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空气离心压缩机运转失效分析

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摘要:介绍了5TYD160型空气压缩机运行失效的现象,分析出此压缩机使用环境中含有“SO2”气体和“铜尘”;水气分离器效果不好,轴套、冷却器壳体材料不防锈等是造成失效的原因,提出了改进措施。
关键词:离心式压缩机  故障  诊断  措施
中图分类号:TH452   文献标识码:A
文章编号:1006-8155(2005)05-0051-04

Abstract:
The phenomenon of 5TYD160 air compressor running failure is introduced, it is analyzed that there are SO2 and copper dust in the compressor operation environment. Effect of moisture separator is not good, sleeve and cooler casing material are not anti-rusty etc., and these above are all failure reasons. The improving measures are put forward.
Key words: Centrifugal compressor  Trouble  Diagnosis  Measure
 
1 引言

  用于6500m3/h制氧的5TYD160型空压机组于2003年初在我厂试运转期间,发现空压机有“带水”作业问题。由于我厂低空污染较严重,空气中含有一定量的SO2等有害气体和被风扬起的干燥的极细颗粒的铜精砂(<5μm的颗粒在遇到西北风或东北风的时候,这些有害物质就会随同原料加工空气一起被吸入空压机内,经压缩浓缩后,部分被机内湿热的水蒸气和小水珠吸收,产生具有腐蚀性的气液混合体。它既腐蚀所接触到的金属表面,又吸附原料空气中的微小尘埃,所以导致空压机在试运转期的20天内,就使转子的Ⅳ、Ⅴ两级叶轮叶片的入口部位冲刷磨损严重。同时,机内有大量集尘。造成空压机短暂停机4天后,由于尘埃的冷却、凝固、干燥等作用,在转子的Ⅲ级级间轴封处,将转子与机壳牢固地粘结成一体,使空压机准备再启动时,盘不动车。因此,被迫解体检修。在检修中,针对试运转期出现的问题,采取了一些积极的预防措施,并在2003年2月初,正式投入使用。在使用中,观察到空压机在表1所列参数下工作时,Ⅲ、Ⅳ两级后排放的空气中含有大量的水气和水液。

表1
机组进气压力/ kPa           0.9
空气流量/ (Nm3/h)       31500
Ⅰ级排压/ MPa               0.06
大气温度/℃             22.6
Ⅰ级排温/℃             74.1
Ⅱ级排压/ MPa               0.145
Ⅱ级进温/℃             40.1
Ⅱ级排温/℃             93.7
Ⅲ级排压/ MPa               0.24
Ⅲ级进温/℃             39.6
Ⅲ级排温/℃             88.5
Ⅳ级排压/ MPa               0.36
Ⅳ级进温/℃             39.2
Ⅳ级排温/℃             78.3
Ⅴ级排压/ MPa               0.50
Ⅴ级进温/℃             39.0
Ⅴ级排温/℃             63.0

  显然,按照表1参数运行,空压机级间仍带有少量水。为此,只好将级间操作温度适当提高至(50±5)℃,以适当避免级间带水。可是,江南地区的夏季,由于气温高,空气含水量大,即使依照提高后的级间温度进行操作,也不能完全避免夏季空压机级间带少量水。正因如此,空压机在经过包括夏季在内的7个多月的运转后,于2003年8月25日19:00时,第一次出现靠电动机端的排气高压侧径向可倾瓦轴承的X方向振动超标报警,从而使空压机运转失效,进入解体检修阶段。
 
2 空压机解体后状况

  揭开上机盖后,发现Ⅰ、Ⅱ两级叶轮及其相配的蜗壳气道光亮如新。但从Ⅲ级的进气道开始,壁面出现了厚达1~2mm的尘垢。由此往后,各级的进、排气道和蜗壳壁面都布满了尘垢,而且越往后的级,尘垢积的越多越厚。尤其是Ⅳ级蜗壳和其相配叶轮轮盖相对壁面的一处挂尘,其厚度使Ⅳ级叶轮轮盖的中部发生碰摩,并划出一道1.5mm×0.5mm(宽×深)的圆圈。显然此处就是直接导致靠近电动机端的可倾瓦滑动轴承径向X方向振动超标而报警的原因。同时,也应是2003年8月8日停机后很难盘动车的主要原因。在Ⅲ级叶轮的排气口附近,有“带水”作业后留下的零星干涸尘迹;而Ⅳ、Ⅴ 两级叶轮的外缘及轮盘则有严重“带水”作业留下的若干沟壑状尘迹。另外,还可看到这2级叶轮叶片的入口处,叶片与轮盘和轮盖相焊接的两处,冲刷磨损比叶片本身要严重得多,使叶轮叶片的入口形状成月牙形。级间冷却器芯的钢骨架锈蚀也严重,特别是各芯下部锈蚀更为严重。4个级间冷却器壳体的情况是:Ⅰ级后冷却器壳体的空气通道略有锈色,但无明显的块状锈蚀片;Ⅱ级后冷却器壳体的空气通道则开始出现大面积的锈蚀片,其厚度为1.5~2mm;Ⅲ、Ⅳ两级后的壳体空气通道则锈蚀严重,锈蚀片厚达2~2.5 mm。

3 尘垢的不同分布及其对应的主要化学成分

  空压机内不同地方的尘垢,都分别取了样,经测量和化学分析得知,Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ 3级叶轮里的叶栅垢片厚度分别为1~1.5 mm,其主要化学成分是FeSO3,其次是CuSO3等物质。Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ 3级蜗壳和其配对的叶轮叶片出口外缘附近以及轮盘处的“浮尘”,其主要化学成分是CuSO3,其次是FeSO3,和少量的CaSO3等物质。Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 3级后冷却器壳体的排气道里的垢片,其主要化学成分基本与叶栅垢片成分相同,只是比叶栅垢片含FeSO3成分更高一点而已。Ⅲ、Ⅳ两级后冷却器芯的进气侧分布的“浮尘”,其主要化学成分与蜗壳和叶轮轮缘处的表面取样成分相同。
 
4 空压机结构上存在的薄弱环节

  通过分析认为,造成空压机运转失效的是尘垢,而引起尘垢的原因是带有腐蚀性的水或水蒸气造成的腐蚀。所以解决水的分离和排放应是首要问题,其次是增加抗锈蚀能力。

  根据空压机运转近1年的实际情况,以及两次故障解体情况的分析,归纳总结出空压机主要存在以下几处薄弱环节。
 
  (1)解体看到空压机转子Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ 3级叶轮及其这段轴上的轴套和平衡盘等都有“带水”作业现象,并造成了这些零部件较严重的锈蚀。因此,需要提高这3级叶轮的抗腐蚀能力。另外,在空压机的拆装过程中,通过水平仪检测,也发现转子的2个轴径处的水平度有误差,2个轴径的外侧都有向上翘,而内侧则有向下倾斜的趋势。证明轴的弯曲刚度薄弱,需要加强。

  (2)空压机的4个级间冷却器芯的冷却能力过剩,造成芯子占据空间大。
实际应用时,在最炎热的夏季,冷却器的冷却水量的阀门开度最多只用到80%左右,而这时各级间的进气温度仅达到40℃左右。证明冷却能力过剩,可以适当减小芯的尺寸,腾出空间,以安装水气分离装置。此外还看到,这4个冷却器芯的钢骨架锈蚀严重。由于锈蚀片可能会由于冲刷而进入加工空气中。因此,需要改换材料,以提高骨架的抗锈蚀能力。

  (3)在夏季,空压机经Ⅱ级压缩、冷却后,已有冷凝水析出。为了能及时地将这些水分排出机外,需要设置水气分离器。
根据2003年夏季的应用情况和通过解体分析知道,当气温在35℃以上时,若Ⅱ级进气温度为40℃、排气压力则为0.145 MPa、若排气温度为95℃,当排气冷却到40℃时,则会有少量冷凝水析出。解体时会看到Ⅱ级压缩冷却后的排气通道,由于“带水”而造成了表面全部锈蚀。因此,应安装水气分离器。

  (4)解体时看到,Ⅲ、Ⅳ两级后的水气分离器制造精度差。存在横排水孔与引流板孔对不上的现象。在排水孔处没有集水槽的情况下,可能发生分离出的水珠进不了孔,又被气流夹带冲走的可能。另外最主要的还是水气分离器的气流路线不够长,也不够曲折,不能充分地将冷却后压缩空气中含有的水分分离出来。尤其是在Ⅲ、Ⅳ两级后,由于压力高,温差大,出水量多,气流速度大等特点,更应设置“曲折而漫长的水气分离之路”。现有的水气分离器很可能就是因为气流速度快,水气来不及分离,就流入下一级中去,从而导致下一级超量“带水”。为此,应想办法使气流速度降下来,或延长水气分离的路径和时间,以达到良好的分离效果。

  (5)解体时看到,Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 3级后冷却器壳体的空气流道严重锈蚀,说明选用材料有问题。
由于锈蚀片会被气流冲刷磨损,并且还由于锈蚀片的不定期脱落,均会造成它们夹在加工气流中,而进入叶轮,产生对叶轮叶片的冲击磨损,而且经抛离后,还会成为各处积尘的重要组成部分。所以这里应是一个严重的薄弱环节。

  (6)解体后发现,Ⅲ、Ⅳ两级后水气分离器的2个垂直排放口与其相配的下盖壳排放口的位置设计有不合理之处(图3上图)。

  尽管第一次解体时,已在下机壳上开设了集水槽并扩大了排放口,起到了减少水气冲击反弹量的作用,但并未从根本上消除冲击而造成的反弹水气,底部锈蚀比上部锈蚀严重的现象依然存在。因此,这里的排放结构仍有缺陷,需要进一步改造。
 
5 采取的措施

  (1)将空压机转子的Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ 3级叶轮以及这段轴上的轴套、平衡盘等零部件,全部改用耐腐蚀的不锈钢材料制造。

  (2)适当减小空压机的Ⅲ、Ⅳ两级后冷却器芯的尺寸,腾出空间,改造原来的水气分离器(图1),使其变为图2所示尺寸的水气分离器。

  显然,改后的分离器变厚了,水气通路变得“曲折而漫长了”。需要说明的是,改后会使冷却器芯的进水量减少17%左右(计算略)。根据2003年夏季的应用情况来看,水量的有限减少,不会影响到夏季所要求的冷却后温度40℃。因此,方案可以实施。同时,在改制时,也将冷却器芯的钢骨架换成了不锈钢骨架。
 
  (3)在空压机的Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 3级后冷却器壳体排气通道的入口处,加装相当于图1所示的水气分离器。同时,在各级相应的下机壳上钻出对应的排放孔。

  因为在各级后冷却器壳体排气通道的入口处,都有100mm×410 mm×1900mm的空间位置,只需将各气道钢板的入口向里稍微切割掉一点,就可以加装相当于图1所示的水气分离器。此分离器距原有的冷却器芯后的水气分离器约50mm。显然,这项措施又进一步加强了水气分离工作。

  (4)要求制造水气分离器的厂方,提高制造质量。保证已分离出的水滴或液体能准确地流入横排水孔中。不要再有已分离出的水分又被气流吹进下一级的现象发生。并要求厂方在重新设计时,应尽量让气流流动路线再“曲折”一点,以提高水气分离的能力。

  (5)更换空压机的Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 3级后冷却器壳体的材料,全部由不锈钢材料来制造。
 
  (6)改变各水气分离器下部排放口对应的下壳盖排放孔位置,见图3。

  由图3看到,直接在水气分离器的2个垂直排放口的下方,下壳盖上开设排放孔。这样可以减少分离出的水分在底部停留的时间,有利于减少水气冲击造成的反弹水气。为底部营造较干燥的空间提供了可能。

  (7)鉴于水气分离器分离水的能力已成倍地提高,以及空压机的一些关键零部件的抗锈蚀能力也得到改善,因此,可以采用类似于操作“H400-6.5/0.97型离心式空压机”的方法进行操作。

  H400-6.5/0.97型离心式空压机的操作,基本上是按照“级间充分冷却”的节能降耗方法进行操作。一般在夏季,级间进气温度在36~42℃,在冬季,级间进气温度一般控制在30~35℃。在这种温度下进行操作,当排气压力>0.15MPa时,在夏季通常级间排水量都较大,而在冬季的排水量却只有夏季的1/5左右,甚至更少。由于H400-6.5/0.97型离心式空压机级间排水效果很好,所以可以采用节能降耗的方法进行操作。H400- 6.5/0.97型离心式空压机级间排水效果好的原因是,这种机型的空压机和级间冷却器是分上、下设置的,气流管线长,而且存在垂直落差。水气分离的时间和空间相对较宽裕,聚水结构和排水系统设计较合理。
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