空气压缩机的选型和运行情况分析

杨信一

中石油京唐液化天然气有限公司

在很多化工企业中，经干燥的压缩空气作为气源承担着驱动全厂阀门、执行机构等设备的重任，是企业工艺流程中的核心设备，一旦空气压缩机组发生故障，会引起整个厂区的工艺联锁甚至紧急停车，造成不可挽回的巨大损失。因此，如何提高空压机组的稳定性和可靠性，是摆在企业面前的重要课题[1]。

螺杆式空压机作为一种先进的空气动力设备，具有运转可靠、寿命长、效率高、气量不受排气压力影响、运转平稳不发生喘振等特点[2]，已成为当今空气压缩机发展的新主流，其中的喷油螺杆压缩机得到了生产企业的广泛应用[3]。唐山LNG接收站经过选型比对，最终采用微油型螺杆式空气压缩机。本文总结了该型号压缩机投产运行3年来的运行维护与使用经验，可为相关行业公司在设备选型方面提供参考。

1 唐山LNG接收站压缩空气工艺概述

唐山LNG接收站的压缩空气从用途方面分为两类：仪表空气和工厂空气，其中仪表空气的作用是作为全厂气动阀和执行器的驱动气源，而工厂空气主要用于接临时软管，对设备及零件进行清洁、吹扫。

在保证整个厂区平稳运行的任务中，仪表空气管网承担了重要责任，其正常工作压力(绝压，下同)需要保持在0.7～0.9 MPa。为避免陷入全厂气动阀门失去动力而无法控制的状况造成安全风险，当仪表空气管网压力降至0.5 MPa以下时，会导致全厂工艺设备联锁停车。

2 备选空气压缩机的种类及分析

通过对唐山LNG接收站所处环境分析，初步选取了3种常用的空气压缩机类型进行参考。

2.1 离心式空气压缩机

离心式空气压缩机的工作方式是由叶轮带动气体做高速旋转，利用气体在叶轮作用下产生的离心力进行扩压流动，从而使气体通过叶轮后的流速和压力得到提高，连续地生产出压缩空气。

相对于其他两种类型的空气压缩机来说，离心式空气压缩机的优势在于：在下游用气负荷稳定情况下，其运转状态稳定，可靠；易损件少，运转寿命较长；排气不受润滑系统干扰，气体产品干净，不会对下游管网造成污染堵塞；排量大，效率高，利于节能。

以某公司H100-0.97型离心式压缩机为例，设计出口压力(绝压，下同)为0.9 MPa，额定功率654 kW，排气量52 m3/min，满足唐山LNG接收站的生产需求。

2.2 活塞式空气压缩机

活塞式空气压缩机有多种结构形式。按气缸的配置方式分为立式、卧式、角度式、对称平衡式和对置式几种。活塞式空气压缩机是利用曲轴带动活塞的往复运动，使气缸腔内的气体受到压缩而不断地产生压缩空气。活塞式空气压缩机属于容积式压缩机，受该机型的工作原理和特性所限，为了供气稳定，一般活塞式空气压缩机都配备有储气罐。

相对于其他两种类型的空气压缩机来说，活塞式空气压缩机的优势在于：价格低，初次投资少，使用寿命长；能量转换效率高；适应性强，受排气压力变化影响小；排气压力上限高。

以某公司w-2/8型活塞式压缩机为例，设计出口压力为0.98 MPa，额定功率20 kW，排气量3 m3/min，基本符合唐山LNG接收站的生产需求。

2.3 螺杆式空气压缩机

螺杆式空气压缩机分为单螺杆式和双螺杆式两种，采用高效带轮传动，带动主机转动进行空气压缩，通过喷油对主机内的压缩空气进行冷却，同时对转子进行润滑，主机排出的空气和油混合气体经过油气分离装置，将压缩空气中的油分离出来，最后得到洁净的压缩空气。其中双螺杆式空压机采用主副两个转子互相配合加压，适用于40 m3/min以下的工艺环境。

相对于其他两种类型的空气压缩机来说，螺杆式空气压缩机的优势在于：可靠性能优良；振动小，噪声低；操作方便，人员不需要接受长期培训；易损件少。

以某公司SA75A型活塞式压缩机为例，设计出口压力为1.05 MPa，额定功率75 kW，排气量12 m3/min，满足唐山LNG接收站的生产需求。

2.4 分析对比

经过测算，唐山LNG接收站的高峰期压缩空气用量大概在14～20 m3/min，空气管网压力控制在0.7～0.9 MPa，根据此前条件对比，从能耗的角度来看，离心式压缩机的能耗最多，效率最低，经济性较差，若用于唐山LNG接收站，设备停机时间较长，不能有效发挥离心式压缩机在稳定运行下的优势，因此被排除。

活塞式压缩机由于对平衡性的要求，其安装难度较大，体积上存在劣势，在唐山LNG接收站预留厂房中最多只能安装4台，虽能勉强满足高峰用量需求，但从长远考虑，今后新增设备将存在困难；另一方面，由于设备结构复杂，活塞等易损件较多，后期维护成本相对较高。

而螺杆式空压机虽然存在压缩后空气易带油、温度和排气压力对空压机运转存在较大影响的问题，但在唐山LNG接收站工艺环境下，压力波动范围较小，且地处北方沿海城市，在环境温度方面可以接受。因此，唐山LNG接收站最终采用的是一种微油型双螺杆固定空冷式压缩机。

3 唐山LNG接收站空气压缩机系统的设计

唐山LNG接收站最终选用的是北京复盛机械有限公司生产的SA75A型空气压缩机，属于固定空冷螺杆式压缩机，设计出口压力1.05 MPa，额定功率75 kW，排气量11.6 m3/min。整个压缩系统共设有3台压缩机(后新增一台共4台)，2台双塔吸附干燥器，2台前置除油器，2台后置过滤器，通过自身携带的控制系统进行联动切换控制，正常状态下需2台空压机同时运转才能保证下游用量供给。而每台空气压缩机本身的系统结构主要包括电动机、压缩机体、油气桶、油细分离器、空气滤清器、反比例阀及温控阀等，系统通过判断下游压力来自动调整压缩机的负荷，如图1所示。

4 螺杆式空压机运行异常情况及分析

在唐山LNG接收站实际运行工况下，曾经发生过多次空压机故障，造成了不少风险和损失，但同时也积累了较多的处理经验，引起空压机系统运行不正常的因素大致可归类为4种：温度、压力、控制故障、湿度[4]。

4.1 温度引起故障现象及分析

空气压缩机的出口温度高点联锁值设计为100 ℃，低点联锁值设计为0 ℃，而在实际正常运行状态温度保持在80～90 ℃，其温度受环境影响较大[5]。

以某次夏天高温天气出现的故障现象为例：2014年8月24日上午11时，整个系统处于联控状态，空压机A和空压机B作为主机受管网压力控制自动启动和停止，空压机C作为备机处于停止状态。运行中空压机A/B突然同时报警联锁无法启动，只有空压机C紧急启动并保持运转状态，但仅能维持管网压力缓慢下降，紧急检查发现故障原因为出口温度高高联锁，且在温度下降回正常区间复位后重新启动失败。最终通过紧急更换润滑油，并打开机体舱门通风散热，耐心等待整个机体温度降至40 ℃后启动成功，并恢复正常运转。

事后分析发现，引起同类故障产生的原因主要有4点：①环境温度较高[6]；②管网压力波动较大导致启停较为频繁；③内部空冷系统存在堵塞，影响了散热[7]；④温控阀动作迟缓[8]。而空压机C之所以能够运转是因为它是备机，停止散热时间较长。

而另一次低温天气出现的故障则更具威胁性：2016年1月10日夜间，系统正常运转，突然在启机过程中空压机B/C系统联锁无法启动，检查发现空压机机体温度为-4 ℃，低于0 ℃联锁值无法启机，紧急情况下只能临时更改了低温联锁设定值重新启动，但启动运转后立刻造成电流超载跳闸停机，于是操作人员用开水浸泡的抹布、手套等对机体进行包裹加温20 min，直至提升至温度计显示为1 ℃，最终启动3次后成功。

事后分析发现，引起同类故障产生的原因主要有4点：①环境温度过低；②空压机为油气混合加压型；③机体内油温低导致黏性增大[9]；④在油的黏性增大时启动会增加电机的驱动负担，从而使电流超载[10]。而空压机A之所以能够正常运转是因为作为主机，始终保持了运转的状态，保证了油温持续稳定在80 ℃。

从本次故障分析可以得出结论：螺杆式空压机若用于南方高温环境，建议采用水冷却系统代替空气冷却模式以提高换热效率；而在北方严寒地带，需要对润滑油箱和螺杆处配套电加热设施。

4.2 压力引起故障现象及分析

空压机本体的出口压力高点联锁值设计为1.05 MPa，实际运行3年时间，出口压力处于长期缓慢上升趋势，这主要是由于下游各过滤器及干燥器阻塞物增多导致。

以某次故障为例：2014年9月，系统处于联控状态，空压机本应该在管网压力上升至0.9 MPa时正常卸载停机，待压力下降至0.7 MPa后重新启动，但在管网压力并未达到0.9 MPa状态下，空压机提前卸载[11]，并在此之后以1 min为周期频繁卸载、加载，对设备运行造成十分不利的影响[12]。检查发现，空压机本体出口压力达到了1.05 MPa，系统正常开启卸载动作保护机体，而在卸载后出口压力迅速下降到常压，导致重新加压，针对这一问题迅速停止了系统运转并切换为单控状态，并在短时间内拆除清理了各个过滤设备后减少了上下游的压力差，重新启动后恢复正常。

事后分析发现，引起同类故障产生的原因主要有3点：①空压机附属系统的清理不够及时，引起阻塞物增多，出口和下游管网的压差增大；②控制空压机启停的压力取样点为管网压力；③保护性卸载逻辑设计有缺陷。

从本次故障分析可以得出结论：由于唐山LNG接收站周边空气环境存在较多的铁矿粉等固体颗粒，润滑油与空气混合的过程就会带来很大的不良影响，因此，在选型时若考虑螺杆式空压机，必须保证周边空气环境达到要求；而在进行系统设计时，需要注意尽量使控制空压机启停的压力参数取样点与保护性卸载连锁压力取样点一致，防止逻辑发生冲突。

4.3 控制系统故障现象及分析

唐山LNG接收站在实际运行中，还会出现系统模块失灵的特殊故障现象[13]，这种故障原因很复杂也很难排查，很可能会导致在解决之前管网压力已经下降到联锁值而引起全厂设备跳车，给生产带来巨大损失。

以某次故障为例：2014年11月29日21时，系统处于联控状态，在管网压力下降至0.7 MPa时，空压机本应该自动启动、加载对管网系统充压[14]，可空压机均在加载1 min后自动卸载[15]，并在检查出故障原因前引起了全厂设备跳车。最终检查出原因为某气动阀门的电磁阀吸合不正常，导致了上下游中断，上游压缩的空气憋压导致保护性卸载，而下游没有补充压力引起了跳机联锁。于是首先中断气动阀气源，使其保持常开位置来保证系统运转，随后更换了电磁阀后重新联控启动恢复正常。

事后分析发现，引起同类故障产生的原因主要有4点：①电磁阀故障；②气动阀控制模块故障；③PLC系统逻辑缺陷引发周期性故障；④总停总启步骤不合理导致控制逻辑失效。

从本次故障分析可以得出结论：由于选用的螺杆式空压机的工作方式必须采用周期性切换模式，此设备对于系统逻辑的准确性和可靠性要求很高，在现场调试过程中有必要进行各种模拟实验，防止存在系统错误的可能。

4.4 湿度超标现象及分析

仪表空气作为生产设备的驱动气，其干燥净化程度不够往往会引起下游设备积液、腐蚀，如果现场巡检不够细致、主动，就很容易给下游设备和管线带来潜在的故障风险。通过观察湿度探测器实时露点温度数据，可有效了解进入管网的空气水含量是否合格，露点温度-50 ℃以下为合格[16]。

以某次故障为例：2016年10月某日，系统露点逐渐上升至33～45 ℃，操作人员检查下游取样点，发现存在积液，排除了露点温度检测器的影响，确认为双塔吸附干燥器存在干燥不彻底的问题，后通过减少再生气量供给的方法使系统逐渐恢复正常[17]。

事后分析发现，引起同类故障产生的原因主要有4点：①再生气量过小，使干燥塔潮气未排净便重新开始投用；②再生气量过大，使干燥塔内部氧化铝干燥球群结构被再生气吹出缝隙；③干燥塔排水电磁阀故障；④干燥塔排水周期设置过长，导致寒冷天气排水管线冻堵[18]。

从本次故障分析可以得出结论：螺杆式空压机不仅对温度[19]、压力环境要求较高[20]，还对湿度特别敏感，需要注意防止乳化的润滑油对设备造成损伤。因此，在沿海北方城市冬季极端天气环境下，螺杆式空压机的可靠性有大幅降低的风险。

5 结 语

在设备进行选型时，对厂区的周边环境考察十分重要，后期使用过程能否顺利都与选型密切相关。对于螺杆式空气压缩机来说，由于其具有经济性、核心部件可靠性、产量匹配性上的优势，是厂区仪表驱动气源的首选，但在设计过程中，需要结合周边的环境要求，在润滑油过滤及备机状态加热、入口空气过滤及冷却、出口空气干燥3个方面加入可靠的成套辅助设备，以进一步降低其在特殊环境下的运行风险；同时，要采用合理的程序逻辑控制方案，并留有程序修改串行接口，用于不断改进及优化运行模式。

[1] 喻志强, 刘福来, 鲍洋洋, 等. 螺杆压缩机产品质量状况分析[J]. 化工机械, 2014, 41(6): 718-721.

[2] 孟凡英, 唐美玲. 单螺杆式压缩机工作过程及性能分析[J]. 中国科技信息, 2009(16): 129-130.

[3] 王晓璐. 喷油螺杆空气压缩机油路特性探讨[J]. 纺织器材, 2003, 30(1): 44-47.

[4] 韩德生. 螺杆空气压缩机常见疑难故障分析及处理[J]. 化工机械, 2009, 36(6): 629-631.

[5] 高鹏. 螺杆空气压缩机存在的问题及解决方法[J]. 热力发电, 2008, 37(4):63-64.

[6] 李燕坡, 刘广州. 喷油螺杆空压机组排气温度高的分析和处理[J]. 压缩机技术, 2010(2): 39-40.

[7] 林子良, 鲍洋洋, 孙晓明, 等. 螺杆空压机组的热量分析与计算[J]. 流体机械, 2014, 42(8): 46-51.

[8] 陈仁来. 空气压缩机振动原因分析及改进措施[J]. 石油化工设备技术, 2004, 25(5): 44-46.

[9] 黄大宇. 喷油螺杆空压机油路构造及常见故障分析[J]. 压缩机技术, 2003(5): 37-40.

[10] 肖银娥, 谭强. 喷油螺杆空压机油气分离滤芯节能运行的条件分析[J]. 压缩机技术, 2010(3): 26-29.

[11] 范德民, 于天军. 螺杆空气压缩机不加载故障快速诊断[J]. 中国设备工程, 2002 (7): 37-38.

[12] 孔德文, 林惟锓, 蔡茂林, 等. 螺杆空压机加卸载工况下节能运行分析[J]. 北京航空航天大学学报, 2012, 38(3): 405-409.

[13] 李宝顺. 螺杆式空气压缩机智能控制器的研制[J]. 流体机械, 2005, 33(7): 56-59.

[14] 戴家齐, 叶德丰. 世界管道手册[M]. 北京: 石油工业出版社, 2003: 10-12.

[15] 朱应煌. 变频器在空气压缩机恒压控制中的应用[J]. 自动化仪表, 2009, 30(1): 66-69.

[16] 韩维良, 张顺廷. 浅析螺杆空压机部件功用与故障排除[J]. 通用机械, 2010(2): 78-80.

[17] 顾安忠. 液化天然气运行和操作[M]. 北京: 机械工业出版社, 2015: 35-42.

[18] 张艳荣. 螺杆式空气压缩机冷却器泄露的原因分析和对策[J]. 腐蚀科学与防护技术, 2014, 26(4): 390-392.

[19] 邹江, 张霞, 王韬. 螺杆式空压机变频节能改造[J]. 机械制造与自动化, 2015, 44(6): 88-90.

[20] 张志恒, 张成彦, 李奇, 等. 影响螺杆空气压缩机性能的因素分析[J]. 流体机械, 2002, 30(8): 12-14.