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空壓站夏季高溫工況下凈化設備運行現(xiàn)狀及對策
責任編輯：作者：admin人氣：1484 發(fā)表時間：2020-10-19
烈日炎炎似火燒，空壓站房一團糟，近日西安超濾技術、售后、銷售、質(zhì)管等相關部門召開了夏季設備運行總結交流會，參會人員從各自不同角度介紹了本年度夏季高溫條件下自己在運行現(xiàn)場的實踐及感受。對我公司干燥器、過濾器及空壓站其他相關設備運行狀況及對策進行了深入分析和交流，會后由公司總經(jīng)理李大明親自撰寫專題文章《空壓站夏季高溫工況下凈化設備運行現(xiàn)狀及對策》。
摘要：空壓站夏季高溫條件下，半數(shù)以上空壓機和凈化設備出現(xiàn)過載甚至報警停機，其主要原因有三個：一是對循環(huán)冷卻水系統(tǒng)重視不夠，表現(xiàn)為冷卻水量不足，水溫偏高，水質(zhì)偏差；二是單元產(chǎn)品選購時未顧及壓力、溫度系數(shù)和極限工況，導致選型偏小。系統(tǒng)缺乏備機。三是空壓機廠對未端冷卻器重視不足，甚至偷工減料，造成其排氣溫度普遍偏高，水冷機組高達45℃以上，風冷機組更高達55℃以上。而凈化行業(yè)的規(guī)定工況：歐州為35℃，美國為38℃，我國行業(yè)標準兩種工況并存，某些制造廠為應對高溫工況對吸附式干燥器最高允許進氣溫度為40℃，冷干機在特殊設計下，最高允許進氣溫度為45℃。
本文分析了高溫對壓縮空氣站凈化設備的影響，提出了應對措施和解決方案。
1溫度環(huán)境、濕度對壓縮空氣系統(tǒng)的影響
1.1大氣條件（溫度、相對濕度）決定了進入空壓系統(tǒng)的總水量，另高溫、高濕會影響循環(huán)水的出水溫度，由此決定了分離器、過濾器的液態(tài)水排出量和進入干燥器的飽和濕空氣絕對含水量（g/m3）。值得注意的是：進入干燥器的水蒸氣量與大氣條件無直接關系，僅是飽和濕空氣溫度的單值函數(shù)。因為即使當大氣相對濕度低至極干燥的20%時，壓縮到7bar并經(jīng)冷卻至常溫時也已形成過飽和濕空氣，其攜帶的冷凝水經(jīng)各種分離器、過濾器排出。所以決定干燥器吸入含水量的因素僅為冷卻水溫度（風冷機為環(huán)境溫度）和冷卻、分離效率（見圖1）。
眾所周知，任何一種技術或產(chǎn)品不可能包打天下，產(chǎn)品標準中一項很重要內(nèi)容就是規(guī)定了該種產(chǎn)品的適用場合、范圍與相關條件。一般用冷凍式壓縮空氣干燥器（JB/T10526-2005）和一般用吸附式壓縮空氣干燥器（JB/T10532-2005）的規(guī)定工況完全相同（見表1）。其中進氣溫度規(guī)定為兩種：方案A/方案B分別規(guī)定為35℃/38℃。前者適用于溫帶區(qū)，后者適用于亞熱帶區(qū)。我國雖然幅員遼闊，但絕大部分地區(qū)夏季依然氣候炎熱，溫度偏高，南北方主要差距是濕度大小和高溫持續(xù)時間長短，所以絕大部分生產(chǎn)廠采用了方案B，即進氣溫度38℃±1℃。如前所述，進氣溫度主要取決于冷卻水溫度，考慮到5℃左右換熱溫差，冷卻水規(guī)定為30℃±3℃，實際計算時大多采用32℃。值得注意的是，表1方案B中規(guī)定的冷卻空氣進氣溫度和環(huán)境溫度均為38℃±3℃。這一數(shù)值與干燥器進氣溫度38℃相矛盾，實際情況是大部分風冷空壓機排氣溫度比環(huán)境溫度高8~15℃，這部分機型成為夏季高溫工況下的重災區(qū)。
表1：干燥器產(chǎn)品標準規(guī)定工況
1.3 高溫對吸附式干燥器的影響：
表2：飽和溫度和絕對含水量對照表：
從上表可看出：溫度從38℃升高至48℃，含水量增加63%；另從“等壓吸附圖”可看出，在干燥器工作點（25-45℃），等壓吸附線對溫度非常敏感，隨著溫度升高，吸附劑吸附能力大幅度下降，綜合以上兩種因素，并結合統(tǒng)計規(guī)律可大致得出：溫度每升高1℃，干燥器工作負荷增加10%左右。
進氣溫度升高的另一個負面影響是：吸附熱大量增加并導致干燥器排氣溫度大幅升高（8-20℃，進氣溫度越高，吸附熱產(chǎn)生量越大）。由于吹冷過程大部分采用干燥器出口的產(chǎn)品氣，此時無疑抬高了吹冷氣的起始溫度，其溫度甚至高達50-60℃，必然導致吹冷不徹底，吹冷結束前塔溫仍高達80-100℃，切換后一段時間吸附塔出口溫度和露點溫度產(chǎn)生嚴重漂移，溫度、露點一般會升高20℃以上，時長超過半小時。
1.4 高溫對冷干機的影響：
冷干機進氣溫度提高不僅直接加重了制冷系統(tǒng)的熱負荷，同時也增添了進氣中的水分含量，水蒸汽凝結時需要系統(tǒng)支付額外的相變潛熱，兩者均需要提供更多的冷量或能耗；高溫氣體還會加重蒸發(fā)器的負荷，有可能造成產(chǎn)品氣露點提高，導致冷干機除水能力下降。此外環(huán)境溫度或冷卻水溫度提高將直接影響冷凝器的換熱效率，導致系統(tǒng)制冷量大幅度下降。冷凝器溫度升高也必然引起冷凝壓力提高，當超過設備所能承受的極限時，還有可能造成設備、人身安全事故。
1.5 高溫對除油過濾器的影響：
壓縮空氣過濾器正在制定產(chǎn)品標準，但在測量方法（GB/T13277.2-2015）和實驗方法（GB/T30475.1~2-2013）中，進氣口溫度和環(huán)境溫度均規(guī)定為20℃，值得注意的是，過濾器制造商提供的殘余含油量指標絕大部分采用了濾芯供貨商提供的在20℃下的性能指標，而過濾器實際工作溫度遠高于20℃，其殘余含油量指標比過濾器生產(chǎn)商提供的指標高出數(shù)倍，甚至10倍以上都是可能的。（見表3）
表3：噴油螺桿油分在不同溫度下的油/氣比例
本表雖然沒有標示絕對含油量，但可以看出，溫度每提高5℃，油蒸氣量增加一倍，與統(tǒng)計數(shù)據(jù)“溫度每提高5℃，殘余含油量翻一番”，兩者結論一致，這是因為現(xiàn)代精密/超精密技術對油氣溶膠去除率高達99%~99.99%。而任何過濾方法對氣態(tài)油蒸氣毫無作用。
油蒸氣隨著溫度降低又會凝結成液體油氣溶膠，油蒸氣也能部分沉積吸附劑表面，潤滑油可使其喪失部分活性，嚴重時形成油中毒，導致吸附劑失效。
2對 策
如上所述：進氣溫度提高將會造成干燥器、過濾器負荷增加，性能下降，甚至危及設備、人身安全。從統(tǒng)計數(shù)字看：夏季空壓機排氣溫度遠高于干燥器的理想工作溫度和規(guī)定工況，為此可采用以下三種方法予以補救或補償。
2.1 當冷卻水溫度能保證≤32℃時，可在空壓機和吸附式干燥器之間增設一低溫差高效水冷卻器（進水與排氣溫差設計為3℃），冷卻器進排氣溫差△t=10℃即可。
2.2 當現(xiàn)場無冷卻水或冷卻水溫本身高于35℃，同上增設一臺低溫差水冷卻器，采用冷凍水或自備冷水機組，冷凍水全流量或與循環(huán)水混合進入冷卻器，冷卻器進排氣溫差△t=10~15℃。
2.3 條件同上，可采用預冷+吸附，預冷機與傳統(tǒng)冷干機功能不同，前者主要用于冷卻降溫而非冷凍除水，即采用冷媒制冷方式有限降低壓縮空氣溫度，使之適合吸附式干燥器在合理溫度范圍有效工作。目前該用途產(chǎn)品屬于非標定制，亟需規(guī)范形成系列產(chǎn)品。
2.4 正確選型：當實際工作壓力偏低、工作溫度偏高時可參考以下修正表：
表4：壓力、溫度修正系數(shù)表（DH樣本）
從表中可看出：以7bar、35℃為基礎，溫度、壓力向上偏差修正值大于向下偏差的修正值。
結論：干燥器、過濾器工作溫度區(qū)域宜為25±10℃，目前在用和繼續(xù)投用的空壓機排氣溫度普遍＞40℃，為保證后續(xù)凈化設備正常運行，應優(yōu)先采用冷卻+凈化流程，該方法與傳統(tǒng)的冷干+吸附有本質(zhì)區(qū)別，具有更好的凈化指標和更大的投資、運行成本優(yōu)勢。本文推薦的冷卻+凈化排序依次為冷卻器—水冷機組—預冷機。三者的使用工況和降溫幅度有所不同，至于采用什么方法，可依據(jù)現(xiàn)場條件、凈化指標和成本核算綜合考慮選擇。
本文分析了高溫對壓縮空氣站凈化設備的影響，提出了應對措施和解決方案。
1溫度環(huán)境、濕度對壓縮空氣系統(tǒng)的影響
1.1大氣條件（溫度、相對濕度）決定了進入空壓系統(tǒng)的總水量，另高溫、高濕會影響循環(huán)水的出水溫度，由此決定了分離器、過濾器的液態(tài)水排出量和進入干燥器的飽和濕空氣絕對含水量（g/m3）。值得注意的是：進入干燥器的水蒸氣量與大氣條件無直接關系，僅是飽和濕空氣溫度的單值函數(shù)。因為即使當大氣相對濕度低至極干燥的20%時，壓縮到7bar并經(jīng)冷卻至常溫時也已形成過飽和濕空氣，其攜帶的冷凝水經(jīng)各種分離器、過濾器排出。所以決定干燥器吸入含水量的因素僅為冷卻水溫度（風冷機為環(huán)境溫度）和冷卻、分離效率（見圖1）。
圖1 壓縮空氣系統(tǒng)組成及流程圖
1.2 凈化產(chǎn)品標準及規(guī)定工況：眾所周知，任何一種技術或產(chǎn)品不可能包打天下，產(chǎn)品標準中一項很重要內(nèi)容就是規(guī)定了該種產(chǎn)品的適用場合、范圍與相關條件。一般用冷凍式壓縮空氣干燥器（JB/T10526-2005）和一般用吸附式壓縮空氣干燥器（JB/T10532-2005）的規(guī)定工況完全相同（見表1）。其中進氣溫度規(guī)定為兩種：方案A/方案B分別規(guī)定為35℃/38℃。前者適用于溫帶區(qū)，后者適用于亞熱帶區(qū)。我國雖然幅員遼闊，但絕大部分地區(qū)夏季依然氣候炎熱，溫度偏高，南北方主要差距是濕度大小和高溫持續(xù)時間長短，所以絕大部分生產(chǎn)廠采用了方案B，即進氣溫度38℃±1℃。如前所述，進氣溫度主要取決于冷卻水溫度，考慮到5℃左右換熱溫差，冷卻水規(guī)定為30℃±3℃，實際計算時大多采用32℃。值得注意的是，表1方案B中規(guī)定的冷卻空氣進氣溫度和環(huán)境溫度均為38℃±3℃。這一數(shù)值與干燥器進氣溫度38℃相矛盾，實際情況是大部分風冷空壓機排氣溫度比環(huán)境溫度高8~15℃，這部分機型成為夏季高溫工況下的重災區(qū)。
表1：干燥器產(chǎn)品標準規(guī)定工況
1.3 高溫對吸附式干燥器的影響：
表2：飽和溫度和絕對含水量對照表：
從上表可看出：溫度從38℃升高至48℃，含水量增加63%；另從“等壓吸附圖”可看出，在干燥器工作點（25-45℃），等壓吸附線對溫度非常敏感，隨著溫度升高，吸附劑吸附能力大幅度下降，綜合以上兩種因素，并結合統(tǒng)計規(guī)律可大致得出：溫度每升高1℃，干燥器工作負荷增加10%左右。
進氣溫度升高的另一個負面影響是：吸附熱大量增加并導致干燥器排氣溫度大幅升高（8-20℃，進氣溫度越高，吸附熱產(chǎn)生量越大）。由于吹冷過程大部分采用干燥器出口的產(chǎn)品氣，此時無疑抬高了吹冷氣的起始溫度，其溫度甚至高達50-60℃，必然導致吹冷不徹底，吹冷結束前塔溫仍高達80-100℃，切換后一段時間吸附塔出口溫度和露點溫度產(chǎn)生嚴重漂移，溫度、露點一般會升高20℃以上，時長超過半小時。
1.4 高溫對冷干機的影響：
冷干機進氣溫度提高不僅直接加重了制冷系統(tǒng)的熱負荷，同時也增添了進氣中的水分含量，水蒸汽凝結時需要系統(tǒng)支付額外的相變潛熱，兩者均需要提供更多的冷量或能耗；高溫氣體還會加重蒸發(fā)器的負荷，有可能造成產(chǎn)品氣露點提高，導致冷干機除水能力下降。此外環(huán)境溫度或冷卻水溫度提高將直接影響冷凝器的換熱效率，導致系統(tǒng)制冷量大幅度下降。冷凝器溫度升高也必然引起冷凝壓力提高，當超過設備所能承受的極限時，還有可能造成設備、人身安全事故。
1.5 高溫對除油過濾器的影響：
壓縮空氣過濾器正在制定產(chǎn)品標準，但在測量方法（GB/T13277.2-2015）和實驗方法（GB/T30475.1~2-2013）中，進氣口溫度和環(huán)境溫度均規(guī)定為20℃，值得注意的是，過濾器制造商提供的殘余含油量指標絕大部分采用了濾芯供貨商提供的在20℃下的性能指標，而過濾器實際工作溫度遠高于20℃，其殘余含油量指標比過濾器生產(chǎn)商提供的指標高出數(shù)倍，甚至10倍以上都是可能的。（見表3）
表3：噴油螺桿油分在不同溫度下的油/氣比例
本表雖然沒有標示絕對含油量，但可以看出，溫度每提高5℃，油蒸氣量增加一倍，與統(tǒng)計數(shù)據(jù)“溫度每提高5℃，殘余含油量翻一番”，兩者結論一致，這是因為現(xiàn)代精密/超精密技術對油氣溶膠去除率高達99%~99.99%。而任何過濾方法對氣態(tài)油蒸氣毫無作用。
油蒸氣隨著溫度降低又會凝結成液體油氣溶膠，油蒸氣也能部分沉積吸附劑表面，潤滑油可使其喪失部分活性，嚴重時形成油中毒，導致吸附劑失效。
2對 策
如上所述：進氣溫度提高將會造成干燥器、過濾器負荷增加，性能下降，甚至危及設備、人身安全。從統(tǒng)計數(shù)字看：夏季空壓機排氣溫度遠高于干燥器的理想工作溫度和規(guī)定工況，為此可采用以下三種方法予以補救或補償。
2.1 當冷卻水溫度能保證≤32℃時，可在空壓機和吸附式干燥器之間增設一低溫差高效水冷卻器（進水與排氣溫差設計為3℃），冷卻器進排氣溫差△t=10℃即可。
2.2 當現(xiàn)場無冷卻水或冷卻水溫本身高于35℃，同上增設一臺低溫差水冷卻器，采用冷凍水或自備冷水機組，冷凍水全流量或與循環(huán)水混合進入冷卻器，冷卻器進排氣溫差△t=10~15℃。
2.3 條件同上，可采用預冷+吸附，預冷機與傳統(tǒng)冷干機功能不同，前者主要用于冷卻降溫而非冷凍除水，即采用冷媒制冷方式有限降低壓縮空氣溫度，使之適合吸附式干燥器在合理溫度范圍有效工作。目前該用途產(chǎn)品屬于非標定制，亟需規(guī)范形成系列產(chǎn)品。
2.4 正確選型：當實際工作壓力偏低、工作溫度偏高時可參考以下修正表：
表4：壓力、溫度修正系數(shù)表（DH樣本）
從表中可看出：以7bar、35℃為基礎，溫度、壓力向上偏差修正值大于向下偏差的修正值。
結論：干燥器、過濾器工作溫度區(qū)域宜為25±10℃，目前在用和繼續(xù)投用的空壓機排氣溫度普遍＞40℃，為保證后續(xù)凈化設備正常運行，應優(yōu)先采用冷卻+凈化流程，該方法與傳統(tǒng)的冷干+吸附有本質(zhì)區(qū)別，具有更好的凈化指標和更大的投資、運行成本優(yōu)勢。本文推薦的冷卻+凈化排序依次為冷卻器—水冷機組—預冷機。三者的使用工況和降溫幅度有所不同，至于采用什么方法，可依據(jù)現(xiàn)場條件、凈化指標和成本核算綜合考慮選擇。
