浅析B套离心式空压机打气量不足的原因及处理

曹庆良

(河南省煤气(集团)有限责任公司义马气化厂，河南义马 472300)

1 项目背景

某厂空分车间B套SIC705-2(2951)离心式空气压缩机，由沈阳鼓风机集团设计生产，采用全新结构的单轴等温型，压缩过程接近等温压缩，故其效率高，该压缩机为单缸、等温、四段、五级离心式压缩机，水平剖分缸体，圆型铸造外层隔板和方型焊接内层隔板，共有五级压缩、四次内部中间冷却，压缩机原动机为冷凝式汽轮机，该机组采用集中供油润滑，自大气中直接吸入空气，经过压缩后压力升高至0.56 MPa(设计压力)，经过预冷系统、纯化系统进入分馏塔。自2001年投入运行，机组机械运转情况比较稳定，2006年以后随着该厂生产负荷的提升，发现该压缩机运行工况与设计工况偏差较大。设计流量为:38 500 Nm3/h、实际运行流量最小值夏季为3 0587 Nm3/h、流量在设计流量的80%左右，设计出口温度≤112℃，实际出口温度达到137℃，与设计有较大差异，因该厂产品结构调整，对空分装置负荷有较高要求，要达到满负荷，因此需要对该压缩机进行修复改造。

2 打气量不足原因分析

2.1 影响压缩机打气量的因素

①压缩机吸气系统袋式过滤器堵塞或阻力增加，引起压缩机吸入压力降低。在出口压力不变时，使压缩机压比增加，功耗减小。根据压缩机的性能曲线，当压比增加时，打气量会减少。

②压缩机排气系统管路阻塞，阻力增加或阀门故障，引起空压机排气压力升高。在吸入压力不变的条件下，压比增加功耗增加，造成打气量减少。

③压缩机中间冷却器阻塞或阻力增大，引起打气量减少。不同位置的阻塞，情况还有所区别:如果冷却器气侧阻力增加，就只增加机器的内部阻力，使压缩机效率下降，打气量减少;如果是水侧阻力增加，则循环冷却水量减少，使气体冷却不好温度升高，影响下一级吸入，使压缩机的打气量减少。

④密封不好造成气体泄漏。包括:内漏，即级间窜气。使压缩过的气体倒回，再进行第二次压缩。它将影响各级的工况，使低压级压比增加，高压级压比下降，使整个压缩机偏离设计工况，打气量下降;外漏，即从轴端密封处向机壳外漏气。吸入量虽然不变，但压缩后的气体漏掉一部分，自然造成打气量减少。

⑤冷却器泄漏。如果一级泄漏，因水侧压力高于气侧压力，冷却水将进入气侧通道，并进一步被气流夹带进入叶轮及扩压器。经一定时间后造成结垢、堵塞，使空气流量减少。如果二、三级冷却器泄漏，因气侧压力高于水侧，压缩空气将漏入冷却水中跑掉，使打气量减少。

⑥原动机转速下降，打气量减少。

⑦五级压缩任一级吸气温度升高，气体密度减小，也都会造成吸气量减少。

⑧压缩机中间冷却器冷却效果差导致打气量减少。该空压机中间冷却器是板式结构，管内通循环水，管间冷却空气，通过管内外流体的热交换起到冷却的作用。

影响压缩机中间冷却器冷却效果的原因有:冷却水量不足。空气的热量不足以被冷却水带走，造成下一级吸气温度升高，气体密度减小，最终造成打气量减少。所以，在运行中应密切监视冷却水的供水压力控制供水量。工艺上通常控制冷却水压要大于0.4 MPa。循环冷却水温度太高。水温高使水、气之间温差缩小，传热冷却效果降低。即便循环冷却水量不减少，也会使气体冷却后温度仍然很高。冷却水管内水垢多或被泥沙、有机质堵塞，以及冷却器气侧冷却后有水分析出，未能及时排放，这都会影响传热面积或传热工况，影响冷却效果。冷却效果不好，使进入下一级的气温升高，影响下一级的性能曲线，使其出口压力和流量都降低。此外，当下级吸气量减少时，造成前一级压出的气量无法全部进入下一级，很容易使前一级的工作进入喘振区，在该级发生喘振。可以通过检查上水温度及水压，并进行调整。

⑨压缩机密封形式对打气量的影响。为了减少压缩机转子与固定元件之间的间隙漏气，必须有密封。该压缩机密封按其位置可分为四种:轮盖密封、级间密封、平衡盘密封和(前、后)轴封。密封的形式采用梳齿式的迷宫密封。

迷宫密封的工作原理:当气流通过梳齿形密封片的间隙时，气流近似经历了一个理想的节流过程，其压力和温度都下降，而速度增加。当气流从间隙进入密封片间的空腔时，由于截面积的突然扩大，气流形成很强的旋涡，从而使速度几乎完全消失，温度又回复到密封片前的数值，而压力却不能再恢复，保持等于通过节流间隙时的压力不变。气流经过随后的每一个密封片间隙和空腔，气流的变化重复上述过程。所不同的是由于气流质量体积逐渐增加，在通过间隙时的气流速度和压力降越来越大。由此可见，当气流通过整个迷宫密封时，压力是逐渐下降的，最后趋近于背压，从而起到密封作用。

离心式压缩机的密封漏气对压缩机打气性能的影响。轮盖密封与级间密封处的泄漏均属于内泄漏。严重的内泄漏会使压缩机能量损失增加，级效率及压缩机效率下降，打气量减少。不过，两者的影响机理也有所不同:轮盖密封的泄漏是使压缩过的气体重新回到叶轮，再进行第二级压缩，从而主要使级的总耗功增加;级间密封的泄漏为级间窜气，从而会使低压级压比增加，高压级压比下降而导致打气量下降。平衡盘密封的严重泄漏虽然对压缩机的性能影响不大，但对离心式压缩机的安全运行却关系极大。

轴封的泄漏属于外泄漏。外泄漏是指气体从密封处漏往机壳以外。不言而喻，严重的外泄漏将直接造成压缩机打气量的减少。

⑩空气中杂质对压缩机打气量的影响。空气中除氧、氮外，还有少量的水蒸气、二氧化碳、乙炔和其他碳氢化合物等气体，以及少量的灰尘等固体杂质。每立方米空气中的水蒸气含量为4～40 g/m3(随地区和气候而异)，二氧化碳的含量为0.6～0.9 g/m3，乙炔含量为0.01～0.1 cm3/m3，灰尘等固体杂质的含量一般为0.005～0.15 g/m3。这些杂质在每立方米空气中的含量虽然不大，但由于空分设备每小时加工空气量很大，因此，每小时带入压缩机的总量还是可观的。以6 000 m3/h制氧机为例，每小时随空气带入空压机的水分量约1 t，经空气冷却器和氮水预冷器后有很多水分将析出。即使如此，每小时带入空分设备的水分还有200 kg。每天随空气吸入的灰尘达4.8～9.6 kg，甚至更多，而这些杂质对空压机打气量都是有影响。

2.2 压缩机打气量不足主要原因

①由于压缩机运行时间较长机壳及隔板存在使用变形情况，尤其隔板变形较大，上、下隔板之间间隙很大，级间串气造成内循环流动损失很大，从压缩机拆开检查情况分析，上、下隔板间气流冲刷痕迹可以确认压缩机隔板级间串气，上、下隔板之间间隙密封处的泄漏属于内泄漏，会使压缩机能量损失增加，级效率及压缩机效率下降，打气量减少。隔板间泄漏使压缩过的气体重新回到叶轮，再进行第二次压缩，造成级的总耗功增加，低压级压比增加，高压级压比下降。

②空压机级间冷却器存在内漏气情况冷却效果不好，部分气体未经级间冷却器冷却，压缩后空气的热量不足以被冷却水带走，造成下一级吸气温度升高，气体密度减小，最终造成压缩机打气量减少。

③由于该压缩机压缩的空气中含有一定的水分，具有一定的湿度，被压缩空气在流出中间冷却器后，具有高压低温的条件，在此条件下空气中的气态水很容易凝结成为液态水，这些液态水被设置在压缩机级间冷却器内的不锈钢疏水片收集后经过级间疏水器排出压缩机外。由于级间冷却器疏水片有损坏疏水效果差，导致有部分水分凝结在压缩机流道内壁上，在水分和氧气存在条件下，压缩机流道内壁很容易发生氧化腐蚀，生成氧化铁粉末，长期累积，就会出现压缩机内壁锈蚀起皮和脱落的现象，脱落的铁锈夹杂在空气流中，会堵塞中冷器气侧空气通道，也会黏附在级间冷器气侧内表面，降低气侧空气换热效率，最终结果是降低压缩机打气量。

④气管路存在阻塞及阀门故障情况，装置系统设备管路阻塞，阻力增加或旁路阀内漏出口阀开不到位情况，引起空压机排气压力升高。在吸入压力不变的条件下，压比增加，造成压缩机打气量减少。

为了保证该厂产品结构调整后空分装置能满足后序系统使用要求，针对B套空分装置SIC705-Ⅱ型离心式空气压缩机打气量不足原因分析情况进行修复改造。

3 修复改造措施

根据压缩机打气量不足检查分析情况，对压缩机进行修复改造，具体实施如下:

①对于机壳及隔板存在使用变形情况，尤其隔板变形较大，上下隔板之间间隙大、密封不严，级间串气造成内循环流动损失很大，上下隔板之间间隙密封处的内泄漏，使压缩机能量损失增加，级效率及压缩机效率下降，打气量减少。隔板间泄漏使压缩过的气体重新回到叶轮，再进行第二次压缩，造成级的总耗功增加，低压级压比增加，高压级压比下降。对隔板及机壳变形作如下修复:a、将压缩机解体，把隔板取出后，上下机壳及转子上龙门床检测变形量;b、根据机壳变形情况，重新修复机壳配合尺寸;c、检测机壳轴承区变形量;d、根据加工后的机壳尺寸，重新加工制造新隔板、气封(保证气封原设计尺寸不变，这样以前的气封备件可以继续使用)。

②加工后机壳与隔板、气封、转子重新进行装配。修复如下:a、控制装配后的密封间隙值在技术要求范围内;b、控制转子与机壳装配各部位间隙值、轴向尺寸值。

③针对级间冷却器疏水片有损坏疏水效果差，导致有部分水分凝结在压缩机流道内壁上，在水分和氧气存在条件下，压缩机流道内壁很容易发生氧化腐蚀，生成氧化铁粉末，长期累积，就会出现压缩机内壁锈蚀起皮和脱落的现象，脱落的铁锈夹杂在空气流中，会堵塞中冷器气侧空气通道，也会黏附在级间冷器气侧内表面，降低气侧空气换热效率，修复级间冷却器损坏的疏水片改善疏水状况，更换冷却器16个不锈钢疏水阀，保证级间压缩气体冷却后的疏水效果。

④针对级间冷却器与壳体配合密封面存在的内漏气情况，造成部分气体未经级间冷却器冷却导致下一级吸气温度升高，气体密度减小，致使压缩机打气量减少，将原冷却器密封条结构进行设计改型，把原来的橡胶密封条改为弹性优良的钛合金密封条，消除了级间冷却器与壳体内漏气的缺陷。

⑤冲洗管路上的结垢，检查阀门状况，更换内漏的旁路阀，修复出口阀开不到位缺陷，排除了管路上的问题。

⑥转子做动平衡，消除转子不平衡引起的振动及对气封的影响。

4 修复后的效果

压缩机修复改造后运行效果十分明显，打气量大幅提高，达到38 110 Nm3/h，在设计流量的99%左右，级间排气温度均有所降低，末级排气温度降到110℃，小于设计的112℃，压缩机效率提升，在打气量提高的状况下轴功率下降，节约了能源消耗，各项技术指标达到原厂设计要求，满足了该厂产品结构调整对空分装置的负荷要求。