空壓機組這樣處理節(jié)能效果驚人！有工廠一年省42萬

我公司某工廠有4臺某外資品牌離心式空壓機，配套4臺循環(huán)水泵，6個開式冷卻塔?？諝鈮嚎s機24h運行，擔負著工廠生產(chǎn)所需壓縮空氣的供應任務。4臺離心式空壓機運行已有10年時間，在運行過程當中，多次出現(xiàn)因循環(huán)冷卻水對空壓機冷卻器產(chǎn)生影響，造成機組聯(lián)鎖停機，對安全生產(chǎn)造成嚴重威脅。

1.1空壓機循環(huán)冷卻水系統(tǒng)

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)工藝流程見圖1.1，為獨立間冷開式系統(tǒng)，由冷卻塔、水池、風機/水輪機、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后送到空壓機冷卻系統(tǒng)進行換熱冷卻，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灑在填料層自上而下垂直落下，在填料層形成水滴或水膜，與風機抽取的自下而上冷空氣逆流接觸進行換熱降溫，降溫后的水匯集到冷卻塔下方的水池。

循環(huán)水系統(tǒng)在運行過程中，由于水分蒸發(fā)、風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、補充新鮮水，補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，水質較為穩(wěn)定。

1.2 離心式空壓機

該型空壓機是一種速度型離心式壓縮機。每臺壓縮機為整體組裝，安裝在一個鋼制底板上。其工作原理如圖1.2所示，空氣通過安裝在機組上的進氣調節(jié)閥進入壓縮機并流進第一級壓縮，葉輪將速度加給氣體，然后氣體進入靜止的擴壓器部分，在此處將速度轉化成壓力。內置于機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接續(xù)的階段重復，直到壓縮機達到了所要求的工作壓力。

該空壓機為3級壓縮，在每一壓縮級之后有一個筒狀管翅式中間冷卻器，水走殼程，氣走管程。管內有翅片，空氣通過管道，冷卻水在管外同時反向流動，這樣的結構具有非常高的換熱效率。冷卻水流過冷卻器后會有8℃左右的溫升，排氣溫度一般<47℃，達到49℃報警，達到52℃會自動停機。

2.1空壓機級間冷卻器換熱器結垢

從歷次空壓機異常和檢修情況分析，循環(huán)水對空壓機級間冷卻器的影響主要是結垢。2021年2月和4月，先后有兩臺空壓機級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，被迫停機檢修。冷卻器拆解抽芯后，發(fā)現(xiàn)換熱器水路管壁表面結垢嚴重，輕敲垢皮脫落，垢樣厚度1～2mm。

對垢樣成分委托第三方檢測，檢測結果見圖2.2。從檢測報告中可以看出，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)下容易形成結垢，影響換熱效果。

2.2換熱器結垢成因分析

冷卻水經(jīng)換熱器換熱，產(chǎn)生如下反應：

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：

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+部分向帶有負電荷的CO32-碰撞，彼此結合，形成較大晶體，進而形成覆蓋在傳熱面的結垢層。

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)水水質控制圖看出，2～4月的水質總硬度在400mg/L 左右，優(yōu)于控制標準（總硬度＜500），但還是出現(xiàn)了結垢的現(xiàn)象。

實際應用中，對城市自來水為補水水源時，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。根據(jù)碳酸鈣的溶解平衡，朗格利爾推算L.S.I的簡化計算公式如下：

L.S.I＝PH-PHs＝PH-{9.3+A+B-(C+D)}

式中，Ph為水樣實測的pH值；

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

A為總溶解固體系數(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）] -0.4，[Ca2+]單位為mol/L；

D為M堿度系數(shù)，D=lg[堿度（以CaCO3計）]，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；

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；

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

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

以6月3日的水質分析數(shù)據(jù)為例，補水電導率237μS/cm，循環(huán)水電導率1171μs/cm，水側表面溫度按照LSI參數(shù)最高的80℃計算（實際在160℃左右）鈣硬度約為382mg/L，總堿度440mg/L，pH值8.83。計算后的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)結垢的現(xiàn)象。

2.3應對設備結垢對策

根據(jù)系統(tǒng)的補水情況及阻垢劑所能對應的極限LSI，我公司循環(huán)水極限濃縮倍數(shù)控制在4倍以下，實際按3.5倍進行管控。

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——補充水中的鹽類濃類，ppm

P一一補充水量，m3/h

P1一一蒸發(fā)損失，m3/h

P2一一風吹損失，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對策后存在的問題

補水量及排污量計算

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，K=0.0015，2021年廣州市年平均氣溫24.0℃）

Δt：進出水溫差系統(tǒng)設計為Δt=8℃

Q：系統(tǒng)設計循環(huán)水量750m3/h

②風吹損失P2

P2=750×0.1%=0.75m3/h

對于機械通風涼水塔，在有收水器的情況下，風吹損失率為0.1%。

③泄漏損失P3

P3=0m3/h

由于系統(tǒng)是密閉循環(huán)，機泵的泄漏可忽略不計。

④補水量P

∵N=P÷(P-P1)

∴P=N×P1÷（N-1）=3.5×9÷2.5=12.6m3/h

每天補水量：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)每天需補水量302.4m3，補水后同時需補充相應數(shù)量藥劑控制水質，加入藥劑后須每天化驗、定時加藥，但受補水量、補水水質、水溫和環(huán)境氣候變化、檢測手段及其精度等外界因素影響，水質指標難以精準控制，設備結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)濟適用的原則，采用目前最常用的、效果穩(wěn)定準確、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，帶有相應的功能基團。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Ca2+、Mg2+的增加，樹脂去除Ca2+、Mg2+的效能逐漸降低。當樹脂吸收的Ca2+、Mg2+飽和之后，就必須進行再生。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)設計

基于簡單實用的原則，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，滿足軟水設備的進水使用壓力要求，循環(huán)水直接進入軟化水設備，設備運行基本上不需要電力，只靠進水壓力，采用虹吸原理吸鹽，自動注水化鹽、配比濃度，無須鹽泵、溶鹽等附屬設備，通過控制器即可實現(xiàn)程序控制自動運行、自動再生；軟化后的循環(huán)水返回冷卻塔重復使用。

3.3軟化設備調試及軟化性能保證

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（浙江爭光001*7強酸性陽樹脂ZGC107MB，按1500mmol/L）計算。

軟化樹脂罐容量900L；

空壓機冷卻系統(tǒng)采用軟化系統(tǒng)后，完全可以不用排污，實現(xiàn)0排放，每天補水量302.4m3下降到302.4-68.4=234m3，補水硬度120mg/L，約為3mmol/L（1mmolCa2+的質量是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

軟化水設備所填樹脂的總工作交換容量是：

1500mmol/L×900L=1350000mmol。

所以，設備理論再生周期為：

1350000mmol÷694980mmol/天=1.9天

4.1水質指標情況：

經(jīng)3個月的運行時間驗證，循環(huán)水電導率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)水結垢傾向，濃縮倍數(shù)在6倍左右。在此高濃縮倍數(shù)下，水質各項指標仍能滿足冷卻系統(tǒng)的使用需求，達成了軟化設計的預期效果。

4.2經(jīng)濟效益：

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

②日常運行費用：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，基本上不會增加運行費用。

③維修費用：技改前，每年須對4臺空壓機冷卻器拆洗除垢一次，費用約為8萬余元。

綜上所述，每年可產(chǎn)生42萬余元的經(jīng)濟效益。當年投資，當年收益，經(jīng)濟效益和社會效益非常明顯，值得推廣實施。