離心式壓縮機喘振問題研究及解決方案

1   引言

        HR9-040-5空壓機為美國 Atlas 公司制造的帶中間冷卻器的二級離心式空氣壓縮機。該機組經一級壓縮后，通過中間冷卻器冷卻，由二級吸入壓縮，再經后冷卻器冷卻后送到用氣部位。投入使用7 年后該機組先后出現了送氣溫度高，機組效率下降，喘振等現象。

2   問題的提出及分析

        產生喘振的原因主要有以下幾點：

        （1）機組流道縮小，造成效率降低 
        停機檢查，葉輪及流道內污垢較多，對蝸殼及葉輪進行清洗后開機試車運行仍未見好轉；

        （2）機組出氣口堵塞
        檢查霧滴捕集器內的絲網，未見異常；

        （3）機組內部通道發生堵塞 
         將空氣冷卻器拆出檢查，發現鋁翅片間布滿灰塵，空氣冷卻器堵塞嚴重。但是此類型翅片強度極低，在清洗時容易造成翅片倒伏，影響換熱效果及清洗效果。必須更換冷卻器芯體。

        同時經過對機組拆檢發現，由于空氣冷卻器芯體密封膠條老化脆斷造成熱空氣短路致使送氣溫度升高；由于空氣冷卻器芯體被塵埃堵塞提高了吸、排氣阻力使機組效率下降；而中冷器的塵�；夜副粔嚎s空氣帶入二級葉輪并附著在上面使流道狀況惡劣引起壓縮空氣旋轉脫離，嚴重時便出現了喘振。由此可見，機組出現異常的主要原因是空氣冷卻器故障。

        在空氣冷卻器出現短路時，曾試圖用聚四氟板（耐高溫、不易老化）來代替膠條，但實際效果不太理想。因為密封膠條呈倒“ V ”字形扣在冷卻器的擋風板上，而冷卻器芯體長3.6米，一端固定。當壓縮空氣吹向芯體時，造成芯體漂移，使密封用聚四氟板移至出氣口，擋住部分出氣口，同時造成密封墊被破壞，引起短路。故決定更新空氣冷卻器芯體。

        由于此設備為進口設備，如果進口空氣冷卻器，一是生產周期長，二是造價較高，為了生產急需，同時鑒于上述冷卻器的缺點，最終提出了改變冷卻器的結構形式且由自己制造。

3   對策

        對原有的冷卻器形式進行分析，當空壓機工作時，造成冷卻器芯體受力。按材料力學公式建立模型，見圖 1 �？梢杂嬎愠鲂倔w的漂移距離為20mm 。而實際冷卻器芯體密封墊與排氣口的距離為15mm 。

        經過借鑒其他冷卻器的形式，決定采用如下的結構形式：

        （1）將整體鋁翅片串片式的結構改為銅翅片纏繞式結構，提高翅片強度便于今后清洗。增加傳熱系數。加強制冷效果。
        （2）在有效的空間內增加換熱管數量，保證并提高冷卻效果。 
        （3）改變原來的密封形式。在殼體上焊接擋風板，并將不銹鋼彈簧板固定在擋風板上，利用空氣的壓力將密封片緊緊壓在冷卻器的上下支撐板上。 
        （4）在殼體上焊接軌道，在芯體上安裝滾輪方便拆裝。
        （5）在冷卻器進出口安裝壓力表，便于隨時檢查冷卻器的情況，以確保機組正常運行。

        在確定上述方案后，先在后冷卻器芯體上試驗。經過對殼體及原冷卻器芯體的精確測量，設計出圖紙，再經過認真核對尺寸，將圖紙上未反映出的設計思路重新進行了修正。后冷卻器芯體首先制作完成。結構見圖2。安裝完成后經開機檢驗，進出冷卻器壓差降為0.0025MPa ，比原來低0.015MPa 。同時解決了后冷卻器芯體串氣的問題。在筒體上焊接完后，由于此設備屬于壓力容器，對所有焊縫進行了無損探傷，合格后投入使用。

        在更新后冷卻器芯體后，經實際運行，機組的喘振周期延長，但還有喘振現象。經過對中間冷卻器芯體檢查發現，堵塞現象嚴重，經過加前后壓力表觀察，發現前后壓差達到0.04MPa 。而二級的吸入壓力較低，這很可能是造成喘振的重要原因。經過對中間冷卻器芯體認真測量繪制圖紙并制作完成后，安裝試車，壓降為0.003MPa ，比原來低 0.037 MPa 。效果明顯。而且整體單耗降低。機組運行至今再未產生喘振現象。

 4   防范措施

        在上述改造完成后，為了避免上述現象的再次發生，認真檢查了吸風系統。該吸風系統為設備廠家提出的三級過濾系統，而同類型機組使用四級過濾，且過濾精度也比此機組高。用塵埃粒子計數器檢測空氣潔凈度與同類型的機組相比效果較差（見表 1 ）。根據檢測的結果，發現主要是一級過濾效果不理想（尤其在小粒子方面），決定在吸風室一級與二級過濾介質間再增加一層粗效過濾器（DV3）作為改造后的一級過濾，以便提高過濾能力，從而提高了空氣潔凈度。改造后，檢測的空氣凈化度達到同類型機組的水平，檢測結果見表1。同時在操作規程中制定了詳細的措施，每半年監測一次潔凈度，如發現變化，及時更換介質，從而確保潔凈度。避免上述現象的再次發生。 

        （1）送氣溫度達到要求，由更新前的45℃ 降低到28℃ 。 
        （2）機組運行狀態良好，再沒有發生喘振現象，并且改造了吸風系統，保證了系統穩定運行。 
        （3）機組效率提高，電單耗由更新前的59kW·h/km3 降低到57kW·h/km3 。更新后運行了7500h ，節電（ 59 －57）×27×7500=405000kW·h，按0.45元/kW·h計算合18.23萬元。
        （4）由于冷卻器垢阻減小傳熱系數增加使冷卻效果提高，冬季原兩冷卻器的用水由并聯使用改為串聯使用。供水管直徑φ159 ，循環水流速 3m/s，因串聯使用減少的一組供水管的流量為3.14×0.152÷4×3×3600=190.8t/h，實際使用90d ，節約循環水 190.8×24×90=412128t ，按0.2元/t 計算合82425.6元。 
        （5） 國產冷卻器芯體每臺在17萬元左右，而進口冷卻器芯體在36萬元左右。節省進口設備費用19萬元，2臺共計節省38萬元。

         經過上述的改進后節省設備費38萬元，電耗降低18.23萬元，節水8.24萬元。三項合計64.47萬元。