ZH型离心式压缩机冷却器国产化应用

龙梅

（大冶有色金属有限责任公司稀贵金属厂，湖北黄石 435005）

ZH型离心式压缩机冷却器国产化应用

龙梅

（大冶有色金属有限责任公司稀贵金属厂，湖北黄石 435005）

铜冶炼生产环境中,高浓度腐蚀性气体会导致离心压缩机主要零部件腐蚀。为此，某厂加装了具有化学过滤功能的空气过滤器,并对冷却器芯进行了国产化应用实践,取得了良好效果。

离心式压缩机；故障分析；冷却器芯；国产化应用；热力设计

0 引言

某厂ZH7000-6-8型离心式空气压缩机组由阿特拉斯·科普柯有限公司制造。主要技术参数如下：额定风量为7 000 Nm3/h,排气压力为0.8 MPa，排气温度为36±4℃，配套电机功率为710 kW。该机组于2006年1月投入运行,运行时间12 000 h,2007年7月25日因故障联锁跳车。根据现场微电脑控制器运行记录,表明当时跳车故障为2级叶轮振动跳车(27μm)。

1 机组概况

ZH7000-6-8型离心式空气压缩机组工作流程见图1。

图1 3级压缩流程示意

由图1可知,外界空气由过滤器进入第1级叶轮,经过压缩后的空气进入1级中间冷却器(1级中冷)，空气冷却后进入第2级叶轮压缩,再经2级中间冷却器(2级中冷)冷却进入第3级叶轮压缩,最后空气经后冷却器(后冷)提供给用户使用,本机组主要为冶炼转炉捅风眼机提供用风。机组共有1级中冷、2级中冷及后冷3个冷却器。管内介质为冷却水,管外介质为压缩风。冷却器的结构见图2。

图2 冷却器结构

冷却器设计工况如下：进口处空气压力为100 kPa,额定工作压力为800 kPa;空气进口温度35℃,空气出口温度38℃；冷却水正常进口温度26.7℃,进口最高温度不超过35℃,冷却水温升不超过10℃;冷却水消耗量为67 m3/h,相应的冷却水系统压降为120 kPa;冷却器温压为冷却后的出气温度与冷却水进口温度之差,≤20℃。机组冷却水系统是一个带冷却塔的开放式循环系统，其对水质的要求如下：1)6.8＜pH＜8.5。2)总溶解固体量(TDS)等于水中所有离子相加的总和,它可以根据蒸发后剩余的干燥残留物推导得出(但不包含悬浮粒子),也可以根据电导率估算。对于开放式系统而言，TDS＜750 mg/L。3)氯离子会使不锈钢产生点状锈蚀,因此氯化物应＜150 mg/L。4)硫酸盐(SO42-)＜150 mg/L。5)碳酸盐硬度为50～500 mg/L CaCO3,HCO3-/SO42-应当＞1,氨＜0.5 mg/L,铜＜1 mg/L,铁和猛均＜1 mg/L。6)有机物＜10 mg/L,无藻类,无油,悬浮粒子,不可溶颗粒大小＜1 mm。

2 存在问题及原因分析

2.1 存在的问题

对机组冷却器进行技术检查后,发现以下故障：1)1级冷却器芯有少量积灰及白色物质；2级中间冷却器及后冷却器芯积附有大量白色物质且翅片有部分腐蚀(见图3)。2)现场冷却水质为7.5＜pH＜8,碳酸盐硬度为1 000 mg/L CaCO3,水质较差,管内壁易结垢。其它指标未作化验。3)冷却器冷却效果差,机组运行时温压高达30℃,常出现报警故障。4)冷却器芯更换频繁,一年的消耗量为6件,进口备件供货周期长,价格昂贵,每件价格为20万元,一年冷却器芯的备件费用为120万元。

图3 冷却器腐蚀

2.2 原因分析

1)取样分析及故障原因。提取定量附着在空压机后冷却器气侧的淡黄色、白色固体块状及粉末状混合物,进行光(色)谱比照分析。该混合物含有FeSO4、Fe3O4及结合水,其它为成分不明的固体粉尘。叶轮及冷却器的化学粘结物造成流道变窄,空气流量减少,形成喘振跳车。

2)腐蚀机理。该厂是铜冶炼企业,空气中的SO2浓度较高,虽然进入空压机的气体已经经过了空气过滤器,但由于空气过滤器不具备化学过滤功能,导致含有SO2的有害气体进入冷却器,在水汽的作用下,形成含S的酸性气氛,造成冷却器的腐蚀。反应过程存在多种腐蚀过程,且各种反应互相影响,使腐蚀过程更为复杂。发生腐蚀的反应原理如下[1]：

3 解决方案及其措施

考虑到国外进口零部件价格昂贵,供货周期长,出现上述冷却器腐蚀的问题,依靠更换进口零部件既不经济也不现实,因此必须采取其他的解决方案及措施。经过该厂技术人员的论证研究,决定首先在机组进口处加装具有化学过滤功能的空气过滤器[2],过滤有害气体,以保证空气的洁净度,其次就是对冷却器芯重新热力设计并国产化。由于冷却器壳体利旧,对相关与壳体配合的尺寸进行测绘,保证装配关系。下文对冷却器芯国产化技术方案进行重点分析。

3.1 管壳式换热器的热力设计程序[3-4]

应用LMTD(对数平均温压)法进行热力计算及校核热力计算。为使计算得以进行,往往对某项关联参数先凭经验选定一值进行计算,当选参数的计算值得出后,再与初选值进行比较,直到达到规定差额试算方告结束。热力计算具体步骤如下：1)收集原始数据。原始数据是设计计算的基本依据,应根据设计任务,收集尽可能多的有关数据,并力求准确。例如：换热流体名称，种类，化学、物理性能，温度，温压，压力，允许压降，流量，热负荷，现场条件,大气压力,已有的运输条件等。2)确定物性参量。安排管、壳程流体,确定定性温度,计算或查得换热介质的物性参量(密度、粘度、比热等)。3)初步决定换热器流型,计算平均温压。4)利用热平衡式计算换热器的热负荷,为估算热量损失,需要确定热损失系数或热效率。5)初选传热系数,根据换热介质、流速及流态确定K选。可参考有关资料,初算传热面积F选,利用F选选择标准型号换热器或自行设计换热器结构,确定管、壳程的主要结构尺寸。6)管程换热及压降计算。选定允许压降,假定管壁温度tω,根据初选结构计算管侧对流换热系数和压降,当换热系数远大于K选,且压降小于允许压降值时,方能进行壳程计算,否则重定K选或进行结构调整。7)壳程对流换热计算。根据初选结构和假设的壁温tω计算壳程流通截面、流速和换热系数，若不符合要求,可变动壳侧结构,调整折流板尺寸、间距乃至壳体直径直至满意。8)核算总传热系数,根据管、壳两侧流速和温度决定污垢热阻,最后计算传热系数K计。当计算值与初选值满足K计/K选=1.15～1.25即符合要求。也可计算出传热量Q计或传热面积F计，并与Q设、F选相比较,有10%~20%的过余度即算符合要求。9)核算壁温。根据K计计算所得的管壁温度tω与假定值tω相比必须基本相符。10)计算壳程压降。管、壳程压降均应小于允许压降,否则调整结构重算直至满意。

3.2 冷却器芯国产化设计

根据上述热力设计步骤,结合现场实际形成冷却器芯加工图。1、2级冷却器芯（中冷）及3级冷却器芯（后冷）技术参数见表1，计算结果见表2。

表1 冷却器芯设计参数

表2 冷却器芯计算结果（换热性能对比）

从表2可以分析得目前冷却器换热面积比原来有所提高，中冷、后冷换热面积提高率分别为8%、18%；压降比原来降低，降低率为13%，有利于冷却器换热，满足要求。

3.3 改造后实际运行参数

冷却器芯改造后实际运行参数显示温压比设定值偏高,为此又进行了一些设计优化：翅片板型由原来S120改为SD120(即平板型改为坑洼型),换热面积增加约15%左右,隔板密封由直线型改为翻边型。优化后实际运行参数见表3,优化后实际效果优于冷却器设计参数。

表3 第1次改进及优化后实际运行参数对比

4 结语

在多级压缩机组中,配套有多个空气冷却器。在铜冶炼工业环境中,酸性气体极易腐蚀空气冷却器并形成化合物,降低空气冷却器的冷却效果并造成气道堵塞,进而引发机组喘振,严重损坏设备[5]。本案例中采用化学过滤器、冷却器国产化的方案有效地解决了零部件的腐蚀问题,大大降低了冷却器的更换成本,每年节约备件费用为100万元。

[1]陈联满.空压机叶片腐蚀分析[J].物理测试,2002(2):38.

[2]张根珠.CAFH化学过滤器在ZH型离心式压缩机上的应用[J].有色设备,2009(1):29-31.

[3]靳明聪.换热器[M].重庆:重庆大学出版社,1990.

[4]张智,刘江伟,王思文.管壳式换热器的热力计算和数值仿真[J].金属材料与冶金工程,2012(1):33-37.

[5]林培林,王世平,邓先和.气体压缩机冷却器现状及研究进展[J].压缩机技术,1998(3):17-20.

Application of Local Production of ZH Centrifugal Compressor Cooler

LONG Mei
(Precious Metal Plant of Daye Nonferrous Metals Co.,Ltd.,Huangshi,Hubei 435005,China)

During the production environment of copper smelting,high concentration corrosive gas may result in main components of centrifugal compressor being corroded.As for these problems,air filter with function of chemical filtration was added in a p lant and detailed measures were conducted on application of local production of cooler core,and got good effect.

centrifugal compressor;fault analysis;core of cooler;application of local production;thermal design

TH452

B

1004-4345(2014)02-0029-03

2013-10-27

龙梅(1972—),女,工程师,主要从事设备管理技术工作。