杨 梅，合 蕊，刘星滟，王兴锋

（红塔烟草（集团）有限责任公司昭通卷烟厂，云南 昭通 657000）

在能源日渐紧缺的背景下，各国都在节能降碳等领域达成了共识，对工业节能也提出了更高要求。而螺杆式空压机作为常见工业设备，日常产生的能耗较高，需要通过提高设备运行效率挖掘节能潜力。因此，应着重对如何提升设备运行效率进行研究，结合设备运行效率下降原因进行系统分析，通过运行效率科学评价机制实现升级改造。

昭通卷烟厂采用螺杆式空压机进行空气压缩和输送，空压机机组采用四级压缩、三级冷却等温设计方式，中间冷却器分别布置在机组两侧。设备型号分别为ZR5R-52（4 740 Nm3/h），ZR500VSD（3 600 Nm3/h），ZR400（3 600 Nm3/h），ZR4-51（1 800 Nm3/h），总体产气量为13 740 Nm3/h。自投产以来，设备长期维持良好运行状态，排气压力和流量等参数基本符合要求。然而，近期机组出口流量持续下降，无法达到设计流量（见表1），出现了设备运行效率下降的问题，给机组正常工况的建立带来了不利影响。

表1 空压机机组历年运行数据

2.1 本体运行问题分析

在机组运行的过程中，空压机系统由空压机、冷却器、干燥机、过滤器、管路系统、排水器等多个部分构成[1]。即便主机达到较高比功率，在其他设备发生较大阻力损失的情况下也将导致电机运行效率下降，引发整机效能降低。对空压机运行效率进行评价可知

式中：w 为主机功率，kW；
N 为主机轴功率，kW；
Q 为主机容积流量，m3/min。对空压机的投入与产出关系进行分析可知，在规定工况下空压机输入比功率满足

式中：w"为输入比功率，kW/m·3min-1；
N"为整机输入功率，kW；
Q"为实际容积流量，m3/min。对机组实际情况进行分析可知，自空压机运行以来，故障率较低，输入比功率能够达到4.58 kW/m3·min-1，整体性能良好。由此可见，机组出现运行效率下降的情况主要是受到了其他因素影响。

2.2 系统泄漏问题分析

在空压机系统运行过中，需要维持压力稳定，如果发生压力波动也将给主机运行带来不良影响，导致系统出现频繁启停、加载和卸载问题，继而出现运行效率下降的情况。根据表1 数据可知，2022年机组的出口压力明显下降，出现这一情况与空气管路连接气密性下降有关，从而导致系统出现了“冒”“漏”等现象引发压力下降的问题，为此带来巨大能源消耗。由表2 可知，当出现不同大小泄气孔时，随着气孔直径增加将引发较大泄漏量，导致排气压力随之下降，继而引发运行效率下降。随之对管道连接法兰、轴端密封等处进行检查，并未发现明显泄漏情况，故判断系统内部发生了泄漏，造成机组偏离原本的设计工况。

表2 压缩空气泄漏量查询表

2.3 系统阻塞问题分析

系统出现排气量下降的问题，可能与系统阻塞有关。在过滤器阻力较大的情况下，将导致空压机吸入压力减少，引发压比增加，最终导致排气量减少。对空分设备上塔压力进行检查可知，并未出现明显压力损失，因此，排除系统过滤器阻塞情况。此外，导叶结构出现积灰过多等问题，也会引发排气量下降的问题。而根据2020 年2 月的大修记录可知，导叶整体较为干净，不存在结构异常问题。

2.4 系统冷却问题分析

在系统冷却水量不足的情况下，同样会导致排气量减少。根据设备参数可知，冷却器设计流量为1 200 m3/h，循环水压为0.35 MPa。实际进水量达到1 400 m3/h，母管水压达到0.45 MPa，进入空压机的冷却水设计最高温度为33 ℃，实际夏季最高温度可以达到41 ℃，需要更多冷却水。冷却水供应不足，与冷却水泄漏和冷却器换热不理想有关。机组包含三级冷却器，前两级泄漏将发生堵塞、结垢等问题，后一级泄漏将引发排气量减少。经检查，并不存在泄漏问题。通过近年来空压机机组和各级压力变化情况（见表3）可知，存在汽侧结垢问题，检查发现翅片因腐蚀而出现脱落，引发了管道堵塞。气体通过翅片和管内与循环水换热时，由于管道堵塞将造成换热效果不佳，最终导致排气量下降。

表3 近年来空压机机组各级压力变化情况（kPa）

3.1 做好内漏处理

空压机出现内漏问题与设备在压缩空气过程中产生的冷凝液有关。冷凝液中包含重金属、硫化物等各种高腐蚀性物质，在无法顺利排出的情况下将长期留存在设备内部，导致本体和系统管道受到腐蚀，严重时将引发停机问题[2]。为确定内漏位置，对空压机内部结构进行分析可知，中间冷却器采用矩形翅片，与换热管胀接成单元换热管。单元换热管构成管束，管内流水，管外排气，经长期冲刷后管壁减薄，引发了内部管路泄露问题。内漏导致气路带水，在含水量较大时无法通过分离器有效分离，进入下一级压缩后悬浮在分离器上，导致气流下降。将机组解体后，沿着空气流动进行管路检查，发现裂缝、漏洞进行补焊处理。针对变薄的管壁，考虑到补焊效果不佳，将两侧封堵后更换管路，以免后续短时间内再次发生内漏情况。为避免同类问题反复发生，需要保证冷凝液得到及时排放。而改造前空压机系统冷凝液主要采用手动排放方式，如果将手动阀始终处于打开位置，将引发长时间排气损失。现场确认手动阀排放口径达到4 mm，气体损失达到0.745 m3/min。为减少资源浪费，对冷凝液排放管道进行改造，在管路上增设电子液位控制排水器，根据冷凝液的液位及时自动打开阀门进行排放。通过采取全自动手段，能够避免内漏问题发生的同时，减少排气损失。此外，为避免因装置故障导致冷凝液无法顺利排出，在管道上增设旁通管道，并在巡检内容中增设排水器检查项，每4 h进行一次检查，发现故障及时开启旁通阀门排出冷凝液，有效杜绝内漏故障的发生，确保空压机系统可以维持较高的运行效率。

3.2 提高换热效率

受环境温度、气夹水等问题的影响，空压机容易出现冷却器换热效率下降的情况，进而引发机组排气量和运行效率下降问题。为提高换热效率，需要对一级冷却器进行更换，提高换热器换热效率。换热器温度效率满足

式中：η 为换热效率；
t1和t2为被加热工质进出温度，℃；
T1和T2为加热工质进出换热器的温度，℃。通过测量和计算可知，原来一级冷却器换热效率仅为80.33%，更换高效冷却器后，换热效率可以达到98.72%，有效降低一级排气温度。经过测量可知，改造后二级冷却器的进水温度从28 ℃提升至29.7 ℃，排水温度从38.3 ℃降低至37.8 ℃，换热效率从78.0%提升至90.5%。而三级冷却器的排水温度从38.5 ℃提升至39.8 ℃，换热效率从71.6%提升至75.1%。通过提高系统换热效率，在夏季温度较高的情况下，能够避免出现冷却水供应不足问题。此外，考虑到冷却器翅片容易受到腐蚀，不能单纯进行翅片修复，而是需要更换为耐腐蚀材质的翅片，并适当增加气体通过面积，达到加强冷却器换热的目标。总之，就是选用铝+防腐涂层的翅片，换热管为铁白铜材质，换热面积从1 420 m2增加到1 510 m2，换热管数量从460 支增加到570 支。在完成空压机检修后，需要对冷却水管、空气流道、叶轮等进行全面清洗，以保证内部管路畅通，避免出现堵塞情况[3]。

3.3 运行效率评价分析

经过系列改造后，为确定空压机系统性能优化情况，需要进行试运行测试，发现机组出口压力达到了608 kPa，产气量达到了13 740 Nm3/h，符合生产要求。对改进前后空压机运行效率进行评价（见表4），随着排气压力提升，排气量明显增加。在空压机整机输入功率不变的情况下，通过增加实际容积流量可以进一步降低输入比功率，从而达到提升压缩机运行效率的目地，将系统运行效率提升10%。在忽视放空问题的情况下可知，相同负荷下空压机电流减少6 A，能够节约94 kW·h 电能，按照0.65 元（/kW·h）电价，可节约电费约50 万元/年。

表4 优化前后空压机机组运行参数

为确保空压机日常维持良好运行状态，需要建立点检标准对设备运行经济数据进行分析，通过对主机功率和输入功率的分析完成运行效率评价，并通过查看入口阻力、级间气体冷却后温度等参数确认是否存在阻塞、泄漏等问题。建立推移图直观反映设备运行数据变化，能够及时发现设备异常情况，通过及时介入保证设备始终维持较高运行效率。此外，针对空压机运行效率下降情况，考虑到随着使用年限的延长叶轮效率会持续下降，还需对机组性能进行优化。实际上，在设计空压机的过程中，通常会在流量和出口压力等方面留有余量，在余量重复叠加的情况下将引发实际运行点偏离设计值的情况，导致机组运行效率下降。结合这一特性，后续可以重新进行机组出口压力选定，然后根据新的出口压力进行叶轮等零部件的制作，在不更换其他系统部件的情况下提高机组整体运行效率。

提高空压机设备的运行效率，能为节能生产提供有力支持。针对螺杆式空压机的运行效率下降问题进行分析可知，与本体运行、管路泄露等多种因素有关，需要通过科学评价找到根本原因，以便采取有效措施提高系统运行效率。结合系统运行数据进行系统分析，可以从提升空压机运行效率角度提出未来技术攻关方向，为实现同类型设备升级改造积累丰富的经验。

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