中冷器故障對離心壓縮機(jī)的影響及改進(jìn)措施

舒 文

（中國石化集團(tuán)資產(chǎn)經(jīng)營管理有限公司巴陵石化分公司煤化工部，岳陽 414003）

中國石化集團(tuán)資產(chǎn)經(jīng)營管理有限公司巴陵石化分公司煤化工部一臺進(jìn)口離心壓縮機(jī)為裝置提供壓縮空氣。它能否穩(wěn)定運行直接關(guān)系到整個裝置的生產(chǎn)安全，一旦出現(xiàn)故障，將直接影響生產(chǎn)和效益。自2009年安裝投用以來，此機(jī)組陸續(xù)出現(xiàn)了一些問題，但通過采取得力的措施都得到了有效解決。

1 機(jī)組簡介

壓縮機(jī)介質(zhì)為空氣，入口空氣溫度30 ℃，出口空氣溫度40 ℃，入口壓強(qiáng)100.95 kPa，出口壓強(qiáng)0.55 MPa，流量不小于13 200 Nm3·hr-1。現(xiàn)壓縮機(jī)為二級壓縮，電機(jī)驅(qū)動，電機(jī)功率1 300 kW，轉(zhuǎn)速2 960 r·min-1，通過齒輪增速箱對轉(zhuǎn)子增速，采用恒壓控制（自動）。

2 運行情況和發(fā)生的問題

機(jī)組在投用多年后發(fā)現(xiàn)，壓縮機(jī)的效能逐漸下降，能夠輸出的流量和壓強(qiáng)下降。反映在運行時的表現(xiàn)即機(jī)組失穩(wěn)，包括放空閥（防喘閥）反復(fù)自動打開、流量和壓強(qiáng)波動大發(fā)生喘振等。此種現(xiàn)象在一年中多次發(fā)生，因機(jī)組在運行，當(dāng)時采取的措施是在線將壓縮機(jī)設(shè)置的排氣壓強(qiáng)由0.55 MPa逐步調(diào)低至0.45 MPa。

3 原因分析及改進(jìn)措施

造成此現(xiàn)象主要是壓縮機(jī)的性能曲線和喘振線有所改變。性能曲線隨機(jī)組運行工況的調(diào)節(jié)和機(jī)組的機(jī)械效率有所改變，機(jī)組的性能曲線有向上或向下的移動[1]。如圖1所示，壓縮機(jī)運行效率最高在設(shè)計點上，當(dāng)機(jī)組運行工況和機(jī)組的機(jī)械效率有所下降時，機(jī)組的性能曲線向下移動，實際喘振線向右偏移。喘振點從M點移至N點，機(jī)組的穩(wěn)定工作區(qū)域變小，機(jī)組所能提供的最高壓力和流量也會下降。如不降低運行壓強(qiáng)，易進(jìn)入喘振區(qū)。從本機(jī)看壓縮機(jī)性能下降。進(jìn)行喘振測試，發(fā)生喘振的最高壓強(qiáng)由原始0.68 MPa降為0.52 MPa,下降較多。后經(jīng)過拆檢分析，主要是中冷器原因產(chǎn)生腐蝕、冷卻效果變差及阻力大造成機(jī)組效率下降。中冷器為管翅式結(jié)構(gòu)，水走管程，材質(zhì)為銅T2，內(nèi)裝于機(jī)組內(nèi)，安裝一、二級間，作用是把一級的壓縮氣冷卻后送入二級[2]。

圖1 壓縮機(jī)的性能曲線和喘振線

3.1 中冷器的腐蝕對機(jī)組的影響和改進(jìn)措施

3.1.1 中冷器的腐蝕對機(jī)組的影響

拆開一、二級檢查，一級部件較好，二級部件沖蝕較嚴(yán)重。葉輪葉片邊緣沖蝕成均勻的弧狀，擴(kuò)壓器中的葉片存在缺失、變形與沖蝕痕跡，升壓能力下降。葉輪、流道中粘有許多污垢，增加了氣體流動的摩擦，繼而增加了輪阻損失和流動損失[3]。對這些污垢進(jìn)行分析，相關(guān)數(shù)據(jù)圖表1所示。

表1 污垢分析數(shù)據(jù)

從上述數(shù)據(jù)可以看出，物質(zhì)主要是硫和鐵。究其原因，主要在于外界空氣經(jīng)過一級壓縮后，再經(jīng)過中冷器冷卻產(chǎn)生的冷凝水排放不徹底，含有SO2的酸性冷凝水對中冷器的銅翅片、碳鋼擋風(fēng)板、鑄鐵氣腔壁產(chǎn)生腐觸。銹垢和空氣中的塵埃混合，具有一定的黏性，黏到葉輪上，并被葉輪上的壓縮熱瞬間蒸干硬化。有的粘在葉片上，有的經(jīng)高速流動的空氣的旋轉(zhuǎn)拋離，對擴(kuò)壓器、流道進(jìn)行沖擊磨損。

3.1.2 中冷器的腐蝕對機(jī)組的改進(jìn)指施

（1）防腐。對中冷器中的鑄鐵氣腔壁進(jìn)行耐腐蝕復(fù)合金屬涂層，采用熱噴涂處理。對需防腐的地方先用14目以下的石英砂進(jìn)行噴砂處理，除去原銹渣，再采用一種NiCr合金加鋅合金加封孔劑的復(fù)合涂層。NiCr合金具有結(jié)合強(qiáng)度高、韌性好、在850 ℃溫度下耐磨損、抗沖擊、耐腐蝕、抗氧化性等特點，涂層的厚度為50～80 μm[4]。鋅合金層作為一種犧牲陽極的措施，既有機(jī)械保護(hù)作用，又有化學(xué)保護(hù)和電化學(xué)保護(hù)作用，耐冷凝水的腐蝕，涂層厚度大于20 μm。用有機(jī)的酚醛樹脂作為表面微小孔的封孔劑，增強(qiáng)了整個復(fù)合涂層對氣水的防腐性。經(jīng)過一段時間的運行檢查，涂層有一定的保護(hù)作用。

（2）技改冷卻器。中冷器芯上、下?lián)躏L(fēng)板原為碳鋼，易腐蝕，并曾出現(xiàn)碳鋼擋風(fēng)板因空氣的喘振，引起前端已腐蝕減薄部分發(fā)生振動。在交變應(yīng)力的作用下而疲勞斷裂的鐵片被吸入到二級，打壞了葉輪，現(xiàn)改為不銹鋼304材質(zhì)，密封條由受熱易脆裂的薄鋼帶改為耐熱橡膠。

（3）在二級進(jìn)氣口加級間分水罐，提高中冷器水氣分離的效果。根據(jù)機(jī)組的實際情況、安裝位置及場地大小，設(shè)計大小為Φ800 mm×1 750 mm×10 mm旋風(fēng)式不銹鋼分水罐。罐內(nèi)中間加一層滿布Φ4 mm孔的面積較大的橢園型過濾孔板，孔間距7 mm，12°角焊接在筒壁上。一方面阻擋較大的固體異物，如銹渣、損壞了的密封條、螺釘?shù)冗M(jìn)入二級。另一方面，分離水和氣，使氣體均勻流出。進(jìn)口管在孔板下沿著筒體的切線方向與機(jī)組安裝相連。氣水采用旋轉(zhuǎn)分離，水從罐底排出。安裝后對壓縮機(jī)進(jìn)行喘振測試，可達(dá)到0.63 MPa。經(jīng)過多年的運行檢驗，葉輪的沖蝕量比以前少很多，達(dá)到了預(yù)期效果。

3.2 中冷器冷卻效果差、阻力大的影響和措施

中冷器好壞對機(jī)組的穩(wěn)定運行影響較大，因為中冷器冷卻后的氣體將進(jìn)入下級再壓縮。空壓機(jī)每級的壓力比ε與進(jìn)氣溫度TP有關(guān)[1]：

式中：hpol為有效能頭；R為氣體常數(shù)，空氣為288.3 J·kg-1·K-1。根據(jù)式（1）可知，進(jìn)氣溫度升高，機(jī)組所能做的有效能頭不變，ε將減小，打壓能力下降且會引起喘振。冷卻器如阻力大，也會增加氣體的流動損失，使進(jìn)入下一級的hpol有效能頭減少。實際運行中一般要求冷卻器的冷卻效果為出氣溫度不能大于進(jìn)水溫度10 ℃，氣邊阻力不大于10 kPa[5]。但是，經(jīng)過實測，有的使用時間長的冷卻器兩值為26 ℃和50 kPa。原因為翅片表面腐蝕，殘渣夾著塵埃堵塞了翅片間空氣流道，冷卻水管有時被水中的異物堵塞。此外，在冷卻水管內(nèi)、外壁存在污垢，污垢對傳熱有較大影響。冷卻器的效果由總傳熱系數(shù)K值決定，K值主要取決于流體的物性、傳熱過程的操作條件及換熱器的類型、材質(zhì)等。

冷卻器總體換熱系數(shù)表達(dá)式為[2]：

式中：K為總傳熱系數(shù)；α1為管內(nèi)側(cè)流體換熱系數(shù)；α0為管外側(cè)流體換熱系數(shù)；di為管內(nèi)徑；d0為管外徑；dm為管平均直徑；λ為管材導(dǎo)熱系數(shù)；Rsi為管內(nèi)壁污垢熱阻；Rso為管外壁污垢熱阻；b為管厚度。此冷卻器污垢系數(shù)與傳熱效率關(guān)系，如表1所示。

表1 冷卻器污垢系數(shù)與傳熱效率關(guān)系

一方面在冷卻水進(jìn)水管加過濾器，防止大的異物進(jìn)入冷卻器水道，堵塞水管。另一方面，改進(jìn)清洗方法。原按維護(hù)說明，使用毛刷清洗水邊列管內(nèi)壁，存在水邊請洗不到位、氣邊無法清洗的問題。現(xiàn)采用整體冷卻器有機(jī)酸浸泡后，高壓水射流清洗，清洗較全面，延長了冷卻器的使用周期和壽命。

經(jīng)過一年多的運行，技改后的冷卻器的使用正常，機(jī)組各參數(shù)和冷卻器的阻力壓降都在控制范圍內(nèi)，沒有因冷卻器的故障引起機(jī)組失穩(wěn)的現(xiàn)象發(fā)生。

4 結(jié)語

造成機(jī)組關(guān)鍵部件損壞既有環(huán)境因素，也有設(shè)計考慮不全面的因素，如中冷器擋風(fēng)板選用不耐腐蝕的碳鋼、使用上冷凝水排放不徹底等。因此，要求做好機(jī)組的定期維護(hù)保養(yǎng)，消漏補(bǔ)缺，使機(jī)組維持較高的效能，保證生產(chǎn)的需求。