压缩空气中水分的来源、危害与对策

(太原重工股份有限公司技术中心， 山西太原 030024)

引言

在压缩空气系统设计和应用中，冷凝水必须引起高度重视。气路系统常见故障表现为冷凝水冻结引发的气动元件漏气，管道冻结堵塞，使气路系统立即失效[1]。在高温高湿度环境下，表现为气路管道、控制元件的锈蚀。国内近年对于压缩空气中水分的来源、危害及应对措施的研究越来越重视， 也取得了一定的研究成果。基础研究方面有空气湿度对压缩机的影响[2]、压缩空气露点控制[3]、湿空气参数在工业的应用[4]、压缩空气含水量计算[5]等。工程应用方面，国内在医用气源、化工管道和压缩机应用领域，对压缩空气中水分的含量和危害进行了一定的研究，现场技术工程师对上述工况做了很多探讨[6-8]。在低温下，很多应用领域使用无热再生吸附式除水方法，这一方法需要消耗干燥的压缩空气[9]，有可能对主气路系统会产生一定冲击，应用效果还有待进一步的提升。目前的气动应用手册中没有针对极低温的详细的含水量应用数据。作为一线工作的压缩空气应用工程师和设备维护服务人员，有很强的意愿了解压缩状态下湿空气中水分的定量分析计算方法，具体工况下的含水量应用数据，空气后处理设备的设计选用原则和使用注意事项。目前关于在严寒地区工作的压缩空气系统的应用情况相关技术介绍比较少，我们长期从事极端工况下大型露天矿设备压缩空气系统设计和应用方面的工作，结合大型露天矿设备在极地矿区压缩空气应用工况，对压缩空气中水分的来源、危害和应对措施做一些初步探讨，希望能对类似应用场合的相关设计、应用提供借鉴。

1 空压机进气状态的空气含湿量计算和典型数据

湿空气是干空气和水蒸气的混合物。空压机工作时，将完全吸入大气压力状态(0.1013 MPa)下湿空气中的水蒸气。含湿量是指每千克干空气中所含水蒸汽的质量。计算公式为：

(1)

式中,d—— 含湿量，g·kg-1

φ—— 相对湿度

p—— 湿空气的压力，Pa

psv—— 饱和水蒸气压力，Pa

根据热力学理论，饱和水蒸气压力可以从水蒸气图表查出，对图表未给出的数据，参考经验公式进行计算：

(2)

根据式(1)、式(2)经过计算得到在压力为0.1013 MPa 条件下，饱和湿空气的分压力和含湿量数据，见表1。

表1 在压力为0.1013 MPa条件下饱和湿空气分压力和含湿量

2 单位时间进入空气系统的水的定量计算

单位时间内进入压缩空气系统的水量与空压机排量、进气环境温度、湿空气的相对湿度有关。空压机连续工作1 h从大气中吸入空气系统的水分可按下列公式计算：

m=60×qvχmaxφ

(3)

式中,m—— 每小时进入空气系统的水的质量，g/h

qv—— 空压机的排气量，m3/min

χmax—— 饱和湿空气的绝对湿度，g/m3

φ—— 空气的相对湿度

饱和湿空气的绝对湿度根据表1中饱和含湿量ds和空气密度ρ按式(4)换算：

χmax=ds×ρ

(4)

应用案例：某大型露天矿设备，使用一台空压机，qv为2.3，m3/min。φ为空气的相对湿度取0.8空压机连续工作1 h，计算带入空气系统的水蒸汽的质量。

根据式(3)、式(4)代入上述数值计算，结果如表2所示。

3 不同温度、不同压力下压缩空气饱和含湿量计算

取不同的湿空气压力，根据式(1)、式(2)计算得到与温度、压力对应的压缩空气的含湿量，见表3。

表2 2.3 m3/min空压机极端工况条件下吸入系统的水蒸气质量

表3 压缩空气的饱和含湿量 g·kg-1

4 压缩空气中冷凝水的定量分析和计算

压缩空气管路中冷凝水的多少与压缩空气压力和管道中压缩空气的温度有关。随着压力升高、温度降低、饱和湿空气中含水量减少，因而析出的冷凝水增加。

根据表1～表3所提供的计算数据表，可以方便应用工程师分析计算具体空气系统的含水量，为采取有针对的除水措施提供参考。

分析表1，表3在-20 ℃时数据，0.1013 MPa压力下，空气中饱和含湿量为0.77 g·kg-1，0.7 MPa压力下，空气中饱和含湿量为0.0963 g·kg-1，两者差值为空气被压缩后析出冷凝水量。

分析表3数据可知，同一压力下压缩空气在不同温度下的饱和含水量，随温度降低而下降。因此，从空气压缩机出口到用气点，如果发生降温，会析出部分冷凝水。析出水量为温差所对应的饱和含湿量差值。

分析表2数据，可见该设备压缩空气系统空压机连续工作1 h，将带入系统的水量的绝对数值随进气温度升高而增加。对于高温高湿度的工况，显然应该引起高度重视；相对于低温工况，进入系统的水的绝对数值低，危害性容易被使用者忽视，但是连续作业条件下，其危害性更大，要特别注意。

5 压缩空气中冷凝水的危害

大型露天矿设备压缩空气系统需要24 h连续工作。面对低温高湿度、高温高湿度环境的考验。在北纬60°附近矿区，冬季最冷月份平均气温低于-30 ℃，最低气温-50 ℃，平均相对湿度大于50%，连续降雪时相对湿度超过90%。在热带、亚热带矿区，夏季平均气温超过30 ℃，最高气温50 ℃，平均相对湿度大于50%，雨季相对湿度超过90%。

图1所示为工作在极地矿区的大型露天矿设备冬季气路系统排放冷凝水冻结情况。

图1 极地矿区某大型露天矿设备

在严寒地区，气路系统常见故障表现为冷凝水冻结引发的气动元件漏气，密封件撕裂，管道冻结堵塞甚至是断裂，使气路系统立即失效。在热带地区，常见故障表现为冷凝水使气动元件、管道发生锈蚀而引发缓慢失效。如图2所示，为极地矿区油水分离排气管道因冷凝水排放不及时引起排放管路冻结的情况。

图2 冷凝水排放胶管冻结失效

图3 汽水分离器筒体发生锈蚀

6 某大型露天设备压缩空气防冻应对措施

6.1 气源组成及工作原理

露天矿设备典型气源净化处理系统如图4所示。

1.空压机 2.后冷却器 3.湿空气储气包 4.油水分离器5.干燥机 6.干空气储气包 7.空气过滤器 8.管道防冻器9.自动排水阀 10.球阀 11.空滤器图4 气源净化处理系统

该气源净化处理系统工作原理简述如下：空压机1通过空滤器11从大气中吸入湿空气，经压缩后的热空气进入后冷却器2初步冷却，随后进入湿空气储气包3,在这里，冷凝水通过自动排水阀9排放，压缩空气得到初步处理。从储气包3出来的压缩空气经汽水分离器4，干燥机5进一步处理后进入干空气储存气包6之后，压缩空气经过空气过滤器7、管道防冻器8进入各个气路控制单元。

6.2 不同除水措施的应用效果及不足

(1) 在图4中湿空气储气包3具有冷却作用，可以促进冷凝水的形成，降低压缩空气中的水分。冷凝水通过自动排水阀9排出。

此方法有一定效果，不足是受到设备空间限制，储气包容积有限，除水效果一般。

(2) 在重要用气点前安装油水分离器4。利用气流的离心力除去空气中的水滴[9]。

此方法能够快速除去从空压机出来的热空气中的液体水分，油水分离器的分水率在0.8以上。不足是并不能除去空气中的溶胶和水蒸气。另外是分离器壳体内排出过程中排水管道容易冻结，如图2所示。冷凝水通过自动排水阀9是必要的，并且要注意合理设置排放时间，如图5所示。

图5 自动排水阀定时器

自动排水阀可以设定排水间隔时间和排水时间。依据实际情况进行设定。在极寒地区，排水时间(设定范围0.5～10 s)和间隔时间(设定范围0.5～50 min)要设置短点。

(3) 在干式储气罐6前加装适应不同环境工况的空气干燥机5。在露天矿设备上，把干燥机安装在空压机出口与干空气储气罐中间，确保储气罐出口是干燥空气。球阀10用于在干燥机出现故障或维护时隔离干燥机。常用干燥机特点和应用[10-11]见表4。

(4) 在低温工况下，在露天安装的气路管道、气动控制箱外表面必须保温处理；在控制箱体内安装适合的电加热器，用温控开关控制；在管道上安装无水酒精防冻器，酒精度达到99.9%以上。

6.3 吸附式干燥机的应用及效果

从表4可知，冷冻式干燥机的压力露点在2～10 ℃，所以不适用于环境温度低于0 ℃的条件。

针对工作在严寒地区的压缩空气系统，使用吸附式干燥机是必要的。但是吸附式干燥机再生工作时要消耗15%～20%的干燥空气，会对气源压力形成冲击。这点在实际应用中必须引起足够重视。

表4 各类干燥机特点和应用

为避免储气罐内干燥空气通过干燥机消耗，通过控制程序对干燥机运行与空压机运行采取连锁控制策略。当空压机处于加载状态工作时，干燥机同步工作；当空压机处于卸荷运行状态时，干燥机冻结干燥循环；直到空压机再次加载运行时恢复被冻结的干燥循环。图6是某型号无热再生吸附式干燥机在极地矿区的应用。

图6 在极地矿区设备使用的无热再生吸附式干燥机

在该露天矿设备使用的吸附式干燥机上，具有远程控制连接器。如果打开远程控制连接器的输入电路，则干燥机将“冻结”干燥周期，净化气流将停止。当连接到连接器的触点被再次打开时，干燥机将切换塔并继续正常运行。此功能可以在压缩机未持续加载运行时防止压缩空气(净化空气)流失。如图6所示，气路系统的干燥程序处于“冻结”状态，此时两个干燥塔都处于升压状态。控制画面显示干燥机左塔处于吸附状态，右塔处于“冻结”状态。

该干燥机控制系统指出，对于配有加载/卸载控制的压缩机，可将远程控制连接器连接至压缩机的无源触点(在压缩机卸载运行时，触点将打开)。 如果没有提供无源触点，则应在压缩机 的加载/卸载接触器上安装附加的无源触点以使用此功能。

由于露天矿设备用气点对压缩空气消耗量随工作状态不同而不同，空压机工作时加载卸载比较频繁，这种工况下不允许电机频繁启停，空压机电机一直处于带电运行状态，因此“冻结”信号不能从启动空压机的接触器辅助触点直接取出。

7 结论

(1) 通过计算，得到不同温度、不同压力下的湿空气含水量典型数据，可以用来定量分析计算具体系统中冷凝水的量，为采取有针对的除水措施提供参考；

(2) 除水措施和设备的选择主要考虑环境温度和相对湿度。在低温工况下，要采取必要的防冻措施；在高温工况下，主要关注冷凝水的及时排放，避免管路锈蚀；

(3) 无热再生吸附式除水方法在低温下应用广泛，除水效果也很显著，可以对干燥机运行与空压机运行采取连锁控制来减缓对主要气路的冲击。极地矿区露天矿的应用也充分验证了这一点，但仍然存在一定的压缩空气消耗，需要更深入研究；

(4) 着重关注已经进入空气系统的水分的应对措施。如果能够对空压机进口处空气预先采取必要的除水，将是有意义的，但目前还未在实践中看到类似应用，有必要进一步研究。