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国外压缩机中间冷却器的失效原因分析及对策

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国外压缩机中间冷却器的失效原因分析及对策

发布日期:2017-06-06 作者:盐城上达机械有限公司 点击:

    对石油化工化工机械行业使用的气体压缩机的级间冷却器进行调查发现,尽管我国已将压缩机列为21种重点节能产品之,而且大多数厂家也制定了标准和已经系列化生产,但与其配套的冷却器仍然十分混乱。其主要现在是未形成与主机配套的完整系列产品是没有与主机配套的专业生产厂家是对其进行专项研究工作未受到重视。

  作为压缩机重要配套的辅机设备,级间冷却器的传热性能不但影响整个压缩机的能耗,而且冷却效果不佳也影响设备的润滑和安全生产。冷却不良造成的水量浪费,电量浪费,甚至导致冷却器燃烧着火的事故已多见报道对大型石油化工企业近年来从国外购进的气体压缩机进行调查研究,同样发现世界些著名厂家生产的压缩机的级间冷却器也同样存在不少问题。其设计思想在高度重视紧凑化轻型化的同时,却忽略了冷却器的运行长久性和足够的运行寿命。本文将通过两个具体事例对其进行剖析,同时提出改进的对策。

  1国外压缩机中冷器的传热元件形式1.1光滑管光滑管其材质有碳钢不锈钢铜等,气体有走管程的,也有走壳程的。这种最古典的设计在近年购进的大型压缩机的中冷器中仍可见到。茂名石油化工公司于1995年购进美国Ketema公司制造的烃类气体压缩机中冷器,其传热管亦是光滑管。不少氮肥厂原仿苏制的大型H压缩机中冷器传热管也是用光滑管制造。对于管内通气体的中冷器,如果用外轧内凸肋的传热管,如螺纹槽管或者横纹管,则可以比采用光滑管减少传热面积20~30,且压降可以控制在0.1 MPa以内。

  1.2低肋管中肋管由日本日立公司生产的空气压缩机中冷器的传热元件是低肋管。这种管型国内些单位也用过,是用2.5~3 mm壁厚的管子轧制的。

  因为气水换热的换热器,其传热阻力在气侧,对设计成管内通水,管外走气的管壳式中冷器来说,采用这种管子不但可以增加管外气侧的传热面积,而且由于翅片与管壁是个整体,故比光滑管的传热效果提高50~60 .且与管穿翅片的中冷器相比,亦可以避免因片管松动而造成的接触热阻增加的问题,且换热器的紧凑性亦比管穿翅片的换热器优越。

  然而这种低肋管的肋化系数在2.5左右,若轧成3 mm以上片高的中肋管,则所需的胚管壁厚在2.5~3 mm之间,耗材多且工艺复杂是其最主要的缺点,故后来亦没有被厂家所接收。

  1.3管穿翅片套片的目的亦是为了增加气侧的传热面积,由于椭圆管或滴水形管在气流方向的投影面积小,空气流通面积大,压力降小,传热效果好,所以国外些压缩机的中冷器亦采用这种管型,采用热胀套片方式将矩形套片紧紧套在管上。国产的DA 350系列离心压缩机就是60年代的仿苏产品。其存在两个问题,是将圆管冷压成椭圆管,导致管子变形后,会在圆与椭圆过渡的地方产生微裂纹是若未经探伤检查,使用后经振动腐蚀和气体冲击等引起管子裂纹压缩机技术扩大而出现泄漏。这种冷却器冷却能力差的原因与当时仿制时照搬照套有关。因为这种冷却器是按纬度较高的前苏联地区而设计的,而我国的纬度较低,特别是南方地区,夏天进水温度较高,从而导致冷却器效果差。目前这种机组在国内仍有近百台在运行。因此,化工部决定拟用庞大的光滑管冷却器来代替这种翅片式冷却器。

  1.4菊花状翅片管美国产的英格索尔兰德离心压缩机就是选用这种管型的中冷器。有管内走冷却水管外走空气和管外走冷却水空气走环隙两种型式,带状绕片用以增加气侧的传热面积。然而这种换热器的流动阻力非常大,当Re=10 000时,每米管长的流动压降高达8000 Pa.

  1.5铜管套铝质整体翅片这种换热器冷却水走管内,气体在翅片间流动换热,其肋化系数在10~12之间。

  小管径的铜管与铝片经涨接后紧密结合,由于铝材的线涨系数比铜材高出3倍,所以铝片孔口之冲制工艺要求较高,要求冲制成双翻边,且翻边处不应出现任何裂缝。管子在扩张时,铝片孔具有收缩的紧固力,由于空压机中冷器的进气温度大多在150℃左右,故扩管之过盈量应考虑这两种金属之线涨系数的差异而造成的松动。

  散热片之面气膜热阻占总热阻的80.水膜热阻只占10,为强化传热,翅片会采用波浪性的翅片或者开缝片,或者扩大气侧的传热面积。减少翅片距离必然会明显增大翅片侧的传热面积,使换热器的紧凑性提高,但片距过小必然引起流动阻力的增加,甚至造成相邻两翅片的边界层重叠,或者造成压缩空气的凝露水的析出并出现架桥现象。此时,不但气侧流动阻力增加,而且会由于凝露水覆盖了翅片的换热面而令其无法与被冷却气体接触而失去传热功能。传热的基本公式式中K总传热系数,Wm对数平均温度,K气侧给热系数,Wm总散热片效率δ管壁厚,mm气侧总传热面积,mλ管材导热系数,WmK水侧换热面积,m水侧给热系数,Wm对于这种管翅式换热器,由于δλF相对小到可以忽略,故式2简化为般情况下η由此可见,中冷器之冷却性能的85~90是由气侧之传热系数决定的。翅片的材料气侧的对流传热系数翅片与管之接触间隙热阻的大小翅片上污垢或水膜带来的传热热阻的大小等都直接影响这种中冷器的传热性能。

  2美国JOY公司离心式空气压缩机中冷器失效原因分析本机型号为TA 48,为级电动离心式压缩机,出口压力为0.7 MPa,压缩气体流量为8 000 Nm设有两个级间冷却器,均置于主机下方,机组结构布置2.其中冷器芯子是铜管穿整体铝翅片,所用的铜管为10×0.5 mm,翅片厚度为0.2 mm,片距为1.52 mm,铜管数共198条,肋化系数为10,水侧为6程,水流速度为2 ms,以循环冷却水作为冷却介质,压缩空气作为聚丙烯车工艺用气。

  据工厂工艺和设备管理人员反映,自1996年装置开工以来,TA 48机组在运行段时间后中冷器的换热效果明显下降,运行10000多小时就已损坏报废。主要是换热器芯子的铝翅片严重氧化腐蚀,同时存在由于冷却不足而导致润滑油在高温下焦化,部分管子亦因腐蚀而泄漏。下面将分析TA 48机组中冷器失效的原因。

  2.2 TA48机组中冷器失效原因分析该机组的中冷器虽然有很高的紧凑性,但由于片距过小,当压缩机在相对湿度较大的条件下工作时特别是广东地区每年有3个多月的梅雨季节,空气压缩机技术经压缩冷却后,当气体温度低于其露点温度时,空气中的水分就析出,加上化工厂的空气中含有SO等腐蚀性气体,凝露水不但覆盖在部分换热器面,增加换热器的传热热阻,亦腐蚀翅片,导致翅片的大面积破坏。下面从这两个方面来更进步分析。

  流体在翅片间流动时,其流动边界层和传热边界层3.流体沿X方向强制流动时,可以写出其流体的连续性方程动量和热量传递方程当流体在X方向流动时,方程可以作如下化简处理那么有边界条件为y =0V当流体的操作Re数当Re 2500时,其边界层的速度分布V,从而得流动边界层的厚度为当流体的操作Re数在Re 10 000时,其边界层的速度分布符合17定律,从而得到又因为流动边界层与传热边界层存在如下关系对于空气P =0.699,故可以认为传热边界层厚度δx,对于TA 48机组来说,在不同的Re数的边界层厚度如1.

  流动边界层与传热边界层的厚度流核区mm由上可以看出,当气体流速较低时,翅片之间的传热边界层很容易出现重叠,特别当翅片面有凝露水析出时,在较大的气体流速也同样会出现边界层重叠,这样就大大地增加了传热热阻。因此可以说,翅片间距过小是该中冷器换热能力不足的主要原因,压缩机技术当然片距过小又是引起凝露水架桥的主要原因。下面对凝露水架桥的原因进行分析。

  压缩机的最大回冷温度露点温度与其进气参数气体的相对湿度以及排气压力等参数有关。从4可以查出,TA 48机组当入口温度在20℃左右,相对湿度为80~90之间时,其回冷温度在40~43℃之间。我们还可以更进步计算出其总的排湿量式中H,H′压缩前和压缩后的绝对湿度,kgkg干空气气体进出口温度状态下的水的饱和蒸气压,Pa G气体的质量流量,kgh水的沸点和水在沸点下的饱和蒸气水的汽化潜热,Jmol饱和状态下气体的绝对湿度φ空气相对湿度,p压缩气体进口压力,Pa R气体常数通过以上计算可以得到2之结果。

  露点温度及中冷器的总排湿量入口温度相对湿度冷却出口温度℃露点温度总排湿量无由上数据可以看出,气体压缩机的总排湿量是相当大的,特别在江南和华南地区3~5月份梅雨季节,冷却水温度在27~30℃之间,空气中的相对湿度在80~95之间,然而TA 48机组的中冷器翅片间距为1.52 mm,这为凝露水提供了架桥条件,加上空气中含有SO等腐朽性气体,SO和水共同作用,从而严重腐蚀铝翅片和铜管。这样方面使得翅片的传热性能下降很快,另方面又可能导致铜管泄漏。凝露水的析出不但会腐蚀设备,而且能够在翅片面上形成层水膜,从而增大传热边界层的厚度,进而增加传热热阻,使得冷却器的换热性能下降很快。因此可以说TA 48机组失效的根本原因是翅片间距过小,而造成其失效的最直接原因是凝露水的析出。

  2.3处理对策根据上面的分析明,翅片间距过小是引起TA 48机组的中冷器损坏和失效的根本原因。计算明,翅片间距在2.5~3.5 mm之间是其最佳选择。

  此外凝露水的析出又是引起换热器损坏和换热效能低下的最主要和最直接的原因。我们从这两个基本点出发,对TA 48机组中冷器提出如下改进措施1将片距增加到2.5 mm2选用具有更好防腐效果的铝质材料冲制翅片3翅片面经亲水膜处理4选用双翻边波浪形翅片。

  3C902A1B罗茨空压机的中冷器失效原因分析及对策压缩机技术C902A1B为意大利ROBUSOM 1厂的产品。该压缩机的排气量为3806 Nm h,排气压力为0.94 M Pa,采用级压缩和设有两个中冷器。其中冷器的芯子采用铜管穿整体翅片,其结构亦是铜管穿翅片,该冷却器之结构示意,6为其冷却器芯子示意。

  C902AlB机组启用后不久就出现如下问题管束振动强烈,产生变形,气体流动阻力增加,换热能力不断下降。从现场卸下的换热器芯子的实拍照片可以看出其制造工艺之粗糙,可以看出U型管端已腐蚀以及工厂用环氧树酯堵漏留下的痕迹。

  3.2 C902A1B机组中冷器失效原因分析从5以及管翅参数可以看出,C902A1B机组中冷器与TA 48机组有许多相似之处。如都采用铜管穿铝翅片,压缩工质均为空气,排气压力相当,翅片间距也基本相同,因此它们失效的原因也基本相同,即翅片间距过小是中冷器失效的根本原因,而凝露水的析出是导致中冷器失效的直接原因之。当然,C902A1B机组也具有另外些设计上的缺陷,如换热管采用U型管,由于冷却水流动速度较低,使得管内容易结垢,而且结垢后很难清洗干净。又由于采用高度肋化的翅片换热,尽管气侧换热系数很小,总的热阻还是偏向水侧,因此尽量避免管内结垢,增加水侧传热系数对提高整个换热器的换热性能是非常有益的。此外,由于采用管穿翅片,所以其整体性差,抗机械振动能力差。

  总之,C902A1B机组中冷器失效的原因可以归结为1工艺粗糙,片距不均匀,且不规整,抗振动能力差2片距小,极易造成凝露水架桥,使气流阻力上升,且导致芯子腐蚀3单管板结构,水管的另端采用U型管连通,污垢不易清洗,泄漏较难修复。

  3.3 C902A1B机组中冷器改进的措施针对以上分析的原因,对C902A1B机组提出如下两种改进措施3.3.1方案鉴于气流的不稳定,传热性能差,抗机械振动性能差,可以采用具有整体形的花瓣状翅片管PF传热管用以强化传热,或者采用低肋翅片管用以强化传热。

  PF传热管是由华南理工大学化学工程研究所王世平林培森等教授共同研究开发的种新型强化传热管,其结构7.PF管能适应多种情况下的单相流和多相流的强化传热。此外化工研究所的许多科学研究工作者以多种工作介质对PF管的强化传热性能进行研究。对于气体,詹清流于1996年以空气为介质,以多种流动方式横向纵向绕向研究了PF管的传热性能和流动阻力性能,提出了比较完整的传热系数和流动阻力的计算方法6,并已用于D 1007空气压缩机。

  对于PF管的强化机理包括3个方面。其,很大程度地增大了换热面积,其肋化系数在2.3~2.5之间,因而使用PF管可以很大程度地减少金属的用量其,PF管是种维的翅片型强化换热元件,这种维的翅片反复地激化流体的湍动,从而很大程度地扩大了流体湍动核心的区域,减薄流体的边界层厚度和过渡区域,从而降低流体的传热热阻,增大换热系数其是相互分离的翅片使得流体边界层不断分离,并且在翅片的根部形成旋涡,这样达到了增大压缩机技术传热系数的目的。

  对于C902A1B机组的中冷器,如果采用PF传热管,大约需要胚管面积为12m 2,比使用光滑管大约节约胚管面积为20m 2,而且换热器的造价和操作费用比采用光滑管要低许多,起到了节材节资和节能的多重目的。

  3.3.2方案对原有的中冷器进行如下改造1为了便于管内污垢的清洗,决定在管子两侧均设有管板,以封条盖与气流密封,以便于管内的污垢的清除2采用管穿整体翅片,翅片间距增至2.5 mm,翅片面进行亲水膜处理,以防因凝露水的析出而使换热能力降低3在换热器气体入口处采用均流栅,使进入管束的气流均匀分布。

  4结论1国内外气体压缩机厂家对其级间冷却器在机组性能中所起的作用未给予足够重视2当今环境污染和节能给气体压缩机的安全性和经济性提出了系列新的研究课题3建议要重视国外购进设备的使用,并做到技术上的超前准备,避免旦辅机损坏了耽误生产,而且再次购进替换件其价格非同般4中国之气候环境,如水质温度空气的相对湿度等条件与国外不相同,购进设备前要注意分析考察。


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