空压机系统故障分析与性能提升改造探究

左健 王晖 冯瑞 周海

(国电青山热电有限公司，湖北 武汉 430082)

在火力发电厂附属设备中，压缩空气系统是气动设备传动输出重要来源，如果压缩空气系统因空压机故障停运发生失压事故，会造成气动控制阀门、表计和气力设备无法正常工作。国电青山热电有限公司#13、#14机组配套安装有六台阿特拉斯生产的GA250W-7.5型空压机，排气量为43.7 m3/min，排气压力为0.75 MPa，额定功率25 kW、额定电压6 kV，冷却方式为水冷，后处理设备配套为杭州三立组合式冷干机组。自机组投运至今，因系统设计和设备适应等原因，设备缺陷多，运行可靠性差，维护工作量大，影响#13、#14机组安全运行。

目前，压缩空气系统故障分析与改造是生产企业关心的热点问题。孙立新[1]提出压缩机在吸气过程中对杂质过滤效果不好、空压机冷却效果差，是压缩空气系统存在的两个主要问题。刘成红[2]指出空压机未满载运行是造成能耗浪费的主要原因。袁友增等[3]采用增开天窗和增设排风风机等措施，降低了空压站内的环境温度，提高了机组的工作效率。邓杰[4]指出粉尘是影响空压机正常运行的主要原因，通过过滤设施提高空气的洁净程度，对机组安全平稳运行非常重要。张思雨[5]分析了压缩机过滤精度对其运行的影响，并对其入口过滤器进行了针对性改造，降低了设备的维修成本。于世勇[6]指出，若机房温度未超范围，检查水冷机的重点是观测进水水量、水温，排除冷却器存在水垢的可能性，同时还需检查实际风冷风量。郭春梅[7]指出温度过高是目前空气压缩机报警最多的故障。主要原因是风冷型空压机冷却器经常堵塞，油气分离器滤芯堵塞，空气过滤器堵塞。高浩亮[8]通过热成像技术发现空压机运转时机头发热最大，并呈现不断上升趋势，应对该位置进行重点通风散热。杨永丰[9]通过对空压机冷却原理和效果影响因素的分析，提出了一些减少高温引起空压机故障的方案。张廷军[10]对空压机的高温故障的原因进行了多方面分析，提出了一些解决该问题的思路。吴松林[11]提出通过投加氧化性杀菌剂控制冷却水中的微生物生长，解决冷却水路由于粘泥堵塞造成冷却水无法正常流通的问题。孙金龙[12]提出增加缓释阻垢剂、杀菌灭藻剂、分散剂使得杂质分散为微粒，悬浮在水中，降低污垢对传热效果的影响，还能让悬浮物随污水排出系统。吴波[13]对冷却水回水进行改造后，空压机排气温度和回水温度都得到了有效降低。王阔[14]指出，对冷却水水质的变化情况进行检测，合理选择药剂，能有效提升水质。王宇[15]针对循环冷却水通过微生物调解水质较好的应用效果，着重论述了该方法的作用机理，探讨了该方法的发展方向和应用前景。徐进伟[16]结合空压机机房布局，布置散热通风管道，取得了良好的通风散热效果，实现了空压机整体平稳运行。

本文对空压机故障的原因进行分析，针对影响空压机平稳安全运行的3个主要因素，即空压机本体、冷却水水质、空气品质，提出空压机系统改造方案，保证空压机的设备系统的安全稳定运行。

1 主要缺陷

在每年的3～4月，对#13、#14机组6台空压机本体部分进行了一次全面的维护大保养，更换了所有的空冷器滤芯、油滤器滤芯、油气分离器滤芯，更换或清理了所有温控阀组件、检查更换了减荷阀维修包、断油阀维修包。空压机冷却器由于清理频繁，造成了空压机冷油器铜管破损泄漏，在全面维护保障工作中对冷油器换热面积加大改造，从而减少了空压机在夏季时的缺陷报警次数。但从每年的5月到8月，#13、#14机组空压机报警次数还是居高不下，单月缺陷报警30次，而同期对比12#机组空压机缺陷报警10次。具体缺陷报警统计如表1所示。

表1 #13、#14机组空压机5～8月份缺陷报警统计表

2 主要缺陷的原因分析

2.1 空压机本体特性

#13、#14机组空压机冷却器选用欧洲标准。公司冷却水的水质不适应该冷却器对水质的要求，经常出现高温报警的情况。#12机组空压机采用的是同供应商空压机技术，但采用的油冷却器与#13、#14机组空压机的油冷却器不同，在冷却水取水条件基本相同的情况下，没有出现过高温报警的情况。#13、#14机组空压机设计为空压机(单台)→干燥器(单台)→母管→储气罐的一对一模式。该空压机系统除了经常出现高温报警的问题之外，系统设计还存在几个主要缺陷。

2.1.1 空压机母管压力缺乏有效检测

空压机出口测点无法检测到母管压力，造成空压机频繁加卸载。在安装一条平衡管，将母管压力引至空压机出口测点，才将该缺陷消除。

2.1.2 空压机与配套干燥器设备均不能满足独立工作的要求

一对一的设计(一台干燥器对一台空压机)，当一台空压机或干燥器出现故障时，与之对应的干燥器或空压机，在没有故障的情况下也无法投入运行。在两台机组同时运行的情况下，需要投入五台空压机运行才能保证母管压力0.6 MPa，若此时发生两台以上空压机停运，将对机组安全稳定运行造成很大的隐患。

2.1.3 空压器与干燥器工作能力不匹配

干燥器工作能力存在浪费。六台空压机总排气量为262.2 m3/min，六台干燥器总处理气量为288 m3/min，两者之差为26 m3/min。也就是说在一对一模式下，干燥器不能满负荷运行，造成浪费。

2.1.4 通过空压机的冷却水量较小影响散热效果

空压机冷却水系统接入到#13、#14机组总的封闭式冷却水系统上，整个冷却水系统的供水和回水的压差较小，造成通过空压机的冷却水量较小，影响冷却效果。此时，采用加装冷却风扇，拆除空压机外罩的方式对空压机电机散热，不利于空压机安全运行。该问题在夏季更为突出，必须采用空压机冷却水外排的方式，增加空压机冷却水流量，冷却水量耗费较大，增加了空压机运营成本。

2.1.5 机组仪用气与杂用气未分段

#13、#14机组未设置确保仪用压缩空气压力的空压机，由于仪用控制系统用压缩空气对气压要求较高，通常在0.4～0.7 MPa，而杂用压缩空气使用量大，造成压缩空气母管压力低，空压机投入运行台数多，空压机长期处于加载状态运行时间长。

2.2 冷却水水质特性

2.2.1 冷却水水质影响冷却器管道散热

空压机冷却水质要求为：总溶解固体量TDS<3000 mg/L，氯化物浓度<500×10-6，硫酸盐浓度<400×10-6，无藻类、无油，不可溶解颗粒其大小<1 mm、浓度<10×10-6。

然而，#13、#14机组空压机系统冷却水为凉水塔沉淀后的原水，取自工业水系统。其中所含藻类、微生物较多，容易依附在冷却器管壁上。当冷却器运行一段时间，由于管壁上附着的藻类、微生物的积累，使得冷却器散热效果降低，从而引发油温升高，造成空压机机头温度增高。在夏季藻类、微生物繁殖较旺盛时，该问题显得尤为突出。为保证空压机的正常工作，每间隔10天左右即需要对冷却器管道进行清理。冷却器管道的频繁清理造成管壁减薄损坏。

2.2.2 冷却水水质不高造成冷却器堵塞

如图1所示，泥浆和水垢使得冷凝器产生堵塞。根据每年7～9月故障统计，每月的单台空压机高温报警进行检修(清理冷油器和更换温控阀)3次左右。投入的人员较多，维护量大，基本占空压机消缺量的1/3左右。

图1 冷凝器件堵塞

2.3 环境空气特性

2.3.1 空气流动性差

#13、#14机组空压机安装室空间狭小，其中布置6台空压机，夏季室内温度高达50℃，空气流动情况较差，不利于空压机散热，从而频繁引发报警和跳机。

2.3.2 粉尘含量高

空压机室与炉电除尘设备距离较近，此区域空气中粉尘较多。预计使用寿命1500 h的空压机进气过滤器滤芯，实际生产过程中仅能正常工作800 h。过滤器滤芯工作能力弱化，引发油路阻塞，油质变差，油过滤器、油分离器堵塞，转动件磨损等问题，降低空压机使用寿命，增大空压机运营成本。

综上所述，由于空压机系统特性、冷却水水质特性、环境空气特性对空压机运行过程的影响，引起其工作温度过高，使得润滑油出现氧化热分解产生有害物质，导致油气分离器滤芯、油过滤器等器件的使用寿命大幅降低。近年空压机维护备件费用最高时高达100余万元，平均每年60余万元，且空压机整体维护费用仍在逐年增加，给企业设备运营造成沉重负担，该问题迫切需要妥善解决。

3 改造措施

3.1 空压机本体改造方案

3.1.1 改造替换

每年将2台阿特拉斯空压机更换为更符合现场工作环境的国产空压机。

图2所示为LU200-250系列螺杆式压缩机的流程图，该空气压缩机是喷油单级螺杆压缩机，采用联轴器直联传动，带动主机传动对空气进行压缩，通过喷油对主机内的压缩空气进行冷却，主机排出的空气和油的混合气体经过粗、精两道分离，将压缩空气中的油分离出来，压缩空气中的水份在气水分离器中被分离出来，最后得到洁净的压缩空气。冷却器用于冷却压缩空气和油。

使用图2所示的空压机替换原有空压机，为其重新选择安装位置，用于输灰等杂用气系统，将#13、#14机组压缩空气系统仪用气和杂用气分开，保障空压机系统运行。

1—进气过滤器；2—减荷阀；4—后冷却器；6—油冷却器；7—油过滤器；12—排污电磁阀；14—主机；15—停油阀；16—单向阀；17—油罐；19—油精分离器；19—最小压力阀；20—单向阀；21—回油管；22—安全阀；23—加油口；24—油位视镜；25—放油阀；26—温控阀；28—水分离器；30—油罐放气管；34—电动机；38—PLC控制器。

3.1.2 增建空压机组

异地再建4台排气量为43.7 m3/min，排气压力为0.75 MPa空压机组，作为仪用空气站，确保仪用压缩空气压力稳定、可靠。将空压机室6台空压机作为用于输灰等杂用气系统空压站，将#13、#14机组压缩空气系统仪用气和杂用气分开，保障空压机系统运行。

3.2 冷却水水质提升

3.2.1 工业冷却水处理设备

工业冷却水CCMMS在线式多功能离子钝化处理设备原理是基于装置的多元合金芯片组，当流体通过芯片组时，由于芯片组各元素不同电极电位，且多元合金以金属固溶体形式存在，相互接触，均为导体；因此在合金表面的金属相互间形成无数个极微小电极而构成微电池；在这些数目庞大的微小原电池作用下，形成一种特殊的电化学催化体，可以使所接触流体的静动势发生改变，从而使流体中各类物质分子结合力场发生改变，使流体中的固相颗粒始终处于悬浮、分散状态，不再沉淀和吸附到管壁或设备的金属表面，使得冷却水管路和冷却器不会形成微生物附着和藻类滋生情况发生，同时抑制管壁金属腐蚀和水垢的形成，增强冷却器的换热效果。其结构简单，安装方便，设备成本每台3万元，每台空压机总共需18万元。

3.2.2 冷却水系统改造

冷却水管路布置如图3所示，接至#13、#14机组冷却水进、回水母管并安装进回水总门，在冷冻水进、回水管安装手动门。将空压机冷却水供、回水管与工业水系统断开，采用空压机冷却水自循环系统，加装一套冷却塔为冷却水降温，系统改造简图如图4所示。该冷却塔设备成本大约20万元，每年只需清洗下冷却塔托盘，其填充料大约8年更换一次，使用寿命10年左右，总体维护成本较低。

图3 冷却水管路布置简图

图4 冷却水系统改造简图

3.3 环境空气品质提升

3.3.1 提升通风条件

如图5所示，增加两台空气处理机提升空压机环境空气流动特性，选用两台GX09型空气处理机组，空气处理机组布置在空压机室外墙，#1空气处理机组布置在F空压机处墙外，将窗户密闭一半，制作上下进、出口风道；#2空气处理机组布置在C空压机处墙外，将窗户密闭一半，制作上下进、出口风道。

图5 环境空气流动性提升改造方案

3.3.2 降低环境空气粉尘含量

对空压机室门窗进行改造，空压机室进风口网格改造成滤网，使用滤棉过滤空气粉尘。避免外部灰尘进入空压机室，为空气机提供品质稳定的压缩空气，提升空压机工作可靠性，保证机组安全运行。

4 结论

本文对空压机系统产生故障的原因进行了分析，提出：

(1)增加空压机组、使用实践中性能更好的国产空压机对空压机本体进行改造；

(2)通过改造水冷系统管路布置，增设水质处理设备，提升冷却水实效；

(3)通过增加空气处理器，改造空气上下通风口，提升空气品质，保障空压机平稳运行。

通过该改造优化方案的实施，为保障压缩空气系统的安全运行、企业安全生产，提出了空压机系统性能提升的整体性解决方案。