螺桿式空壓機運行效率下降原因與處理研究

楊 梅，合 蕊，劉星滟，王興鋒

（紅塔煙草（集團）有限責任公司昭通卷煙廠，云南 昭通 657000）

在能源日漸緊缺的背景下，各國都在節能降碳等領域達成了共識，對工業節能也提出了更高要求。而螺桿式空壓機作為常見工業設備，日常產生的能耗較高，需要通過提高設備運行效率挖掘節能潛力。因此，應著重對如何提升設備運行效率進行研究，結合設備運行效率下降原因進行系統分析，通過運行效率科學評價機制實現升級改造。

1 項目概況

昭通卷煙廠采用螺桿式空壓機進行空氣壓縮和輸送，空壓機機組采用四級壓縮、三級冷卻等溫設計方式，中間冷卻器分別布置在機組兩側。設備型號分別為ZR5R-52（4 740 Nm3/h），ZR500VSD（3 600 Nm3/h），ZR400（3 600 Nm3/h），ZR4-51（1 800 Nm3/h），總體產氣量為13 740 Nm3/h。自投產以來，設備長期維持良好運行狀態，排氣壓力和流量等參數基本符合要求。然而，近期機組出口流量持續下降，無法達到設計流量（見表1），出現了設備運行效率下降的問題，給機組正常工況的建立帶來了不利影響。

表1 空壓機機組歷年運行數據

2 螺桿式空壓機運行效率下降原因

2.1 本體運行問題分析

在機組運行的過程中，空壓機系統由空壓機、冷卻器、干燥機、過濾器、管路系統、排水器等多個部分構成[1]。即便主機達到較高比功率，在其他設備發生較大阻力損失的情況下也將導致電機運行效率下降，引發整機效能降低。對空壓機運行效率進行評價可知

式中：w 為主機功率，kW；N 為主機軸功率，kW；Q 為主機容積流量，m3/min。對空壓機的投入與產出關系進行分析可知，在規定工況下空壓機輸入比功率滿足

式中：w'為輸入比功率，kW/m·3min-1；N'為整機輸入功率，kW；Q'為實際容積流量，m3/min。對機組實際情況進行分析可知，自空壓機運行以來，故障率較低，輸入比功率能夠達到4.58 kW/m3·min-1，整體性能良好。由此可見，機組出現運行效率下降的情況主要是受到了其他因素影響。

2.2 系統泄漏問題分析

在空壓機系統運行過中，需要維持壓力穩定，如果發生壓力波動也將給主機運行帶來不良影響，導致系統出現頻繁啟停、加載和卸載問題，繼而出現運行效率下降的情況。根據表1 數據可知，2022年機組的出口壓力明顯下降，出現這一情況與空氣管路連接氣密性下降有關，從而導致系統出現了“冒”“漏”等現象引發壓力下降的問題，為此帶來巨大能源消耗。由表2 可知，當出現不同大小泄氣孔時，隨著氣孔直徑增加將引發較大泄漏量，導致排氣壓力隨之下降，繼而引發運行效率下降。隨之對管道連接法蘭、軸端密封等處進行檢查，并未發現明顯泄漏情況，故判斷系統內部發生了泄漏，造成機組偏離原本的設計工況。

表2 壓縮空氣泄漏量查詢表

2.3 系統阻塞問題分析

系統出現排氣量下降的問題，可能與系統阻塞有關。在過濾器阻力較大的情況下，將導致空壓機吸入壓力減少，引發壓比增加，最終導致排氣量減少。對空分設備上塔壓力進行檢查可知，并未出現明顯壓力損失，因此，排除系統過濾器阻塞情況。此外，導葉結構出現積灰過多等問題，也會引發排氣量下降的問題。而根據2020 年2 月的大修記錄可知，導葉整體較為干凈，不存在結構異常問題。

2.4 系統冷卻問題分析

在系統冷卻水量不足的情況下，同樣會導致排氣量減少。根據設備參數可知，冷卻器設計流量為1 200 m3/h，循環水壓為0.35 MPa。實際進水量達到1 400 m3/h，母管水壓達到0.45 MPa，進入空壓機的冷卻水設計最高溫度為33 ℃，實際夏季最高溫度可以達到41 ℃，需要更多冷卻水。冷卻水供應不足，與冷卻水泄漏和冷卻器換熱不理想有關。機組包含三級冷卻器，前兩級泄漏將發生堵塞、結垢等問題，后一級泄漏將引發排氣量減少。經檢查，并不存在泄漏問題。通過近年來空壓機機組和各級壓力變化情況（見表3）可知，存在汽側結垢問題，檢查發現翅片因腐蝕而出現脫落，引發了管道堵塞。氣體通過翅片和管內與循環水換熱時，由于管道堵塞將造成換熱效果不佳，最終導致排氣量下降。

表3 近年來空壓機機組各級壓力變化情況（kPa）

3 螺桿式空壓機運行效率下降問題處理

3.1 做好內漏處理

空壓機出現內漏問題與設備在壓縮空氣過程中產生的冷凝液有關。冷凝液中包含重金屬、硫化物等各種高腐蝕性物質，在無法順利排出的情況下將長期留存在設備內部，導致本體和系統管道受到腐蝕，嚴重時將引發停機問題[2]。為確定內漏位置，對空壓機內部結構進行分析可知，中間冷卻器采用矩形翅片，與換熱管脹接成單元換熱管。單元換熱管構成管束，管內流水，管外排氣，經長期沖刷后管壁減薄，引發了內部管路泄露問題。內漏導致氣路帶水，在含水量較大時無法通過分離器有效分離，進入下一級壓縮后懸浮在分離器上，導致氣流下降。將機組解體后，沿著空氣流動進行管路檢查，發現裂縫、漏洞進行補焊處理。針對變薄的管壁，考慮到補焊效果不佳，將兩側封堵后更換管路，以免后續短時間內再次發生內漏情況。為避免同類問題反復發生，需要保證冷凝液得到及時排放。而改造前空壓機系統冷凝液主要采用手動排放方式，如果將手動閥始終處于打開位置，將引發長時間排氣損失。現場確認手動閥排放口徑達到4 mm，氣體損失達到0.745 m3/min。為減少資源浪費，對冷凝液排放管道進行改造，在管路上增設電子液位控制排水器，根據冷凝液的液位及時自動打開閥門進行排放。通過采取全自動手段，能夠避免內漏問題發生的同時，減少排氣損失。此外，為避免因裝置故障導致冷凝液無法順利排出，在管道上增設旁通管道，并在巡檢內容中增設排水器檢查項，每4 h進行一次檢查，發現故障及時開啟旁通閥門排出冷凝液，有效杜絕內漏故障的發生，確保空壓機系統可以維持較高的運行效率。

3.2 提高換熱效率

受環境溫度、氣夾水等問題的影響，空壓機容易出現冷卻器換熱效率下降的情況，進而引發機組排氣量和運行效率下降問題。為提高換熱效率，需要對一級冷卻器進行更換，提高換熱器換熱效率。換熱器溫度效率滿足

式中：η 為換熱效率；t1和t2為被加熱工質進出溫度，℃；T1和T2為加熱工質進出換熱器的溫度，℃。通過測量和計算可知，原來一級冷卻器換熱效率僅為80.33%，更換高效冷卻器后，換熱效率可以達到98.72%，有效降低一級排氣溫度。經過測量可知，改造后二級冷卻器的進水溫度從28 ℃提升至29.7 ℃，排水溫度從38.3 ℃降低至37.8 ℃，換熱效率從78.0%提升至90.5%。而三級冷卻器的排水溫度從38.5 ℃提升至39.8 ℃，換熱效率從71.6%提升至75.1%。通過提高系統換熱效率，在夏季溫度較高的情況下，能夠避免出現冷卻水供應不足問題。此外，考慮到冷卻器翅片容易受到腐蝕，不能單純進行翅片修復，而是需要更換為耐腐蝕材質的翅片，并適當增加氣體通過面積，達到加強冷卻器換熱的目標。總之，就是選用鋁+防腐涂層的翅片，換熱管為鐵白銅材質，換熱面積從1 420 m2增加到1 510 m2，換熱管數量從460 支增加到570 支。在完成空壓機檢修后，需要對冷卻水管、空氣流道、葉輪等進行全面清洗，以保證內部管路暢通，避免出現堵塞情況[3]。

3.3 運行效率評價分析

經過系列改造后，為確定空壓機系統性能優化情況，需要進行試運行測試，發現機組出口壓力達到了608 kPa，產氣量達到了13 740 Nm3/h，符合生產要求。對改進前后空壓機運行效率進行評價（見表4），隨著排氣壓力提升，排氣量明顯增加。在空壓機整機輸入功率不變的情況下，通過增加實際容積流量可以進一步降低輸入比功率，從而達到提升壓縮機運行效率的目地，將系統運行效率提升10%。在忽視放空問題的情況下可知，相同負荷下空壓機電流減少6 A，能夠節約94 kW·h 電能，按照0.65 元（/kW·h）電價，可節約電費約50 萬元/年。

表4 優化前后空壓機機組運行參數

為確保空壓機日常維持良好運行狀態，需要建立點檢標準對設備運行經濟數據進行分析，通過對主機功率和輸入功率的分析完成運行效率評價，并通過查看入口阻力、級間氣體冷卻后溫度等參數確認是否存在阻塞、泄漏等問題。建立推移圖直觀反映設備運行數據變化，能夠及時發現設備異常情況，通過及時介入保證設備始終維持較高運行效率。此外，針對空壓機運行效率下降情況，考慮到隨著使用年限的延長葉輪效率會持續下降，還需對機組性能進行優化。實際上，在設計空壓機的過程中，通常會在流量和出口壓力等方面留有余量，在余量重復疊加的情況下將引發實際運行點偏離設計值的情況，導致機組運行效率下降。結合這一特性，后續可以重新進行機組出口壓力選定，然后根據新的出口壓力進行葉輪等零部件的制作，在不更換其他系統部件的情況下提高機組整體運行效率。

4 結論

提高空壓機設備的運行效率，能為節能生產提供有力支持。針對螺桿式空壓機的運行效率下降問題進行分析可知，與本體運行、管路泄露等多種因素有關，需要通過科學評價找到根本原因，以便采取有效措施提高系統運行效率。結合系統運行數據進行系統分析，可以從提升空壓機運行效率角度提出未來技術攻關方向，為實現同類型設備升級改造積累豐富的經驗。