水冷卻器在發(fā)電廠空氣壓縮機(jī)中的應(yīng)用分析

王 晉

空氣壓縮機(jī)的冷卻系統(tǒng)研究一直是空氣壓縮機(jī)研究項(xiàng)目中的熱點(diǎn)。山西西山熱電有限責(zé)任公司(以下簡稱西山熱電)使用的UD250A－8型風(fēng)冷螺桿式空氣壓縮機(jī)(以下簡稱空壓機(jī))在運(yùn)行過程中噪音較大，冷卻風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)量為900 m3/h，空氣由室外進(jìn)入室內(nèi)攜帶大量粉塵，使空壓機(jī)內(nèi)部污染嚴(yán)重、磨損較大，減少了設(shè)備的使用壽命。其冷卻介質(zhì)為空氣，受環(huán)境溫度影響較大，使空壓機(jī)的排氣溫度波動較大，對壓縮空氣及潤滑油的冷卻效果差，造成空壓機(jī)經(jīng)常故障停機(jī)，且冬季環(huán)境溫度低，冷空氣進(jìn)入室內(nèi)，導(dǎo)致室內(nèi)環(huán)境溫度低設(shè)備無法啟動。為保證空氣壓縮機(jī)的正常工作和安全穩(wěn)定運(yùn)行，亟需對空壓機(jī)的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行改造。本文就水冷式空壓機(jī)相對風(fēng)冷式空壓機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中的優(yōu)越性進(jìn)行了分析，并提出具體改進(jìn)方案。

1 風(fēng)冷式空壓機(jī)

UD250A－8型空壓機(jī)為電機(jī)驅(qū)動單級雙螺桿空壓機(jī)，由壓縮機(jī)主機(jī)、電機(jī)、傳動機(jī)構(gòu)、冷卻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及外罩等部分組成，螺桿空壓機(jī)的壓縮產(chǎn)生于2根螺桿(陽轉(zhuǎn)子和陰轉(zhuǎn)子)的嚙合。其冷卻系統(tǒng)原理示意圖見圖1，空壓機(jī)冷卻油通過金屬管道成蛇形盤成一個平面，此平面與冷卻風(fēng)機(jī)平行，壓縮空氣管道與油管道在一個平面，同時平行與冷卻風(fēng)機(jī)，當(dāng)空壓機(jī)啟動時，冷卻風(fēng)機(jī)同時啟動，通過風(fēng)機(jī)吹出的空氣與油管道、壓縮空氣管道進(jìn)行換熱。

圖1 空氣冷卻器冷卻原理簡圖

2 水冷式空壓機(jī)

在原有空壓機(jī)系統(tǒng)上對冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了改造，由原來的空氣冷卻器改為水冷卻器，改造后的冷卻系統(tǒng)基本流程見圖2，壓縮空氣與冷卻潤滑油分別進(jìn)入2個冷卻器腔室，冷卻器內(nèi)部分布大量蛇形管，蛇形管內(nèi)部為冷卻介質(zhì)循環(huán)水，循環(huán)水依次進(jìn)入冷卻器與油、壓縮空氣進(jìn)行對流換熱，換熱后的循環(huán)水進(jìn)入工業(yè)循環(huán)水回水母管，回到循環(huán)水池。

圖2 水冷卻器基本流程圖

3 對比分析

1)對空壓機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性、冷卻效果的影響。

空氣(液體)與固體邊界接觸時會有對流換熱的現(xiàn)象發(fā)生，對流換熱量由牛頓公式算得：

式中：

h—對流傳熱系數(shù);

Tg—換熱邊界條件的兩個溫度之一，冷卻介質(zhì)(空氣或冷卻水)的溫度;

Tf—換熱邊界條件的兩個溫度之一，被冷卻對象(最終反映為管道表面)的溫度;

A—換熱面積。

由公式可知：

a)對流換熱量與空氣、管道的溫度有關(guān)，該空壓機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)不可調(diào)，進(jìn)風(fēng)量為900 m3/h，當(dāng)對流換熱量不變時，管道內(nèi)工質(zhì)(壓縮空氣和潤滑油的溫度，最終反映為與冷卻介質(zhì)接觸的管道壁溫度)的溫度Tf會因環(huán)境溫度(環(huán)境溫度即冷卻風(fēng)機(jī)吸入冷卻介質(zhì)空氣的溫度Tg)變化而波動，波動幅度達(dá)到7℃ ～15℃，最終導(dǎo)致排氣溫度的波動，影響空壓機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行;改為水冷卻器后，冷卻工質(zhì)(工業(yè)循環(huán)水)的溫度Tg相對比較穩(wěn)定，波動幅度在1℃ ～3℃，對排氣溫度的影響大大減小，提高了空壓機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

b)由公式(1)可知，對流換熱量Q的大小與對流傳熱系數(shù)h成正比，同時空壓機(jī)的冷卻方式為強(qiáng)制對流冷卻，氣體在強(qiáng)制對流時的傳熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h為(20～100)W/m2·K，水在強(qiáng)制對流時的傳熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h為(1 000～1 500)W/㎡·K，所以在溫差和傳熱面積不變的情況下，用水作為冷卻介質(zhì)要比空氣作為冷卻介質(zhì)時的冷卻效果要提高15倍以上。

c)改造前后，換熱面積A大小不變，所以不做分析。

2)對空壓機(jī)使用壽命影響。

風(fēng)冷式空壓機(jī)由于冷卻介質(zhì)為空氣，西山熱電選用的冷卻風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)量為900 m3/h，且空壓機(jī)房建造在1#爐鋼渣倉旁邊，當(dāng)渣倉放渣時，由于空壓機(jī)運(yùn)行時要吸入空氣，放渣時的揚(yáng)塵隨空氣進(jìn)入空壓機(jī)房內(nèi)，空氣中所含顆粒物直徑及數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出空壓機(jī)設(shè)計(jì)要求(空壓機(jī)空氣過濾器設(shè)計(jì)通過顆粒物直徑為3 μm)，致使空壓機(jī)空氣過濾器平均使用900 h左右出現(xiàn)堵塞報(bào)警、油過濾器平均使用1 800 h左右出現(xiàn)堵塞報(bào)警，而空氣過濾器、油過濾器的設(shè)定使用時間分別為1 500 h、2 666 h，因此，空壓機(jī)被迫停運(yùn)更換空氣過濾器、油過濾器。同時，大量超標(biāo)顆粒物進(jìn)入空壓機(jī)主機(jī)，加劇了主機(jī)及軸承的磨損，致使主機(jī)工作聲音異常，空壓機(jī)機(jī)頭僅使用4年就需返廠大修一次。使用水冷卻器后，按3臺機(jī)組運(yùn)行，需要啟動空壓機(jī)3臺，每小時減少2 700 m3進(jìn)氣量，大大改善了空壓機(jī)工作環(huán)境，空氣過濾器、油過濾器未出現(xiàn)過堵塞報(bào)警，均按設(shè)計(jì)要求，達(dá)到設(shè)計(jì)使用時間后進(jìn)行定期更換，同時，進(jìn)入主機(jī)的顆粒物減少，減少了主機(jī)的磨損，延長了空壓機(jī)的使用壽命，自更換為水冷卻器以后，空壓機(jī)主機(jī)工作穩(wěn)定、正常。

3)經(jīng)濟(jì)效益對比。

a)風(fēng)冷式空壓機(jī)冷卻系統(tǒng)造價在53 000元左右，水冷式空壓機(jī)冷卻系統(tǒng)造價在90 000元左右，雖然水冷卻系統(tǒng)初期造價高，但是使用的是電廠工業(yè)循環(huán)水，而且循環(huán)水為閉式循環(huán)系統(tǒng)，基本不存在水量消耗。而風(fēng)冷式空壓機(jī)的冷卻風(fēng)扇由Y2－160L－6型電動機(jī)驅(qū)動，該電機(jī)的功率為11 kW，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，單臺空壓機(jī)每年平均使用時間按4 500 h計(jì)算，電費(fèi)按發(fā)電成本0.5元/kW·h計(jì)算：

單臺冷卻風(fēng)機(jī)每年消耗電費(fèi)=11×4 500×0.5=24 750元。

通過計(jì)算，水冷式冷卻系統(tǒng)造價高出氣冷式冷卻系統(tǒng)37 000元，但是每年節(jié)省電費(fèi)24 750元，因此，水冷式空壓機(jī)運(yùn)行一年半即可彌補(bǔ)造價差距，以后每運(yùn)行一年，一臺空壓機(jī)可節(jié)省電費(fèi)24 750元。

b)采用風(fēng)冷式冷卻系統(tǒng)更換空氣過濾器、油過濾器的時間分別為900 h、1 800 h，采用水冷式冷卻系統(tǒng)更換空氣過濾器、油過濾器的時間分別為1 500 h、2 666 h，單臺空壓機(jī)按每年平均使用4 500 h計(jì)算，該廠使用的優(yōu)耐特斯UD250W－8型空氣壓縮機(jī)共4臺，因此，采用風(fēng)冷式冷卻系統(tǒng)：

每年更換空氣過濾器次數(shù)=4 500×4/900=20次。

每年更換油過濾器次數(shù)=4 500×4/1 800=10次。

采用水冷式冷卻系統(tǒng)：

每年更換空氣過濾器次數(shù)=4 500×4/1 500=12次。

每年更換油過濾器次數(shù)=4 500×4/2 666=6.75次≈7次。

通過計(jì)算可以看出，采用水冷式冷卻系統(tǒng)每年可以少換8次空氣過濾器(每次更換1個)、3次油過濾器(每次更換2個)，空氣過濾器價格為2 300元/個，油過濾器價格為900元/個，所以每年節(jié)省備件費(fèi)用=2 300×8+900×2×3=23 800元。

除此之外，還節(jié)省了空壓機(jī)主機(jī)返廠大修費(fèi)用78 000元/臺，將此費(fèi)用平均分配到5年中，每年可節(jié)省費(fèi)用62 400元，所以，通過上述計(jì)算：

每年累計(jì)節(jié)約費(fèi)用=62 400+23 800+24 750=110 950元

4 故障分析對比

通過對該廠4臺UD250W－8型空壓機(jī)冷卻器改造前后出現(xiàn)的故障原因進(jìn)行分析，改造前，頻繁出現(xiàn)因冷卻效果差導(dǎo)致排氣溫度高故障停機(jī)現(xiàn)象，改造后，不但降低了因排氣溫度高故障停機(jī)的次數(shù)，同時整體上降低了空壓機(jī)的故障次數(shù)。對兩種冷卻形式各以1年為統(tǒng)計(jì)周期，進(jìn)行對比，故障停機(jī)原因分析見圖3。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，改造為水冷卻器后，排氣溫度高導(dǎo)致的故障停機(jī)次數(shù)大大降低，從而減少了空壓機(jī)非正常停運(yùn)次數(shù)，延長了空壓機(jī)的使用壽命，提高了空壓機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性。

圖3 故障停機(jī)分析圖表

5 結(jié)束語

通過對冷卻系統(tǒng)的改造，解決了空壓機(jī)排氣溫度波動大、冷卻效果差的問題，減少了外界環(huán)境對空壓機(jī)運(yùn)行的干擾，改善了空壓機(jī)的工作環(huán)境，提高了空壓機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性;同時減少了備品備件的更換頻率，降低了能耗及設(shè)備運(yùn)行成本，為企業(yè)節(jié)能降耗做出了貢獻(xiàn)。

［1］ 趙鎮(zhèn)南.傳熱學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2008：4 －15.