空壓機冷卻系統節能改造

丁磊 王敏 劉榮

摘 要：針對空壓機冷卻系統存在水泵、風機功率大，用電、水單耗高和冷卻器易結垢堵塞，運行風險、成本高問題，采用將原來水（自來水）—風露天集中式冷卻塔（一用一備），改造升級為一臺空壓機配置一臺小型水（純水）—水（自來水）閉式冷卻塔的措施，達到空壓機正常運行時一級、二級排氣溫度小于35°C，用電量節約40 000 kWh/月，用水量節約3 000m3/月的效果，每年可節約用電、用水和冷卻器更換成本共計約73.2萬元。

關鍵詞：空壓機；純水冷卻系統；閉式冷卻塔；冷卻器

ENERGY SAVING RENOVATION OF AIR COMPRESSOR COOLING SYSTEM

Ding Lei? Wang Min? Liu Rong

（Yunnan Yunlv Yongxin Aluminum Industry Co.， Ltd.? ? Jianshui? ? 654300， China）

Abstract：In view of the problems of large power of pumps and fans， high unit consumption of electricity and water， easy scaling and blockage of the cooler， operation risk and high cost in the air compressor cooling system， the original water （tap water）-wind open-air centralized cooling tower （one use and one backup） is transformed and upgraded to an air compressor equipped with a small water （pure water）-water （tap water） closed cooling tower， so that the primary and secondary exhaust temperature is less than 35 ℃ during the normal operation of the air compressor， and the electricity consumption is saved by 40 000 kWh. The effect of saving water consumption by 3 000 m3/month can save a total of about 732 000 yuan in electricity， water and cooler replacement costs every year.

Key words：air compressor; pure water cooling system; closed cooling tower; cooler

0? ? 前? ? 言

由于空壓機在整個運行過程中會產生大量的熱量，隨著其長期運行，冷卻效果逐漸下降，而冷卻效果下降直接影響到空壓機的排氣溫度升高，機組負荷加重，甚至會導致空壓機聯鎖跳停機[1]。目前空壓站有4臺空壓機運行，運行時空壓機一、二級排氣溫度長期運行于報警值（49 ℃）附近。

空壓機冷卻系統采用的是水（自來水）—風露天集中式冷卻塔（一用一備），冷卻塔為露天放置，循環冷卻水蒸發量大，每天約用水150 m3，且循環冷卻水不斷蒸發濃縮、外界雜物直接進入系統管路內，易造成軋輥內因循環水結垢或雜物堵塞而影響冷卻效果[2]。間隔很短就需要清洗一次冷卻器，而且效果并不是很明顯，只能更換冷卻器，平均每年需更換一個冷卻器，單價約30萬元，成本較高。檢修時打開冷卻器管束，發現厚度為3～5 mm的白色垢層。

空壓機冷卻系統正常運行時啟用3臺37 kW冷卻水泵、1臺11 kW循環水泵、2個21 kW風機，總功率達到164 kW，功率大，耗電量較高。噸鋁單耗的指標直接影響公司購電電價，電費是電解鋁的主要成本，電價的抬高，會迅速抬升鋁液成本，導致公司市場競爭力直線下滑。為了能夠節能降耗，需要通過技術改造，采用效率更高的新模式，實現更高的冷卻效率，進一步降低整流器冷卻能源消耗，為實現“階梯電價”中的鋁液綜合電耗提供支持。

1? ? 改造方案

1.1? ?冷卻方式更換

原空壓冷卻系統工藝流程如圖1所示。

采用分布式閉式冷卻塔進行冷卻，數量4組，單組塔可供1臺空壓機循環冷卻使用，如圖2所示。廠區生產水經循環水池凈化提供噴淋水、冷卻循環水為軟化純水，系統配備水處理裝置，根據自動進行水循環處理，降低水質硬度。

1）閉式冷卻塔組與空壓機和余熱再生吸附式干燥器組一一對應，單組空壓機和余熱再生吸附式干燥器組對應一組冷卻塔。

2）單組空壓機和余熱再生吸附式干燥器組的循環冷卻水流量為200 m3/h；冷卻水進出水溫差△t=8 ℃，冷卻塔出口循環水溫度≤32 ℃。

3）空壓機和余熱再生吸附式干燥器循環水進水壓力為0.30 ～ 0.50 MPa（采用壓力回水）。

4）冷卻塔主要由304不銹鋼外殼、換熱盤管、排風系統、噴淋系統、收水系統、集水槽、補水系統等組成。

1.2? ? 冷卻塔控制功能

控制系統采用S7-200SMART PLC控制器和昆侖通泰TPC7062KX觸摸屏進行就地控制，通過光纖將信號傳到遠程上位機進行遠程控制，控制系統可監測純水或循環水水質異常監測記錄（在組態報表實時記錄保存30-90天可查詢）組態要體現設備動態運行狀態，可選擇手動自動切換主/備用設備、有維修按鈕（維修裝態下由變頻運行改為工頻運行），設備異常、故障報警后（30 s內自動切換備用設備（無人為干預）水質監測數據異常報警（水質監測儀表可設定參數）不在自動切換設備內（只報警）。能耗管理、功率、電流、用電量累計等實時數據可查詢水質監測異常故障報警等均記錄在組態報表內可供查詢。

自動切換在正常工作情況下30 s內完成（無人為干預），要在組態設置時間定期自動切換（ 維修狀態下不執行此項）。

設備維護時間提醒（可設置）列①冷卻水更換周期②管道過濾器清理③循環水定時檢查等。設備異常故障等均以微信或電話推送等通知。

1.3? ? 閉式冷卻塔工作原理

閉式系統中的冷卻循環水是在一個完全密閉的環形管道中進行流動，與外界空氣處于隔離狀態，外界異物無法進行循環水內，管道內壁、換熱器內部不會出現結垢、異物堵塞等現象；閉式循環系統內循環水和外部噴淋水完全分開，使設備的使用壽命延長，且外部噴淋水采用大流量噴淋方式，以確保換熱管組表面形成連續不斷的水膜，即增加換熱能力又避免潮差效應的產生。采用有壓回水方式、就近安裝，主循環泵揚程更低，更有利于達到節能目的。閉式循環系統無需水池，現場布局靈活、占地小。冷卻塔工作運行原理如圖3。

1）風冷部分：工作流體（軟水或其他液體）在閉式冷卻塔的盤管循環，流體熱量被盤管的管壁吸收后通過冷卻器上側部的風機把管壁的熱量排出機外。

特點：風的流向（由上向下再經側面向上）；風由盤管冷卻器上部的一面進風口進入，然后流經盤管冷卻吸收熱量后，由冷卻器下部流經側面向上排到冷卻塔上方空氣中。

2）水冷部分：當流體溫度過高時（超過設定的溫度時）自動啟動噴淋系統噴淋泵將水噴灑在濕熱的管壁并形成水膜，通過蒸發式吸收大量熱量（蒸發潛熱）。噴淋水一部分變成水蒸氣，被流動的空氣帶走，未被蒸發的水滴落在填料熱交換層上降溫后匯集入集水槽里供下一次循環使用，盤管里的流體封閉式循環，理論上無消耗量。

特點：噴淋水的流向（由上向下）：噴淋水由盤管冷卻器上部的噴淋管噴出，然后流經盤管冷卻器吸收熱量后滴落到冷卻塔集水槽中供下一次循環使用。

3）風水逆向：運用了風水逆向二次熱交換的盤管技術，噴淋水能最大程度的覆蓋在盤管表面，保證盤管表面完全濕潤，實現了高效換熱。

1.4? ? 噴淋水處理裝置

1.4.1? ? 空壓機冷卻循環水系統存在的問題

水（純水）—水（自來水）閉式冷卻塔的外循環水為自來水，自來水的硬度較大，經過測量系統使用的自來水硬度為1 000 mg/L，噴淋水在冷卻塔中蒸發，導致水中含鹽量增加，水中二氧化碳解析逸散，使水中碳酸鈣在換熱面上結垢析出，和循環冷卻過程中水體中的“Ca2+、Mg2+”等陽離子接觸而生成“鹽垢”等物質，導致冷卻塔結垢。

1.4.2? ? 水處理裝置特點

采用獨特的“短束纖維體”過濾技術有效去除懸浮物、生物沾泥等微小顆粒明顯改善水質、降低濁度。同時實現高速過濾和高精度，并具有反沖洗效率高，反沖洗耗水量少等諸多優點，能有效去除98%的懸浮物，60%的有機物，90%的細菌，65%的重金屬等。

采用國際獨特的控制釋放技術“水垢凈加藥系統"，能根據水質狀況在水中按一定比例控制釋放。對人體及管道沒有任何負面影響，可直接安裝在生活水（熱水）管上，其溶解于水后，與水中陽離子形成穩定的絡合物，可以增加水中鈣鎂離子的允許濃度，從根本上解決水垢的形成。同時可在設備管道內壁形成保護膜，隔離溶解氧與管壁產生氧化腐蝕并對水體中的細菌和藻類起到一定的殺滅效果，從而全面改善水質。

采用先進的PLC及人機界面自動控制技術，全自動顯示系統工作狀態。同時采用德國西門子200smart可編程控制器，對整套設備處理循環水進行全面監控分析，發出指令處理。

1.4.3? ? 水處理裝置工藝

在水泵前的吸水管上加絮凝劑（聚合氯化鋁），絮凝劑注入水管中，通過水泵葉輪攪拌的作用，使絮凝劑充分與水進行混合，迅速與水中微小顆粒及膠體物質進行脫穩絮凝反應。后通過過濾單元的均勻布水裝置，經過濾層的自然分層高精度過濾，有效去除水中的懸浮物顆粒、部分細菌、藻類、小于10 um的水垢結晶體，使循環水水質狀況得到明顯的改善，其中羅茨風機是用來配合水進行反沖洗，使反洗效果會更好。水體中的溶解氧、含鹽量直接影響到換熱系統銹、垢的滋生，水垢凈系統采用了阻銹、阻垢、殺菌滅藻、控制釋放技術，把換熱系統管道保護起來，往復循環處理，從而全面的改善水質，解決閉式冷卻塔結垢腐蝕、微生物等問題，并保證冷卻塔的正常運行。

2? ? 設備組成

1）方便清洗的側斜式集水槽。集水池底部排污口端傾斜的結構設計，方便清除集水池的污水及深沉雜質。

2）冷卻風機。通風系統采用冷卻塔專用軸流風機，前傾式風葉結構設計，流線型入口風筒，風阻小、風量大、噪音低性能佳、效率高。無皮帶傳動的結構減少了傳動部件，并采用全封閉自冷式低噪音冷卻塔專用電機，具有體積小，重量輕，啟動性能佳，運行可靠經久耐用等特點。

3） 換熱器。冷卻盤管由優質的紫銅管焊接而成，盤管焊接、組裝及整體后均在水中經1.6 MPa的氣密性試驗。增強了盤管耐腐蝕能力，延長了使用壽命。

4）外殼。外殼采用304不銹鋼板，它是當今耐腐蝕性能較強的板材之一，并且有阻熱性強，耐熱性高，外表美觀等優點。

5）循環水泵。安裝體積小，重量輕，管道直線型可方便的安裝在管路中間；靜音設計，電機采用低噪音全封閉防濺防塵室外型電機，室內外均可安裝；防止漏水，由于采用機械密封，所以防止了漏水，并且耐久使用，易于保護維護；防銹處理，LP泵施環氧泵體都是采用精密鑄造，堅固而且使用壽命長，因此作為循環泵的使用。

6）先進的水分配系統—噴淋頭。冷卻水噴淋系統采用大流量防堵塞的提籃式噴嘴，保證了布水的連續均勻，噴灑在盤管表面上的水，在引風的作用下最大限度的覆蓋于盤管表面，使水、空氣與制冷劑充分進行熱交換，從而提高了傳熱效果，噴嘴扣接于噴淋支管上，當清洗噴嘴及噴淋支管時可方便將其拆卸。

7）PVC 進風格柵。特有的PVC高效進風格柵，經過三次改變氣流方向，保證高效的通風量的同時，使噴淋水的飄逸率小于0.001%，使得設備放置在水霧敏感地區成為可能。

3? ? 改造效果

通過空壓機冷卻系統節能改造，取得了很好的效果，如表1所示。

1）空壓機改造前排氣溫度在報警值（49 ℃）附近波動，改造以后情況大有好轉，運行溫度小于35 ℃，一、二級排氣溫度明顯降低，足以說明冷卻效果有很大改善。

2）該系統是閉式的，充滿純水作為冷卻循環水之后，后續補水可以忽略不計。而外循環水因閉式冷卻效率高，蒸發量小，改造后每月用水量節約了約3 000 m3，該冷卻系統使用的自來水約6元/m3，每年節約用水成本約21.6萬元。

3）空壓冷卻系統改造之前平均每月用電96 000 kWh，改造后平均每月用電56 000 kwh，用電單價0.45元/kWh，每年節約用電成本21.6萬元。

4）改造前每年因水垢問題，平均每年更換一個冷卻器，改造后冷卻器無結垢問題，無需更換，一個冷卻器約30萬元，每年可節約更換成本30萬元。

通過空壓機冷卻系統的節能改造，每年共計節約73.2萬元成本。

4? ? 結? ? 語

通過對空壓機冷卻系統存在的問題和缺陷進行研究分析，采用高效節能的閉式冷卻塔替代原有的開放式冷冷卻塔，有效降低了空壓機冷卻系統的電耗和空壓機運行時的一、二級排氣溫度，降低了空壓機的跳機風險。節約了用水、用電和更換冷卻器等成本共計73.2萬元，實現了節能降耗，提升了設備運行效率。

參考文獻

[1]? ? 張曉東.進口空壓機冷卻水系統改造[J].化學工程與裝備，2016（4）：190-193.

[2]? ? 王學軍.空壓機冷卻器高效清洗工藝應用[J].自動化應用，2019（8）：153-154.