冷卻塔一用一備，在負荷高峰時，ZC子項的設備會全部投入工作。新增開式冷卻塔旁布置管溝，冷卻塔溢流及疏排水經管溝排至雨水井，冷卻塔出水管經管溝進入冷卻水泵房間，經過過濾器后進入冷卻水泵，泵出口冷卻水經ZC廠房內管溝送至各空氣壓縮機冷卻。新增開式冷卻塔及相應閥門、管道均采用不銹鋼材質，從而消除原冷卻塔及不見銹蝕老化問題。取消并拆除原屋頂開式冷卻塔和冷水機組、膨脹水箱0SAP431BA（該水箱支架已經嚴重腐蝕，存在傾倒風險），與之相連的管道、閥門一并拆除，取消冷卻水泵入口電動閥（0SAP551/561/571VT）及空氣壓縮機冷卻水入口電動閥門（0SAP417/427/437/447VT）,僅保留手動閥，剩余冷卻水管道均更換為不銹鋼管，更換范圍為：冷卻水泵入口母管及泵進出口管道（保留至泵出入口伸縮節），冷卻水泵出口母管、各空氣壓縮機冷卻水進出口管道、空壓機冷卻水出口母管，涉及材質替換的管道保留原管道布置方式和走向，適當降低泵出口母管的安裝高度（降低至1.7～2.0m之間，具體高度根據現場管道和泵出口閥門安裝情況進行調整）。原冷卻水泵進出口手動閥、壓空機冷卻水進出口手動閥均更換為不銹鋼閥門，三個冷卻水泵出口壓力儀表根閥更換為不銹鋼閥門，并增加排氣支管及排氣閥0SAP401/402/403VT。本次變更涉及的外部接口主要是冷卻塔水源，一路正常補水水源來自SER（接至0XCA016VD下游，從SER進入ZC廠房管道經異徑彎頭連接），一路備用水源來自SEP(使用三通接至0SEP907VT下游)，與ZC廠房原有SER、SEP管道連接，正常由SER供水，由于管道為不銹鋼材質，不必特意進行水化學控制，定期進行排污，若SER停運，采用SEP供水，必須控制SEP水使用時間，SER可用后要進行沖洗。

報警、控制及電氣回路，冷卻塔設故障停機報警和水槽液位過高、過低報警，在就地控制柜上顯示，并送主控綜合報警0SAP906AA，報警信號按原有冷卻塔故障信號路徑接入，原冷卻塔故障信號取消，接入新的冷卻塔故障信號。冷卻水泵出口母管上設就地流量計，用于顯示冷卻水流量，冷卻水供回水管上設有就地壓力表和溫度計，以指示空氣壓縮機進出口冷卻水的壓力和溫度，僅用于指示，不參與連鎖控制，取消泵出口溫度計0SAP401/402/403LT。冷卻塔通過就地控制柜控制啟停，新增冷卻塔控制柜0SAP005AR安裝在0SAP003AR旁，不設自動停機聯鎖，水槽液位過低連鎖停運冷卻塔電加熱器。新增冷卻塔的電源從冷卻塔配套的控制柜0SAP005AR引出，0SAP005AR由兩路電源供電，分別來自0LKW001TB的0LKW1341JA和0LKW002TB的0LKW2241JA,控制柜內可實現兩個冷卻塔分開供電。

3 運行注意事項及合理化建議

3.1 冷卻塔投運注意事項

參照原冷卻塔及相鄰3#/4#機組5SAP冷卻塔運行經驗，雖然改造后冷卻塔水裝量增加不少，但是冷卻塔投運過程中還是出現過冷卻水斷水導致壓空機跳機事件，液位調節過程中還是存在風險：（1）節流過多導致冷卻水流量過低，會因冷卻不足引起壓空機跳機；（2）冷卻塔液位過低，導致冷卻水管道進氣，冷卻水給水出口壓力低于0.2 MPa會直接導致運行壓空機跳機。1#/2#機組新增加的冷卻塔的水箱容積擴容，水箱長度約3 m，寬2.28 m，高1.4 m，水箱溢流口距離地面1.9 m，水箱容積的增大減少了冷卻塔被吸空的風險，同時本次技改在兩個冷卻塔水箱之間增加了聯通管線，管線直徑16.8 cm，這樣可以很好避免兩個冷卻塔流量偏差較大時，避免一個溢流而另一個被吸空，雖然水箱擴容和增加連通管線一定程度上減少斷水風險，但是不能完全杜絕，例如：夏季高溫天氣，如果需要投運第二個冷卻塔，或者執行冷卻塔之間定期切換操作，在節流原運行冷卻塔流量時，會存在冷卻水流量偏小，導致冷卻水溫度升高的風險，因為已停運冷卻塔進水管線一開始沒有達到水實體狀態，無法建立虹吸流量，流量較小，這個時候如果不注意冷卻水流量，貿然節流原運行冷卻塔流量，可能導致冷卻水溫度上漲，所以執行冷卻塔投運操作時，操作過程一定要慢，要等冷卻水流量平穩后再操作閥門，不可操之過急，整個過程比較耗時。

3.2 單塔隔離時注意事項

在執行一臺冷卻塔隔離檢修操作時，如果水箱水需要放空，那么連通閥必須保證隔離嚴密，避免冷卻水流失，同時，注意已隔離冷卻塔的出口閥隔離嚴密，防止隔離不嚴導致冷卻水泵吸入空氣。

3.3 合理化建議

3.3.1 進水管線上增加流量計

建議在每個進水管線上增加一臺流量計，方便在投運冷卻塔或者調平兩臺冷卻塔流量時精準控制閥門開度，避免通過不斷摸索來調節冷卻塔液位，減少操作時間。

3.3.2 每個冷卻水箱上增加就地液位計

建議在每個冷卻水箱上增加就地液位計，方便運行人員及時關注運行冷卻塔液位，同時在投運冷卻塔時也可以幫助運行人員了解水箱液位變化。

3.3.3 冷卻塔進風口加裝過濾器

由于本次增加的冷卻塔為逆流開式塔，風機向上排風，冷卻塔兩側進風，環境中各種沙塵及其他固體顆粒會進入冷卻水中，會加大冷卻水泵前置過濾器負擔，同時如果雜志進入機封，還可能導致機封損壞，建議在冷卻塔進風口加裝過濾裝置，過濾掉環境中的一部分雜質。

3.3.4 增加一臺冷卻水泵

原冷卻塔設計在ZC廠房屋頂，冷卻水箱液面距離地面有8 m，新增加冷卻水箱溢流口距離地面1.9 m，水泵入口壓頭少了6 m水柱，參照3#/4#機組，建議增加一臺冷卻水泵，夏季高溫天氣，可以保持三臺冷卻水泵運行，一臺備用，其他季節保持兩臺運行，一臺第一備用，一臺第二備用。

4 結語

綜上所述，建議:（1）增加一臺冷卻水泵；（2）在兩臺冷卻水箱上加裝就地液位計；（3）在冷卻塔進水管線增加就地流量計；（4）在冷卻塔進風口加裝空氣過濾器；（5）在執行冷卻塔投運及切換操作時，注意冷卻水流量變化，避免冷卻水流量減小導致水溫上升；（6）執行單塔隔離時，注意聯通閥及冷卻塔出口閥隔離嚴密，避免冷卻水流失及冷卻水泵吸入空氣。