35 000 m3/h空分设备空压机技术改造总结

周金城，刘江淮，王胜利

(安徽马钢气体科技有限公司，安徽 马鞍山 243000)

1 前 言

安徽马钢气体科技有限公司(以下简称：马钢)35 000 m3/h空分设备由法国液化空气集团设计、制造。35 000 m3/h空分设备配套1台自国外引进的单轴等温RIK100-4型空气离心压缩机，马钢RIK100-4型空压机由空气过滤器、增速机、转子、定子、中间冷却器与主电机构成，原料空气采用4级压缩，设置2组4台内置式中间冷却器。马钢RIK100-4离心式空压机设计排气量174 600 m3/h、出口压力0.502 MPa。

马钢35 000 m3/h空分设备1998年9月投产，自2000年起，RIK100-4离心式空压机排气量逐年降低，至2019年夏季空压机排气量已降至130 000 m3/h，35 000m3/h空分设备氧气、氮气产量分别减至小于30 000 m3/h、35 000 m3/h。

马钢为提升RIK100-4离心式空压机性能，降低空压机运行功耗，通过分析影响空压机排气量降低的不同原因，对空压机空气过滤器、转子、冷却器、润滑油系统、主电机逐次进行全面技术改造，至2021年9月，空压机技术改造全部完成，空压机出口排气量、压力均分别升至174 600 m3/h、0.502 MPa设计值，空压机主电机功率小于设计值，空压机运行安全、稳定、经济。

2 空气过滤器

马钢RIK100-4型空压机设置的空气过滤器原设计为组合式干式过滤器。该型空气过滤器由2级过滤器构成，第1级为卷帘式粗过滤层，第2级为卡盘式细过滤层，空气过滤器阻力高，报警值为800 Pa。

马钢RIK100-4空压机投产运行，由于组合式空气过滤器阻力高，空压机吸入压力低，空压机进口导叶开度大，空压机排气量降低。为此，马钢根据空气过滤器阻力值变化与空气过滤器制造工艺的发展，对RIK100-4型空压机设置的空气过滤器进行了连续技术改造。

因马钢35 000 m3/h空分设备所建之处空气中灰尘量大，马钢35 000 m3/h空分设备投产运行15 d，空压机设置的组合式空气过滤器阻力升至阻力计量程。为降低空气过滤器阻力值，将组合式空气过滤器原设计的2级过滤器全部拆除，借鉴当时国内空压机反吹袋式过滤器的应用实践，设置了1套反吹袋式过滤器作为空压机空气过滤器，将空气过滤器阻力减至高报警值800 Pa范围。

35 000 m3/h空分设备运行期间，空压机设置的反吹袋式过滤器故障率高，过滤袋更换量大。反吹袋式过滤器必须通过手动启动罗茨风机来清除过滤袋灰尘。同时，在对RIK100-4空压机解体检修时发现，空压机叶轮、中间冷却器气侧流道均积有大量灰尘，叶轮表面附着褐色垢状物。因马钢后续建设投产的20 000 m3/h、30 000 m3/h、40 000 m3/h空分设备空压机均配备脉冲反吹自洁式空气过滤器，阻力较低，可以自动反吹清除过滤筒灰尘，对20 000 m3/h空分设备空压机解体检修，发现其叶轮内部无明显结垢，叶片无粉尘磨损痕迹。

为此，再次将RIK100-4空压机反吹袋式过滤器全部拆除，设置了1套脉冲反吹自洁式空气过滤器作为空压机空气过滤器，该套自洁式过滤器分为上、下2层，共计320只过滤筒，将空气过滤器阻力减至小于高报警值800 Pa。

因自洁式过滤器制造厂将反吹氮气输送管道直径设置为25 mm，反吹氮气输送量低，自洁式过滤器过滤筒反吹效果不佳，过滤筒更换量较大。为此，2021年9月将自洁式过滤器反吹氮气输送管道直径设置为100 mm，增大反吹氮气输送量，使RIK100-4空压机空气过滤器阻力减至小于250 Pa。空气过滤器技术改造前、后技术参数见表1。

表1 空气过滤器技术改造前、后技术参数值

3 转 子

马钢RIK100-4空压机转子由叶轮、轴套、主轴、平衡盘、推力盘、密封组成。第1、2、3、4级叶轮均为闭式叶轮。级间密封采用迷宫式，由不锈钢密封片与软材料密封体构成，不锈钢密封片镶嵌在叶轮与主轴密封槽中。

2011年，在对马钢RIK100-4空压机解体检修时发现，空压机级间密封磨损大，级间窜气内漏现象严重，叶轮有轻微腐蚀现象，叶轮压缩效率降低，造成空压机排气量降低。为此，对空压机转子进行检修维护、整体技术改造。

在35 000 m3/h空分设备运行周期，对空压机实施定期检修维护制度，制造厂为空压机转子定期更换磨损的各级级间密封、处理维护腐蚀叶轮。

2020年，经与空压机制造厂曼恩机械公司协调，应用近年空压机设计、制造工艺技术，在保证空压机转子叶轮设计安装数据与主电机设计额定功率、电流不改变的工作条件下，重新设计、制造、更换1套空压机转子总成，使空压机出口排气量、压力达到设计值。

新设计的空压机转子对第1、2、3、4级叶轮全部重新进行热力计算，采用高效三元流后弯式叶轮，强化各级叶轮的机械坚固性。同时，改进后弯式叶轮叶片弧度，提高圆周速度，增大叶轮叶片功，在不改变转子轴功率的状态下，使加工空气在叶轮内获得的动能与压力能增加，从而将空压机排气量升至设计值。

新设计的空压机转子对各级级间密封均重新设计、制造，完全消除了空压机级间窜气内漏现象的产生。

新设计的空压机转子对第1、2、3、4级叶轮叶片厚度、叶片应力重新优化设计，使空压机第1、2、3、4级叶轮均可在各种大气条件下(在更宽范围内)对加工空气进行高效率压缩。

新设计的空压机转子对转子出口端、吸入端轴承与隔板、腔室隔墙、扩压器重新优化设计，保持转子运转的稳定性，提高空压机多变压缩效率。空压机新转子具体技术改造实施措施如下。

2020年6月拆除空压机上箱体、下箱体，将上箱体、下箱体及其内部的组件运至曼恩机械公司进行维修、更换。新设计的转子在制造厂进行低速、高速动平衡试验。

拆除空压机原设置的转子及其出口端、吸入端轴承，更换并安装新设计转子总成及其配套轴承和各级扩压器。同时，对空压机增速机揭盖检查，确认空压机增速机低速、高速齿轮啮合无异常、着色探伤无异常、轴瓦无异常。

2020年9月空压机新设计的转子安装完成，启动空压机，完成空压机喘振试验、性能测试、试运行，空压机轴振动、轴温、轴位移均小于设计值，空压机出口排气量、压力均达到设计值。转子技术改造前、后技术参数见表2。

表2 转子技术改造前、后技术参数值

4 中间冷却器

马钢RIK100-4型空压机设置了4组中间冷却器，中间冷却器为内置式翅片管冷却器，空气为壳程、冷却水为管程，中间冷却器趋近温度设计值为5℃。

马钢RIK100-4空压机运行期间，4组中间冷却器趋近温度全部大于12℃，空压机等温压缩效率降低，使空压机排气量降低、运行能耗增大。为此，对空压机4组中间冷却器实施抽芯维护检修与技术改造。

中间冷却器抽芯维护检修：开启中间冷却器上盖，直接抽出冷却器管束，检查发现4组中间冷却器气侧翅片均有较大面积白色垢状物覆盖，翅片变形、脱落与铜管裸露数量多，中间冷却器传热面积、传热系数均降低，中间冷却器热负荷降低，使4组中间冷却器趋近温度全部大于12℃。

在高温状态下，中间冷却器气侧翅片白色垢状物溶解，因此使用蒸煮法清洗级间冷却器，并对4只中间冷却器依次清洗。为此，在35 000 m3/h空分设备水浴式汽化器蒸发池侧专门增建一座清洗池，1次清洗1只中间冷却器。在清洗池中将清洗剂中添加少量工业碱(1%浓度)，将中间冷却器通入蒸汽加热浸泡2 h，而后再用高压水枪对气路翅片、水路管束进行清洗。在4组中间冷却器清洗、安装完毕，空压机启动、运行时，4组中间冷却器趋近温度均小于10℃。

中间冷却器技术改造：针对中间冷却器翅片变形、脱落与铜管裸露数量多，中间冷却器趋近温度均无法达到设计值5℃的运行状况，对4组中间冷却器实施国产化技术改造。即选择国内冷却器专业制造厂，采用对原设计中间冷却器现场测绘方法，制作4组中间冷却器，此4组中间冷却器的性能参数、结构形式、安装尺寸、翅片管束材质均与原设计中间冷却器相同。4组国产化中间冷却器安装完毕，空压机启动、运行，4组中间冷却器趋近温度均不大于8℃。

为使中间冷却器趋近温度达到设计值5℃，提高空压机等温压缩效率，降低空压机运行能耗，再次对4组中间冷却器实施技术改造。即与空压机制造厂曼恩机械公司协调，选用原冷却器制造厂，对4组中间冷却器重新设计计算，保持中间冷却器原安装尺寸数据不变，增大换热管直径，设计、制造4组高效内置式翅片管冷却器。同时，新设计的中间冷却器对换热管排数重新进行设计，缩短内置式翅片管冷却器气路，降低内置式翅片管冷却器气体流动阻力。

2020年6月拆除空压机4组国产化冷却器与冷却器下水腔，完成重新设计的4组内置式翅片管冷却器与冷却器下水腔安装。2020年9月空压机启动、运行，新设计的4组中间冷却器趋近温度全部达到设计值5℃，有效降低空压机运行能耗。中间冷却器技术改造前、后趋近温度参数见表3。

表3 中间冷却器技术改造前、后趋近温度参数值

5 润滑油系统

马钢RIK100-4型空压机润滑油系统分别配备1台主油泵、油雾分离器。主油泵为回转型容积式齿轮油泵，通过2只齿轮挤压润滑油，压缩、输送润滑油，油压低报警值0.16 MPa、正常运行值0.25 MPa。油雾分离器由拖动电机、叶片型风机组成，将油箱内润滑油蒸气抽出外排，使油箱真空度达到设计值-2.5 kPa。

主油泵原厂更换：35 000 m3/h空分设备投产时间长、启动次数多，主油泵齿轮磨损，主油泵2只齿轮配合间隙增大，油压降低。2020年9月5日空压机启动，油压降至小于报警值0.16 MPa，造成辅助油泵联锁自动启动。为保证空压机长周期安全运行，更换主油泵。

因RIK100-4型空压机润滑油系统原配备的主油泵的设计、制造、装配技术精度高，主油泵内部齿轮元件无法全部实施现场测绘，所以使用主油泵原设计制造厂提供的齿轮油泵进行更换。2020年9月9日主油泵更换完毕，油压升至正常运行值0.25 MPa。

油雾分离器国产化更换：35 000 m3/h空分设备空压机原配备的油雾分离器发生卡阻、漏油故障次数多，油雾分离器检修次数多，油箱真空度未能达到-2.5 kPa设计值.

为此，对油雾分离器实施国产化更换。即选择国内油雾分离器专业制造厂，根据油箱中油雾分离器设备结构、性能参数、安装尺寸，设计、制造1台国产油雾分离器。2020年7月国产油雾分离器安装完毕，启动、运行，油箱真空度降至-2.5 kPa设计值，35 000 m3/h空分设备运行至今，国产油雾分离器未发生卡阻、漏油故障。

6 主电机

马钢RIK100-4空压机配备1台自国外引进的同步主电机，设计额定功率15 000 kW。2020年，该台同步电机运行已至22 a，运行时间长、启动次数多，空压机主电机性能不能达到原有设计指标。同时，空压机运行时主电机振动大、漏油、绕组温度高。

为此，2020年，将空压机主电机拆移，运送至国内电机专业制造厂进行全面解体技术改造，提升电机运行的稳定性、经济性。在此次空压机电机全面解体技术改造中，将马钢RIK100-4空压机同步电机定子绕组、励磁绕组、润滑油密封件全部更换为国产设备。同时检修、清洗电机冷却器。

自2020年12月马钢35 000 m3/h空分设备启动运行至今，在空压机排气量、出口压力均调至设计值工作状态时，主电机运行功率小于设计额定功率15 000 kW，主电机振动、电机绕组温度均小于原主电机制造厂设定值。主电机技术改造前、后运行参数见表4。

表4 主电机技术改造前、后运行参数

7 结束语

马钢针对影响空压机性能的不同原因，通过与国外空压机原设计制造厂、国内设备专业制造厂的协调，根据空压机设计、制造技术发展，在技术改造实施条件具备时，逐次对空压机空气过滤器、转子、冷却器、润滑油系统、主电机进行全面技术改造，提升空压机性能、降低空压机运行能耗，保证空压机安全、稳定、经济运行。