淺析B套離心式空壓機(jī)打氣量不足的原因及處理

曹慶良

(河南省煤氣(集團(tuán))有限責(zé)任公司義馬氣化廠，河南義馬 472300)

1 項(xiàng)目背景

某廠空分車間B套SIC705-2(2951)離心式空氣壓縮機(jī)，由沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)設(shè)計(jì)生產(chǎn)，采用全新結(jié)構(gòu)的單軸等溫型，壓縮過程接近等溫壓縮，故其效率高，該壓縮機(jī)為單缸、等溫、四段、五級離心式壓縮機(jī)，水平剖分缸體，圓型鑄造外層隔板和方型焊接內(nèi)層隔板，共有五級壓縮、四次內(nèi)部中間冷卻，壓縮機(jī)原動機(jī)為冷凝式汽輪機(jī)，該機(jī)組采用集中供油潤滑，自大氣中直接吸入空氣，經(jīng)過壓縮后壓力升高至0.56 MPa(設(shè)計(jì)壓力)，經(jīng)過預(yù)冷系統(tǒng)、純化系統(tǒng)進(jìn)入分餾塔。自2001年投入運(yùn)行，機(jī)組機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)情況比較穩(wěn)定，2006年以后隨著該廠生產(chǎn)負(fù)荷的提升，發(fā)現(xiàn)該壓縮機(jī)運(yùn)行工況與設(shè)計(jì)工況偏差較大。設(shè)計(jì)流量為:38 500 Nm3/h、實(shí)際運(yùn)行流量最小值夏季為3 0587 Nm3/h、流量在設(shè)計(jì)流量的80%左右，設(shè)計(jì)出口溫度≤112℃，實(shí)際出口溫度達(dá)到137℃，與設(shè)計(jì)有較大差異，因該廠產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整，對空分裝置負(fù)荷有較高要求，要達(dá)到滿負(fù)荷，因此需要對該壓縮機(jī)進(jìn)行修復(fù)改造。

2 打氣量不足原因分析

2.1 影響壓縮機(jī)打氣量的因素

①壓縮機(jī)吸氣系統(tǒng)袋式過濾器堵塞或阻力增加，引起壓縮機(jī)吸入壓力降低。在出口壓力不變時(shí)，使壓縮機(jī)壓比增加，功耗減小。根據(jù)壓縮機(jī)的性能曲線，當(dāng)壓比增加時(shí)，打氣量會減少。

②壓縮機(jī)排氣系統(tǒng)管路阻塞，阻力增加或閥門故障，引起空壓機(jī)排氣壓力升高。在吸入壓力不變的條件下，壓比增加功耗增加，造成打氣量減少。

③壓縮機(jī)中間冷卻器阻塞或阻力增大，引起打氣量減少。不同位置的阻塞，情況還有所區(qū)別:如果冷卻器氣側(cè)阻力增加，就只增加機(jī)器的內(nèi)部阻力，使壓縮機(jī)效率下降，打氣量減少;如果是水側(cè)阻力增加，則循環(huán)冷卻水量減少，使氣體冷卻不好溫度升高，影響下一級吸入，使壓縮機(jī)的打氣量減少。

④密封不好造成氣體泄漏。包括:內(nèi)漏，即級間竄氣。使壓縮過的氣體倒回，再進(jìn)行第二次壓縮。它將影響各級的工況，使低壓級壓比增加，高壓級壓比下降，使整個(gè)壓縮機(jī)偏離設(shè)計(jì)工況，打氣量下降;外漏，即從軸端密封處向機(jī)殼外漏氣。吸入量雖然不變，但壓縮后的氣體漏掉一部分，自然造成打氣量減少。

⑤冷卻器泄漏。如果一級泄漏，因水側(cè)壓力高于氣側(cè)壓力，冷卻水將進(jìn)入氣側(cè)通道，并進(jìn)一步被氣流夾帶進(jìn)入葉輪及擴(kuò)壓器。經(jīng)一定時(shí)間后造成結(jié)垢、堵塞，使空氣流量減少。如果二、三級冷卻器泄漏，因氣側(cè)壓力高于水側(cè)，壓縮空氣將漏入冷卻水中跑掉，使打氣量減少。

⑥原動機(jī)轉(zhuǎn)速下降，打氣量減少。

⑦五級壓縮任一級吸氣溫度升高，氣體密度減小，也都會造成吸氣量減少。

⑧壓縮機(jī)中間冷卻器冷卻效果差導(dǎo)致打氣量減少。該空壓機(jī)中間冷卻器是板式結(jié)構(gòu)，管內(nèi)通循環(huán)水，管間冷卻空氣，通過管內(nèi)外流體的熱交換起到冷卻的作用。

影響壓縮機(jī)中間冷卻器冷卻效果的原因有:冷卻水量不足?？諝獾臒崃坎蛔阋员焕鋮s水帶走，造成下一級吸氣溫度升高，氣體密度減小，最終造成打氣量減少。所以，在運(yùn)行中應(yīng)密切監(jiān)視冷卻水的供水壓力控制供水量。工藝上通?？刂评鋮s水壓要大于0.4 MPa。循環(huán)冷卻水溫度太高。水溫高使水、氣之間溫差縮小，傳熱冷卻效果降低。即便循環(huán)冷卻水量不減少，也會使氣體冷卻后溫度仍然很高。冷卻水管內(nèi)水垢多或被泥沙、有機(jī)質(zhì)堵塞，以及冷卻器氣側(cè)冷卻后有水分析出，未能及時(shí)排放，這都會影響傳熱面積或傳熱工況，影響冷卻效果。冷卻效果不好，使進(jìn)入下一級的氣溫升高，影響下一級的性能曲線，使其出口壓力和流量都降低。此外，當(dāng)下級吸氣量減少時(shí)，造成前一級壓出的氣量無法全部進(jìn)入下一級，很容易使前一級的工作進(jìn)入喘振區(qū)，在該級發(fā)生喘振。可以通過檢查上水溫度及水壓，并進(jìn)行調(diào)整。

⑨壓縮機(jī)密封形式對打氣量的影響。為了減少壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子與固定元件之間的間隙漏氣，必須有密封。該壓縮機(jī)密封按其位置可分為四種:輪蓋密封、級間密封、平衡盤密封和(前、后)軸封。密封的形式采用梳齒式的迷宮密封。

迷宮密封的工作原理:當(dāng)氣流通過梳齒形密封片的間隙時(shí)，氣流近似經(jīng)歷了一個(gè)理想的節(jié)流過程，其壓力和溫度都下降，而速度增加。當(dāng)氣流從間隙進(jìn)入密封片間的空腔時(shí)，由于截面積的突然擴(kuò)大，氣流形成很強(qiáng)的旋渦，從而使速度幾乎完全消失，溫度又回復(fù)到密封片前的數(shù)值，而壓力卻不能再恢復(fù)，保持等于通過節(jié)流間隙時(shí)的壓力不變。氣流經(jīng)過隨后的每一個(gè)密封片間隙和空腔，氣流的變化重復(fù)上述過程。所不同的是由于氣流質(zhì)量體積逐漸增加，在通過間隙時(shí)的氣流速度和壓力降越來越大。由此可見，當(dāng)氣流通過整個(gè)迷宮密封時(shí)，壓力是逐漸下降的，最后趨近于背壓，從而起到密封作用。

離心式壓縮機(jī)的密封漏氣對壓縮機(jī)打氣性能的影響。輪蓋密封與級間密封處的泄漏均屬于內(nèi)泄漏。嚴(yán)重的內(nèi)泄漏會使壓縮機(jī)能量損失增加，級效率及壓縮機(jī)效率下降，打氣量減少。不過，兩者的影響機(jī)理也有所不同:輪蓋密封的泄漏是使壓縮過的氣體重新回到葉輪，再進(jìn)行第二級壓縮，從而主要使級的總耗功增加;級間密封的泄漏為級間竄氣，從而會使低壓級壓比增加，高壓級壓比下降而導(dǎo)致打氣量下降。平衡盤密封的嚴(yán)重泄漏雖然對壓縮機(jī)的性能影響不大，但對離心式壓縮機(jī)的安全運(yùn)行卻關(guān)系極大。

軸封的泄漏屬于外泄漏。外泄漏是指氣體從密封處漏往機(jī)殼以外。不言而喻，嚴(yán)重的外泄漏將直接造成壓縮機(jī)打氣量的減少。

⑩空氣中雜質(zhì)對壓縮機(jī)打氣量的影響?？諝庵谐?、氮外，還有少量的水蒸氣、二氧化碳、乙炔和其他碳?xì)浠衔锏葰怏w，以及少量的灰塵等固體雜質(zhì)。每立方米空氣中的水蒸氣含量為4～40 g/m3(隨地區(qū)和氣候而異)，二氧化碳的含量為0.6～0.9 g/m3，乙炔含量為0.01～0.1 cm3/m3，灰塵等固體雜質(zhì)的含量一般為0.005～0.15 g/m3。這些雜質(zhì)在每立方米空氣中的含量雖然不大，但由于空分設(shè)備每小時(shí)加工空氣量很大，因此，每小時(shí)帶入壓縮機(jī)的總量還是可觀的。以6 000 m3/h制氧機(jī)為例，每小時(shí)隨空氣帶入空壓機(jī)的水分量約1 t，經(jīng)空氣冷卻器和氮水預(yù)冷器后有很多水分將析出。即使如此，每小時(shí)帶入空分設(shè)備的水分還有200 kg。每天隨空氣吸入的灰塵達(dá)4.8～9.6 kg，甚至更多，而這些雜質(zhì)對空壓機(jī)打氣量都是有影響。

2.2 壓縮機(jī)打氣量不足主要原因

①由于壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)間較長機(jī)殼及隔板存在使用變形情況，尤其隔板變形較大，上、下隔板之間間隙很大，級間串氣造成內(nèi)循環(huán)流動損失很大，從壓縮機(jī)拆開檢查情況分析，上、下隔板間氣流沖刷痕跡可以確認(rèn)壓縮機(jī)隔板級間串氣，上、下隔板之間間隙密封處的泄漏屬于內(nèi)泄漏，會使壓縮機(jī)能量損失增加，級效率及壓縮機(jī)效率下降，打氣量減少。隔板間泄漏使壓縮過的氣體重新回到葉輪，再進(jìn)行第二次壓縮，造成級的總耗功增加，低壓級壓比增加，高壓級壓比下降。

②空壓機(jī)級間冷卻器存在內(nèi)漏氣情況冷卻效果不好，部分氣體未經(jīng)級間冷卻器冷卻，壓縮后空氣的熱量不足以被冷卻水帶走，造成下一級吸氣溫度升高，氣體密度減小，最終造成壓縮機(jī)打氣量減少。

③由于該壓縮機(jī)壓縮的空氣中含有一定的水分，具有一定的濕度，被壓縮空氣在流出中間冷卻器后，具有高壓低溫的條件，在此條件下空氣中的氣態(tài)水很容易凝結(jié)成為液態(tài)水，這些液態(tài)水被設(shè)置在壓縮機(jī)級間冷卻器內(nèi)的不銹鋼疏水片收集后經(jīng)過級間疏水器排出壓縮機(jī)外。由于級間冷卻器疏水片有損壞疏水效果差，導(dǎo)致有部分水分凝結(jié)在壓縮機(jī)流道內(nèi)壁上，在水分和氧氣存在條件下，壓縮機(jī)流道內(nèi)壁很容易發(fā)生氧化腐蝕，生成氧化鐵粉末，長期累積，就會出現(xiàn)壓縮機(jī)內(nèi)壁銹蝕起皮和脫落的現(xiàn)象，脫落的鐵銹夾雜在空氣流中，會堵塞中冷器氣側(cè)空氣通道，也會黏附在級間冷器氣側(cè)內(nèi)表面，降低氣側(cè)空氣換熱效率，最終結(jié)果是降低壓縮機(jī)打氣量。

④氣管路存在阻塞及閥門故障情況，裝置系統(tǒng)設(shè)備管路阻塞，阻力增加或旁路閥內(nèi)漏出口閥開不到位情況，引起空壓機(jī)排氣壓力升高。在吸入壓力不變的條件下，壓比增加，造成壓縮機(jī)打氣量減少。

為了保證該廠產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整后空分裝置能滿足后序系統(tǒng)使用要求，針對B套空分裝置SIC705-Ⅱ型離心式空氣壓縮機(jī)打氣量不足原因分析情況進(jìn)行修復(fù)改造。

3 修復(fù)改造措施

根據(jù)壓縮機(jī)打氣量不足檢查分析情況，對壓縮機(jī)進(jìn)行修復(fù)改造，具體實(shí)施如下:

①對于機(jī)殼及隔板存在使用變形情況，尤其隔板變形較大，上下隔板之間間隙大、密封不嚴(yán)，級間串氣造成內(nèi)循環(huán)流動損失很大，上下隔板之間間隙密封處的內(nèi)泄漏，使壓縮機(jī)能量損失增加，級效率及壓縮機(jī)效率下降，打氣量減少。隔板間泄漏使壓縮過的氣體重新回到葉輪，再進(jìn)行第二次壓縮，造成級的總耗功增加，低壓級壓比增加，高壓級壓比下降。對隔板及機(jī)殼變形作如下修復(fù):a、將壓縮機(jī)解體，把隔板取出后，上下機(jī)殼及轉(zhuǎn)子上龍門床檢測變形量;b、根據(jù)機(jī)殼變形情況，重新修復(fù)機(jī)殼配合尺寸;c、檢測機(jī)殼軸承區(qū)變形量;d、根據(jù)加工后的機(jī)殼尺寸，重新加工制造新隔板、氣封(保證氣封原設(shè)計(jì)尺寸不變，這樣以前的氣封備件可以繼續(xù)使用)。

②加工后機(jī)殼與隔板、氣封、轉(zhuǎn)子重新進(jìn)行裝配。修復(fù)如下:a、控制裝配后的密封間隙值在技術(shù)要求范圍內(nèi);b、控制轉(zhuǎn)子與機(jī)殼裝配各部位間隙值、軸向尺寸值。

③針對級間冷卻器疏水片有損壞疏水效果差，導(dǎo)致有部分水分凝結(jié)在壓縮機(jī)流道內(nèi)壁上，在水分和氧氣存在條件下，壓縮機(jī)流道內(nèi)壁很容易發(fā)生氧化腐蝕，生成氧化鐵粉末，長期累積，就會出現(xiàn)壓縮機(jī)內(nèi)壁銹蝕起皮和脫落的現(xiàn)象，脫落的鐵銹夾雜在空氣流中，會堵塞中冷器氣側(cè)空氣通道，也會黏附在級間冷器氣側(cè)內(nèi)表面，降低氣側(cè)空氣換熱效率，修復(fù)級間冷卻器損壞的疏水片改善疏水狀況，更換冷卻器16個(gè)不銹鋼疏水閥，保證級間壓縮氣體冷卻后的疏水效果。

④針對級間冷卻器與殼體配合密封面存在的內(nèi)漏氣情況，造成部分氣體未經(jīng)級間冷卻器冷卻導(dǎo)致下一級吸氣溫度升高，氣體密度減小，致使壓縮機(jī)打氣量減少，將原冷卻器密封條結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)改型，把原來的橡膠密封條改為彈性優(yōu)良的鈦合金密封條，消除了級間冷卻器與殼體內(nèi)漏氣的缺陷。

⑤沖洗管路上的結(jié)垢，檢查閥門狀況，更換內(nèi)漏的旁路閥，修復(fù)出口閥開不到位缺陷，排除了管路上的問題。

⑥轉(zhuǎn)子做動平衡，消除轉(zhuǎn)子不平衡引起的振動及對氣封的影響。

4 修復(fù)后的效果

壓縮機(jī)修復(fù)改造后運(yùn)行效果十分明顯，打氣量大幅提高，達(dá)到38 110 Nm3/h，在設(shè)計(jì)流量的99%左右，級間排氣溫度均有所降低，末級排氣溫度降到110℃，小于設(shè)計(jì)的112℃，壓縮機(jī)效率提升，在打氣量提高的狀況下軸功率下降，節(jié)約了能源消耗，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到原廠設(shè)計(jì)要求，滿足了該廠產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整對空分裝置的負(fù)荷要求。