空壓機(jī)組這樣處理節(jié)能效果驚人！有工廠一年省42萬

我公司某工廠有4臺(tái)某外資品牌離心式空壓機(jī)，配套4臺(tái)循環(huán)水泵，6個(gè)開式冷卻塔。空氣壓縮機(jī)24h運(yùn)行，擔(dān)負(fù)著工廠生產(chǎn)所需壓縮空氣的供應(yīng)任務(wù)。4臺(tái)離心式空壓機(jī)運(yùn)行已有10年時(shí)間，在運(yùn)行過程當(dāng)中，多次出現(xiàn)因循環(huán)冷卻水對(duì)空壓機(jī)冷卻器產(chǎn)生影響，造成機(jī)組聯(lián)鎖停機(jī)，對(duì)安全生產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅。

1.1空壓機(jī)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)工藝流程見圖1.1，為獨(dú)立間冷開式系統(tǒng)，由冷卻塔、水池、風(fēng)機(jī)/水輪機(jī)、循環(huán)水泵、加藥系統(tǒng)、給回水管路等組成。水池循環(huán)水經(jīng)循環(huán)水泵加壓到0.4MPa后送到空壓機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行換熱冷卻，換熱后回到總回水管，通過上塔管回到冷卻塔頂部，水從塔體的上部通過配水管均勻?yàn)⒃谔盍蠈幼陨隙麓怪甭湎?，在填料層形成水滴或水膜，與風(fēng)機(jī)抽取的自下而上冷空氣逆流接觸進(jìn)行換熱降溫，降溫后的水匯集到冷卻塔下方的水池。

循環(huán)水系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，由于水分蒸發(fā)、風(fēng)吹損失等情況使循環(huán)水系統(tǒng)中的水分越來越少，而水中各種礦物質(zhì)和金屬離子含量越來越多，為使循環(huán)水含鹽量維持在一定的濃度，必須不斷排出濃縮水、補(bǔ)充新鮮水，補(bǔ)水使用的是市政自來水，PH值7.5左右，總硬度<120mg/L，屬于低硬低堿度水質(zhì)，水質(zhì)較為穩(wěn)定。

1.2 離心式空壓機(jī)

該型空壓機(jī)是一種速度型離心式壓縮機(jī)。每臺(tái)壓縮機(jī)為整體組裝，安裝在一個(gè)鋼制底板上。其工作原理如圖1.2所示，空氣通過安裝在機(jī)組上的進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥進(jìn)入壓縮機(jī)并流進(jìn)第一級(jí)壓縮，葉輪將速度加給氣體，然后氣體進(jìn)入靜止的擴(kuò)壓器部分，在此處將速度轉(zhuǎn)化成壓力。內(nèi)置于機(jī)組中的中間冷卻器換熱帶走氣體壓縮過程中所產(chǎn)生的熱量，從而提高壓縮效率。然后氣體在流動(dòng)的低速區(qū)通過不銹鋼水氣分離器除去冷凝水。這樣的過程在每一個(gè)接續(xù)的階段重復(fù)，直到壓縮機(jī)達(dá)到了所要求的工作壓力。

該空壓機(jī)為3級(jí)壓縮，在每一壓縮級(jí)之后有一個(gè)筒狀管翅式中間冷卻器，水走殼程，氣走管程。管內(nèi)有翅片，空氣通過管道，冷卻水在管外同時(shí)反向流動(dòng)，這樣的結(jié)構(gòu)具有非常高的換熱效率。冷卻水流過冷卻器后會(huì)有8℃左右的溫升，排氣溫度一般<47℃，達(dá)到49℃報(bào)警，達(dá)到52℃會(huì)自動(dòng)停機(jī)。

2.1空壓機(jī)級(jí)間冷卻器換熱器結(jié)垢

從歷次空壓機(jī)異常和檢修情況分析，循環(huán)水對(duì)空壓機(jī)級(jí)間冷卻器的影響主要是結(jié)垢。2021年2月和4月，先后有兩臺(tái)空壓機(jī)級(jí)間冷卻器溫度逐漸升高，由正常的47℃以下，升高至51℃，接近52℃的停車值，被迫停機(jī)檢修。冷卻器拆解抽芯后，發(fā)現(xiàn)換熱器水路管壁表面結(jié)垢嚴(yán)重，輕敲垢皮脫落，垢樣厚度1～2mm。

對(duì)垢樣成分委托第三方檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見圖2.2。從檢測(cè)報(bào)告中可以看出，垢物從成分上看，主要成分組織是氧化鈣、碳酸根離子及氧化鎂，占總含量的97.95%，說明循環(huán)水系統(tǒng)中鈣、鎂離子過多，在換熱器管壁160℃左右高溫狀態(tài)下容易形成結(jié)垢，影響換熱效果。

2.2換熱器結(jié)垢成因分析

冷卻水經(jīng)換熱器換熱，產(chǎn)生如下反應(yīng)：

Ca2++2HCO3-→CaCO3+CO2+H2O

Mg2++2HCO3--→Mg(OH)2+2CO2

冷卻塔噴淋，水中溶解CO2逸出pH值升高，水呈堿性發(fā)生如下反應(yīng)：

Ca(HCO3)2+2OH-→CaCO3C+2H2O+CO32-

碳酸鈣從水中析出的過程，是微溶性鹽從溶液中沉淀的過程，碳酸鈣是鹽類，有離子晶格，以帶正電荷Ca2+部分向帶有負(fù)電荷的CO32-碰撞，彼此結(jié)合，形成較大晶體，進(jìn)而形成覆蓋在傳熱面的結(jié)垢層。

現(xiàn)有循環(huán)水采用加藥阻垢，這在一定程度上減緩了管路和換熱器的結(jié)垢，但循環(huán)水加入阻垢劑不能降低水的硬度，而是改變形成水垢的鈣、鎂離子與碳酸根離子結(jié)合的特性，從而使水垢不能析出、沉積。從圖2.3 2001年2～4月循環(huán)水水質(zhì)控制圖看出，2～4月的水質(zhì)總硬度在400mg/L 左右，優(yōu)于控制標(biāo)準(zhǔn)（總硬度＜500），但還是出現(xiàn)了結(jié)垢的現(xiàn)象。

實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)城市自來水為補(bǔ)水水源時(shí)，通常采用朗格利爾（Langelier）飽和指數(shù)（L.S.I）來判斷碳酸鈣沉淀趨勢(shì)。根據(jù)碳酸鈣的溶解平衡，朗格利爾推算L.S.I的簡(jiǎn)化計(jì)算公式如下：

L.S.I＝PH-PHs＝PH-{9.3+A+B-(C+D)}

式中，Ph為水樣實(shí)測(cè)的pH值；

pHs為飽和pH值，碳酸鈣在水中呈飽和狀態(tài)時(shí)，重碳酸鈣既不分解為碳酸鈣，碳酸鈣也不會(huì)繼續(xù)溶解，此時(shí)的pH值稱為飽和的pH值。

A為總?cè)芙夤腆w系數(shù)，A=（lg[TDS]-1）/10，[TDS]單位為mg/L；

B為溫度系數(shù)，B=-13.2lg(t+273)+34.55，溫度單位為℃；

C為鈣硬度系數(shù)，C=lg[Ca2+（以CaCO3計(jì)）] -0.4，[Ca2+]單位為mol/L；

D為M堿度系數(shù)，D=lg[堿度（以CaCO3計(jì)）]，堿度單位為mol/L。

A、B、C、D系數(shù)換算可查表1。

根據(jù)循環(huán)水的LSI可判斷CaCO3沉淀的可能性如下：

LSI<0，即pH<pHs，說明水中的碳酸鈣處于未飽和狀態(tài)，仍能繼續(xù)溶解，水具有產(chǎn)生腐蝕的趨勢(shì)；

LSI>0，碳酸鈣處于過飽和狀態(tài)，水具有產(chǎn)生碳酸鈣沉積的趨勢(shì)；

LSI=0，水質(zhì)處于穩(wěn)定狀態(tài)，既不結(jié)垢，也無產(chǎn)生腐蝕的趨勢(shì)。

我公司采用的緩釋阻垢劑能控制LSI<2.6 的循環(huán)水的結(jié)垢趨勢(shì)。

以6月3日的水質(zhì)分析數(shù)據(jù)為例，補(bǔ)水電導(dǎo)率237μS/cm，循環(huán)水電導(dǎo)率1171μs/cm，水側(cè)表面溫度按照LSI參數(shù)最高的80℃計(jì)算（實(shí)際在160℃左右）鈣硬度約為382mg/L，總堿度440mg/L，pH值8.83。計(jì)算后的LSI為3.04，超出藥劑的控制閾值2.6，這也說明了為何加了阻垢劑還是出現(xiàn)結(jié)垢的現(xiàn)象。

2.3應(yīng)對(duì)設(shè)備結(jié)垢對(duì)策

根據(jù)系統(tǒng)的補(bǔ)水情況及阻垢劑所能對(duì)應(yīng)的極限LSI，我公司循環(huán)水極限濃縮倍數(shù)控制在4倍以下，實(shí)際按3.5倍進(jìn)行管控。

2.3.1循環(huán)水系統(tǒng)濃縮倍數(shù)現(xiàn)狀

濃縮倍數(shù)(N)表示循環(huán)水中的鹽類濃度與補(bǔ)充水中鹽類濃度之比：

N=CR÷CM=P÷(P2+P3+P4)

P=P1+P2+P3+P4

式中：CR一一循環(huán)水中的鹽類濃度，ppm

CM——補(bǔ)充水中的鹽類濃類，ppm

P一一補(bǔ)充水量，m3/h

P1一一蒸發(fā)損失，m3/h

P2一一風(fēng)吹損失，m3/h

P3一一泄漏損失，m3/h

P4一一排污量，m3/h

以6月3日的水質(zhì)分析數(shù)據(jù)為例，濃縮倍數(shù)N=1171/237=4.94倍，高于4倍的極限濃縮倍數(shù)。

2.3.2對(duì)策后存在的問題

補(bǔ)水量及排污量計(jì)算

①蒸發(fā)損失P1

P1=K×Δt×Q=750×0.0015×8=9m3/h

K：系數(shù)（在環(huán)境溫度為24℃時(shí)，K=0.0015，2021年廣州市年平均氣溫24.0℃）

Δt：進(jìn)出水溫差系統(tǒng)設(shè)計(jì)為Δt=8℃

Q：系統(tǒng)設(shè)計(jì)循環(huán)水量750m3/h

②風(fēng)吹損失P2

P2=750×0.1%=0.75m3/h

對(duì)于機(jī)械通風(fēng)涼水塔，在有收水器的情況下，風(fēng)吹損失率為0.1%。

③泄漏損失P3

P3=0m3/h

由于系統(tǒng)是密閉循環(huán)，機(jī)泵的泄漏可忽略不計(jì)。

④補(bǔ)水量P

∵N=P÷(P-P1)

∴P=N×P1÷（N-1）=3.5×9÷2.5=12.6m3/h

每天補(bǔ)水量：12.6×24=302.4m3/天

⑤理論排污量P4

P4=12.6-9-0.75-0=2.85m3/h

每天排污量：2.85×24=68.4m3/天

綜上所述，須每天排污68.4m3左右，才能將濃縮倍數(shù)降到3.5倍。

存在問題：循環(huán)水系統(tǒng)每天需補(bǔ)水量302.4m3，補(bǔ)水后同時(shí)需補(bǔ)充相應(yīng)數(shù)量藥劑控制水質(zhì)，加入藥劑后須每天化驗(yàn)、定時(shí)加藥，但受補(bǔ)水量、補(bǔ)水水質(zhì)、水溫和環(huán)境氣候變化、檢測(cè)手段及其精度等外界因素影響，水質(zhì)指標(biāo)難以精準(zhǔn)控制，設(shè)備結(jié)垢問題難以完全杜絕。

3.1軟化方案選擇

軟化方法有藥劑軟化法或沉淀軟化法、離子交換軟化法、電滲析法、反滲透與超濾、蒸餾法等，由于水的硬度主要由鈣、鎂離子形成及表示，基于經(jīng)濟(jì)適用的原則，采用目前最常用的、效果穩(wěn)定準(zhǔn)確、工藝成熟的離子交換法。

離子交換法的工作原理是：離子交換樹脂是一種聚合物，帶有相應(yīng)的功能基團(tuán)。鈉離子交換樹脂中帶有大量的Na+，Na+與水中的硬度成分Ca2+、Mg2+相交換，從而將水中的Ca2+、Mg2+吸附出來，使水的硬度下降。隨著樹脂內(nèi)Ca2+、Mg2+的增加，樹脂去除Ca2+、Mg2+的效能逐漸降低。當(dāng)樹脂吸收的Ca2+、Mg2+飽和之后，就必須進(jìn)行再生。再生過程就是從鹽箱中吸入鹽水沖洗樹脂層，鹽水中的Na+再和樹脂上的Ca2+、Mg2+進(jìn)行交換，交換出來的Ca2+、Mg2+隨再生廢液排出罐外，樹脂即可恢復(fù)軟化交換功能。

如以RNa代表鈉型樹脂，其交換過程如下：

2RNa+Ca2+=2RCa+2Na+

2RNa+Mg2+=2RMg+2Na+

即水通過鈉離子交換器后，水中的Ca2+、Mg2+被置換成Na+。由于鈉鹽的溶解度很高，所以就避免了隨溫度的升高而造成水垢生成的情況。

3.2軟化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于簡(jiǎn)單實(shí)用的原則，在循環(huán)水系統(tǒng)中增加一套20m3/h軟化水處理設(shè)備。如圖3.1所示，從冷卻塔的回水管道中取出循環(huán)水，循環(huán)水回水壓力是0.35MPa，滿足軟水設(shè)備的進(jìn)水使用壓力要求，循環(huán)水直接進(jìn)入軟化水設(shè)備，設(shè)備運(yùn)行基本上不需要電力，只靠進(jìn)水壓力，采用虹吸原理吸鹽，自動(dòng)注水化鹽、配比濃度，無須鹽泵、溶鹽等附屬設(shè)備，通過控制器即可實(shí)現(xiàn)程序控制自動(dòng)運(yùn)行、自動(dòng)再生；軟化后的循環(huán)水返回冷卻塔重復(fù)使用。

3.3軟化設(shè)備調(diào)試及軟化性能保證

軟化處理能力：樹脂的體積全交換容量：≥1900mmol/L，樹脂的工作交換容量：≥1200mmol/L（浙江爭(zhēng)光001*7強(qiáng)酸性陽樹脂ZGC107MB，按1500mmol/L）計(jì)算。

軟化樹脂罐容量900L；

空壓機(jī)冷卻系統(tǒng)采用軟化系統(tǒng)后，完全可以不用排污，實(shí)現(xiàn)0排放，每天補(bǔ)水量302.4m3下降到302.4-68.4=234m3，補(bǔ)水硬度120mg/L，約為3mmol/L（1mmolCa2+的質(zhì)量是40mg），出水0.03mmol/L。

每立方水中需要去除的硬度量為：

1000L×(3-0.03)mmol/L=2970mmol/m3

每天需要去除的硬度量為：

2970mmol/m3×234m3/天=694980mmol/天

軟化水設(shè)備所填樹脂的總工作交換容量是：

1500mmol/L×900L=1350000mmol。

所以，設(shè)備理論再生周期為：

1350000mmol÷694980mmol/天=1.9天

4.1水質(zhì)指標(biāo)情況：

經(jīng)3個(gè)月的運(yùn)行時(shí)間驗(yàn)證，循環(huán)水電導(dǎo)率1500μs/cm左右，鈣硬度約為99mg/L左右，總堿度433mg/L左右，pH值8.79左右。計(jì)算后的LSI也低于藥劑的控制閾值2.6，可有效控制循環(huán)水結(jié)垢傾向，濃縮倍數(shù)在6倍左右。在此高濃縮倍數(shù)下，水質(zhì)各項(xiàng)指標(biāo)仍能滿足冷卻系統(tǒng)的使用需求，達(dá)成了軟化設(shè)計(jì)的預(yù)期效果。

4.2經(jīng)濟(jì)效益：

①降低水費(fèi)及污水處理費(fèi)：使用軟化水后，污水排放由68.4m3降到11.1m3左右，每天補(bǔ)水量由302.4m3下降到245.1m3左右，每年可以節(jié)省自來水費(fèi)8萬元、污水處理費(fèi)26萬余元。

②日常運(yùn)行費(fèi)用：基本上是樹脂和工業(yè)鹽的消耗，但和減少投入的藥劑成本相抵，基本上不會(huì)增加運(yùn)行費(fèi)用。

③維修費(fèi)用：技改前，每年須對(duì)4臺(tái)空壓機(jī)冷卻器拆洗除垢一次，費(fèi)用約為8萬余元。

綜上所述，每年可產(chǎn)生42萬余元的經(jīng)濟(jì)效益。當(dāng)年投資，當(dāng)年收益，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益非常明顯，值得推廣實(shí)施。