空壓機系統(tǒng)故障分析與性能提升改造探究

左健 王暉 馮瑞 周海

(國電青山熱電有限公司，湖北 武漢 430082)

在火力發(fā)電廠附屬設(shè)備中，壓縮空氣系統(tǒng)是氣動設(shè)備傳動輸出重要來源，如果壓縮空氣系統(tǒng)因空壓機故障停運發(fā)生失壓事故，會造成氣動控制閥門、表計和氣力設(shè)備無法正常工作。國電青山熱電有限公司#13、#14機組配套安裝有六臺阿特拉斯生產(chǎn)的GA250W-7.5型空壓機，排氣量為43.7 m3/min，排氣壓力為0.75 MPa，額定功率25 kW、額定電壓6 kV，冷卻方式為水冷，后處理設(shè)備配套為杭州三立組合式冷干機組。自機組投運至今，因系統(tǒng)設(shè)計和設(shè)備適應(yīng)等原因，設(shè)備缺陷多，運行可靠性差，維護工作量大，影響#13、#14機組安全運行。

目前，壓縮空氣系統(tǒng)故障分析與改造是生產(chǎn)企業(yè)關(guān)心的熱點問題。孫立新[1]提出壓縮機在吸氣過程中對雜質(zhì)過濾效果不好、空壓機冷卻效果差，是壓縮空氣系統(tǒng)存在的兩個主要問題。劉成紅[2]指出空壓機未滿載運行是造成能耗浪費的主要原因。袁友增等[3]采用增開天窗和增設(shè)排風(fēng)風(fēng)機等措施，降低了空壓站內(nèi)的環(huán)境溫度，提高了機組的工作效率。鄧杰[4]指出粉塵是影響空壓機正常運行的主要原因，通過過濾設(shè)施提高空氣的潔凈程度，對機組安全平穩(wěn)運行非常重要。張思雨[5]分析了壓縮機過濾精度對其運行的影響，并對其入口過濾器進行了針對性改造，降低了設(shè)備的維修成本。于世勇[6]指出，若機房溫度未超范圍，檢查水冷機的重點是觀測進水水量、水溫，排除冷卻器存在水垢的可能性，同時還需檢查實際風(fēng)冷風(fēng)量。郭春梅[7]指出溫度過高是目前空氣壓縮機報警最多的故障。主要原因是風(fēng)冷型空壓機冷卻器經(jīng)常堵塞，油氣分離器濾芯堵塞，空氣過濾器堵塞。高浩亮[8]通過熱成像技術(shù)發(fā)現(xiàn)空壓機運轉(zhuǎn)時機頭發(fā)熱最大，并呈現(xiàn)不斷上升趨勢，應(yīng)對該位置進行重點通風(fēng)散熱。楊永豐[9]通過對空壓機冷卻原理和效果影響因素的分析，提出了一些減少高溫引起空壓機故障的方案。張廷軍[10]對空壓機的高溫故障的原因進行了多方面分析，提出了一些解決該問題的思路。吳松林[11]提出通過投加氧化性殺菌劑控制冷卻水中的微生物生長，解決冷卻水路由于粘泥堵塞造成冷卻水無法正常流通的問題。孫金龍[12]提出增加緩釋阻垢劑、殺菌滅藻劑、分散劑使得雜質(zhì)分散為微粒，懸浮在水中，降低污垢對傳熱效果的影響，還能讓懸浮物隨污水排出系統(tǒng)。吳波[13]對冷卻水回水進行改造后，空壓機排氣溫度和回水溫度都得到了有效降低。王闊[14]指出，對冷卻水水質(zhì)的變化情況進行檢測，合理選擇藥劑，能有效提升水質(zhì)。王宇[15]針對循環(huán)冷卻水通過微生物調(diào)解水質(zhì)較好的應(yīng)用效果，著重論述了該方法的作用機理，探討了該方法的發(fā)展方向和應(yīng)用前景。徐進偉[16]結(jié)合空壓機機房布局，布置散熱通風(fēng)管道，取得了良好的通風(fēng)散熱效果，實現(xiàn)了空壓機整體平穩(wěn)運行。

本文對空壓機故障的原因進行分析，針對影響空壓機平穩(wěn)安全運行的3個主要因素，即空壓機本體、冷卻水水質(zhì)、空氣品質(zhì)，提出空壓機系統(tǒng)改造方案，保證空壓機的設(shè)備系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

1 主要缺陷

在每年的3～4月，對#13、#14機組6臺空壓機本體部分進行了一次全面的維護大保養(yǎng)，更換了所有的空冷器濾芯、油濾器濾芯、油氣分離器濾芯，更換或清理了所有溫控閥組件、檢查更換了減荷閥維修包、斷油閥維修包?？諌簷C冷卻器由于清理頻繁，造成了空壓機冷油器銅管破損泄漏，在全面維護保障工作中對冷油器換熱面積加大改造，從而減少了空壓機在夏季時的缺陷報警次數(shù)。但從每年的5月到8月，#13、#14機組空壓機報警次數(shù)還是居高不下，單月缺陷報警30次，而同期對比12#機組空壓機缺陷報警10次。具體缺陷報警統(tǒng)計如表1所示。

表1 #13、#14機組空壓機5～8月份缺陷報警統(tǒng)計表

2 主要缺陷的原因分析

2.1 空壓機本體特性

#13、#14機組空壓機冷卻器選用歐洲標(biāo)準。公司冷卻水的水質(zhì)不適應(yīng)該冷卻器對水質(zhì)的要求，經(jīng)常出現(xiàn)高溫報警的情況。#12機組空壓機采用的是同供應(yīng)商空壓機技術(shù)，但采用的油冷卻器與#13、#14機組空壓機的油冷卻器不同，在冷卻水取水條件基本相同的情況下，沒有出現(xiàn)過高溫報警的情況。#13、#14機組空壓機設(shè)計為空壓機(單臺)→干燥器(單臺)→母管→儲氣罐的一對一模式。該空壓機系統(tǒng)除了經(jīng)常出現(xiàn)高溫報警的問題之外，系統(tǒng)設(shè)計還存在幾個主要缺陷。

2.1.1 空壓機母管壓力缺乏有效檢測

空壓機出口測點無法檢測到母管壓力，造成空壓機頻繁加卸載。在安裝一條平衡管，將母管壓力引至空壓機出口測點，才將該缺陷消除。

2.1.2 空壓機與配套干燥器設(shè)備均不能滿足獨立工作的要求

一對一的設(shè)計(一臺干燥器對一臺空壓機)，當(dāng)一臺空壓機或干燥器出現(xiàn)故障時，與之對應(yīng)的干燥器或空壓機，在沒有故障的情況下也無法投入運行。在兩臺機組同時運行的情況下，需要投入五臺空壓機運行才能保證母管壓力0.6 MPa，若此時發(fā)生兩臺以上空壓機停運，將對機組安全穩(wěn)定運行造成很大的隱患。

2.1.3 空壓器與干燥器工作能力不匹配

干燥器工作能力存在浪費。六臺空壓機總排氣量為262.2 m3/min，六臺干燥器總處理氣量為288 m3/min，兩者之差為26 m3/min。也就是說在一對一模式下，干燥器不能滿負荷運行，造成浪費。

2.1.4 通過空壓機的冷卻水量較小影響散熱效果

空壓機冷卻水系統(tǒng)接入到#13、#14機組總的封閉式冷卻水系統(tǒng)上，整個冷卻水系統(tǒng)的供水和回水的壓差較小，造成通過空壓機的冷卻水量較小，影響冷卻效果。此時，采用加裝冷卻風(fēng)扇，拆除空壓機外罩的方式對空壓機電機散熱，不利于空壓機安全運行。該問題在夏季更為突出，必須采用空壓機冷卻水外排的方式，增加空壓機冷卻水流量，冷卻水量耗費較大，增加了空壓機運營成本。

2.1.5 機組儀用氣與雜用氣未分段

#13、#14機組未設(shè)置確保儀用壓縮空氣壓力的空壓機，由于儀用控制系統(tǒng)用壓縮空氣對氣壓要求較高，通常在0.4～0.7 MPa，而雜用壓縮空氣使用量大，造成壓縮空氣母管壓力低，空壓機投入運行臺數(shù)多，空壓機長期處于加載狀態(tài)運行時間長。

2.2 冷卻水水質(zhì)特性

2.2.1 冷卻水水質(zhì)影響冷卻器管道散熱

空壓機冷卻水質(zhì)要求為：總?cè)芙夤腆w量TDS<3000 mg/L，氯化物濃度<500×10-6，硫酸鹽濃度<400×10-6，無藻類、無油，不可溶解顆粒其大小<1 mm、濃度<10×10-6。

然而，#13、#14機組空壓機系統(tǒng)冷卻水為涼水塔沉淀后的原水，取自工業(yè)水系統(tǒng)。其中所含藻類、微生物較多，容易依附在冷卻器管壁上。當(dāng)冷卻器運行一段時間，由于管壁上附著的藻類、微生物的積累，使得冷卻器散熱效果降低，從而引發(fā)油溫升高，造成空壓機機頭溫度增高。在夏季藻類、微生物繁殖較旺盛時，該問題顯得尤為突出。為保證空壓機的正常工作，每間隔10天左右即需要對冷卻器管道進行清理。冷卻器管道的頻繁清理造成管壁減薄損壞。

2.2.2 冷卻水水質(zhì)不高造成冷卻器堵塞

如圖1所示，泥漿和水垢使得冷凝器產(chǎn)生堵塞。根據(jù)每年7～9月故障統(tǒng)計，每月的單臺空壓機高溫報警進行檢修(清理冷油器和更換溫控閥)3次左右。投入的人員較多，維護量大，基本占空壓機消缺量的1/3左右。

圖1 冷凝器件堵塞

2.3 環(huán)境空氣特性

2.3.1 空氣流動性差

#13、#14機組空壓機安裝室空間狹小，其中布置6臺空壓機，夏季室內(nèi)溫度高達50℃，空氣流動情況較差，不利于空壓機散熱，從而頻繁引發(fā)報警和跳機。

2.3.2 粉塵含量高

空壓機室與爐電除塵設(shè)備距離較近，此區(qū)域空氣中粉塵較多。預(yù)計使用壽命1500 h的空壓機進氣過濾器濾芯，實際生產(chǎn)過程中僅能正常工作800 h。過濾器濾芯工作能力弱化，引發(fā)油路阻塞，油質(zhì)變差，油過濾器、油分離器堵塞，轉(zhuǎn)動件磨損等問題，降低空壓機使用壽命，增大空壓機運營成本。

綜上所述，由于空壓機系統(tǒng)特性、冷卻水水質(zhì)特性、環(huán)境空氣特性對空壓機運行過程的影響，引起其工作溫度過高，使得潤滑油出現(xiàn)氧化熱分解產(chǎn)生有害物質(zhì)，導(dǎo)致油氣分離器濾芯、油過濾器等器件的使用壽命大幅降低。近年空壓機維護備件費用最高時高達100余萬元，平均每年60余萬元，且空壓機整體維護費用仍在逐年增加，給企業(yè)設(shè)備運營造成沉重負擔(dān)，該問題迫切需要妥善解決。

3 改造措施

3.1 空壓機本體改造方案

3.1.1 改造替換

每年將2臺阿特拉斯空壓機更換為更符合現(xiàn)場工作環(huán)境的國產(chǎn)空壓機。

圖2所示為LU200-250系列螺桿式壓縮機的流程圖，該空氣壓縮機是噴油單級螺桿壓縮機，采用聯(lián)軸器直聯(lián)傳動，帶動主機傳動對空氣進行壓縮，通過噴油對主機內(nèi)的壓縮空氣進行冷卻，主機排出的空氣和油的混合氣體經(jīng)過粗、精兩道分離，將壓縮空氣中的油分離出來，壓縮空氣中的水份在氣水分離器中被分離出來，最后得到潔凈的壓縮空氣。冷卻器用于冷卻壓縮空氣和油。

使用圖2所示的空壓機替換原有空壓機，為其重新選擇安裝位置，用于輸灰等雜用氣系統(tǒng)，將#13、#14機組壓縮空氣系統(tǒng)儀用氣和雜用氣分開，保障空壓機系統(tǒng)運行。

1—進氣過濾器；2—減荷閥；4—后冷卻器；6—油冷卻器；7—油過濾器；12—排污電磁閥；14—主機；15—停油閥；16—單向閥；17—油罐；19—油精分離器；19—最小壓力閥；20—單向閥；21—回油管；22—安全閥；23—加油口；24—油位視鏡；25—放油閥；26—溫控閥；28—水分離器；30—油罐放氣管；34—電動機；38—PLC控制器。

3.1.2 增建空壓機組

異地再建4臺排氣量為43.7 m3/min，排氣壓力為0.75 MPa空壓機組，作為儀用空氣站，確保儀用壓縮空氣壓力穩(wěn)定、可靠。將空壓機室6臺空壓機作為用于輸灰等雜用氣系統(tǒng)空壓站，將#13、#14機組壓縮空氣系統(tǒng)儀用氣和雜用氣分開，保障空壓機系統(tǒng)運行。

3.2 冷卻水水質(zhì)提升

3.2.1 工業(yè)冷卻水處理設(shè)備

工業(yè)冷卻水CCMMS在線式多功能離子鈍化處理設(shè)備原理是基于裝置的多元合金芯片組，當(dāng)流體通過芯片組時，由于芯片組各元素不同電極電位，且多元合金以金屬固溶體形式存在，相互接觸，均為導(dǎo)體；因此在合金表面的金屬相互間形成無數(shù)個極微小電極而構(gòu)成微電池；在這些數(shù)目龐大的微小原電池作用下，形成一種特殊的電化學(xué)催化體，可以使所接觸流體的靜動勢發(fā)生改變，從而使流體中各類物質(zhì)分子結(jié)合力場發(fā)生改變，使流體中的固相顆粒始終處于懸浮、分散狀態(tài)，不再沉淀和吸附到管壁或設(shè)備的金屬表面，使得冷卻水管路和冷卻器不會形成微生物附著和藻類滋生情況發(fā)生，同時抑制管壁金屬腐蝕和水垢的形成，增強冷卻器的換熱效果。其結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，設(shè)備成本每臺3萬元，每臺空壓機總共需18萬元。

3.2.2 冷卻水系統(tǒng)改造

冷卻水管路布置如圖3所示，接至#13、#14機組冷卻水進、回水母管并安裝進回水總門，在冷凍水進、回水管安裝手動門。將空壓機冷卻水供、回水管與工業(yè)水系統(tǒng)斷開，采用空壓機冷卻水自循環(huán)系統(tǒng)，加裝一套冷卻塔為冷卻水降溫，系統(tǒng)改造簡圖如圖4所示。該冷卻塔設(shè)備成本大約20萬元，每年只需清洗下冷卻塔托盤，其填充料大約8年更換一次，使用壽命10年左右，總體維護成本較低。

圖3 冷卻水管路布置簡圖

圖4 冷卻水系統(tǒng)改造簡圖

3.3 環(huán)境空氣品質(zhì)提升

3.3.1 提升通風(fēng)條件

如圖5所示，增加兩臺空氣處理機提升空壓機環(huán)境空氣流動特性，選用兩臺GX09型空氣處理機組，空氣處理機組布置在空壓機室外墻，#1空氣處理機組布置在F空壓機處墻外，將窗戶密閉一半，制作上下進、出口風(fēng)道；#2空氣處理機組布置在C空壓機處墻外，將窗戶密閉一半，制作上下進、出口風(fēng)道。

圖5 環(huán)境空氣流動性提升改造方案

3.3.2 降低環(huán)境空氣粉塵含量

對空壓機室門窗進行改造，空壓機室進風(fēng)口網(wǎng)格改造成濾網(wǎng)，使用濾棉過濾空氣粉塵。避免外部灰塵進入空壓機室，為空氣機提供品質(zhì)穩(wěn)定的壓縮空氣，提升空壓機工作可靠性，保證機組安全運行。

4 結(jié)論

本文對空壓機系統(tǒng)產(chǎn)生故障的原因進行了分析，提出：

(1)增加空壓機組、使用實踐中性能更好的國產(chǎn)空壓機對空壓機本體進行改造；

(2)通過改造水冷系統(tǒng)管路布置，增設(shè)水質(zhì)處理設(shè)備，提升冷卻水實效；

(3)通過增加空氣處理器，改造空氣上下通風(fēng)口，提升空氣品質(zhì)，保障空壓機平穩(wěn)運行。

通過該改造優(yōu)化方案的實施，為保障壓縮空氣系統(tǒng)的安全運行、企業(yè)安全生產(chǎn)，提出了空壓機系統(tǒng)性能提升的整體性解決方案。