螺桿式空壓機(jī)運行效率下降原因與處理研究

楊 梅，合 蕊，劉星滟，王興鋒

（紅塔煙草（集團(tuán)）有限責(zé)任公司昭通卷煙廠，云南 昭通 657000）

在能源日漸緊缺的背景下，各國都在節(jié)能降碳等領(lǐng)域達(dá)成了共識，對工業(yè)節(jié)能也提出了更高要求。而螺桿式空壓機(jī)作為常見工業(yè)設(shè)備，日常產(chǎn)生的能耗較高，需要通過提高設(shè)備運行效率挖掘節(jié)能潛力。因此，應(yīng)著重對如何提升設(shè)備運行效率進(jìn)行研究，結(jié)合設(shè)備運行效率下降原因進(jìn)行系統(tǒng)分析，通過運行效率科學(xué)評價機(jī)制實現(xiàn)升級改造。

1 項目概況

昭通卷煙廠采用螺桿式空壓機(jī)進(jìn)行空氣壓縮和輸送，空壓機(jī)機(jī)組采用四級壓縮、三級冷卻等溫設(shè)計方式，中間冷卻器分別布置在機(jī)組兩側(cè)。設(shè)備型號分別為ZR5R-52（4 740 Nm3/h），ZR500VSD（3 600 Nm3/h），ZR400（3 600 Nm3/h），ZR4-51（1 800 Nm3/h），總體產(chǎn)氣量為13 740 Nm3/h。自投產(chǎn)以來，設(shè)備長期維持良好運行狀態(tài)，排氣壓力和流量等參數(shù)基本符合要求。然而，近期機(jī)組出口流量持續(xù)下降，無法達(dá)到設(shè)計流量（見表1），出現(xiàn)了設(shè)備運行效率下降的問題，給機(jī)組正常工況的建立帶來了不利影響。

表1 空壓機(jī)機(jī)組歷年運行數(shù)據(jù)

2 螺桿式空壓機(jī)運行效率下降原因

2.1 本體運行問題分析

在機(jī)組運行的過程中，空壓機(jī)系統(tǒng)由空壓機(jī)、冷卻器、干燥機(jī)、過濾器、管路系統(tǒng)、排水器等多個部分構(gòu)成[1]。即便主機(jī)達(dá)到較高比功率，在其他設(shè)備發(fā)生較大阻力損失的情況下也將導(dǎo)致電機(jī)運行效率下降，引發(fā)整機(jī)效能降低。對空壓機(jī)運行效率進(jìn)行評價可知

式中：w 為主機(jī)功率，kW；N 為主機(jī)軸功率，kW；Q 為主機(jī)容積流量，m3/min。對空壓機(jī)的投入與產(chǎn)出關(guān)系進(jìn)行分析可知，在規(guī)定工況下空壓機(jī)輸入比功率滿足

式中：w'為輸入比功率，kW/m·3min-1；N'為整機(jī)輸入功率，kW；Q'為實際容積流量，m3/min。對機(jī)組實際情況進(jìn)行分析可知，自空壓機(jī)運行以來，故障率較低，輸入比功率能夠達(dá)到4.58 kW/m3·min-1，整體性能良好。由此可見，機(jī)組出現(xiàn)運行效率下降的情況主要是受到了其他因素影響。

2.2 系統(tǒng)泄漏問題分析

在空壓機(jī)系統(tǒng)運行過中，需要維持壓力穩(wěn)定，如果發(fā)生壓力波動也將給主機(jī)運行帶來不良影響，導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)頻繁啟停、加載和卸載問題，繼而出現(xiàn)運行效率下降的情況。根據(jù)表1 數(shù)據(jù)可知，2022年機(jī)組的出口壓力明顯下降，出現(xiàn)這一情況與空氣管路連接氣密性下降有關(guān)，從而導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)了“冒”“漏”等現(xiàn)象引發(fā)壓力下降的問題，為此帶來巨大能源消耗。由表2 可知，當(dāng)出現(xiàn)不同大小泄氣孔時，隨著氣孔直徑增加將引發(fā)較大泄漏量，導(dǎo)致排氣壓力隨之下降，繼而引發(fā)運行效率下降。隨之對管道連接法蘭、軸端密封等處進(jìn)行檢查，并未發(fā)現(xiàn)明顯泄漏情況，故判斷系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生了泄漏，造成機(jī)組偏離原本的設(shè)計工況。

表2 壓縮空氣泄漏量查詢表

2.3 系統(tǒng)阻塞問題分析

系統(tǒng)出現(xiàn)排氣量下降的問題，可能與系統(tǒng)阻塞有關(guān)。在過濾器阻力較大的情況下，將導(dǎo)致空壓機(jī)吸入壓力減少，引發(fā)壓比增加，最終導(dǎo)致排氣量減少。對空分設(shè)備上塔壓力進(jìn)行檢查可知，并未出現(xiàn)明顯壓力損失，因此，排除系統(tǒng)過濾器阻塞情況。此外，導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)出現(xiàn)積灰過多等問題，也會引發(fā)排氣量下降的問題。而根據(jù)2020 年2 月的大修記錄可知，導(dǎo)葉整體較為干凈，不存在結(jié)構(gòu)異常問題。

2.4 系統(tǒng)冷卻問題分析

在系統(tǒng)冷卻水量不足的情況下，同樣會導(dǎo)致排氣量減少。根據(jù)設(shè)備參數(shù)可知，冷卻器設(shè)計流量為1 200 m3/h，循環(huán)水壓為0.35 MPa。實際進(jìn)水量達(dá)到1 400 m3/h，母管水壓達(dá)到0.45 MPa，進(jìn)入空壓機(jī)的冷卻水設(shè)計最高溫度為33 ℃，實際夏季最高溫度可以達(dá)到41 ℃，需要更多冷卻水。冷卻水供應(yīng)不足，與冷卻水泄漏和冷卻器換熱不理想有關(guān)。機(jī)組包含三級冷卻器，前兩級泄漏將發(fā)生堵塞、結(jié)垢等問題，后一級泄漏將引發(fā)排氣量減少。經(jīng)檢查，并不存在泄漏問題。通過近年來空壓機(jī)機(jī)組和各級壓力變化情況（見表3）可知，存在汽側(cè)結(jié)垢問題，檢查發(fā)現(xiàn)翅片因腐蝕而出現(xiàn)脫落，引發(fā)了管道堵塞。氣體通過翅片和管內(nèi)與循環(huán)水換熱時，由于管道堵塞將造成換熱效果不佳，最終導(dǎo)致排氣量下降。

表3 近年來空壓機(jī)機(jī)組各級壓力變化情況（kPa）

3 螺桿式空壓機(jī)運行效率下降問題處理

3.1 做好內(nèi)漏處理

空壓機(jī)出現(xiàn)內(nèi)漏問題與設(shè)備在壓縮空氣過程中產(chǎn)生的冷凝液有關(guān)。冷凝液中包含重金屬、硫化物等各種高腐蝕性物質(zhì)，在無法順利排出的情況下將長期留存在設(shè)備內(nèi)部，導(dǎo)致本體和系統(tǒng)管道受到腐蝕，嚴(yán)重時將引發(fā)停機(jī)問題[2]。為確定內(nèi)漏位置，對空壓機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析可知，中間冷卻器采用矩形翅片，與換熱管脹接成單元換熱管。單元換熱管構(gòu)成管束，管內(nèi)流水，管外排氣，經(jīng)長期沖刷后管壁減薄，引發(fā)了內(nèi)部管路泄露問題。內(nèi)漏導(dǎo)致氣路帶水，在含水量較大時無法通過分離器有效分離，進(jìn)入下一級壓縮后懸浮在分離器上，導(dǎo)致氣流下降。將機(jī)組解體后，沿著空氣流動進(jìn)行管路檢查，發(fā)現(xiàn)裂縫、漏洞進(jìn)行補(bǔ)焊處理。針對變薄的管壁，考慮到補(bǔ)焊效果不佳，將兩側(cè)封堵后更換管路，以免后續(xù)短時間內(nèi)再次發(fā)生內(nèi)漏情況。為避免同類問題反復(fù)發(fā)生，需要保證冷凝液得到及時排放。而改造前空壓機(jī)系統(tǒng)冷凝液主要采用手動排放方式，如果將手動閥始終處于打開位置，將引發(fā)長時間排氣損失。現(xiàn)場確認(rèn)手動閥排放口徑達(dá)到4 mm，氣體損失達(dá)到0.745 m3/min。為減少資源浪費，對冷凝液排放管道進(jìn)行改造，在管路上增設(shè)電子液位控制排水器，根據(jù)冷凝液的液位及時自動打開閥門進(jìn)行排放。通過采取全自動手段，能夠避免內(nèi)漏問題發(fā)生的同時，減少排氣損失。此外，為避免因裝置故障導(dǎo)致冷凝液無法順利排出，在管道上增設(shè)旁通管道，并在巡檢內(nèi)容中增設(shè)排水器檢查項，每4 h進(jìn)行一次檢查，發(fā)現(xiàn)故障及時開啟旁通閥門排出冷凝液，有效杜絕內(nèi)漏故障的發(fā)生，確?？諌簷C(jī)系統(tǒng)可以維持較高的運行效率。

3.2 提高換熱效率

受環(huán)境溫度、氣夾水等問題的影響，空壓機(jī)容易出現(xiàn)冷卻器換熱效率下降的情況，進(jìn)而引發(fā)機(jī)組排氣量和運行效率下降問題。為提高換熱效率，需要對一級冷卻器進(jìn)行更換，提高換熱器換熱效率。換熱器溫度效率滿足

式中：η 為換熱效率；t1和t2為被加熱工質(zhì)進(jìn)出溫度，℃；T1和T2為加熱工質(zhì)進(jìn)出換熱器的溫度，℃。通過測量和計算可知，原來一級冷卻器換熱效率僅為80.33%，更換高效冷卻器后，換熱效率可以達(dá)到98.72%，有效降低一級排氣溫度。經(jīng)過測量可知，改造后二級冷卻器的進(jìn)水溫度從28 ℃提升至29.7 ℃，排水溫度從38.3 ℃降低至37.8 ℃，換熱效率從78.0%提升至90.5%。而三級冷卻器的排水溫度從38.5 ℃提升至39.8 ℃，換熱效率從71.6%提升至75.1%。通過提高系統(tǒng)換熱效率，在夏季溫度較高的情況下，能夠避免出現(xiàn)冷卻水供應(yīng)不足問題。此外，考慮到冷卻器翅片容易受到腐蝕，不能單純進(jìn)行翅片修復(fù)，而是需要更換為耐腐蝕材質(zhì)的翅片，并適當(dāng)增加氣體通過面積，達(dá)到加強(qiáng)冷卻器換熱的目標(biāo)?？傊?，就是選用鋁+防腐涂層的翅片，換熱管為鐵白銅材質(zhì)，換熱面積從1 420 m2增加到1 510 m2，換熱管數(shù)量從460 支增加到570 支。在完成空壓機(jī)檢修后，需要對冷卻水管、空氣流道、葉輪等進(jìn)行全面清洗，以保證內(nèi)部管路暢通，避免出現(xiàn)堵塞情況[3]。

3.3 運行效率評價分析

經(jīng)過系列改造后，為確定空壓機(jī)系統(tǒng)性能優(yōu)化情況，需要進(jìn)行試運行測試，發(fā)現(xiàn)機(jī)組出口壓力達(dá)到了608 kPa，產(chǎn)氣量達(dá)到了13 740 Nm3/h，符合生產(chǎn)要求。對改進(jìn)前后空壓機(jī)運行效率進(jìn)行評價（見表4），隨著排氣壓力提升，排氣量明顯增加。在空壓機(jī)整機(jī)輸入功率不變的情況下，通過增加實際容積流量可以進(jìn)一步降低輸入比功率，從而達(dá)到提升壓縮機(jī)運行效率的目地，將系統(tǒng)運行效率提升10%。在忽視放空問題的情況下可知，相同負(fù)荷下空壓機(jī)電流減少6 A，能夠節(jié)約94 kW·h 電能，按照0.65 元（/kW·h）電價，可節(jié)約電費約50 萬元/年。

表4 優(yōu)化前后空壓機(jī)機(jī)組運行參數(shù)

為確?？諌簷C(jī)日常維持良好運行狀態(tài)，需要建立點檢標(biāo)準(zhǔn)對設(shè)備運行經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過對主機(jī)功率和輸入功率的分析完成運行效率評價，并通過查看入口阻力、級間氣體冷卻后溫度等參數(shù)確認(rèn)是否存在阻塞、泄漏等問題。建立推移圖直觀反映設(shè)備運行數(shù)據(jù)變化，能夠及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常情況，通過及時介入保證設(shè)備始終維持較高運行效率。此外，針對空壓機(jī)運行效率下降情況，考慮到隨著使用年限的延長葉輪效率會持續(xù)下降，還需對機(jī)組性能進(jìn)行優(yōu)化。實際上，在設(shè)計空壓機(jī)的過程中，通常會在流量和出口壓力等方面留有余量，在余量重復(fù)疊加的情況下將引發(fā)實際運行點偏離設(shè)計值的情況，導(dǎo)致機(jī)組運行效率下降。結(jié)合這一特性，后續(xù)可以重新進(jìn)行機(jī)組出口壓力選定，然后根據(jù)新的出口壓力進(jìn)行葉輪等零部件的制作，在不更換其他系統(tǒng)部件的情況下提高機(jī)組整體運行效率。

4 結(jié)論

提高空壓機(jī)設(shè)備的運行效率，能為節(jié)能生產(chǎn)提供有力支持。針對螺桿式空壓機(jī)的運行效率下降問題進(jìn)行分析可知，與本體運行、管路泄露等多種因素有關(guān)，需要通過科學(xué)評價找到根本原因，以便采取有效措施提高系統(tǒng)運行效率。結(jié)合系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析，可以從提升空壓機(jī)運行效率角度提出未來技術(shù)攻關(guān)方向，為實現(xiàn)同類型設(shè)備升級改造積累豐富的經(jīng)驗。