龍梅

（大冶有色金屬有限責(zé)任公司稀貴金屬廠，湖北黃石 435005）

ZH型離心式壓縮機(jī)冷卻器國產(chǎn)化應(yīng)用

龍梅

（大冶有色金屬有限責(zé)任公司稀貴金屬廠，湖北黃石 435005）

銅冶煉生產(chǎn)環(huán)境中,高濃度腐蝕性氣體會(huì)導(dǎo)致離心壓縮機(jī)主要零部件腐蝕。為此，某廠加裝了具有化學(xué)過濾功能的空氣過濾器,并對冷卻器芯進(jìn)行了國產(chǎn)化應(yīng)用實(shí)踐,取得了良好效果。

離心式壓縮機(jī)；故障分析；冷卻器芯；國產(chǎn)化應(yīng)用；熱力設(shè)計(jì)

0 引言

某廠ZH7000-6-8型離心式空氣壓縮機(jī)組由阿特拉斯·科普柯有限公司制造。主要技術(shù)參數(shù)如下：額定風(fēng)量為7 000 Nm3/h,排氣壓力為0.8 MPa，排氣溫度為36±4℃，配套電機(jī)功率為710 kW。該機(jī)組于2006年1月投入運(yùn)行,運(yùn)行時(shí)間12 000 h,2007年7月25日因故障聯(lián)鎖跳車。根據(jù)現(xiàn)場微電腦控制器運(yùn)行記錄,表明當(dāng)時(shí)跳車故障為2級葉輪振動(dòng)跳車(27μm)。

1 機(jī)組概況

ZH7000-6-8型離心式空氣壓縮機(jī)組工作流程見圖1。

圖1 3級壓縮流程示意

由圖1可知,外界空氣由過濾器進(jìn)入第1級葉輪,經(jīng)過壓縮后的空氣進(jìn)入1級中間冷卻器(1級中冷)，空氣冷卻后進(jìn)入第2級葉輪壓縮,再經(jīng)2級中間冷卻器(2級中冷)冷卻進(jìn)入第3級葉輪壓縮,最后空氣經(jīng)后冷卻器(后冷)提供給用戶使用,本機(jī)組主要為冶煉轉(zhuǎn)爐捅風(fēng)眼機(jī)提供用風(fēng)。機(jī)組共有1級中冷、2級中冷及后冷3個(gè)冷卻器。管內(nèi)介質(zhì)為冷卻水,管外介質(zhì)為壓縮風(fēng)。冷卻器的結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 冷卻器結(jié)構(gòu)

冷卻器設(shè)計(jì)工況如下：進(jìn)口處空氣壓力為100 kPa,額定工作壓力為800 kPa;空氣進(jìn)口溫度35℃,空氣出口溫度38℃；冷卻水正常進(jìn)口溫度26.7℃,進(jìn)口最高溫度不超過35℃,冷卻水溫升不超過10℃;冷卻水消耗量為67 m3/h,相應(yīng)的冷卻水系統(tǒng)壓降為120 kPa;冷卻器溫壓為冷卻后的出氣溫度與冷卻水進(jìn)口溫度之差,≤20℃。機(jī)組冷卻水系統(tǒng)是一個(gè)帶冷卻塔的開放式循環(huán)系統(tǒng)，其對水質(zhì)的要求如下：1)6.8＜pH＜8.5。2)總?cè)芙夤腆w量(TDS)等于水中所有離子相加的總和,它可以根據(jù)蒸發(fā)后剩余的干燥殘留物推導(dǎo)得出(但不包含懸浮粒子),也可以根據(jù)電導(dǎo)率估算。對于開放式系統(tǒng)而言，TDS＜750 mg/L。3)氯離子會(huì)使不銹鋼產(chǎn)生點(diǎn)狀銹蝕,因此氯化物應(yīng)＜150 mg/L。4)硫酸鹽(SO42-)＜150 mg/L。5)碳酸鹽硬度為50～500 mg/L CaCO3,HCO3-/SO42-應(yīng)當(dāng)＞1,氨＜0.5 mg/L,銅＜1 mg/L,鐵和猛均＜1 mg/L。6)有機(jī)物＜10 mg/L,無藻類,無油,懸浮粒子,不可溶顆粒大小＜1 mm。

2 存在問題及原因分析

2.1 存在的問題

對機(jī)組冷卻器進(jìn)行技術(shù)檢查后,發(fā)現(xiàn)以下故障：1)1級冷卻器芯有少量積灰及白色物質(zhì)；2級中間冷卻器及后冷卻器芯積附有大量白色物質(zhì)且翅片有部分腐蝕(見圖3)。2)現(xiàn)場冷卻水質(zhì)為7.5＜pH＜8,碳酸鹽硬度為1 000 mg/L CaCO3,水質(zhì)較差,管內(nèi)壁易結(jié)垢。其它指標(biāo)未作化驗(yàn)。3)冷卻器冷卻效果差,機(jī)組運(yùn)行時(shí)溫壓高達(dá)30℃,常出現(xiàn)報(bào)警故障。4)冷卻器芯更換頻繁,一年的消耗量為6件,進(jìn)口備件供貨周期長,價(jià)格昂貴,每件價(jià)格為20萬元,一年冷卻器芯的備件費(fèi)用為120萬元。

圖3 冷卻器腐蝕

2.2 原因分析

1)取樣分析及故障原因。提取定量附著在空壓機(jī)后冷卻器氣側(cè)的淡黃色、白色固體塊狀及粉末狀混合物,進(jìn)行光(色)譜比照分析。該混合物含有FeSO4、Fe3O4及結(jié)合水,其它為成分不明的固體粉塵。葉輪及冷卻器的化學(xué)粘結(jié)物造成流道變窄,空氣流量減少,形成喘振跳車。

2)腐蝕機(jī)理。該廠是銅冶煉企業(yè),空氣中的SO2濃度較高,雖然進(jìn)入空壓機(jī)的氣體已經(jīng)經(jīng)過了空氣過濾器,但由于空氣過濾器不具備化學(xué)過濾功能,導(dǎo)致含有SO2的有害氣體進(jìn)入冷卻器,在水汽的作用下,形成含S的酸性氣氛,造成冷卻器的腐蝕。反應(yīng)過程存在多種腐蝕過程,且各種反應(yīng)互相影響,使腐蝕過程更為復(fù)雜。發(fā)生腐蝕的反應(yīng)原理如下[1]：

3 解決方案及其措施

考慮到國外進(jìn)口零部件價(jià)格昂貴,供貨周期長,出現(xiàn)上述冷卻器腐蝕的問題,依靠更換進(jìn)口零部件既不經(jīng)濟(jì)也不現(xiàn)實(shí),因此必須采取其他的解決方案及措施。經(jīng)過該廠技術(shù)人員的論證研究,決定首先在機(jī)組進(jìn)口處加裝具有化學(xué)過濾功能的空氣過濾器[2],過濾有害氣體,以保證空氣的潔凈度,其次就是對冷卻器芯重新熱力設(shè)計(jì)并國產(chǎn)化。由于冷卻器殼體利舊,對相關(guān)與殼體配合的尺寸進(jìn)行測繪,保證裝配關(guān)系。下文對冷卻器芯國產(chǎn)化技術(shù)方案進(jìn)行重點(diǎn)分析。

3.1 管殼式換熱器的熱力設(shè)計(jì)程序[3-4]

應(yīng)用LMTD(對數(shù)平均溫壓)法進(jìn)行熱力計(jì)算及校核熱力計(jì)算。為使計(jì)算得以進(jìn)行,往往對某項(xiàng)關(guān)聯(lián)參數(shù)先憑經(jīng)驗(yàn)選定一值進(jìn)行計(jì)算,當(dāng)選參數(shù)的計(jì)算值得出后,再與初選值進(jìn)行比較,直到達(dá)到規(guī)定差額試算方告結(jié)束。熱力計(jì)算具體步驟如下：1)收集原始數(shù)據(jù)。原始數(shù)據(jù)是設(shè)計(jì)計(jì)算的基本依據(jù),應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù),收集盡可能多的有關(guān)數(shù)據(jù),并力求準(zhǔn)確。例如：換熱流體名稱，種類，化學(xué)、物理性能，溫度，溫壓，壓力，允許壓降，流量，熱負(fù)荷，現(xiàn)場條件,大氣壓力,已有的運(yùn)輸條件等。2)確定物性參量。安排管、殼程流體,確定定性溫度,計(jì)算或查得換熱介質(zhì)的物性參量(密度、粘度、比熱等)。3)初步?jīng)Q定換熱器流型,計(jì)算平均溫壓。4)利用熱平衡式計(jì)算換熱器的熱負(fù)荷,為估算熱量損失,需要確定熱損失系數(shù)或熱效率。5)初選傳熱系數(shù),根據(jù)換熱介質(zhì)、流速及流態(tài)確定K選?？蓞⒖加嘘P(guān)資料,初算傳熱面積F選,利用F選選擇標(biāo)準(zhǔn)型號換熱器或自行設(shè)計(jì)換熱器結(jié)構(gòu),確定管、殼程的主要結(jié)構(gòu)尺寸。6)管程換熱及壓降計(jì)算。選定允許壓降,假定管壁溫度tω,根據(jù)初選結(jié)構(gòu)計(jì)算管側(cè)對流換熱系數(shù)和壓降,當(dāng)換熱系數(shù)遠(yuǎn)大于K選,且壓降小于允許壓降值時(shí),方能進(jìn)行殼程計(jì)算,否則重定K選或進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整。7)殼程對流換熱計(jì)算。根據(jù)初選結(jié)構(gòu)和假設(shè)的壁溫tω計(jì)算殼程流通截面、流速和換熱系數(shù)，若不符合要求,可變動(dòng)殼側(cè)結(jié)構(gòu),調(diào)整折流板尺寸、間距乃至殼體直徑直至滿意。8)核算總傳熱系數(shù),根據(jù)管、殼兩側(cè)流速和溫度決定污垢熱阻,最后計(jì)算傳熱系數(shù)K計(jì)。當(dāng)計(jì)算值與初選值滿足K計(jì)/K選=1.15～1.25即符合要求。也可計(jì)算出傳熱量Q計(jì)或傳熱面積F計(jì)，并與Q設(shè)、F選相比較,有10%~20%的過余度即算符合要求。9)核算壁溫。根據(jù)K計(jì)計(jì)算所得的管壁溫度tω與假定值tω相比必須基本相符。10)計(jì)算殼程壓降。管、殼程壓降均應(yīng)小于允許壓降,否則調(diào)整結(jié)構(gòu)重算直至滿意。

3.2 冷卻器芯國產(chǎn)化設(shè)計(jì)

根據(jù)上述熱力設(shè)計(jì)步驟,結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際形成冷卻器芯加工圖。1、2級冷卻器芯（中冷）及3級冷卻器芯（后冷）技術(shù)參數(shù)見表1，計(jì)算結(jié)果見表2。

表1 冷卻器芯設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 冷卻器芯計(jì)算結(jié)果（換熱性能對比）

從表2可以分析得目前冷卻器換熱面積比原來有所提高，中冷、后冷換熱面積提高率分別為8%、18%；壓降比原來降低，降低率為13%，有利于冷卻器換熱，滿足要求。

3.3 改造后實(shí)際運(yùn)行參數(shù)

冷卻器芯改造后實(shí)際運(yùn)行參數(shù)顯示溫壓比設(shè)定值偏高,為此又進(jìn)行了一些設(shè)計(jì)優(yōu)化：翅片板型由原來S120改為SD120(即平板型改為坑洼型),換熱面積增加約15%左右,隔板密封由直線型改為翻邊型。優(yōu)化后實(shí)際運(yùn)行參數(shù)見表3,優(yōu)化后實(shí)際效果優(yōu)于冷卻器設(shè)計(jì)參數(shù)。

表3 第1次改進(jìn)及優(yōu)化后實(shí)際運(yùn)行參數(shù)對比

4 結(jié)語

在多級壓縮機(jī)組中,配套有多個(gè)空氣冷卻器。在銅冶煉工業(yè)環(huán)境中,酸性氣體極易腐蝕空氣冷卻器并形成化合物,降低空氣冷卻器的冷卻效果并造成氣道堵塞,進(jìn)而引發(fā)機(jī)組喘振,嚴(yán)重?fù)p壞設(shè)備[5]。本案例中采用化學(xué)過濾器、冷卻器國產(chǎn)化的方案有效地解決了零部件的腐蝕問題,大大降低了冷卻器的更換成本,每年節(jié)約備件費(fèi)用為100萬元。

[1]陳聯(lián)滿.空壓機(jī)葉片腐蝕分析[J].物理測試,2002(2):38.

[2]張根珠.CAFH化學(xué)過濾器在ZH型離心式壓縮機(jī)上的應(yīng)用[J].有色設(shè)備,2009(1):29-31.

[3]靳明聰.換熱器[M].重慶:重慶大學(xué)出版社,1990.

[4]張智,劉江偉,王思文.管殼式換熱器的熱力計(jì)算和數(shù)值仿真[J].金屬材料與冶金工程,2012(1):33-37.

[5]林培林,王世平,鄧先和.氣體壓縮機(jī)冷卻器現(xiàn)狀及研究進(jìn)展[J].壓縮機(jī)技術(shù),1998(3):17-20.

Application of Local Production of ZH Centrifugal Compressor Cooler

LONG Mei
(Precious Metal Plant of Daye Nonferrous Metals Co.,Ltd.,Huangshi,Hubei 435005,China)

During the production environment of copper smelting,high concentration corrosive gas may result in main components of centrifugal compressor being corroded.As for these problems,air filter with function of chemical filtration was added in a p lant and detailed measures were conducted on application of local production of cooler core,and got good effect.

centrifugal compressor;fault analysis;core of cooler;application of local production;thermal design

TH452

B

1004-4345(2014)02-0029-03

2013-10-27

龍梅(1972—),女,工程師,主要從事設(shè)備管理技術(shù)工作。