离心式压缩机喘振问题研究及解决方案

1   引言

        HR9-040-5空压机为美国 Atlas 公司制造的带中间冷却器的二级离心式空气压缩机。该机组经一级压缩后，通过中间冷却器冷却，由二级吸入压缩，再经后冷却器冷却后送到用气部位。投入使用7 年后该机组先后出现了送气温度高，机组效率下降，喘振等现象。

2   问题的提出及分析

        产生喘振的原因主要有以下几点：

        （1）机组流道缩小，造成效率降低 
        停机检查，叶轮及流道内污垢较多，对蜗壳及叶轮进行清洗后开机试车运行仍未见好转；

        （2）机组出气口堵塞
        检查雾滴捕集器内的丝网，未见异常；

        （3）机组内部通道发生堵塞 
         将空气冷却器拆出检查，发现铝翅片间布满灰尘，空气冷却器堵塞严重。但是此类型翅片强度极低，在清洗时容易造成翅片倒伏，影响换热效果及清洗效果。必须更换冷却器芯体。

        同时经过对机组拆检发现，由于空气冷却器芯体密封胶条老化脆断造成热空气短路致使送气温度升高；由于空气冷却器芯体被尘埃堵塞提高了吸、排气阻力使机组效率下降；而中冷器的尘埃灰垢被压缩空气带入二级叶轮并附着在上面使流道状况恶劣引起压缩空气旋转脱离，严重时便出现了喘振。由此可见，机组出现异常的主要原因是空气冷却器故障。

        在空气冷却器出现短路时，曾试图用聚四氟板（耐高温、不易老化）来代替胶条，但实际效果不太理想。因为密封胶条呈倒“ V ”字形扣在冷却器的挡风板上，而冷却器芯体长3.6米，一端固定。当压缩空气吹向芯体时，造成芯体漂移，使密封用聚四氟板移至出气口，挡住部分出气口，同时造成密封垫被破坏，引起短路。故决定更新空气冷却器芯体。

        由于此设备为进口设备，如果进口空气冷却器，一是生产周期长，二是造价较高，为了生产急需，同时鉴于上述冷却器的缺点，最终提出了改变冷却器的结构形式且由自己制造。

3   对策

        对原有的冷却器形式进行分析，当空压机工作时，造成冷却器芯体受力。按材料力学公式建立模型，见图 1 。可以计算出芯体的漂移距离为20mm 。而实际冷却器芯体密封垫与排气口的距离为15mm 。

        经过借鉴其他冷却器的形式，决定采用如下的结构形式：

        （1）将整体铝翅片串片式的结构改为铜翅片缠绕式结构，提高翅片强度便于今后清洗。增加传热系数。加强制冷效果。
        （2）在有效的空间内增加换热管数量，保证并提高冷却效果。 
        （3）改变原来的密封形式。在壳体上焊接挡风板，并将不锈钢弹簧板固定在挡风板上，利用空气的压力将密封片紧紧压在冷却器的上下支撑板上。 
        （4）在壳体上焊接轨道，在芯体上安装滚轮方便拆装。
        （5）在冷却器进出口安装压力表，便于随时检查冷却器的情况，以确保机组正常运行。

        在确定上述方案后，先在后冷却器芯体上试验。经过对壳体及原冷却器芯体的精确测量，设计出图纸，再经过认真核对尺寸，将图纸上未反映出的设计思路重新进行了修正。后冷却器芯体首先制作完成。结构见图2。安装完成后经开机检验，进出冷却器压差降为0.0025MPa ，比原来低0.015MPa 。同时解决了后冷却器芯体串气的问题。在筒体上焊接完后，由于此设备属于压力容器，对所有焊缝进行了无损探伤，合格后投入使用。

        在更新后冷却器芯体后，经实际运行，机组的喘振周期延长，但还有喘振现象。经过对中间冷却器芯体检查发现，堵塞现象严重，经过加前后压力表观察，发现前后压差达到0.04MPa 。而二级的吸入压力较低，这很可能是造成喘振的重要原因。经过对中间冷却器芯体认真测量绘制图纸并制作完成后，安装试车，压降为0.003MPa ，比原来低 0.037 MPa 。效果明显。而且整体单耗降低。机组运行至今再未产生喘振现象。

 4   防范措施

        在上述改造完成后，为了避免上述现象的再次发生，认真检查了吸风系统。该吸风系统为设备厂家提出的三级过滤系统，而同类型机组使用四级过滤，且过滤精度也比此机组高。用尘埃粒子计数器检测空气洁净度与同类型的机组相比效果较差（见表 1 ）。根据检测的结果，发现主要是一级过滤效果不理想（尤其在小粒子方面），决定在吸风室一级与二级过滤介质间再增加一层粗效过滤器（DV3）作为改造后的一级过滤，以便提高过滤能力，从而提高了空气洁净度。改造后，检测的空气净化度达到同类型机组的水平，检测结果见表1。同时在操作规程中制定了详细的措施，每半年监测一次洁净度，如发现变化，及时更换介质，从而确保洁净度。避免上述现象的再次发生。 

        （1）送气温度达到要求，由更新前的45℃ 降低到28℃ 。 
        （2）机组运行状态良好，再没有发生喘振现象，并且改造了吸风系统，保证了系统稳定运行。 
        （3）机组效率提高，电单耗由更新前的59kW·h/km3 降低到57kW·h/km3 。更新后运行了7500h ，节电（ 59 －57）×27×7500=405000kW·h，按0.45元/kW·h计算合18.23万元。
        （4）由于冷却器垢阻减小传热系数增加使冷却效果提高，冬季原两冷却器的用水由并联使用改为串联使用。供水管直径φ159 ，循环水流速 3m/s，因串联使用减少的一组供水管的流量为3.14×0.152÷4×3×3600=190.8t/h，实际使用90d ，节约循环水 190.8×24×90=412128t ，按0.2元/t 计算合82425.6元。 
        （5） 国产冷却器芯体每台在17万元左右，而进口冷却器芯体在36万元左右。节省进口设备费用19万元，2台共计节省38万元。

         经过上述的改进后节省设备费38万元，电耗降低18.23万元，节水8.24万元。三项合计64.47万元。