低溫工況空壓機(jī)組換熱器冰堵故障分析及預(yù)防措施

劉志龍，陳 旭，謝傳東，劉曉明，曹 斌

（1.合肥通用機(jī)械研究院有限公司 壓縮機(jī)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230031；2.深圳市銳昌智能科技有限公司，廣東深圳 518007）

0 引言

空壓機(jī)組是壓縮空氣產(chǎn)生裝置，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子、化纖、生物醫(yī)藥、食品、鋼鐵、石化、軌道交通等行業(yè)[1]。以軌道交通為例，空壓機(jī)組是軌道交通（鐵路、地鐵等）關(guān)鍵供風(fēng)設(shè)備，是專為軌道交通車輛設(shè)計(jì)的空氣產(chǎn)生和處理單元，其主要用途是為車輛制動(dòng)系統(tǒng)、空氣懸掛裝置、車門控制等提供干燥、潔凈的壓縮空氣[2-3]。板翅式換熱器具有傳熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)，因此軌道交通用空壓機(jī)組冷卻系統(tǒng)一般采用板翅式換熱器并與冷卻風(fēng)機(jī)相結(jié)合，對(duì)壓縮空氣進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流換熱。隨著我國(guó)軌道交通在全國(guó)各地的普及，對(duì)于東北、西北等地區(qū)，冬季氣候條件相對(duì)惡劣，氣溫極低，軌道交通用空壓機(jī)組常出現(xiàn)換熱器內(nèi)部熱流通道冰堵現(xiàn)象，給列車的安全運(yùn)行造成威脅。

目前，換熱器冰堵故障常見(jiàn)于空分設(shè)備，大多數(shù)學(xué)者對(duì)空分設(shè)備換熱器冰堵故障開(kāi)展了相應(yīng)的故障分析，指出換熱器內(nèi)漏是換熱器產(chǎn)生冰堵的主要原因，并給出了合理的解決措施和辦法[4-7]，趙敬德等[8]對(duì)翅片換熱器表面霜層質(zhì)量生長(zhǎng)特性及平均堵塞率開(kāi)展了試驗(yàn)研究，并首次提出翅片平均堵塞率概念，分析了各參數(shù)對(duì)霜層質(zhì)量生長(zhǎng)特性及翅片平均堵塞特性的影響。但目前還鮮有學(xué)者對(duì)軌道交通用空壓機(jī)組低溫工況運(yùn)行時(shí)換熱器產(chǎn)生的冰堵故障進(jìn)行分析，因此為減少或杜絕事故的發(fā)生，有必要對(duì)換熱器在低溫運(yùn)行時(shí)的工作特點(diǎn)進(jìn)行分析，確定換熱器冰堵故障原因，并提出合理預(yù)防改進(jìn)措施。

1 空壓機(jī)組工作原理

已知某軌道交通用空壓機(jī)組，其基本工作流程如圖1所示。

圖1 空壓機(jī)組氣路原理示意Fig.1 Schematic diagram of air circuit of air compressor

空壓機(jī)組工作原理：氣體由進(jìn)氣過(guò)濾器（AF）過(guò)濾后經(jīng)進(jìn)氣閥（IV）進(jìn)入螺桿壓縮機(jī)（C）進(jìn)行壓縮，隨后壓縮氣體入過(guò)油氣分離器（OS）進(jìn)行油氣分離，分離出空氣中較大顆粒油滴，使油分離器出口壓縮空氣含油量低于3 mg/m3，氣體經(jīng)油氣分離后由最小壓力閥（MPV1）進(jìn)入換熱器（AC）進(jìn)行冷卻換熱，將壓縮空氣冷卻到高于環(huán)境溫度15 ℃左右，隨后氣體離開(kāi)換熱器進(jìn)入油水分離器（OF）和氣水分離器（CF）進(jìn)一步進(jìn)行油水分離和氣水分離后，進(jìn)入雙塔干燥器（ST）進(jìn)行氣體干燥，最后進(jìn)入除塵過(guò)濾器（DF）對(duì)雙塔干燥器可能出現(xiàn)的粉塵進(jìn)行過(guò)濾，氣體經(jīng)過(guò)以上處理過(guò)程，壓縮機(jī)組出口的壓縮空氣可滿足用氣端對(duì)壓縮空氣潔凈、干燥、無(wú)油的技術(shù)要求。

2 換熱器析水量計(jì)算與冰堵故障分析

2.1 空壓機(jī)組不同運(yùn)行工況析水量計(jì)算

析水量計(jì)算與氣體流經(jīng)各部件的氣體狀態(tài)有關(guān)，尤其是和氣體溫度密切有關(guān)，為此需開(kāi)展空壓機(jī)組高低溫恒濕試驗(yàn)研究確定以上參數(shù)。

在空氣過(guò)濾器（AF）和進(jìn)氣閥（IV）之間、壓縮機(jī)（C）機(jī)頭氣腔溫度開(kāi)關(guān)接口處和氣體換熱器（AC）進(jìn)、出口處分別布置溫度傳感器T0，T1，T2，T3，傳感器位置如圖2所示，以監(jiān)測(cè)氣體從進(jìn)氣到換熱器出口過(guò)程中的溫度變化。

圖2 溫度傳感器布置示意Fig.2 Schematic diagram of temperature sensor layout

已知某軌道交通列車用螺桿空壓機(jī)組為單級(jí)壓縮，設(shè)計(jì)工作溫度范圍-25～50 ℃，進(jìn)氣壓力為0.1 MPa，額定排氣壓力為0.9 MPa，額定容積流量為0.9 m3/min，將該空壓機(jī)組置于環(huán)境艙內(nèi)，環(huán)境艙內(nèi)溫度依次調(diào)節(jié)至 -30，-20，5，20，35，41 ℃，并且將排氣壓力p1調(diào)節(jié)至0.9 MPa以模擬空壓機(jī)組在不同環(huán)境溫度下運(yùn)行情況，獲得對(duì)應(yīng)工況各溫度傳感器物理參量的變化規(guī)律，待傳感器示數(shù)相對(duì)穩(wěn)定后，讀取各溫度傳感器值，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 溫度傳感器隨環(huán)境艙溫度關(guān)系Fig.3 Relationship between temperature sensor and ambient cabin temperature

圖3所示結(jié)果表明：環(huán)境艙內(nèi)溫度分布并非均勻的，空壓機(jī)的吸氣溫度T0一般高于環(huán)境艙溫度6～8 ℃，主要是因?yàn)槎邷囟葌鞲衅鞑贾貌辉谕晃恢们覊嚎s機(jī)自身發(fā)熱及換熱器散發(fā)出熱量會(huì)使得環(huán)境艙內(nèi)溫度分布略有不均；換熱器進(jìn)口溫度T2和壓縮機(jī)排氣溫度T1數(shù)值相差較大，且環(huán)境艙內(nèi)溫度越低二者數(shù)值相差越大，當(dāng)環(huán)境艙內(nèi)溫度為-30 ℃時(shí)，二者差值高達(dá)53.92 ℃，而在環(huán)境艙內(nèi)溫度為41 ℃時(shí)，二者差值僅為12.85 ℃，這表明，壓縮氣體在經(jīng)過(guò)油氣分離器進(jìn)行油氣分離時(shí)，油氣分離器充當(dāng)著“冷卻器”的角色，而且外界環(huán)境溫度越低冷卻效果越明顯；受溫控閥調(diào)控，壓縮機(jī)排氣溫度T1隨環(huán)境艙溫度略有升高，但總體變化不大。

綜合上述試驗(yàn)分析，油氣分離器冷卻作用不可忽略，現(xiàn)結(jié)合以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算壓縮機(jī)出口析水量G1、油氣分離器析水量G2、換熱器析水量G3。已知該空壓機(jī)組在標(biāo)況下吸入流量為V0=0.9 m3/min，吸入空氣狀態(tài)P0=0.1 MPa，空氣相對(duì)濕度?=90%，經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后，氣體壓力升高至p1=0.9 MPa，壓縮機(jī)排氣溫度為T1，油氣分離器出口溫度T2（由于OS和AC之間的管道較短，忽略本部分管道冷卻作用），換熱器的出口壓縮氣體溫度T3。析水量計(jì)算步驟如下：

（1）當(dāng)吸氣溫度為T0時(shí)，查表1，找到T0溫度對(duì)應(yīng)的濕空氣飽和水蒸氣密度ρs1，所以空壓機(jī)吸入的水量為：

（2）空氣經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后，氣體壓力p1，壓縮空氣溫度為T1，該狀態(tài)空氣的體積V1可由狀態(tài)方程式求得：

（3）單位體積含水量按下式計(jì)算：

（4）根據(jù)式（3）求得d1，找到 d1對(duì)應(yīng)的壓力露點(diǎn)t，若T1＞t，則壓縮氣體在離開(kāi)壓縮腔時(shí)的空氣處于非飽和狀態(tài)，氣體不會(huì)有凝結(jié)水析出，若T1＜t，則壓縮氣體在離開(kāi)壓縮腔時(shí)的空氣處于飽和狀態(tài)，氣體會(huì)有凝結(jié)水析出。

（5）經(jīng)過(guò)油氣分離器后，壓縮空氣溫度降至T2，假定冷卻前后氣體壓力保持不變，則壓縮空氣體積也進(jìn)一步下降變?yōu)閂2，其值按下式計(jì)算：

（6）單位體積含水量，按下式計(jì)算：

（7）查表1，找出T2對(duì)應(yīng)空氣飽和水蒸汽密度ρs2，則每小時(shí)凝結(jié)水量按下式計(jì)算：

表1 飽和濕空氣[9]Tab.1 Table of saturated wet air[9]

（8）氣體流經(jīng)換熱器換熱時(shí)，其析水量計(jì)算見(jiàn)油氣分離器析水量計(jì)算步驟。

根據(jù)析水量計(jì)算步驟1～7，計(jì)算出壓縮機(jī)出口析水量G1、油氣分離器析水量G2、換熱器析水量G3，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 析水量與吸氣溫度（?=90%）的關(guān)系Fig.4 Relationship between amount of condensed water and suction temperature（?=90%）

圖4表明，空壓機(jī)入口空氣相對(duì)濕度（?=90%）保持不變的情況下，吸氣溫度低于27 ℃時(shí)，壓縮機(jī)出口無(wú)凝結(jié)水生成，吸氣溫度高于27 ℃時(shí)，壓縮機(jī)出口有凝結(jié)水生成；當(dāng)空壓機(jī)組在低溫環(huán)境運(yùn)行時(shí)（小于0 ℃），油氣分離器出口無(wú)冷凝水生成，即在0 ℃以下環(huán)境運(yùn)行時(shí)，空壓機(jī)組僅在換熱器內(nèi)產(chǎn)生凝結(jié)水。

分別將環(huán)境艙內(nèi)的濕度改為60%和30%，重新計(jì)算，僅將低溫工況運(yùn)行數(shù)據(jù)計(jì)算整理，結(jié)果如圖5所示。圖5表明，低溫工況下空壓機(jī)入口空氣相對(duì)濕度對(duì)換熱器的析水量產(chǎn)生較大影響，濕度越大，換熱器出口析出水量越多，且析水量隨濕度增加近似呈“指數(shù)函數(shù)”形式增長(zhǎng)。并由圖可知，析水量的多少不僅和濕度有關(guān)還和壓縮機(jī)入口空氣的溫度有關(guān)，吸氣溫度越低，換熱器的析水量越少，這是因?yàn)闅鉁囟仍降?，空氣飽和水蒸氣密度越小，壓縮機(jī)吸入的水量就越少。

圖5 析水量與吸氣空氣濕度?的關(guān)系Fig.5 Relationship between the amount of condensed water and the humidity?of the suction air

2.2 換熱器冰堵故障分析

換熱器冰堵故障發(fā)生常見(jiàn)于低溫環(huán)境下壓縮機(jī)組低運(yùn)轉(zhuǎn)率（開(kāi)機(jī)時(shí)間/（停機(jī)時(shí)間+開(kāi)機(jī)時(shí)間））情況下，從故障發(fā)生所處的環(huán)境現(xiàn)象中提取兩個(gè)關(guān)鍵的條件：一是低溫環(huán)境，由于冷卻風(fēng)機(jī)的冷卻風(fēng)量不變，而換熱器入口的溫度較低（主要是油氣分離器在低溫下也充當(dāng)冷卻器），在如此大的冷卻風(fēng)量之下，必然會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱器出口壓縮氣體溫度過(guò)低，從而在換熱器內(nèi)析出較多冷凝水，這是冰堵產(chǎn)生的原始條件；二是低運(yùn)轉(zhuǎn)率，當(dāng)空壓機(jī)在低運(yùn)轉(zhuǎn)率的“停機(jī)”的過(guò)程中，由于停機(jī)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，在低溫作用下，由換熱器析出的凝結(jié)水會(huì)附著在其內(nèi)通道表面并得以固化，在空壓機(jī)啟動(dòng)后，凝結(jié)水生成量會(huì)進(jìn)一步增加，這些凝結(jié)水的部分水量又會(huì)在下一次空壓機(jī)停機(jī)過(guò)程中冷凝并固化在上一次停機(jī)過(guò)程中固化的冰晶上，使得冰層變厚，如此循環(huán)往復(fù)，導(dǎo)致?lián)Q熱器內(nèi)通道的冰層越來(lái)越厚，最終造成內(nèi)通道堵塞，如果壓縮機(jī)一直是連續(xù)工作的，那么換熱器內(nèi)析出水分即使在低溫作用下凝結(jié)成小冰晶也會(huì)被高速氣體帶走，在氣流作用下冰堵現(xiàn)象短時(shí)間不會(huì)發(fā)生。

綜上所述：冰堵故障產(chǎn)生的主要原因是低溫環(huán)境下?lián)Q熱器壓縮氣體側(cè)、冷卻空氣側(cè)不匹配和空壓機(jī)組低運(yùn)轉(zhuǎn)率綜合作用的結(jié)果。

3 換熱器冰堵故障解決方案

根據(jù)冰堵故障分析結(jié)果，環(huán)境中空氣的低溫高濕在沒(méi)有其它輔助條件下難以改變，對(duì)于某些特定的列車運(yùn)轉(zhuǎn)率也是較為固定的，因此必須從換熱器的設(shè)計(jì)方面提出解決措施。

要確保空壓機(jī)組在低溫不發(fā)生冰堵故障，換熱器的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下條件：

即壓縮氣體經(jīng)換熱器冷卻前后無(wú)凝結(jié)水析，由圖4可知，要確保在低溫環(huán)境運(yùn)行不析出水，只需要在吸氣溫度為0 ℃時(shí)，換熱器析水量G3≤0即可。將T0=0 ℃、?=90%、T1=70.6 ℃（該值可通過(guò)查圖3）、T2=33 ℃，代入式（1）～式（7）求得：

這就是換熱器不析出水的判據(jù)，對(duì)比T2和T3數(shù)值可知從油氣分離器出來(lái)的壓縮氣體時(shí)，不需要進(jìn)入換熱器換熱就可以不析出凝結(jié)水。

為實(shí)現(xiàn)該方法采用圖6所示結(jié)構(gòu)，分別在支路2，3上安裝一電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，當(dāng)吸氣溫度范圍為0≤t≤50 ℃時(shí)M1開(kāi)度為0，M2開(kāi)度為100%；當(dāng)吸氣溫度-25 ℃≤t≤0時(shí)，M1開(kāi)度為100%；M2開(kāi)度為0，其控制原理如圖7所示，為方便實(shí)施，換熱器前的氣干路和支路2，3管徑應(yīng)該滿足d1=d2=d3。

圖7 氣動(dòng)球閥控制原理Fig.7 Schematic diagram of pneumatic ball valve control

按照?qǐng)D6所示的改造方案，將改造后的換熱器裝入空壓機(jī)組并在環(huán)境艙內(nèi)進(jìn)行低溫高濕低運(yùn)轉(zhuǎn)率試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)將環(huán)境艙空氣濕度調(diào)節(jié)為90%、環(huán)境溫度調(diào)至-25 ℃，機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)率設(shè)置為20%（開(kāi)機(jī)3 min停機(jī)12 min），排氣壓力設(shè)為0.9 MPa，運(yùn)行72 h，支路3溫度始終＞0 ℃運(yùn)行情況良好，無(wú)冰堵故障產(chǎn)生，換熱器改進(jìn)有效。

4 結(jié)論

（1）高低溫試驗(yàn)結(jié)果表明，壓縮氣體在經(jīng)過(guò)油氣分離器進(jìn)行油氣分離時(shí)，油氣分離器充當(dāng)著“冷卻器”的角色，且外界環(huán)境溫度越低油氣分離器冷卻效果越明顯。

（2）隨著吸氣溫度的升高，析出水分部件的先后順序?yàn)椋瑩Q熱器出口、油氣分離器出口、壓縮機(jī)出口，在0 ℃以下環(huán)境運(yùn)行時(shí)，空壓機(jī)組僅在換熱器內(nèi)產(chǎn)生凝結(jié)水。析水量的多少與濕度和吸氣溫度密切相關(guān)，相對(duì)濕度越大，換熱器出口析出水量越多，且析水量隨濕度增加近似呈“指數(shù)函數(shù)”形式增長(zhǎng)，吸氣溫度越低，換熱器的析水量越少。

（3）冰堵故障產(chǎn)生的主要原因是低溫環(huán)境下?lián)Q熱器壓縮氣體側(cè)、冷卻空氣側(cè)不匹配和空壓機(jī)組低運(yùn)轉(zhuǎn)率綜合作用的結(jié)果。

（4）以低溫工況換熱器析水量為0為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，對(duì)換熱器工作模式進(jìn)行了改進(jìn)并通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行有效性驗(yàn)證，雖然方案比較簡(jiǎn)單，但切實(shí)可行，試驗(yàn)結(jié)果良好，改進(jìn)方案有效。