中冷器故障對離心壓縮機的影響及改進措施

舒 文

（中國石化集團資產經營管理有限公司巴陵石化分公司煤化工部，岳陽 414003）

中國石化集團資產經營管理有限公司巴陵石化分公司煤化工部一臺進口離心壓縮機為裝置提供壓縮空氣。它能否穩定運行直接關系到整個裝置的生產安全，一旦出現故障，將直接影響生產和效益。自2009年安裝投用以來，此機組陸續出現了一些問題，但通過采取得力的措施都得到了有效解決。

1 機組簡介

壓縮機介質為空氣，入口空氣溫度30 ℃，出口空氣溫度40 ℃，入口壓強100.95 kPa，出口壓強0.55 MPa，流量不小于13 200 Nm3·hr-1。現壓縮機為二級壓縮，電機驅動，電機功率1 300 kW，轉速2 960 r·min-1，通過齒輪增速箱對轉子增速，采用恒壓控制（自動）。

2 運行情況和發生的問題

機組在投用多年后發現，壓縮機的效能逐漸下降，能夠輸出的流量和壓強下降。反映在運行時的表現即機組失穩，包括放空閥（防喘閥）反復自動打開、流量和壓強波動大發生喘振等。此種現象在一年中多次發生，因機組在運行，當時采取的措施是在線將壓縮機設置的排氣壓強由0.55 MPa逐步調低至0.45 MPa。

3 原因分析及改進措施

造成此現象主要是壓縮機的性能曲線和喘振線有所改變。性能曲線隨機組運行工況的調節和機組的機械效率有所改變，機組的性能曲線有向上或向下的移動[1]。如圖1所示，壓縮機運行效率最高在設計點上，當機組運行工況和機組的機械效率有所下降時，機組的性能曲線向下移動，實際喘振線向右偏移。喘振點從M點移至N點，機組的穩定工作區域變小，機組所能提供的最高壓力和流量也會下降。如不降低運行壓強，易進入喘振區。從本機看壓縮機性能下降。進行喘振測試，發生喘振的最高壓強由原始0.68 MPa降為0.52 MPa,下降較多。后經過拆檢分析，主要是中冷器原因產生腐蝕、冷卻效果變差及阻力大造成機組效率下降。中冷器為管翅式結構，水走管程，材質為銅T2，內裝于機組內，安裝一、二級間，作用是把一級的壓縮氣冷卻后送入二級[2]。

圖1 壓縮機的性能曲線和喘振線

3.1 中冷器的腐蝕對機組的影響和改進措施

3.1.1 中冷器的腐蝕對機組的影響

拆開一、二級檢查，一級部件較好，二級部件沖蝕較嚴重。葉輪葉片邊緣沖蝕成均勻的弧狀，擴壓器中的葉片存在缺失、變形與沖蝕痕跡，升壓能力下降。葉輪、流道中粘有許多污垢，增加了氣體流動的摩擦，繼而增加了輪阻損失和流動損失[3]。對這些污垢進行分析，相關數據圖表1所示。

表1 污垢分析數據

從上述數據可以看出，物質主要是硫和鐵。究其原因，主要在于外界空氣經過一級壓縮后，再經過中冷器冷卻產生的冷凝水排放不徹底，含有SO2的酸性冷凝水對中冷器的銅翅片、碳鋼擋風板、鑄鐵氣腔壁產生腐觸。銹垢和空氣中的塵埃混合，具有一定的黏性，黏到葉輪上，并被葉輪上的壓縮熱瞬間蒸干硬化。有的粘在葉片上，有的經高速流動的空氣的旋轉拋離，對擴壓器、流道進行沖擊磨損。

3.1.2 中冷器的腐蝕對機組的改進指施

（1）防腐。對中冷器中的鑄鐵氣腔壁進行耐腐蝕復合金屬涂層，采用熱噴涂處理。對需防腐的地方先用14目以下的石英砂進行噴砂處理，除去原銹渣，再采用一種NiCr合金加鋅合金加封孔劑的復合涂層。NiCr合金具有結合強度高、韌性好、在850 ℃溫度下耐磨損、抗沖擊、耐腐蝕、抗氧化性等特點，涂層的厚度為50～80 μm[4]。鋅合金層作為一種犧牲陽極的措施，既有機械保護作用，又有化學保護和電化學保護作用，耐冷凝水的腐蝕，涂層厚度大于20 μm。用有機的酚醛樹脂作為表面微小孔的封孔劑，增強了整個復合涂層對氣水的防腐性。經過一段時間的運行檢查，涂層有一定的保護作用。

（2）技改冷卻器。中冷器芯上、下擋風板原為碳鋼，易腐蝕，并曾出現碳鋼擋風板因空氣的喘振，引起前端已腐蝕減薄部分發生振動。在交變應力的作用下而疲勞斷裂的鐵片被吸入到二級，打壞了葉輪，現改為不銹鋼304材質，密封條由受熱易脆裂的薄鋼帶改為耐熱橡膠。

（3）在二級進氣口加級間分水罐，提高中冷器水氣分離的效果。根據機組的實際情況、安裝位置及場地大小，設計大小為Φ800 mm×1 750 mm×10 mm旋風式不銹鋼分水罐。罐內中間加一層滿布Φ4 mm孔的面積較大的橢園型過濾孔板，孔間距7 mm，12°角焊接在筒壁上。一方面阻擋較大的固體異物，如銹渣、損壞了的密封條、螺釘等進入二級。另一方面，分離水和氣，使氣體均勻流出。進口管在孔板下沿著筒體的切線方向與機組安裝相連。氣水采用旋轉分離，水從罐底排出。安裝后對壓縮機進行喘振測試，可達到0.63 MPa。經過多年的運行檢驗，葉輪的沖蝕量比以前少很多，達到了預期效果。

3.2 中冷器冷卻效果差、阻力大的影響和措施

中冷器好壞對機組的穩定運行影響較大，因為中冷器冷卻后的氣體將進入下級再壓縮。空壓機每級的壓力比ε與進氣溫度TP有關[1]：

式中：hpol為有效能頭；R為氣體常數，空氣為288.3 J·kg-1·K-1。根據式（1）可知，進氣溫度升高，機組所能做的有效能頭不變，ε將減小，打壓能力下降且會引起喘振。冷卻器如阻力大，也會增加氣體的流動損失，使進入下一級的hpol有效能頭減少。實際運行中一般要求冷卻器的冷卻效果為出氣溫度不能大于進水溫度10 ℃，氣邊阻力不大于10 kPa[5]。但是，經過實測，有的使用時間長的冷卻器兩值為26 ℃和50 kPa。原因為翅片表面腐蝕，殘渣夾著塵埃堵塞了翅片間空氣流道，冷卻水管有時被水中的異物堵塞。此外，在冷卻水管內、外壁存在污垢，污垢對傳熱有較大影響。冷卻器的效果由總傳熱系數K值決定，K值主要取決于流體的物性、傳熱過程的操作條件及換熱器的類型、材質等。

冷卻器總體換熱系數表達式為[2]：

式中：K為總傳熱系數；α1為管內側流體換熱系數；α0為管外側流體換熱系數；di為管內徑；d0為管外徑；dm為管平均直徑；λ為管材導熱系數；Rsi為管內壁污垢熱阻；Rso為管外壁污垢熱阻；b為管厚度。此冷卻器污垢系數與傳熱效率關系，如表1所示。

表1 冷卻器污垢系數與傳熱效率關系

一方面在冷卻水進水管加過濾器，防止大的異物進入冷卻器水道，堵塞水管。另一方面，改進清洗方法。原按維護說明，使用毛刷清洗水邊列管內壁，存在水邊請洗不到位、氣邊無法清洗的問題。現采用整體冷卻器有機酸浸泡后，高壓水射流清洗，清洗較全面，延長了冷卻器的使用周期和壽命。

經過一年多的運行，技改后的冷卻器的使用正常，機組各參數和冷卻器的阻力壓降都在控制范圍內，沒有因冷卻器的故障引起機組失穩的現象發生。

4 結語

造成機組關鍵部件損壞既有環境因素，也有設計考慮不全面的因素，如中冷器擋風板選用不耐腐蝕的碳鋼、使用上冷凝水排放不徹底等。因此，要求做好機組的定期維護保養，消漏補缺，使機組維持較高的效能，保證生產的需求。