水冷却器在发电厂空气压缩机中的应用分析

2011-02-28王晋

山西焦煤科技 2011年11期

王晋

空气压缩机的冷却系统研究一直是空气压缩机研究项目中的热点。山西西山热电有限责任公司(以下简称西山热电)使用的UD250A－8型风冷螺杆式空气压缩机(以下简称空压机)在运行过程中噪音较大，冷却风机进风量为900 m3/h，空气由室外进入室内携带大量粉尘，使空压机内部污染严重、磨损较大，减少了设备的使用寿命。其冷却介质为空气，受环境温度影响较大，使空压机的排气温度波动较大，对压缩空气及润滑油的冷却效果差，造成空压机经常故障停机，且冬季环境温度低，冷空气进入室内，导致室内环境温度低设备无法启动。为保证空气压缩机的正常工作和安全稳定运行，亟需对空压机的冷却系统进行改造。本文就水冷式空压机相对风冷式空压机在实际运行中的优越性进行了分析，并提出具体改进方案。

1 风冷式空压机

UD250A－8型空压机为电机驱动单级双螺杆空压机，由压缩机主机、电机、传动机构、冷却系统、控制系统及外罩等部分组成，螺杆空压机的压缩产生于2根螺杆(阳转子和阴转子)的啮合。其冷却系统原理示意图见图1，空压机冷却油通过金属管道成蛇形盘成一个平面，此平面与冷却风机平行，压缩空气管道与油管道在一个平面，同时平行与冷却风机，当空压机启动时，冷却风机同时启动，通过风机吹出的空气与油管道、压缩空气管道进行换热。

图1 空气冷却器冷却原理简图

2 水冷式空压机

在原有空压机系统上对冷却系统进行了改造，由原来的空气冷却器改为水冷却器，改造后的冷却系统基本流程见图2，压缩空气与冷却润滑油分别进入2个冷却器腔室，冷却器内部分布大量蛇形管，蛇形管内部为冷却介质循环水，循环水依次进入冷却器与油、压缩空气进行对流换热，换热后的循环水进入工业循环水回水母管，回到循环水池。

图2 水冷却器基本流程图

3 对比分析

1)对空压机运行稳定性、冷却效果的影响。

空气(液体)与固体边界接触时会有对流换热的现象发生，对流换热量由牛顿公式算得：

式中：

h—对流传热系数;

Tg—换热边界条件的两个温度之一，冷却介质(空气或冷却水)的温度;

Tf—换热边界条件的两个温度之一，被冷却对象(最终反映为管道表面)的温度;

A—换热面积。

由公式可知：

a)对流换热量与空气、管道的温度有关，该空压机冷却风机不可调，进风量为900 m3/h，当对流换热量不变时，管道内工质(压缩空气和润滑油的温度，最终反映为与冷却介质接触的管道壁温度)的温度Tf会因环境温度(环境温度即冷却风机吸入冷却介质空气的温度Tg)变化而波动，波动幅度达到7℃ ～15℃，最终导致排气温度的波动，影响空压机的稳定运行;改为水冷却器后，冷却工质(工业循环水)的温度Tg相对比较稳定，波动幅度在1℃ ～3℃，对排气温度的影响大大减小，提高了空压机运行的稳定性。

b)由公式(1)可知，对流换热量Q的大小与对流传热系数h成正比，同时空压机的冷却方式为强制对流冷却，气体在强制对流时的传热表面传热系数h为(20～100)W/m2·K，水在强制对流时的传热表面传热系数h为(1 000～1 500)W/㎡·K，所以在温差和传热面积不变的情况下，用水作为冷却介质要比空气作为冷却介质时的冷却效果要提高15倍以上。

c)改造前后，换热面积A大小不变，所以不做分析。

2)对空压机使用寿命影响。

风冷式空压机由于冷却介质为空气，西山热电选用的冷却风机进风量为900 m3/h，且空压机房建造在1#炉钢渣仓旁边，当渣仓放渣时，由于空压机运行时要吸入空气，放渣时的扬尘随空气进入空压机房内，空气中所含颗粒物直径及数量远远超出空压机设计要求(空压机空气过滤器设计通过颗粒物直径为3 μm)，致使空压机空气过滤器平均使用900 h左右出现堵塞报警、油过滤器平均使用1 800 h左右出现堵塞报警，而空气过滤器、油过滤器的设定使用时间分别为1 500 h、2 666 h，因此，空压机被迫停运更换空气过滤器、油过滤器。同时，大量超标颗粒物进入空压机主机，加剧了主机及轴承的磨损，致使主机工作声音异常，空压机机头仅使用4年就需返厂大修一次。使用水冷却器后，按3台机组运行，需要启动空压机3台，每小时减少2 700 m3进气量，大大改善了空压机工作环境，空气过滤器、油过滤器未出现过堵塞报警，均按设计要求，达到设计使用时间后进行定期更换，同时，进入主机的颗粒物减少，减少了主机的磨损，延长了空压机的使用寿命，自更换为水冷却器以后，空压机主机工作稳定、正常。

3)经济效益对比。

a)风冷式空压机冷却系统造价在53 000元左右，水冷式空压机冷却系统造价在90 000元左右，虽然水冷却系统初期造价高，但是使用的是电厂工业循环水，而且循环水为闭式循环系统，基本不存在水量消耗。而风冷式空压机的冷却风扇由Y2－160L－6型电动机驱动，该电机的功率为11 kW，根据现场实际情况，单台空压机每年平均使用时间按4 500 h计算，电费按发电成本0.5元/kW·h计算：

单台冷却风机每年消耗电费=11×4 500×0.5=24 750元。

通过计算，水冷式冷却系统造价高出气冷式冷却系统37 000元，但是每年节省电费24 750元，因此，水冷式空压机运行一年半即可弥补造价差距，以后每运行一年，一台空压机可节省电费24 750元。

b)采用风冷式冷却系统更换空气过滤器、油过滤器的时间分别为900 h、1 800 h，采用水冷式冷却系统更换空气过滤器、油过滤器的时间分别为1 500 h、2 666 h，单台空压机按每年平均使用4 500 h计算，该厂使用的优耐特斯UD250W－8型空气压缩机共4台，因此，采用风冷式冷却系统：

每年更换空气过滤器次数=4 500×4/900=20次。

每年更换油过滤器次数=4 500×4/1 800=10次。

采用水冷式冷却系统：

每年更换空气过滤器次数=4 500×4/1 500=12次。

每年更换油过滤器次数=4 500×4/2 666=6.75次≈7次。

通过计算可以看出，采用水冷式冷却系统每年可以少换8次空气过滤器(每次更换1个)、3次油过滤器(每次更换2个)，空气过滤器价格为2 300元/个，油过滤器价格为900元/个，所以每年节省备件费用=2 300×8+900×2×3=23 800元。

除此之外，还节省了空压机主机返厂大修费用78 000元/台，将此费用平均分配到5年中，每年可节省费用62 400元，所以，通过上述计算：

每年累计节约费用=62 400+23 800+24 750=110 950元

4 故障分析对比

通过对该厂4台UD250W－8型空压机冷却器改造前后出现的故障原因进行分析，改造前，频繁出现因冷却效果差导致排气温度高故障停机现象，改造后，不但降低了因排气温度高故障停机的次数，同时整体上降低了空压机的故障次数。对两种冷却形式各以1年为统计周期，进行对比，故障停机原因分析见图3。通过对比可以发现，改造为水冷却器后，排气温度高导致的故障停机次数大大降低，从而减少了空压机非正常停运次数，延长了空压机的使用寿命，提高了空压机的运行稳定性。