空分壓縮機(jī)級(jí)間冷卻器換熱效果影響因素分析

汪青青，黃 栩，王發(fā)兵

（馬鋼比歐西氣體有限責(zé)任公司，安徽馬鞍山 243000）

1 概述

馬鋼比歐西氣體公司現(xiàn)有兩套40000 m3/h空分裝置，由LINDE AG設(shè)計(jì)配套，其中每套空分配備空壓機(jī)、增壓機(jī)和氮壓機(jī)各一臺(tái)，均由SIEMENS AG制造。馬鋼比歐西公司空壓機(jī)采用三級(jí)壓縮兩級(jí)冷卻，額定功率16900 kW，增壓機(jī)和氮壓機(jī)采用六級(jí)壓縮六級(jí)冷卻，額定功率分別為8400 kW和5400 kW。壓縮機(jī)的級(jí)間冷卻器的主要作用是降低排氣溫度，使壓縮過(guò)程更接近于等溫壓縮，提高壓縮機(jī)的等溫效率，等溫壓縮過(guò)程耗功最少?gòu)亩档碗姍C(jī)拖動(dòng)的電耗。目前主流空分公司均使用趨近溫度來(lái)衡量換熱器的換熱效果，其定義為壓縮機(jī)冷卻器排氣溫度與冷卻水溫度的差值。馬鋼比歐西壓縮機(jī)冷卻器全部采用進(jìn)口Oeltechnik公司U型管式換熱器，空壓機(jī)、增壓機(jī)和氮壓機(jī)設(shè)計(jì)趨近溫度分別為5℃、7℃、7℃，工藝空氣走殼程，水走管程，同時(shí)氣側(cè)設(shè)置折流板，氣流通常是縱掠管束，示意圖如圖1。

圖1 介質(zhì)流向示意圖

從圖1可看出空氣要與管束內(nèi)的循環(huán)水換熱需經(jīng)過(guò)工藝空氣與外壁之間的對(duì)流換熱，管壁的傳導(dǎo)換熱和內(nèi)壁與水之間的對(duì)流換熱，任何影響這一過(guò)程的因素都會(huì)影響冷卻器的換熱效果。2016年11月和2017年6月打開(kāi)1#和2#ASU空壓機(jī)和增壓機(jī)的封頭之后并用內(nèi)窺鏡拍照查看后發(fā)現(xiàn)：（1）管束內(nèi)有堵塞跡象；（2）銅管壁上有結(jié)垢，管壁上的橫紋已不明顯；（3）回水側(cè)結(jié)垢較明顯，見(jiàn)圖2和圖3。

圖2 冷卻器回水側(cè)較進(jìn)水側(cè)結(jié)垢明顯

圖3 清洗前內(nèi)窺鏡檢查管束內(nèi)存在結(jié)垢和堵塞

結(jié)合目前的運(yùn)行狀況及檢修情況，總結(jié)目前常見(jiàn)到的影響冷卻器的換熱效果因素有：冷卻器水側(cè)管束內(nèi)結(jié)垢或堵塞、管程水流速偏低、氣側(cè)管壁有結(jié)垢、空氣濕度增加，同時(shí)總結(jié)了高壓清洗冷卻器管束前后趨近溫度變化情況。

2 影響因素

2.1 冷卻器水側(cè)管束內(nèi)結(jié)垢和堵塞對(duì)換熱的影響

檢修時(shí)打開(kāi)換熱器水側(cè)封頭之后發(fā)現(xiàn)管束內(nèi)存在結(jié)垢現(xiàn)象，結(jié)垢阻礙了管道內(nèi)壁與水之間的傳熱，熱阻增加，熱流必須穿過(guò)結(jié)垢層再與水進(jìn)行對(duì)流換熱，影響冷卻器的效果。導(dǎo)致結(jié)垢的因素很多，如循環(huán)水質(zhì)、管內(nèi)流速及流態(tài)、循環(huán)水溫度以及換熱器的結(jié)構(gòu)等，結(jié)合工廠的運(yùn)行情況主要原因如下：

（1）循環(huán)水質(zhì)的影響

循環(huán)水冷卻水在運(yùn)行過(guò)程中隨著水分的蒸發(fā)消耗，水中的各種雜質(zhì)濃度會(huì)升高，結(jié)垢概率增加。pH、電導(dǎo)率及濁度等指標(biāo)異常會(huì)導(dǎo)致結(jié)垢的產(chǎn)生。

（2）循環(huán)水流速過(guò)低的影響

冷卻器中，流速對(duì)結(jié)垢的影響有兩方面：水中雜質(zhì)沉降和對(duì)污垢的沖刷剝離，圓管中水流流態(tài)以無(wú)量綱雷諾數(shù)2300為界，低于2300為層流，高于2300為紊流[1]，冷卻器中某些部位流速過(guò)小或水流分配不均流速低時(shí)易出現(xiàn)層流流動(dòng)，流速大小在圓管剖面上呈拋物線分布，如圖4所示，主流區(qū)流速較快，而接近壁面處由于流體存在黏性產(chǎn)生附面層，在附面層內(nèi)流體近似于停滯狀態(tài)，使循環(huán)水中存在的雜質(zhì)沉降結(jié)垢，同時(shí)對(duì)壁面的沖刷剝離作用減弱，加速了結(jié)垢。

圖4 圓管內(nèi)層流和紊流速度分布

（3）循環(huán)水溫度對(duì)結(jié)垢的影響

冷卻水中的水垢一般都是具有反常溶解度的難溶或微溶鹽類，具有固定晶形的無(wú)機(jī)物，按結(jié)晶的規(guī)律最容易在金屬的傳熱面上析出，結(jié)垢質(zhì)地堅(jiān)硬，厚實(shí)且致密，大部分呈白色或灰白色，其溶解度與一般的鹽類不同，不是隨著溫度的升高而升高，而是隨著溫度的升高而降低。當(dāng)水流速比較小或傳熱而比較粗糙時(shí)，這些結(jié)晶沉淀物就容易沉積在傳熱面上，研究表明當(dāng)水溫高于45度時(shí)冷卻器內(nèi)的結(jié)垢會(huì)急劇增加，大大影響冷卻器的換熱效果。

2.2 管內(nèi)流速及流態(tài)對(duì)換熱的影響

如上節(jié)所述，低流速情況下會(huì)導(dǎo)致管道內(nèi)層流流動(dòng)產(chǎn)生附面層，不但會(huì)導(dǎo)致結(jié)垢，還會(huì)對(duì)換熱產(chǎn)生影響，原因是在流體流過(guò)壁面時(shí)，邊界層附近因傳熱形成的具有溫度梯度的薄層，也就是對(duì)流傳熱熱阻所在的區(qū)域[2]，由于熱阻的增加使熱流密度減小，影響換熱。

2.3 氣側(cè)管束外壁結(jié)垢

空壓機(jī)冷卻器氣側(cè)可能會(huì)結(jié)垢影響換熱效果，而增壓機(jī)和氮壓機(jī)因壓縮介質(zhì)已經(jīng)過(guò)凈化和分離可不考慮。空壓機(jī)氣側(cè)結(jié)垢污染的主要原因是原料空氣過(guò)濾不充分或者前置過(guò)濾器安裝短路及過(guò)濾器密封不好導(dǎo)致空氣中的粉塵和顆粒直接進(jìn)入壓縮機(jī)，與經(jīng)壓縮冷卻過(guò)程中析出的水分共同作用產(chǎn)生結(jié)垢，影響冷卻器的換熱效果。

2.4 空氣濕度增加

空氣濕度增加或者陰雨天氣和大霧天氣空氣中的游離水增加時(shí)導(dǎo)致空氣經(jīng)壓縮冷卻之后析出的水分增加，析出的水分部分會(huì)附著在冷卻器的管束上，在管束上形成一層薄薄的水膜，水膜越厚熱阻越大，影響冷卻器的換熱效果。

3 解決措施

3.1 用高壓清洗的方式對(duì)管束水側(cè)結(jié)垢進(jìn)行清洗

由專業(yè)的承包商進(jìn)行，通常是通過(guò)泵將水壓縮到4000 kPa以上，然后通過(guò)噴嘴霧化伸入管束內(nèi)進(jìn)行沖洗，依靠水流的沖刷剝離作用，使污垢從管壁脫離，清洗后的狀況如圖5。

圖5 清洗后內(nèi)窺鏡檢查管束內(nèi)情況

從內(nèi)窺鏡拍攝的照片中可看出清洗之后管道內(nèi)壁較干凈，壁面上的橫紋清洗可見(jiàn)，當(dāng)流體流經(jīng)橫向紋時(shí)在管壁附近形成了軸向渦流，加強(qiáng)了邊界層的擾動(dòng)，有利于熱量通過(guò)邊界層向主流區(qū)傳遞，強(qiáng)化傳熱[3]。2016年12月份對(duì)清洗出的雜質(zhì)分析發(fā)現(xiàn)其主要成分是泥沙。對(duì)比清洗前后相同負(fù)荷及循環(huán)水量的情況下2#空壓機(jī)一級(jí)和二級(jí)的趨近溫度如圖6。

圖6 2#MAC一級(jí)和二級(jí)清洗前后趨近溫度對(duì)比

從圖6可看出檢修后2#空壓機(jī)冷卻器趨近溫度平均下降0.85℃，說(shuō)明冷卻器換熱效果變好，采集其他機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比趨近溫度下降如表1。

表1 各機(jī)組冷卻器趨近溫度平均值清洗前后對(duì)比 ℃

按照排氣溫升3℃，能耗增加1%計(jì)算，清洗5臺(tái)機(jī)組每年可節(jié)省電量約110萬(wàn)kW·h，節(jié)能效果明顯。

3.2 加強(qiáng)對(duì)水處理系統(tǒng)的監(jiān)控管理

密切關(guān)注水處理的各項(xiàng)指標(biāo)，控制好循環(huán)倍數(shù)、濁度、電導(dǎo)率及濁度，根據(jù)水質(zhì)情況及時(shí)要求水處理承包商合理增減藥劑，保持各項(xiàng)指標(biāo)在正常范圍內(nèi)。

3.3 控制冷卻器的水量，避免流速過(guò)低

根據(jù)壓縮機(jī)廠家的要求管道內(nèi)流速不能低于1 m/s，實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中為了發(fā)揮冷卻塔的最大效率，將循環(huán)水泵的運(yùn)行模式由“五開(kāi)三備”調(diào)整為“四開(kāi)四備”（每臺(tái)額定流量1400 m3/h），同時(shí)也請(qǐng)水處理承包商關(guān)注水處理的各項(xiàng)指標(biāo)，對(duì)各壓縮機(jī)的進(jìn)回水管道內(nèi)流速用超聲波流量計(jì)進(jìn)行檢測(cè)，避免結(jié)垢而腐蝕，如有檢修機(jī)會(huì)安排清洗。

3.4 關(guān)注前置過(guò)濾器的工作狀況

目前前置過(guò)濾器典型的性能規(guī)格是持續(xù)脫除97%的大于2 μm的顆粒，同時(shí)關(guān)注前置過(guò)濾的壓降，安裝過(guò)程中防止出現(xiàn)密封不嚴(yán)等情況，目前出現(xiàn)的案例表明空氣不進(jìn)行過(guò)濾不但會(huì)造成空壓機(jī)冷卻器結(jié)垢，還會(huì)對(duì)壓縮機(jī)葉輪及流道產(chǎn)生影響。針對(duì)空氣中游離水量含量增加，目前已有過(guò)濾器廠商提出解決方案，在過(guò)濾之前加裝除水過(guò)濾器，目前沿海地區(qū)的空分開(kāi)始使用此類過(guò)濾器，主要還是為了降低空壓機(jī)能耗。

4 結(jié)論

綜上所述，空分日常運(yùn)行過(guò)程中關(guān)注壓縮機(jī)的冷卻器運(yùn)行狀況，發(fā)現(xiàn)趨近溫度擴(kuò)大趨勢(shì)及時(shí)分析原因并采取相關(guān)措施，同時(shí)遇到檢修機(jī)會(huì)及時(shí)清洗換熱效果較差的冷卻器。目前空分工藝流程相對(duì)成熟，做好經(jīng)濟(jì)運(yùn)行工作意義重大，作為企業(yè)應(yīng)積極響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排政策，減少碳排放量，扎實(shí)推進(jìn)節(jié)能減排工作。