空氣壓縮機(jī)的選型和運(yùn)行情況分析

楊信一

中石油京唐液化天然氣有限公司

在很多化工企業(yè)中，經(jīng)干燥的壓縮空氣作為氣源承擔(dān)著驅(qū)動全廠閥門、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等設(shè)備的重任，是企業(yè)工藝流程中的核心設(shè)備，一旦空氣壓縮機(jī)組發(fā)生故障，會引起整個(gè)廠區(qū)的工藝聯(lián)鎖甚至緊急停車，造成不可挽回的巨大損失。因此，如何提高空壓機(jī)組的穩(wěn)定性和可靠性，是擺在企業(yè)面前的重要課題[1]。

螺桿式空壓機(jī)作為一種先進(jìn)的空氣動力設(shè)備，具有運(yùn)轉(zhuǎn)可靠、壽命長、效率高、氣量不受排氣壓力影響、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)不發(fā)生喘振等特點(diǎn)[2]，已成為當(dāng)今空氣壓縮機(jī)發(fā)展的新主流，其中的噴油螺桿壓縮機(jī)得到了生產(chǎn)企業(yè)的廣泛應(yīng)用[3]。唐山LNG接收站經(jīng)過選型比對，最終采用微油型螺桿式空氣壓縮機(jī)。本文總結(jié)了該型號壓縮機(jī)投產(chǎn)運(yùn)行3年來的運(yùn)行維護(hù)與使用經(jīng)驗(yàn)，可為相關(guān)行業(yè)公司在設(shè)備選型方面提供參考。

1 唐山LNG接收站壓縮空氣工藝概述

唐山LNG接收站的壓縮空氣從用途方面分為兩類：儀表空氣和工廠空氣，其中儀表空氣的作用是作為全廠氣動閥和執(zhí)行器的驅(qū)動氣源，而工廠空氣主要用于接臨時(shí)軟管，對設(shè)備及零件進(jìn)行清潔、吹掃。

在保證整個(gè)廠區(qū)平穩(wěn)運(yùn)行的任務(wù)中，儀表空氣管網(wǎng)承擔(dān)了重要責(zé)任，其正常工作壓力(絕壓，下同)需要保持在0.7～0.9 MPa。為避免陷入全廠氣動閥門失去動力而無法控制的狀況造成安全風(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)儀表空氣管網(wǎng)壓力降至0.5 MPa以下時(shí)，會導(dǎo)致全廠工藝設(shè)備聯(lián)鎖停車。

2 備選空氣壓縮機(jī)的種類及分析

通過對唐山LNG接收站所處環(huán)境分析，初步選取了3種常用的空氣壓縮機(jī)類型進(jìn)行參考。

2.1 離心式空氣壓縮機(jī)

離心式空氣壓縮機(jī)的工作方式是由葉輪帶動氣體做高速旋轉(zhuǎn)，利用氣體在葉輪作用下產(chǎn)生的離心力進(jìn)行擴(kuò)壓流動，從而使氣體通過葉輪后的流速和壓力得到提高，連續(xù)地生產(chǎn)出壓縮空氣。

相對于其他兩種類型的空氣壓縮機(jī)來說，離心式空氣壓縮機(jī)的優(yōu)勢在于：在下游用氣負(fù)荷穩(wěn)定情況下，其運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)穩(wěn)定，可靠；易損件少，運(yùn)轉(zhuǎn)壽命較長；排氣不受潤滑系統(tǒng)干擾，氣體產(chǎn)品干凈，不會對下游管網(wǎng)造成污染堵塞；排量大，效率高，利于節(jié)能。

以某公司H100-0.97型離心式壓縮機(jī)為例，設(shè)計(jì)出口壓力(絕壓，下同)為0.9 MPa，額定功率654 kW，排氣量52 m3/min，滿足唐山LNG接收站的生產(chǎn)需求。

2.2 活塞式空氣壓縮機(jī)

活塞式空氣壓縮機(jī)有多種結(jié)構(gòu)形式。按氣缸的配置方式分為立式、臥式、角度式、對稱平衡式和對置式幾種?；钊娇諝鈮嚎s機(jī)是利用曲軸帶動活塞的往復(fù)運(yùn)動，使氣缸腔內(nèi)的氣體受到壓縮而不斷地產(chǎn)生壓縮空氣?；钊娇諝鈮嚎s機(jī)屬于容積式壓縮機(jī)，受該機(jī)型的工作原理和特性所限，為了供氣穩(wěn)定，一般活塞式空氣壓縮機(jī)都配備有儲氣罐。

相對于其他兩種類型的空氣壓縮機(jī)來說，活塞式空氣壓縮機(jī)的優(yōu)勢在于：價(jià)格低，初次投資少，使用壽命長；能量轉(zhuǎn)換效率高；適應(yīng)性強(qiáng)，受排氣壓力變化影響小；排氣壓力上限高。

以某公司w-2/8型活塞式壓縮機(jī)為例，設(shè)計(jì)出口壓力為0.98 MPa，額定功率20 kW，排氣量3 m3/min，基本符合唐山LNG接收站的生產(chǎn)需求。

2.3 螺桿式空氣壓縮機(jī)

螺桿式空氣壓縮機(jī)分為單螺桿式和雙螺桿式兩種，采用高效帶輪傳動，帶動主機(jī)轉(zhuǎn)動進(jìn)行空氣壓縮，通過噴油對主機(jī)內(nèi)的壓縮空氣進(jìn)行冷卻，同時(shí)對轉(zhuǎn)子進(jìn)行潤滑，主機(jī)排出的空氣和油混合氣體經(jīng)過油氣分離裝置，將壓縮空氣中的油分離出來，最后得到潔凈的壓縮空氣。其中雙螺桿式空壓機(jī)采用主副兩個(gè)轉(zhuǎn)子互相配合加壓，適用于40 m3/min以下的工藝環(huán)境。

相對于其他兩種類型的空氣壓縮機(jī)來說，螺桿式空氣壓縮機(jī)的優(yōu)勢在于：可靠性能優(yōu)良；振動小，噪聲低；操作方便，人員不需要接受長期培訓(xùn)；易損件少。

以某公司SA75A型活塞式壓縮機(jī)為例，設(shè)計(jì)出口壓力為1.05 MPa，額定功率75 kW，排氣量12 m3/min，滿足唐山LNG接收站的生產(chǎn)需求。

2.4 分析對比

經(jīng)過測算，唐山LNG接收站的高峰期壓縮空氣用量大概在14～20 m3/min，空氣管網(wǎng)壓力控制在0.7～0.9 MPa，根據(jù)此前條件對比，從能耗的角度來看，離心式壓縮機(jī)的能耗最多，效率最低，經(jīng)濟(jì)性較差，若用于唐山LNG接收站，設(shè)備停機(jī)時(shí)間較長，不能有效發(fā)揮離心式壓縮機(jī)在穩(wěn)定運(yùn)行下的優(yōu)勢，因此被排除。

活塞式壓縮機(jī)由于對平衡性的要求，其安裝難度較大，體積上存在劣勢，在唐山LNG接收站預(yù)留廠房中最多只能安裝4臺，雖能勉強(qiáng)滿足高峰用量需求，但從長遠(yuǎn)考慮，今后新增設(shè)備將存在困難；另一方面，由于設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，活塞等易損件較多，后期維護(hù)成本相對較高。

而螺桿式空壓機(jī)雖然存在壓縮后空氣易帶油、溫度和排氣壓力對空壓機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)存在較大影響的問題，但在唐山LNG接收站工藝環(huán)境下，壓力波動范圍較小，且地處北方沿海城市，在環(huán)境溫度方面可以接受。因此，唐山LNG接收站最終采用的是一種微油型雙螺桿固定空冷式壓縮機(jī)。

3 唐山LNG接收站空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

唐山LNG接收站最終選用的是北京復(fù)盛機(jī)械有限公司生產(chǎn)的SA75A型空氣壓縮機(jī)，屬于固定空冷螺桿式壓縮機(jī)，設(shè)計(jì)出口壓力1.05 MPa，額定功率75 kW，排氣量11.6 m3/min。整個(gè)壓縮系統(tǒng)共設(shè)有3臺壓縮機(jī)(后新增一臺共4臺)，2臺雙塔吸附干燥器，2臺前置除油器，2臺后置過濾器，通過自身攜帶的控制系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動切換控制，正常狀態(tài)下需2臺空壓機(jī)同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)才能保證下游用量供給。而每臺空氣壓縮機(jī)本身的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括電動機(jī)、壓縮機(jī)體、油氣桶、油細(xì)分離器、空氣濾清器、反比例閥及溫控閥等，系統(tǒng)通過判斷下游壓力來自動調(diào)整壓縮機(jī)的負(fù)荷，如圖1所示。

4 螺桿式空壓機(jī)運(yùn)行異常情況及分析

在唐山LNG接收站實(shí)際運(yùn)行工況下，曾經(jīng)發(fā)生過多次空壓機(jī)故障，造成了不少風(fēng)險(xiǎn)和損失，但同時(shí)也積累了較多的處理經(jīng)驗(yàn)，引起空壓機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行不正常的因素大致可歸類為4種：溫度、壓力、控制故障、濕度[4]。

4.1 溫度引起故障現(xiàn)象及分析

空氣壓縮機(jī)的出口溫度高點(diǎn)聯(lián)鎖值設(shè)計(jì)為100 ℃，低點(diǎn)聯(lián)鎖值設(shè)計(jì)為0 ℃，而在實(shí)際正常運(yùn)行狀態(tài)溫度保持在80～90 ℃，其溫度受環(huán)境影響較大[5]。

以某次夏天高溫天氣出現(xiàn)的故障現(xiàn)象為例：2014年8月24日上午11時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)處于聯(lián)控狀態(tài)，空壓機(jī)A和空壓機(jī)B作為主機(jī)受管網(wǎng)壓力控制自動啟動和停止，空壓機(jī)C作為備機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)。運(yùn)行中空壓機(jī)A/B突然同時(shí)報(bào)警聯(lián)鎖無法啟動，只有空壓機(jī)C緊急啟動并保持運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，但僅能維持管網(wǎng)壓力緩慢下降，緊急檢查發(fā)現(xiàn)故障原因?yàn)槌隹跍囟雀吒呗?lián)鎖，且在溫度下降回正常區(qū)間復(fù)位后重新啟動失敗。最終通過緊急更換潤滑油，并打開機(jī)體艙門通風(fēng)散熱，耐心等待整個(gè)機(jī)體溫度降至40 ℃后啟動成功，并恢復(fù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

事后分析發(fā)現(xiàn)，引起同類故障產(chǎn)生的原因主要有4點(diǎn)：①環(huán)境溫度較高[6]；②管網(wǎng)壓力波動較大導(dǎo)致啟停較為頻繁；③內(nèi)部空冷系統(tǒng)存在堵塞，影響了散熱[7]；④溫控閥動作遲緩[8]。而空壓機(jī)C之所以能夠運(yùn)轉(zhuǎn)是因?yàn)樗莻錂C(jī)，停止散熱時(shí)間較長。

而另一次低溫天氣出現(xiàn)的故障則更具威脅性：2016年1月10日夜間，系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，突然在啟機(jī)過程中空壓機(jī)B/C系統(tǒng)聯(lián)鎖無法啟動，檢查發(fā)現(xiàn)空壓機(jī)機(jī)體溫度為-4 ℃，低于0 ℃聯(lián)鎖值無法啟機(jī)，緊急情況下只能臨時(shí)更改了低溫聯(lián)鎖設(shè)定值重新啟動，但啟動運(yùn)轉(zhuǎn)后立刻造成電流超載跳閘停機(jī)，于是操作人員用開水浸泡的抹布、手套等對機(jī)體進(jìn)行包裹加溫20 min，直至提升至溫度計(jì)顯示為1 ℃，最終啟動3次后成功。

事后分析發(fā)現(xiàn)，引起同類故障產(chǎn)生的原因主要有4點(diǎn)：①環(huán)境溫度過低；②空壓機(jī)為油氣混合加壓型；③機(jī)體內(nèi)油溫低導(dǎo)致黏性增大[9]；④在油的黏性增大時(shí)啟動會增加電機(jī)的驅(qū)動負(fù)擔(dān)，從而使電流超載[10]。而空壓機(jī)A之所以能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)是因?yàn)樽鳛橹鳈C(jī)，始終保持了運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)，保證了油溫持續(xù)穩(wěn)定在80 ℃。

從本次故障分析可以得出結(jié)論：螺桿式空壓機(jī)若用于南方高溫環(huán)境，建議采用水冷卻系統(tǒng)代替空氣冷卻模式以提高換熱效率；而在北方嚴(yán)寒地帶，需要對潤滑油箱和螺桿處配套電加熱設(shè)施。

4.2 壓力引起故障現(xiàn)象及分析

空壓機(jī)本體的出口壓力高點(diǎn)聯(lián)鎖值設(shè)計(jì)為1.05 MPa，實(shí)際運(yùn)行3年時(shí)間，出口壓力處于長期緩慢上升趨勢，這主要是由于下游各過濾器及干燥器阻塞物增多導(dǎo)致。

以某次故障為例：2014年9月，系統(tǒng)處于聯(lián)控狀態(tài)，空壓機(jī)本應(yīng)該在管網(wǎng)壓力上升至0.9 MPa時(shí)正常卸載停機(jī)，待壓力下降至0.7 MPa后重新啟動，但在管網(wǎng)壓力并未達(dá)到0.9 MPa狀態(tài)下，空壓機(jī)提前卸載[11]，并在此之后以1 min為周期頻繁卸載、加載，對設(shè)備運(yùn)行造成十分不利的影響[12]。檢查發(fā)現(xiàn)，空壓機(jī)本體出口壓力達(dá)到了1.05 MPa，系統(tǒng)正常開啟卸載動作保護(hù)機(jī)體，而在卸載后出口壓力迅速下降到常壓，導(dǎo)致重新加壓，針對這一問題迅速停止了系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)并切換為單控狀態(tài)，并在短時(shí)間內(nèi)拆除清理了各個(gè)過濾設(shè)備后減少了上下游的壓力差，重新啟動后恢復(fù)正常。

事后分析發(fā)現(xiàn)，引起同類故障產(chǎn)生的原因主要有3點(diǎn)：①空壓機(jī)附屬系統(tǒng)的清理不夠及時(shí)，引起阻塞物增多，出口和下游管網(wǎng)的壓差增大；②控制空壓機(jī)啟停的壓力取樣點(diǎn)為管網(wǎng)壓力；③保護(hù)性卸載邏輯設(shè)計(jì)有缺陷。

從本次故障分析可以得出結(jié)論：由于唐山LNG接收站周邊空氣環(huán)境存在較多的鐵礦粉等固體顆粒，潤滑油與空氣混合的過程就會帶來很大的不良影響，因此，在選型時(shí)若考慮螺桿式空壓機(jī)，必須保證周邊空氣環(huán)境達(dá)到要求；而在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要注意盡量使控制空壓機(jī)啟停的壓力參數(shù)取樣點(diǎn)與保護(hù)性卸載連鎖壓力取樣點(diǎn)一致，防止邏輯發(fā)生沖突。

4.3 控制系統(tǒng)故障現(xiàn)象及分析

唐山LNG接收站在實(shí)際運(yùn)行中，還會出現(xiàn)系統(tǒng)模塊失靈的特殊故障現(xiàn)象[13]，這種故障原因很復(fù)雜也很難排查，很可能會導(dǎo)致在解決之前管網(wǎng)壓力已經(jīng)下降到聯(lián)鎖值而引起全廠設(shè)備跳車，給生產(chǎn)帶來巨大損失。

以某次故障為例：2014年11月29日21時(shí)，系統(tǒng)處于聯(lián)控狀態(tài)，在管網(wǎng)壓力下降至0.7 MPa時(shí)，空壓機(jī)本應(yīng)該自動啟動、加載對管網(wǎng)系統(tǒng)充壓[14]，可空壓機(jī)均在加載1 min后自動卸載[15]，并在檢查出故障原因前引起了全廠設(shè)備跳車。最終檢查出原因?yàn)槟硽鈩娱y門的電磁閥吸合不正常，導(dǎo)致了上下游中斷，上游壓縮的空氣憋壓導(dǎo)致保護(hù)性卸載，而下游沒有補(bǔ)充壓力引起了跳機(jī)聯(lián)鎖。于是首先中斷氣動閥氣源，使其保持常開位置來保證系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)，隨后更換了電磁閥后重新聯(lián)控啟動恢復(fù)正常。

事后分析發(fā)現(xiàn)，引起同類故障產(chǎn)生的原因主要有4點(diǎn)：①電磁閥故障；②氣動閥控制模塊故障；③PLC系統(tǒng)邏輯缺陷引發(fā)周期性故障；④總停總啟步驟不合理導(dǎo)致控制邏輯失效。

從本次故障分析可以得出結(jié)論：由于選用的螺桿式空壓機(jī)的工作方式必須采用周期性切換模式，此設(shè)備對于系統(tǒng)邏輯的準(zhǔn)確性和可靠性要求很高，在現(xiàn)場調(diào)試過程中有必要進(jìn)行各種模擬實(shí)驗(yàn)，防止存在系統(tǒng)錯(cuò)誤的可能。

4.4 濕度超標(biāo)現(xiàn)象及分析

儀表空氣作為生產(chǎn)設(shè)備的驅(qū)動氣，其干燥凈化程度不夠往往會引起下游設(shè)備積液、腐蝕，如果現(xiàn)場巡檢不夠細(xì)致、主動，就很容易給下游設(shè)備和管線帶來潛在的故障風(fēng)險(xiǎn)。通過觀察濕度探測器實(shí)時(shí)露點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)，可有效了解進(jìn)入管網(wǎng)的空氣水含量是否合格，露點(diǎn)溫度-50 ℃以下為合格[16]。

以某次故障為例：2016年10月某日，系統(tǒng)露點(diǎn)逐漸上升至33～45 ℃，操作人員檢查下游取樣點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)存在積液，排除了露點(diǎn)溫度檢測器的影響，確認(rèn)為雙塔吸附干燥器存在干燥不徹底的問題，后通過減少再生氣量供給的方法使系統(tǒng)逐漸恢復(fù)正常[17]。

事后分析發(fā)現(xiàn)，引起同類故障產(chǎn)生的原因主要有4點(diǎn)：①再生氣量過小，使干燥塔潮氣未排凈便重新開始投用；②再生氣量過大，使干燥塔內(nèi)部氧化鋁干燥球群結(jié)構(gòu)被再生氣吹出縫隙；③干燥塔排水電磁閥故障；④干燥塔排水周期設(shè)置過長，導(dǎo)致寒冷天氣排水管線凍堵[18]。

從本次故障分析可以得出結(jié)論：螺桿式空壓機(jī)不僅對溫度[19]、壓力環(huán)境要求較高[20]，還對濕度特別敏感，需要注意防止乳化的潤滑油對設(shè)備造成損傷。因此，在沿海北方城市冬季極端天氣環(huán)境下，螺桿式空壓機(jī)的可靠性有大幅降低的風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié) 語

在設(shè)備進(jìn)行選型時(shí)，對廠區(qū)的周邊環(huán)境考察十分重要，后期使用過程能否順利都與選型密切相關(guān)。對于螺桿式空氣壓縮機(jī)來說，由于其具有經(jīng)濟(jì)性、核心部件可靠性、產(chǎn)量匹配性上的優(yōu)勢，是廠區(qū)儀表驅(qū)動氣源的首選，但在設(shè)計(jì)過程中，需要結(jié)合周邊的環(huán)境要求，在潤滑油過濾及備機(jī)狀態(tài)加熱、入口空氣過濾及冷卻、出口空氣干燥3個(gè)方面加入可靠的成套輔助設(shè)備，以進(jìn)一步降低其在特殊環(huán)境下的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)，要采用合理的程序邏輯控制方案，并留有程序修改串行接口，用于不斷改進(jìn)及優(yōu)化運(yùn)行模式。

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