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空压站夏季高温工况下净化设备运行现状及对策

责任编辑:作者:admin人气:1284 发表时间:2021-04-13

                                                              孙增辉,杨华雄,李大明

                                                                                                   (西安联合超滤净化设备有限公司,陕西 西安  710075)


摘要:空压站夏季高温条件下,半数以上空压机和净化设备出现过载甚至报警停机,其主要原因有三个:一是对循环冷却水系统重视不够,表现为冷却水量不足,水温偏高,水质偏差;二是单元产品选购时未顾及压力、温度系数和极限工况,导致选型偏小。系统缺乏备机。三是空压机厂对未端冷却器重视不足,甚至偷工减料,造成其排气温度普遍偏高,水冷机组高达45℃以上,风冷机组更高达55℃以上。而净化行业的规定工况:欧州为35℃,美国为38℃,我国行业标准两种工况并存,某些制造厂为应对高温工况对吸附式干燥器最高允许进气温度为40℃,冷干机在特殊设计下,最高允许进气温度为45℃,提实际运行状况不佳。

        本文分析了高温对压缩空气站净化设备的影响,提出了应对措施和解决方案。

1、环境温度、湿度对压缩空气系统的影响:

1.1 大气条件 

      (温度、相对湿度)决定了进入空压系统的总水量,另高温、高湿会影响循环水的出水温度,由此决定了分离器、过滤器的液态水排出量和进入干燥器的饱和湿空气绝对含水量(g/m3)。值得注意的是:进入干燥器的水蒸气量与大气条件无直接关系,仅是饱和湿空气温度的单值函数。因为即使当大气相对湿度低至极干燥的20%时,压缩到7bar并经冷却至常温时也已形成过饱和湿空气,其携带的冷凝水经各种分离器、过滤器排出。所以决定干燥器吸入含水量的因素仅为冷却水温度(风冷机为环境温度)和冷却、分离效率(见图1)。

图1  压缩空气系统组成及流程图

1.2、净化产品标准及规定工况:

      众所周知,任何一种技术或产品不可能包打天下,产品标准中一项很重要内容就是规定了该种产品的适用场合、范围与相关条件。一般用冷冻式压缩空气干燥器(JB/T10526-2005)和一般用吸附式压缩空气干燥器(JB/T10532-2005)的规定工况完全相同(见表1)。其中进气温度规定为两种:方案A/方案B分别规定为35℃/38℃。前者适用于温带区,后者适用于亚热带区。我国虽然幅员辽阔,但绝大部分地区夏季依然气候炎热,温度偏高,南北方主要差距是湿度大小和高温持续时间长短,所以绝大部分生产厂采用了方案B,即进气温度38℃±1℃。如前所述,进气温度主要取决于冷却水温度,考虑到5℃左右换热温差,冷却水规定为30℃±3℃,实际计算时大多采用32℃。值得注意的是,表1方案B中规定的冷却空气进气温度和环境温度均为38℃±3℃。这一数值与干燥器进气温度38℃相矛盾,实际情况是大部分风冷空压机排气温度比环境温度高8~15℃,这部分机型成为夏季高温工况下的重灾区。

1:干燥器产品标准规定工况

名称

单位

数值

允许偏差

方案A

方案B

进气温度

35

38

±1

进气压力

MPa

额定排气压力

±7%

进气压力露点

35

38

±2

冷却空气进气温度

25

38

±3

冷却水进水温度

25

30

±3

环境温度

25

38

±3

 

1.3高温对吸附式干燥器的影响:

2:饱和温度和绝对含水量对照表:

饱和温度

38

40

42

44

48

含水量g/m3

5.9

6.5

7.2

7.9

9.6

                                            

从上表可看出:温度从38℃升高至48℃,含水量增加63%;另从“等压吸附图”可看出,在干燥器工作点(25~45℃),等压吸附线对温度非常敏感,随着温度升高,吸附剂吸附能力大幅度下降,综合以上两种因素,并结合统计规律可大致得出:温度每升高1℃,干燥器工作负荷增加10%左右。

进气温度升高的另一个负面影响是:吸附热大量增加并导致干燥器排气温度大幅升高(8~20℃,进气温度越高,吸附热产生量越大)。由于吹冷过程大部分采用干燥器出口的产品气,此时无疑抬高了吹冷气的起始温度,其温度甚至高达50~60℃,必然导致吹冷不彻底,吹冷结束前塔温仍高达80~100℃,切换后一段时间吸附塔出口温度和露点温度产生严重漂移,温度、露点一般会升高20℃以上,时长超过半小时。


1.4高温对冷干机的影响:

      冷干机进气温度提高不仅直接加重了制冷系统的热负荷,同时也增添了进气中的水分含量,水蒸汽凝结时需要系统支付额外的相变潜热,两者均需要提供更多的冷量或能耗;高温气体还会加重蒸发器的负荷,有可能造成产品气露点提高,导致冷干机除水能力下降。此外环境温度或冷却水温度提高将直接影响冷凝器的换热效率,导致系统制冷量大幅度下降。冷凝器温度升高也必然引起冷凝压力提高,当超过设备所能承受的极限时,还有可能造成设备、人身安全事故。

1.5高温对除油过滤器的影响:

      压缩空气过滤器正在制定产品标准,但在测量方法(GB/T13277.2-2015)和实验方法(GB/T30475.1~2-2013)中,进气口温度和环境温度均规定为20℃,值得注意的是,过滤器制造商提供的残余含油量指标绝大部分采用了滤芯供货商提供的在20℃下的性能指标,而过滤器实际工作温度远高于20℃,其残余含油量指标比过滤器生产商提供的指标高出数倍,甚至10倍以上都是可能的。(见表3)

3喷油螺杆油分在不同温度下的油/气比例

温度

50

45

40

35

30

25

20

1.67

0.073

0.446

0.667

0.733

0.8

0.88

0.928

0.988

0.927

0.554

0.333

0.267

0.2

0.12

0.072

0.00153

本表虽然没有标示绝对含油量,但可以看出,温度每提高5℃,油蒸气量增加一倍,与统计数据“温度每提高5℃,残余含油量翻一番”,两者结论一致,这是因为现代精密/超精密技术对油气溶胶去除率高达99%~99.99%。而任何过滤方法对气态油蒸气毫无作用。

油蒸气随着温度降低又会凝结成液体油气溶胶,油蒸气也能部分沉积吸附剂表面,润滑油可使其丧失部分活性,严重时形成油中毒,导致吸附剂失效。

 

2、对策:

        如上所述:进气温度提高将会造成干燥器、过滤器负荷增加,性能下降,甚至危及设备、人身安全。从统计数字看:夏季空压机排气温度远高于干燥器的理想工作温度和规定工况,为此可采用以下三种方法予以补救或补偿。

2.1 当冷却水温度能保证≤32℃时,可在空压机和吸附式干燥器之间增设一低温差高效水冷却器(进水与排气温差设计为3℃),冷却器进排气温差△t=10℃即可。

2.2 当现场无冷却水或冷却水温本身高于35℃,同上增设一台低温差水冷却器,采用冷冻水或自备冷水机组,冷冻水全流量或与循环水混合进入冷却器,冷却器进排气温差△t=10~15℃。

2.3 条件同上,可采用预冷+吸附,预冷机与传统冷干机功能不同,前者主要用于冷却降温而非冷冻除水,即采用冷媒制冷方式有限降低压缩空气温度,使之适合吸附式干燥器在合理温度范围有效工作。目前该用途产品属于非标定制,亟需规范形成系列产品。

2.4 正确选型:当实际工作压力偏低、工作温度偏高时可参考以下修正表:

表3:压力、温度修正系数表DH样本

进气温度

℃)

进气压力(bar

4

5

6

7

8

9

10

30

0.69

0.80

0.90

1.02

1.06

1.17

1.29

35

0.44

0.62

0.80

1

1.05

1.16

1.28

40

0.28

0.42

0.59

0.70

0.79

0.88

0.96

从表中可看出:以7bar、35℃为基础,温度、压力向上偏差修正值大于向下偏差的修正值。

 

      结论干燥器、过滤器工作温度区域宜为25±10℃,目前在用和继续投用的空压机排气温度普遍>40℃,为保证后续净化设备正常运行,应优先采用冷却+净化流程,该方法与传统的冷干+吸附有本质区别,具有更好的净化指标和更大的投资、运行成本优势。本文推荐的冷却+净化排序依次为冷却器—水冷机组—预冷机。三者的使用工况和降温幅度有所不同,至于采用什么方法,可依据现场条件、净化指标和成本核算综合考虑选择。