310DA3型离心压缩机中冷器失效原因分析及改进

徐晓剑

(洛阳石化聚丙烯有限责任公司，河南洛阳 471012)

1 压缩机概述

C5001B压缩机是空分空压装置的关键设备，也是洛阳石化分公司特级维护设备之一。该机组型号为310DA3，1994年整体引进于美国埃立奥特(ELLIOTT)公司，主电机由厂家选用德国西门子公司产品，该设备具有自动控制程度高、结构紧凑等特点。

C5001B压缩机组对过滤后空气进行三级压缩，大齿轮由电动机驱动，第一级叶轮安装在低速齿轮上，二、三级叶轮安装在高速齿轮轴的两端。设计出口压力0.80～0.85 MPa，气体处理量5 640 Nm3/h，额定转速:低速轴32000r/min，高速轴为52000 r/min。机组在三级之间设有两个中间冷却器，均置于主机下方，布置结构十分紧凑。

2 310DA3压缩机中间冷却器结构与特点

C5001B机组中间冷却器换热器管程走冷却水，气体在翅片间流动换热，其肋化系数在10～12之间。其芯子是铜管套整体铝翅片，所用铜管为Φ12，翅片厚度为0.25 mm，片距1.25 mm，以循环冷却水为冷却介质，水压0.35～0.45 MPa，进水水温一般控制在23～27℃。

这种铜管套铝制整体翅片冷却器，其散热片表面气膜热阻占总热阻的80.1% ，水膜热阻只占10%，为了强化传热，机组中冷器翅片采用波浪形翅片，来扩大气侧的传热面积。一般情况下，中冷器冷却性能的85%～90%是由气侧之传热系数决定的。翅片的材料、气侧的对流传热系数、翅片与管之间接触间隙热阻的大小、翅片上污垢或水膜带来的传热热阻的大小等都直接影响这种中冷器的传热性能。

3 中冷器的失效

自1994年投用以后，C5001B压缩机故障率一直较高，通过车间和维修人员的技术攻关，1998年以后C5001B运行情况有所改善，但仍有许多问题。2000年元月开始，中冷器工作情况逐步恶化，一、二级中冷器冷后温度逐步上升，二级中冷器冷后温度由43℃上升近20℃，接近报警值(67℃)，7月5日二级中冷器冷后温度报警，并迅速上升至联锁值，机组停机。拆中冷器发现一、二级冷却器翅片均腐蚀严重，部分翅片已粉化脱落，迎风面的翅片间遍布白色粉末(凝结水水垢和翅片氧化粉末)，冷却器芯子顶部和底部橡胶挡板老化、倒伏，部分脱落。由于没有备用冷却器，车间对两台中间冷却器进行除锈、酸洗、防腐，更换橡胶挡板后重新投用，冷后温度降至50℃左右。但运行至同年11月二级中冷器冷后温度重新突破60℃。不得已，在备用冷却器到货后，于12月停机，对C5001B中冷器进行了更新。

4 中冷器失效原因分析

4.1 橡胶隔板老化

C5001B机组的中冷器为箱形结构，设计紧凑，进入换热器的热空气和冷却后空气仅靠贴近进气侧的橡胶隔板分离。压缩机的一、二级出口温度外部实测均在120℃以上，内部温度更高，在高温压缩风的作用下，如果橡胶隔板的耐热性能不够，在极短的使用期限内即会出现老化、倒伏甚至破碎的情况。一旦隔板老化、倒伏，部分热空气不经冷却器换热便从换热器顶部和底部的缝隙走短路进入下一级，进而导致冷后温度超高，机组联锁停机。因此，橡胶隔板老化是造成中冷器失效的重要原因。

4.2 翅片间距过小

C5001B机组的中冷器设计上具有很高的紧凑性，但由于翅片片距过小，当压缩机在相对湿度较大的条件下工作时，空气经压缩冷却后，当气体温度低于其露点温度时，空气中的水分就析出，加上周围工厂空气中含有SO2、CO2等腐蚀性气体，凝结水不但覆盖在部分翅片表面，增加换热过程的传热热阻，也腐蚀翅片，导致铝翅片破碎，甚至部分氧化成粉末，和水垢、灰尘积聚在翅片间，阻塞换热通道，严重影响正常换热的进行。下面从这两方面做进一步分析。针对翅片管式换热器，当流体在翅片间流动时，其流动边界层和传热边界层如图1所示。流体沿X方向强制流动时，根据其流体连续性方程、动量、热量传递方程，可得此种换热器在不同Re数下翅片间流动边界层和传热边界层的厚度如表1所示。

表1 不同Re下流体在翅片间的流动边界层与传热边界层的厚度

图1 流体的边界层示意图

由表1可以看出，气体在翅片间流动时，当流速较低时，翅片之间的传热边界层很容易发生重叠，特别当翅片间距过小，翅片表面有凝结水析出时，在较大的气体流速下，同样也会出现边界层的重叠，这样会大大增加传热热阻。

由于压缩机的排湿量很大，特别在夏季高温、多雨的情况下，空气的相对湿度在80%以上，而C5001B机组的中冷器翅片间距在1.25 mm左右，这为凝结水析出、架桥提供了条件，加上炼厂周围空气含有SO2、CO2等腐蚀性气体与水共同作用，从而严重氧化、腐蚀铝翅片和铜管。凝结水的析出不但会腐蚀设备，而且能够在翅片表面形成一层水膜，从而增大了传热边界层的厚度，增加了传热热阻;由于翅片间距过小，极易造成凝结水架桥，这样会进一步增加传热热阻，使得换热器的换热性能很快下降。因此可以说C5001B中冷器失效的根本原因是翅片间距过小。

4.3 中冷器箱体设计存在缺陷

4.3.1 二级中冷器风道设计不合理

如图2所示，一级中冷器箱体内一级压缩后热空气入口和冷后空气出口分别位于中冷器的两端，这样设计比较合理，空气从入口到出口基本上流通冷却器的全段，换热效果较好。而二级中冷器由于机组设计过于紧凑，热空气入口和冷后空气出口距离很近，基本都位于二级中冷箱体的内半段，空气从入口到出口流通的仅是冷却器全段的1/2～2/3，换热效果相对差很多;而同时由于换热部分过分集中，也加速了这部分管段的翅片腐蚀和橡胶隔板的老化，缩短了二级中冷器的使用寿命。实际运行中，每次均是二级中冷器冷后温度首先突破报警值，也证明了其风道设计的缺陷。

图2 C5001B一、二级中冷器结构示意图

4.3.2 中冷器箱体上无类似轨道的设计

由于冷却器内冷、热空气仅靠芯子顶部和底部的橡胶隔板分离，一旦隔板损坏，中冷器会很快失去应有的换热能力。而该机组中冷器箱体上没有设计轨道，在吊装和抽芯过程中稍不注意就会损坏橡胶隔板，造成中冷器性能下降。

4.4 吸尘大，污垢多，传热热阻增大

该机组原设计入口过滤器为二级板式过滤器，由于进口过滤网成本高，后进行国产化，但国内厂家过滤网质量不稳定，且因设计缺陷，机组入口过滤器过滤面积偏小，导致进入机组内空气灰尘大，空气流通部位积碳、积垢，中间冷却器翅片间灰尘积聚，翅片表面传热边界层厚度增大、传热热阻增加，换热性能大大降低。

5 改进措施

①选用耐高温性能好、质量稳定的橡胶板。通过定期抽芯检查、更换中冷器隔板，必要时清洗翅片或酸洗、疏通管程，保证中冷器冷却性能。由于对原橡胶隔板材质不清楚，在首次更换橡胶板时采用的是普通耐高温橡胶板，使用半年便开始老化;在更新中冷器后，新中冷器使用至2004年2月才进行橡胶板的更换，此次更换使用的是耐200℃高温的氟橡胶板，但也仅使用一年便开始老化。因此，到底哪种橡胶板更适合、更耐用，还需要我们进一步实践验证。

②查阅相关资料计算结果得知，该类型中冷器翅片间距在2.5～3.5 mm是最佳选择，在更新换热器时可要求在满足换热条件前提下，将翅片间距增大至2.5～3.5 mm;此外，由于凝结水的析出、架桥是换热器损坏和效能降低的另一主要因素，故应选用防腐效果更好的材料冲制翅片，翅片表面进行亲水膜处理，防止凝结水析出、架桥使换热能力降低。

③对于中冷器箱体和缺乏安装保护的设计缺陷，由于机组结构过于紧凑，没有进行改造的空间，只能要求检修人员在安装、抽芯、吊装过程中，制定详细的作业方案，采取严格的防范措施，保护中冷器橡胶隔板不受损伤，同时，安装时要注意橡胶隔板的安装方向必须正确，必须是折向迎风侧，否则在运行一段时间后，高温压缩风会使橡胶隔板很快倒伏，部分空气不经冷却即从上下隔板处走“短路”，使中冷器冷却效果大幅降低，失去冷却作用。

④由于原入口过滤器设计过滤面积偏小、过滤精度不够，导致空气管线、蜗壳、叶轮、中冷翅片等部位积碳、积垢，机组每六个月必须拆机进行一次清理，空气中灰尘过多加速了中冷器失效，缩短了中冷器的使用寿命，为此，我们在2005年6月对C5001B压缩机入口过滤系统进行了改造，将原板式过滤器改造更新为带自动反吹筒式过滤器，共12组过滤筒，过滤面积大大增加，同时要求滤网厂家采用进口过滤纸，以保证过滤精度。

6 实施效果

由于2000年中间冷却器报废更新时仅是同型号更新，未对中冷翅片片距、材质等做改动，在运行使用7年后，两台中冷器又先后出现铝质翅片部分严重腐蚀粉化、翅片间结垢阻塞，中冷器失效报废，于2007年2月和4月先后进行了更新，此次更新，将中冷翅片片距增大至2.5 mm，同时为保证换热性能，将翅片材质改为铜合金。更新后效果明显，使用三年来，中冷器冷后温度保持稳定，即使夏季高温季节冷后温度也未突破45℃，对比上次更换三年后的数据，冷后温度低6～8℃，冷却效果十分良好。另外，由于对入口过滤系统进行了改造，过滤精度、过滤面积的增加，使吸入压缩机的空气含尘量大大降低，在定期的检修中发现空气流道、叶轮、蜗壳等部件上积碳、积垢明显减少，2008年大检修期间对中冷器的抽芯检查，发现翅片间灰尘、积垢很少，说明过滤系统更新改造效果显著。

总之，310DA3型离心压缩机在设计上高度重视结构紧凑化、轻型化的同时，忽略了对其中间冷却器的功能性和运行长久性方面的考虑，这要求我们在重视设备关键部件的检查维护的同时，需进一步重视和加强对中间冷却器等附属设备的检查维护力度，以保证整个机组的长周期运行。