空分压缩机级间冷却器换热效果影响因素分析

汪青青，黄 栩，王发兵

（马钢比欧西气体有限责任公司，安徽马鞍山 243000）

1 概述

马钢比欧西气体公司现有两套40000 m3/h空分装置，由LINDE AG设计配套，其中每套空分配备空压机、增压机和氮压机各一台，均由SIEMENS AG制造。马钢比欧西公司空压机采用三级压缩两级冷却，额定功率16900 kW，增压机和氮压机采用六级压缩六级冷却，额定功率分别为8400 kW和5400 kW。压缩机的级间冷却器的主要作用是降低排气温度，使压缩过程更接近于等温压缩，提高压缩机的等温效率，等温压缩过程耗功最少从而降低电机拖动的电耗。目前主流空分公司均使用趋近温度来衡量换热器的换热效果，其定义为压缩机冷却器排气温度与冷却水温度的差值。马钢比欧西压缩机冷却器全部采用进口Oeltechnik公司U型管式换热器，空压机、增压机和氮压机设计趋近温度分别为5℃、7℃、7℃，工艺空气走壳程，水走管程，同时气侧设置折流板，气流通常是纵掠管束，示意图如图1。

图1 介质流向示意图

从图1可看出空气要与管束内的循环水换热需经过工艺空气与外壁之间的对流换热，管壁的传导换热和内壁与水之间的对流换热，任何影响这一过程的因素都会影响冷却器的换热效果。2016年11月和2017年6月打开1#和2#ASU空压机和增压机的封头之后并用内窥镜拍照查看后发现：（1）管束内有堵塞迹象；（2）铜管壁上有结垢，管壁上的横纹已不明显；（3）回水侧结垢较明显，见图2和图3。

图2 冷却器回水侧较进水侧结垢明显

图3 清洗前内窥镜检查管束内存在结垢和堵塞

结合目前的运行状况及检修情况，总结目前常见到的影响冷却器的换热效果因素有：冷却器水侧管束内结垢或堵塞、管程水流速偏低、气侧管壁有结垢、空气湿度增加，同时总结了高压清洗冷却器管束前后趋近温度变化情况。

2 影响因素

2.1 冷却器水侧管束内结垢和堵塞对换热的影响

检修时打开换热器水侧封头之后发现管束内存在结垢现象，结垢阻碍了管道内壁与水之间的传热，热阻增加，热流必须穿过结垢层再与水进行对流换热，影响冷却器的效果。导致结垢的因素很多，如循环水质、管内流速及流态、循环水温度以及换热器的结构等，结合工厂的运行情况主要原因如下：

（1）循环水质的影响

循环水冷却水在运行过程中随着水分的蒸发消耗，水中的各种杂质浓度会升高，结垢概率增加。pH、电导率及浊度等指标异常会导致结垢的产生。

（2）循环水流速过低的影响

冷却器中，流速对结垢的影响有两方面：水中杂质沉降和对污垢的冲刷剥离，圆管中水流流态以无量纲雷诺数2300为界，低于2300为层流，高于2300为紊流[1]，冷却器中某些部位流速过小或水流分配不均流速低时易出现层流流动，流速大小在圆管剖面上呈抛物线分布，如图4所示，主流区流速较快，而接近壁面处由于流体存在黏性产生附面层，在附面层内流体近似于停滞状态，使循环水中存在的杂质沉降结垢，同时对壁面的冲刷剥离作用减弱，加速了结垢。

图4 圆管内层流和紊流速度分布

（3）循环水温度对结垢的影响

冷却水中的水垢一般都是具有反常溶解度的难溶或微溶盐类，具有固定晶形的无机物，按结晶的规律最容易在金属的传热面上析出，结垢质地坚硬，厚实且致密，大部分呈白色或灰白色，其溶解度与一般的盐类不同，不是随着温度的升高而升高，而是随着温度的升高而降低。当水流速比较小或传热而比较粗糙时，这些结晶沉淀物就容易沉积在传热面上，研究表明当水温高于45度时冷却器内的结垢会急剧增加，大大影响冷却器的换热效果。

2.2 管内流速及流态对换热的影响

如上节所述，低流速情况下会导致管道内层流流动产生附面层，不但会导致结垢，还会对换热产生影响，原因是在流体流过壁面时，边界层附近因传热形成的具有温度梯度的薄层，也就是对流传热热阻所在的区域[2]，由于热阻的增加使热流密度减小，影响换热。

2.3 气侧管束外壁结垢

空压机冷却器气侧可能会结垢影响换热效果，而增压机和氮压机因压缩介质已经过净化和分离可不考虑。空压机气侧结垢污染的主要原因是原料空气过滤不充分或者前置过滤器安装短路及过滤器密封不好导致空气中的粉尘和颗粒直接进入压缩机，与经压缩冷却过程中析出的水分共同作用产生结垢，影响冷却器的换热效果。

2.4 空气湿度增加

空气湿度增加或者阴雨天气和大雾天气空气中的游离水增加时导致空气经压缩冷却之后析出的水分增加，析出的水分部分会附着在冷却器的管束上，在管束上形成一层薄薄的水膜，水膜越厚热阻越大，影响冷却器的换热效果。

3 解决措施

3.1 用高压清洗的方式对管束水侧结垢进行清洗

由专业的承包商进行，通常是通过泵将水压缩到4000 kPa以上，然后通过喷嘴雾化伸入管束内进行冲洗，依靠水流的冲刷剥离作用，使污垢从管壁脱离，清洗后的状况如图5。

图5 清洗后内窥镜检查管束内情况

从内窥镜拍摄的照片中可看出清洗之后管道内壁较干净，壁面上的横纹清洗可见，当流体流经横向纹时在管壁附近形成了轴向涡流，加强了边界层的扰动，有利于热量通过边界层向主流区传递，强化传热[3]。2016年12月份对清洗出的杂质分析发现其主要成分是泥沙。对比清洗前后相同负荷及循环水量的情况下2#空压机一级和二级的趋近温度如图6。

图6 2#MAC一级和二级清洗前后趋近温度对比

从图6可看出检修后2#空压机冷却器趋近温度平均下降0.85℃，说明冷却器换热效果变好，采集其他机组运行数据对比趋近温度下降如表1。

表1 各机组冷却器趋近温度平均值清洗前后对比 ℃

按照排气温升3℃，能耗增加1%计算，清洗5台机组每年可节省电量约110万kW·h，节能效果明显。

3.2 加强对水处理系统的监控管理

密切关注水处理的各项指标，控制好循环倍数、浊度、电导率及浊度，根据水质情况及时要求水处理承包商合理增减药剂，保持各项指标在正常范围内。

3.3 控制冷却器的水量，避免流速过低

根据压缩机厂家的要求管道内流速不能低于1 m/s，实际生产过程中为了发挥冷却塔的最大效率，将循环水泵的运行模式由“五开三备”调整为“四开四备”（每台额定流量1400 m3/h），同时也请水处理承包商关注水处理的各项指标，对各压缩机的进回水管道内流速用超声波流量计进行检测，避免结垢而腐蚀，如有检修机会安排清洗。

3.4 关注前置过滤器的工作状况

目前前置过滤器典型的性能规格是持续脱除97%的大于2 μm的颗粒，同时关注前置过滤的压降，安装过程中防止出现密封不严等情况，目前出现的案例表明空气不进行过滤不但会造成空压机冷却器结垢，还会对压缩机叶轮及流道产生影响。针对空气中游离水量含量增加，目前已有过滤器厂商提出解决方案，在过滤之前加装除水过滤器，目前沿海地区的空分开始使用此类过滤器，主要还是为了降低空压机能耗。

4 结论

综上所述，空分日常运行过程中关注压缩机的冷却器运行状况，发现趋近温度扩大趋势及时分析原因并采取相关措施，同时遇到检修机会及时清洗换热效果较差的冷却器。目前空分工艺流程相对成熟，做好经济运行工作意义重大，作为企业应积极响应国家节能减排政策，减少碳排放量，扎实推进节能减排工作。