离心式空气压缩机喘振故障分析与控制预防

                        离心式空气压缩机喘振故障分析与控制预防
                钟瑞明
                           (凡口铅锌矿,　广东韶关市　512325)

    摘　要:主要介绍英格索兰离心式空压机喘振的形成及表现形式,分析指出喘振故障产生的主要原因有叶轮磨损或粘附物太多、扩压器腐蚀磨损、叶轮与扩压器之间的间隙变化、空气冷却器和水汽分离器(过滤器)变脏、空压机进气口空气温度变化、空压机进气口箱式进气过滤器变脏等,并针对以上原因提出了相应的控制和预防措施。
    关键词:离心式空压机;喘振;故障诊断;设备维护
    目前,凡口铅锌矿主要使用的高压风生产设备是由美国英格索兰公司生产的三级压缩离心式空气压缩机。其工作过程中,在一定的工况条件下,有一个设备危害现象———喘振,如何防止和控制喘振的产生,对于日常使用和维护是非常重要的。
    1　喘振的形成和表现形式
    喘振是离心式空压机运行在某一工况下产生的特有现象。当进入空压机的空气流量不能使空压机产生足够的压力,以至于外部系统(外部管路)的压力大于空压机内部的压力,导致逆止阀关闭。这时,空压机没有输出,空气在空压机内部积累,压力不断增加,直到积蓄的压力大于外部系统的压力时,空压机内部压力冲开逆止阀排出。气体排出后由于没有足够的空气使空压机维持连续的输出,空压机内部压力下降,逆止阀关闭,空气重新在空压机内部积累,直到积累的压力足够时,再次排出,如此反复,导致输出的压力和电机负荷剧烈波动、逆止阀频繁动作,机器发出砰砰的声音,这种现象就叫喘振。
    2　喘振故障分析
    离心式空压机有一种喘振现象叫做自然喘振,是指压力已经达到空压机可以压缩的最大值时产生的喘振。这可以通过在使用过程中设定空压机的卸载压力小于标定压力来避免喘振。因此,本文分析的喘振故障不包含自然喘振。
    空压机喘振本质上是因为进入空压机的流量不足以使空压机产生足够的压力,以至于外部系统(外部管路)的压力大于空压机内部的压力,因此,笔者认为,产生喘振故障主要可以通过以下几个方面来分析。
    (1)空压机叶轮磨损或者粘附物太多。空压机叶轮通过自身的曲线槽结构和高速旋转来增加空气的压力和速度,空压机大概有2/3的压力增加都是通过叶轮产生的。当某一级叶轮磨损或粘附物太多时,都会改变叶轮自身的曲线槽结构,降低叶轮增加空气压力和速度的能力。叶轮磨损越严重或粘附物越多,越容易导致空压机产生喘振故障。
    (2)空压机扩压器腐蚀磨损。空气经过高速旋转的叶轮产生高速高压后,经过静态的扩压器时,扩压器内特殊设计的曲线腔壁能把空气的流速降低,压力再一次增加,一般约有1/3的压力是在扩压器内提高的。当扩压器内特殊设计的曲线腔壁腐蚀磨损比较严重时,高速的空气经过扩压器时就容易形成涡旋,进气量就会减少,无法提高空气压力,导致空压机的输出压力降低,从而容易形成喘振。
    (3)叶轮与扩压器之间的间隙变化。英格索兰离心式空压机对叶轮与扩压器之间的间隙有着非常严格的要求。间隙过大会发生泄漏串气,导致空气流量减少;间隙过小,通过的空气流量变小,同时在后端推力轴承磨损的情况下,容易发生叶轮与扩压器碰撞的设备事故。因此叶轮与扩压器之间的间隙过大和过小都会造成空气流量变小,使空压机无法提高输出压力,从而形成喘振故障。
    (4)空气冷却器和水汽分离器(过滤器)变脏。
    经过压缩后的空气不但压力和速度都增加,而且温度也升高不少,因此每一级缸体内都装有空气冷却器和气水分离器,气体进入下一级压缩前都必须经过冷却器冷却和过滤掉空气中含有的水份。英格索兰离心式空压机设计采用的是内置管壳式冷却器,气体经压缩后进入内置于每一级气缸的冷却器冷却,被压缩的气体走密集布置的管程,冷却水走壳程。而且管束内设有网状内翅片,以增大散热面积,使气体经过的管束置于流动的冷却水中达到冷却压缩气体的目的,同时,冷却器后端装有盘丝一样的水汽分离器,使得通过冷却器的杂质要很小很小。而在实际运转过程中,空气中细小的灰尘以及空压机本身磨损产生的微粒很容易粘附在冷却器和水汽分离器内,造成冷却器和水汽分离器的部分堵塞,导致空气流量减少,空压机输出压力不足,形成喘振现象;另一方面,当冷却水水质变差或变脏时,容易在冷却器内造成冷却水堵塞,影响冷却水流动,降低压缩气体冷却效果,影响到空压机的空气容积率(一定质量的空气体积与温度成正比,温度越高,空气密度降低,空压机实际压缩的空气流量减少),导致空压机输出压力不足,形成喘振现象。
    (5)空压机进气口空气温度变化。英格索兰空压机设计上的压缩量是指在25℃,一个标准大气压的条件下的压缩量,而实际上的空气温度是时常变化,不以人的意志而改变的。同样道理,根据气体状态方程P1V1/T1=P2V2/T2可知,恒压的条件下,在温度升高时,空气密度降低,空压机实际压缩的空气流量减少,导致空压机输出压力不足,形成喘振现象。实际使用过程中,夏季比冬季更容易发生喘振现象就可以说明这个原因。
    (6)空压机进气口箱式进气过滤器变脏。英格索兰空压机采用的是二级板式进气过滤器,允许通过的杂质在2μm以内。因此,空气中的灰尘杂质很容易吸附到过滤器里,造成过滤器部分堵塞,导致空压机进气量减少,引起空压机输出压力不足,形成喘振故障。
    3　喘振故障的控制和预防
    3. 1　喘振的控制
    为了控制和预防喘振的发生,英格索兰的离心式空压机设计了节流极限(TL)。即当进气阀关小,马达电流也会下降,进气阀关小至喘振发生时,这时的马达电流叫做节流极限。
    TL值设定后,空压机运行到TL值时,进气阀自动调整到一定角度,同时旁通阀自动打开,通过释放一部分压缩空气到大气,使空压机得到维持连续流动的空气流量,就可以控制空压机不发生喘振。这个过程是由机器的控制系统———中央微处理器(CMC)来完成的。由于各种原因,CMC不可能万无一失。当操作者听到空压机发出砰砰的响声时,可以判断空压机正在发生喘振。这时应立即手动卸载空压机,否则机器将被损坏。
    3. 2　喘振的预防
    喘振的控制方式降低了空压机的设定压力,会使空压机产生的压力达不到用户所需系统压力,而且TL值受空气温度、设定压力、系统负荷变化等因素的影响较大。当这些因素变化时,先前设定的TL值就有可能失效,喘振仍有可能会发生。同时当以上喘振故障分析的原因影响很大时,也会引发喘振的发生。因此,在实际使用过程中,必须对以上喘振故障的原因有针对性的加以预防。
    (1)空压机叶轮磨损或粘附物太多。英格索兰空压机的叶轮是用高质量15-5PH不锈钢加工而成,除非后端推力轴承磨损导致叶轮与扩压器碰撞而产生磨损,通常叶轮很少发生磨损或腐蚀现象。一旦发生这种情况,因为叶轮是高速旋转的,必须通过专业部门修复,并做动平衡实验决定是否可再用。而粘附物跟使用环境有密切的关系,所以必须根据使用环境定期对叶轮上的粘附物进行清理。
    (2)空压机扩压器腐蚀磨损。扩压器因为接触的是高温、高湿度的压缩空气,而且扩压器材质也一般,所以很容易发生被腐蚀和磨损。因此,必须定期检查扩压器,发现有腐蚀磨损现象时,及时进行修复和防腐蚀处理。当扩压器腐蚀磨损严重时,必须及时更换新的扩压器。
    (3)叶轮与扩压器之间的间隙变化。叶轮与扩压器之间的间隙是一项要求非常严格的技术参数,对空压机的性能起着非常重要的作用。一般情况下,叶轮与扩压器之间的间隙不会发生变化,只有当后端推力轴承磨损或扩压器腐蚀磨损时才会发生。因此,要求每年都对间隙进行检查,发现因后端推力轴承磨损而导致变化的,可以通过后端的垫片进行调整,使间隙达到规定的数值范围内。如果是因扩压器腐蚀磨损,可以对扩压器进行修复,但如果扩压器腐蚀磨损严重,则必须更换扩压器来达到保持间隙要求。
    (4)空压机的冷却器和水汽分离器变脏、空压机进气口箱式过滤器变脏。这几个部件变脏都将导致空压机气路的部分堵塞。空压机的冷却器和水汽分离器因结构复杂,清洁非常困难。英格索兰公司专门配有一种清洗溶液,把冷却器放到溶液里浸泡12 h,可以达到清洁的目的。水汽分离器清洁无需特别设施,只要认真逐层清洁即可。而箱式过滤器由于安装在空压机进气口,方便检查和拆装,可以定期检查,发现变脏及时拆除进行清洗。至于冷却水,可通过空压机外部水路加装过滤器,或者使用干净的水源进行空压机的冷却,可以防止冷却水水路堵塞。
    (5)空压机入口空气温度变化。空气温度随着季节变化而变化,只有采取适当措施减少温度变化幅度,如将空压机安装在室内、加高房顶和增加室内空间等。如采取以上措施还会发现喘振,只有适当降低排气压力来控制喘振的发生。
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作者简介:钟瑞明(1983-),男,江西瑞金人,助理工程师,从事矿山机械设备管理工作,Emai:l read0797@ sohu. com。