35 000 m3/h空分設(shè)備空壓機(jī)技術(shù)改造總結(jié)

周金城，劉江淮，王勝利

(安徽馬鋼氣體科技有限公司，安徽 馬鞍山 243000)

1 前 言

安徽馬鋼氣體科技有限公司(以下簡稱：馬鋼)35 000 m3/h空分設(shè)備由法國液化空氣集團(tuán)設(shè)計(jì)、制造。35 000 m3/h空分設(shè)備配套1臺自國外引進(jìn)的單軸等溫RIK100-4型空氣離心壓縮機(jī)，馬鋼RIK100-4型空壓機(jī)由空氣過濾器、增速機(jī)、轉(zhuǎn)子、定子、中間冷卻器與主電機(jī)構(gòu)成，原料空氣采用4級壓縮，設(shè)置2組4臺內(nèi)置式中間冷卻器。馬鋼RIK100-4離心式空壓機(jī)設(shè)計(jì)排氣量174 600 m3/h、出口壓力0.502 MPa。

馬鋼35 000 m3/h空分設(shè)備1998年9月投產(chǎn)，自2000年起，RIK100-4離心式空壓機(jī)排氣量逐年降低，至2019年夏季空壓機(jī)排氣量已降至130 000 m3/h，35 000m3/h空分設(shè)備氧氣、氮?dú)猱a(chǎn)量分別減至小于30 000 m3/h、35 000 m3/h。

馬鋼為提升RIK100-4離心式空壓機(jī)性能，降低空壓機(jī)運(yùn)行功耗，通過分析影響空壓機(jī)排氣量降低的不同原因，對空壓機(jī)空氣過濾器、轉(zhuǎn)子、冷卻器、潤滑油系統(tǒng)、主電機(jī)逐次進(jìn)行全面技術(shù)改造，至2021年9月，空壓機(jī)技術(shù)改造全部完成，空壓機(jī)出口排氣量、壓力均分別升至174 600 m3/h、0.502 MPa設(shè)計(jì)值，空壓機(jī)主電機(jī)功率小于設(shè)計(jì)值，空壓機(jī)運(yùn)行安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)。

2 空氣過濾器

馬鋼RIK100-4型空壓機(jī)設(shè)置的空氣過濾器原設(shè)計(jì)為組合式干式過濾器。該型空氣過濾器由2級過濾器構(gòu)成，第1級為卷簾式粗過濾層，第2級為卡盤式細(xì)過濾層，空氣過濾器阻力高，報(bào)警值為800 Pa。

馬鋼RIK100-4空壓機(jī)投產(chǎn)運(yùn)行，由于組合式空氣過濾器阻力高，空壓機(jī)吸入壓力低，空壓機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉開度大，空壓機(jī)排氣量降低。為此，馬鋼根據(jù)空氣過濾器阻力值變化與空氣過濾器制造工藝的發(fā)展，對RIK100-4型空壓機(jī)設(shè)置的空氣過濾器進(jìn)行了連續(xù)技術(shù)改造。

因馬鋼35 000 m3/h空分設(shè)備所建之處空氣中灰塵量大，馬鋼35 000 m3/h空分設(shè)備投產(chǎn)運(yùn)行15 d，空壓機(jī)設(shè)置的組合式空氣過濾器阻力升至阻力計(jì)量程。為降低空氣過濾器阻力值，將組合式空氣過濾器原設(shè)計(jì)的2級過濾器全部拆除，借鑒當(dāng)時(shí)國內(nèi)空壓機(jī)反吹袋式過濾器的應(yīng)用實(shí)踐，設(shè)置了1套反吹袋式過濾器作為空壓機(jī)空氣過濾器，將空氣過濾器阻力減至高報(bào)警值800 Pa范圍。

35 000 m3/h空分設(shè)備運(yùn)行期間，空壓機(jī)設(shè)置的反吹袋式過濾器故障率高，過濾袋更換量大。反吹袋式過濾器必須通過手動啟動羅茨風(fēng)機(jī)來清除過濾袋灰塵。同時(shí)，在對RIK100-4空壓機(jī)解體檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)，空壓機(jī)葉輪、中間冷卻器氣側(cè)流道均積有大量灰塵，葉輪表面附著褐色垢狀物。因馬鋼后續(xù)建設(shè)投產(chǎn)的20 000 m3/h、30 000 m3/h、40 000 m3/h空分設(shè)備空壓機(jī)均配備脈沖反吹自潔式空氣過濾器，阻力較低，可以自動反吹清除過濾筒灰塵，對20 000 m3/h空分設(shè)備空壓機(jī)解體檢修，發(fā)現(xiàn)其葉輪內(nèi)部無明顯結(jié)垢，葉片無粉塵磨損痕跡。

為此，再次將RIK100-4空壓機(jī)反吹袋式過濾器全部拆除，設(shè)置了1套脈沖反吹自潔式空氣過濾器作為空壓機(jī)空氣過濾器，該套自潔式過濾器分為上、下2層，共計(jì)320只過濾筒，將空氣過濾器阻力減至小于高報(bào)警值800 Pa。

因自潔式過濾器制造廠將反吹氮?dú)廨斔凸艿乐睆皆O(shè)置為25 mm，反吹氮?dú)廨斔土康停詽嵤竭^濾器過濾筒反吹效果不佳，過濾筒更換量較大。為此，2021年9月將自潔式過濾器反吹氮?dú)廨斔凸艿乐睆皆O(shè)置為100 mm，增大反吹氮?dú)廨斔土浚筊IK100-4空壓機(jī)空氣過濾器阻力減至小于250 Pa。空氣過濾器技術(shù)改造前、后技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 空氣過濾器技術(shù)改造前、后技術(shù)參數(shù)值

3 轉(zhuǎn) 子

馬鋼RIK100-4空壓機(jī)轉(zhuǎn)子由葉輪、軸套、主軸、平衡盤、推力盤、密封組成。第1、2、3、4級葉輪均為閉式葉輪。級間密封采用迷宮式，由不銹鋼密封片與軟材料密封體構(gòu)成，不銹鋼密封片鑲嵌在葉輪與主軸密封槽中。

2011年，在對馬鋼RIK100-4空壓機(jī)解體檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)，空壓機(jī)級間密封磨損大，級間竄氣內(nèi)漏現(xiàn)象嚴(yán)重，葉輪有輕微腐蝕現(xiàn)象，葉輪壓縮效率降低，造成空壓機(jī)排氣量降低。為此，對空壓機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行檢修維護(hù)、整體技術(shù)改造。

在35 000 m3/h空分設(shè)備運(yùn)行周期，對空壓機(jī)實(shí)施定期檢修維護(hù)制度，制造廠為空壓機(jī)轉(zhuǎn)子定期更換磨損的各級級間密封、處理維護(hù)腐蝕葉輪。

2020年，經(jīng)與空壓機(jī)制造廠曼恩機(jī)械公司協(xié)調(diào)，應(yīng)用近年空壓機(jī)設(shè)計(jì)、制造工藝技術(shù)，在保證空壓機(jī)轉(zhuǎn)子葉輪設(shè)計(jì)安裝數(shù)據(jù)與主電機(jī)設(shè)計(jì)額定功率、電流不改變的工作條件下，重新設(shè)計(jì)、制造、更換1套空壓機(jī)轉(zhuǎn)子總成，使空壓機(jī)出口排氣量、壓力達(dá)到設(shè)計(jì)值。

新設(shè)計(jì)的空壓機(jī)轉(zhuǎn)子對第1、2、3、4級葉輪全部重新進(jìn)行熱力計(jì)算，采用高效三元流后彎式葉輪，強(qiáng)化各級葉輪的機(jī)械堅(jiān)固性。同時(shí)，改進(jìn)后彎式葉輪葉片弧度，提高圓周速度，增大葉輪葉片功，在不改變轉(zhuǎn)子軸功率的狀態(tài)下，使加工空氣在葉輪內(nèi)獲得的動能與壓力能增加，從而將空壓機(jī)排氣量升至設(shè)計(jì)值。

新設(shè)計(jì)的空壓機(jī)轉(zhuǎn)子對各級級間密封均重新設(shè)計(jì)、制造，完全消除了空壓機(jī)級間竄氣內(nèi)漏現(xiàn)象的產(chǎn)生。

新設(shè)計(jì)的空壓機(jī)轉(zhuǎn)子對第1、2、3、4級葉輪葉片厚度、葉片應(yīng)力重新優(yōu)化設(shè)計(jì)，使空壓機(jī)第1、2、3、4級葉輪均可在各種大氣條件下(在更寬范圍內(nèi))對加工空氣進(jìn)行高效率壓縮。

新設(shè)計(jì)的空壓機(jī)轉(zhuǎn)子對轉(zhuǎn)子出口端、吸入端軸承與隔板、腔室隔墻、擴(kuò)壓器重新優(yōu)化設(shè)計(jì)，保持轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，提高空壓機(jī)多變壓縮效率。空壓機(jī)新轉(zhuǎn)子具體技術(shù)改造實(shí)施措施如下。

2020年6月拆除空壓機(jī)上箱體、下箱體，將上箱體、下箱體及其內(nèi)部的組件運(yùn)至曼恩機(jī)械公司進(jìn)行維修、更換。新設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)子在制造廠進(jìn)行低速、高速動平衡試驗(yàn)。

拆除空壓機(jī)原設(shè)置的轉(zhuǎn)子及其出口端、吸入端軸承，更換并安裝新設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子總成及其配套軸承和各級擴(kuò)壓器。同時(shí)，對空壓機(jī)增速機(jī)揭蓋檢查，確認(rèn)空壓機(jī)增速機(jī)低速、高速齒輪嚙合無異常、著色探傷無異常、軸瓦無異常。

2020年9月空壓機(jī)新設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)子安裝完成，啟動空壓機(jī)，完成空壓機(jī)喘振試驗(yàn)、性能測試、試運(yùn)行，空壓機(jī)軸振動、軸溫、軸位移均小于設(shè)計(jì)值，空壓機(jī)出口排氣量、壓力均達(dá)到設(shè)計(jì)值。轉(zhuǎn)子技術(shù)改造前、后技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 轉(zhuǎn)子技術(shù)改造前、后技術(shù)參數(shù)值

4 中間冷卻器

馬鋼RIK100-4型空壓機(jī)設(shè)置了4組中間冷卻器，中間冷卻器為內(nèi)置式翅片管冷卻器，空氣為殼程、冷卻水為管程，中間冷卻器趨近溫度設(shè)計(jì)值為5℃。

馬鋼RIK100-4空壓機(jī)運(yùn)行期間，4組中間冷卻器趨近溫度全部大于12℃，空壓機(jī)等溫壓縮效率降低，使空壓機(jī)排氣量降低、運(yùn)行能耗增大。為此，對空壓機(jī)4組中間冷卻器實(shí)施抽芯維護(hù)檢修與技術(shù)改造。

中間冷卻器抽芯維護(hù)檢修：開啟中間冷卻器上蓋，直接抽出冷卻器管束，檢查發(fā)現(xiàn)4組中間冷卻器氣側(cè)翅片均有較大面積白色垢狀物覆蓋，翅片變形、脫落與銅管裸露數(shù)量多，中間冷卻器傳熱面積、傳熱系數(shù)均降低，中間冷卻器熱負(fù)荷降低，使4組中間冷卻器趨近溫度全部大于12℃。

在高溫狀態(tài)下，中間冷卻器氣側(cè)翅片白色垢狀物溶解，因此使用蒸煮法清洗級間冷卻器，并對4只中間冷卻器依次清洗。為此，在35 000 m3/h空分設(shè)備水浴式汽化器蒸發(fā)池側(cè)專門增建一座清洗池，1次清洗1只中間冷卻器。在清洗池中將清洗劑中添加少量工業(yè)堿(1%濃度)，將中間冷卻器通入蒸汽加熱浸泡2 h，而后再用高壓水槍對氣路翅片、水路管束進(jìn)行清洗。在4組中間冷卻器清洗、安裝完畢，空壓機(jī)啟動、運(yùn)行時(shí)，4組中間冷卻器趨近溫度均小于10℃。

中間冷卻器技術(shù)改造：針對中間冷卻器翅片變形、脫落與銅管裸露數(shù)量多，中間冷卻器趨近溫度均無法達(dá)到設(shè)計(jì)值5℃的運(yùn)行狀況，對4組中間冷卻器實(shí)施國產(chǎn)化技術(shù)改造。即選擇國內(nèi)冷卻器專業(yè)制造廠，采用對原設(shè)計(jì)中間冷卻器現(xiàn)場測繪方法，制作4組中間冷卻器，此4組中間冷卻器的性能參數(shù)、結(jié)構(gòu)形式、安裝尺寸、翅片管束材質(zhì)均與原設(shè)計(jì)中間冷卻器相同。4組國產(chǎn)化中間冷卻器安裝完畢，空壓機(jī)啟動、運(yùn)行，4組中間冷卻器趨近溫度均不大于8℃。

為使中間冷卻器趨近溫度達(dá)到設(shè)計(jì)值5℃，提高空壓機(jī)等溫壓縮效率，降低空壓機(jī)運(yùn)行能耗，再次對4組中間冷卻器實(shí)施技術(shù)改造。即與空壓機(jī)制造廠曼恩機(jī)械公司協(xié)調(diào)，選用原冷卻器制造廠，對4組中間冷卻器重新設(shè)計(jì)計(jì)算，保持中間冷卻器原安裝尺寸數(shù)據(jù)不變，增大換熱管直徑，設(shè)計(jì)、制造4組高效內(nèi)置式翅片管冷卻器。同時(shí)，新設(shè)計(jì)的中間冷卻器對換熱管排數(shù)重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，縮短內(nèi)置式翅片管冷卻器氣路，降低內(nèi)置式翅片管冷卻器氣體流動阻力。

2020年6月拆除空壓機(jī)4組國產(chǎn)化冷卻器與冷卻器下水腔，完成重新設(shè)計(jì)的4組內(nèi)置式翅片管冷卻器與冷卻器下水腔安裝。2020年9月空壓機(jī)啟動、運(yùn)行，新設(shè)計(jì)的4組中間冷卻器趨近溫度全部達(dá)到設(shè)計(jì)值5℃，有效降低空壓機(jī)運(yùn)行能耗。中間冷卻器技術(shù)改造前、后趨近溫度參數(shù)見表3。

表3 中間冷卻器技術(shù)改造前、后趨近溫度參數(shù)值

5 潤滑油系統(tǒng)

馬鋼RIK100-4型空壓機(jī)潤滑油系統(tǒng)分別配備1臺主油泵、油霧分離器。主油泵為回轉(zhuǎn)型容積式齒輪油泵，通過2只齒輪擠壓潤滑油，壓縮、輸送潤滑油，油壓低報(bào)警值0.16 MPa、正常運(yùn)行值0.25 MPa。油霧分離器由拖動電機(jī)、葉片型風(fēng)機(jī)組成，將油箱內(nèi)潤滑油蒸氣抽出外排，使油箱真空度達(dá)到設(shè)計(jì)值-2.5 kPa。

主油泵原廠更換：35 000 m3/h空分設(shè)備投產(chǎn)時(shí)間長、啟動次數(shù)多，主油泵齒輪磨損，主油泵2只齒輪配合間隙增大，油壓降低。2020年9月5日空壓機(jī)啟動，油壓降至小于報(bào)警值0.16 MPa，造成輔助油泵聯(lián)鎖自動啟動。為保證空壓機(jī)長周期安全運(yùn)行，更換主油泵。

因RIK100-4型空壓機(jī)潤滑油系統(tǒng)原配備的主油泵的設(shè)計(jì)、制造、裝配技術(shù)精度高，主油泵內(nèi)部齒輪元件無法全部實(shí)施現(xiàn)場測繪，所以使用主油泵原設(shè)計(jì)制造廠提供的齒輪油泵進(jìn)行更換。2020年9月9日主油泵更換完畢，油壓升至正常運(yùn)行值0.25 MPa。

油霧分離器國產(chǎn)化更換：35 000 m3/h空分設(shè)備空壓機(jī)原配備的油霧分離器發(fā)生卡阻、漏油故障次數(shù)多，油霧分離器檢修次數(shù)多，油箱真空度未能達(dá)到-2.5 kPa設(shè)計(jì)值.

為此，對油霧分離器實(shí)施國產(chǎn)化更換。即選擇國內(nèi)油霧分離器專業(yè)制造廠，根據(jù)油箱中油霧分離器設(shè)備結(jié)構(gòu)、性能參數(shù)、安裝尺寸，設(shè)計(jì)、制造1臺國產(chǎn)油霧分離器。2020年7月國產(chǎn)油霧分離器安裝完畢，啟動、運(yùn)行，油箱真空度降至-2.5 kPa設(shè)計(jì)值，35 000 m3/h空分設(shè)備運(yùn)行至今，國產(chǎn)油霧分離器未發(fā)生卡阻、漏油故障。

6 主電機(jī)

馬鋼RIK100-4空壓機(jī)配備1臺自國外引進(jìn)的同步主電機(jī)，設(shè)計(jì)額定功率15 000 kW。2020年，該臺同步電機(jī)運(yùn)行已至22 a，運(yùn)行時(shí)間長、啟動次數(shù)多，空壓機(jī)主電機(jī)性能不能達(dá)到原有設(shè)計(jì)指標(biāo)。同時(shí)，空壓機(jī)運(yùn)行時(shí)主電機(jī)振動大、漏油、繞組溫度高。

為此，2020年，將空壓機(jī)主電機(jī)拆移，運(yùn)送至國內(nèi)電機(jī)專業(yè)制造廠進(jìn)行全面解體技術(shù)改造，提升電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性。在此次空壓機(jī)電機(jī)全面解體技術(shù)改造中，將馬鋼RIK100-4空壓機(jī)同步電機(jī)定子繞組、勵(lì)磁繞組、潤滑油密封件全部更換為國產(chǎn)設(shè)備。同時(shí)檢修、清洗電機(jī)冷卻器。

自2020年12月馬鋼35 000 m3/h空分設(shè)備啟動運(yùn)行至今，在空壓機(jī)排氣量、出口壓力均調(diào)至設(shè)計(jì)值工作狀態(tài)時(shí)，主電機(jī)運(yùn)行功率小于設(shè)計(jì)額定功率15 000 kW，主電機(jī)振動、電機(jī)繞組溫度均小于原主電機(jī)制造廠設(shè)定值。主電機(jī)技術(shù)改造前、后運(yùn)行參數(shù)見表4。

表4 主電機(jī)技術(shù)改造前、后運(yùn)行參數(shù)

7 結(jié)束語

馬鋼針對影響空壓機(jī)性能的不同原因，通過與國外空壓機(jī)原設(shè)計(jì)制造廠、國內(nèi)設(shè)備專業(yè)制造廠的協(xié)調(diào)，根據(jù)空壓機(jī)設(shè)計(jì)、制造技術(shù)發(fā)展，在技術(shù)改造實(shí)施條件具備時(shí)，逐次對空壓機(jī)空氣過濾器、轉(zhuǎn)子、冷卻器、潤滑油系統(tǒng)、主電機(jī)進(jìn)行全面技術(shù)改造，提升空壓機(jī)性能、降低空壓機(jī)運(yùn)行能耗，保證空壓機(jī)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。