压缩机段间冷却器结垢原因分析及对策

房全国，万 宁，杨铁桦，张志华

(中国五环工程有限公司，湖北 武汉 430223)

换热设备污垢是指与流体接触的换热表面上沉积的那层“多余的”固态物质，据调查，90%以上的换热设备都有不同程度的结垢问题[1]。换热设备换热表面结垢会降低换热效率，有研究表明，换热设备表面结垢厚度为1mm时，换热效率将下降10%～20%[2]。此外，结垢的形成会减小流体的流通面积，增加流动阻力，严重时会堵塞流体通道，影响设备和工艺系统的正常运行[3，4]。

在某工程项目中，有一台压缩机段间冷却器，壳程介质为工艺气，管侧介质为循环冷却水，换热管内壁频繁结垢，部分换热管堵塞，不利于冷却器的正常运行，从而影响整个压缩机系统的稳定运行，并造成工厂的非计划停车，严重影响工厂的经济效益。为保证冷却器和压缩机系统的安全稳定运行，本文对压缩机段间冷却器的结垢原因进行了分析，并提出相应的解决方案。

1 压缩机段间冷却器

该项目压缩机段间冷却器是一台NEN型式的换热器，其作用是将压缩机出口的工艺气温度由192℃冷却到工艺要求的40℃，冷却后的工艺气进入下一级压缩机，从而提高压缩机的效率，降低压缩机的功耗。管侧介质为循环冷却水，循环冷却水的温度由28℃加热到38℃，压缩机段间冷却器的技术参数见表1。

表1 压缩机段间冷却器技术参数

2 结垢情况

2019年4月，压缩机段间冷却器换热管内壁结垢、堵塞严重，工厂非计划停车，对换热管进行高压水射流清洗。2019年5月，工厂大检修，再次对换热管进行高压水射流清洗，全部清洗干净花费十几天时间。冷却器运行一个月后再次出现换热管堵塞问题，2019年6月，由于水质变差，换热管结垢、堵塞问题更加严重，工艺气出口温度升高，管侧阻力增大。2019年8月，对换热管进行了两次化学清洗，工艺气出口温度略有降低，但依然达不到设计要求，部分堵塞严重的换热管无法通过化学清洗的方法除垢。

通过检修检查，得到换热管内的结垢分布情况(见图1)。压缩机段间冷却器换热管长6 000mm，在靠近循环冷却水进口2 000mm范围内，换热管内有轻微结垢，在靠近循环冷却水出口4 000mm范围内换热管内结垢、堵塞严重。换热管端部情况见图2。

图1 换热管内的结垢分布情况

图2 换热管端部情况

3 结垢原因分析

水垢一般是由具有反常溶解度的微溶或难溶的无机盐组成，在循环冷却水中，最常见的微溶及难溶盐有CaCO3、Ca3(PO4)2、CaSO4、MgSiO4、Zn3(PO4)2等。影响水垢形成的因素很多，其中影响换热管内壁结垢的因素主要有循环冷却水水质、换热管壁温、循环冷却水流速、换热管表面状态[1]。

3.1 循环冷却水水质

压缩机段间冷却器管侧用循环冷却水为开式循环冷却水，由于风吹损失、水分蒸发等情况，使循环水不断浓缩，水中离子浓度增加，某些离子含量因超过其盐类的溶解度而析出产生水垢。

该项目循环冷却水水质较差、浓缩倍数大、成垢离子多、易达到饱和状态而产生水垢，循环冷却水水质情况见表2。

表2 循环冷却水水质情况

3.2 换热管壁温

与一般盐类不同，CaCO3的溶解度随着温度的升高而降低，温度升高，CaCO3更容易达到饱和，产生水垢。此外，温度升高还会导致化学反应速率和结晶速率增加，加速水垢的生成。有研究表明，循环冷却水侧换热管壁温大于70℃，会加速换热管的结垢[5]。

压缩机段间冷却器壳侧工艺气进口温度192℃，温度较高，加热换热管，使得靠近工艺气进口(即靠近循环水出口)处的换热管壁温较高，最高壁温达到94℃，加之循环冷却水水质较差，从而导致此范围内换热管内结垢、堵塞严重。靠近工艺气出口(即靠近循环水进口)处，虽然循环冷却水水质较差，但由于此区域换热管壁温相对较低，所以，此区域换热管内仅有轻微的结垢现象。

3.3 循环冷却水流速

流速会影响水流的剪切力、CaCO3向壁面的传质速率和水中细菌向壁面迁移附着的趋势，从而影响水垢的形成。这个影响过程非常复杂，有研究表明，随着冷却水流速的增加，结垢现象呈现先降低、后加快、而后又降低的趋势[6]。在GB/T 50050工业循环冷却水处理设计规范中，循环冷却水管侧流速应大于1m/s[7]。

压缩机段间冷却器管侧循环水流速为1.85m/s，在标准设计范围，本文认为流速不是该设备结垢的关键因素。

3.4 换热管表面状态

通常情况下，粗糙的材料表面比光滑的材料表面更易结垢[1]，压缩机段间冷却器采用碳钢涂层换热管，增加换热管表面的光滑度，前期可减缓水垢问题，但换热管内表面前期水垢形成后，内表面因水垢而不平，使得后期形成的水垢更易附着，从而加速水垢的形成。

4 解决方案

为保证压缩机段间冷却器安全稳定运行，通过上述对管内结垢原因的分析，笔者从降低温度、改变冷却介质的角度出发，提出了三个解决方案。

4.1 方案一

在压缩机段间冷却器前串联一台除盐水预冷却器，采用除盐水冷却，将工艺气温度由192℃冷却到105℃，冷却后的工艺气再进入压缩机段间冷却器。该方案通过降低工艺气的入口温度，从而降低换热管壁温，解决运行期间管内结垢堵塞的问题。

4.2 方案二

将压缩机段间冷却器的冷却介质由循环冷却水改为除盐水，增加一套闭式冷却塔，用于冷却换热后的高温除盐水，冷却后的除盐水再循环至压缩机段间冷却器。该方案通过改变管内冷却介质，采用水质较好的除盐水，可彻底解决管内结垢堵塞问题。

4.3 方案三

新增加一台压缩机段间冷却器，两台冷却器可自由切换操作，当管内结垢严重时，可切换至另一台冷却器操作，通过机械清洗的方法清除冷却器管内水垢。该方案虽然无法解决管内结垢堵塞的问题，但可以切换设备，保证装置的安全稳定运行。

5 结语

压缩机段间冷却器是压缩机系统的关键设备，其换热管内结垢堵塞严重，直接影响压缩机系统的安全稳定运行。经检修发现，压缩机段间冷却器管内结垢堵塞严重的区域主要分布在靠近高温工艺气的进口处，通过分析得出，压缩机段间冷却器壳侧工艺气进口温度高，循环冷却水水质差，是导致换热管内结垢堵塞的主要原因。结合结垢原因进行分析，提出了三个解决方案。用户可以结合工厂自身条件、投资费用进行方案评估，选择具体实施方案，以保证压缩机段间冷却器的安全稳定运行。