发布日期：2022-09-07 21:27 浏览次数：
我公司某工厂有4台某外资品牌离心式空压机，配套4台循环水泵，6个开式冷却塔。空气压缩机24h运行，担负着工厂生产所需压缩空气的供应任务。4台离心式空压机运行已有10年时间，在运行过程当中，多次出现因循环冷却水对空压机冷却器产生影响，造成机组联锁停机，对安全生产造成严重威胁。
1.1空压机循环冷却水系统
循环冷却水系统工艺流程见图1.1，为独立间冷开式系统，由冷却塔、水池、风机/水轮机、循环水泵、加药系统、给回水管路等组成。水池循环水经循环水泵加压到0.4MPa后送到空压机冷却系统进行换热冷却，换热后回到总回水管，通过上塔管回到冷却塔顶部，水从塔体的上部通过配水管均匀洒在填料层自上而下垂直落下，在填料层形成水滴或水膜，与风机抽取的自下而上冷空气逆流接触进行换热降温，降温后的水汇集到冷却塔下方的水池。
循环水系统在运行过程中，由于水分蒸发、风吹损失等情况使循环水系统中的水分越来越少，而水中各种矿物质和金属离子含量越来越多，为使循环水含盐量维持在一定的浓度，必须不断排出浓缩水、补充新鲜水，补水使用的是市政自来水，PH值7.5左右，总硬度<120mg/L，属于低硬低碱度水质，水质较为稳定。
1.2 离心式空压机
该型空压机是一种速度型离心式压缩机。每台压缩机为整体组装，安装在一个钢制底板上。其工作原理如图1.2所示，空气通过安装在机组上的进气调节阀进入压缩机并流进第一级压缩，叶轮将速度加给气体，然后气体进入静止的扩压器部分，在此处将速度转化成压力。内置于机组中的中间冷却器换热带走气体压缩过程中所产生的热量，从而提高压缩效率。然后气体在流动的低速区通过不锈钢水气分离器除去冷凝水。这样的过程在每一个接续的阶段重复，直到压缩机达到了所要求的工作压力。
该空压机为3级压缩，在每一压缩级之后有一个筒状管翅式中间冷却器，水走壳程，气走管程。管内有翅片，空气通过管道，冷却水在管外同时反向流动，这样的结构具有非常高的换热效率。冷却水流过冷却器后会有8℃左右的温升，排气温度一般<47℃，达到49℃报警，达到52℃会自动停机。
2.1空压机级间冷却器换热器结垢
从历次空压机异常和检修情况分析，循环水对空压机级间冷却器的影响主要是结垢。2021年2月和4月，先后有两台空压机级间冷却器温度逐渐升高，由正常的47℃以下，升高至51℃，接近52℃的停车值，被迫停机检修。冷却器拆解抽芯后，发现换热器水路管壁表面结垢严重，轻敲垢皮脱落，垢样厚度1～2mm。
对垢样成分委托第三方检测，检测结果见图2.2。从检测报告中可以看出，垢物从成分上看，主要成分组织是氧化钙、碳酸根离子及氧化镁，占总含量的97.95%，说明循环水系统中钙、镁离子过多，在换热器管壁160℃左右高温状态下容易形成结垢，影响换热效果。
2.2换热器结垢成因分析
冷却水经换热器换热，产生如下反应：
Ca2++2HCO3-→CaCO3+CO2+H2O
Mg2++2HCO3--→Mg(OH)2+2CO2
冷却塔喷淋，水中溶解CO2逸出pH值升高，水呈碱性发生如下反应：
Ca(HCO3)2+2OH-→CaCO3C+2H2O+CO32-
碳酸钙从水中析出的过程，是微溶性盐从溶液中沉淀的过程，碳酸钙是盐类，有离子晶格，以带正电荷Ca2+部分向带有负电荷的CO32-碰撞，彼此结合，形成较大晶体，进而形成覆盖在传热面的结垢层。
现有循环水采用加药阻垢，这在一定程度上减缓了管路和换热器的结垢，但循环水加入阻垢剂不能降低水的硬度，而是改变形成水垢的钙、镁离子与碳酸根离子结合的特性，从而使水垢不能析出、沉积。从图2.3 2001年2～4月循环水水质控制图看出，2～4月的水质总硬度在400mg/L 左右，优于控制标准（总硬度＜500），但还是出现了结垢的现象。
实际应用中，对城市自来水为补水水源时，通常采用朗格利尔（Langelier）饱和指数（L.S.I）来判断碳酸钙沉淀趋势。根据碳酸钙的溶解平衡，朗格利尔推算L.S.I的简化计算公式如下：
L.S.I＝PH-PHs＝PH-{9.3+A+B-(C+D)}
式中，Ph为水样实测的pH值；
pHs为饱和pH值，碳酸钙在水中呈饱和状态时，重碳酸钙既不分解为碳酸钙，碳酸钙也不会继续溶解，此时的pH值称为饱和的pH值。
A为总溶解固体系数，A=（lg[TDS]-1）/10，[TDS]单位为mg/L；
B为温度系数，B=-13.2lg(t+273)+34.55，温度单位为℃；
C为钙硬度系数，C=lg[Ca2+（以CaCO3计）] -0.4，[Ca2+]单位为mol/L；
D为M碱度系数，D=lg[碱度（以CaCO3计）]，碱度单位为mol/L。
A、B、C、D系数换算可查表1。
根据循环水的LSI可判断CaCO3沉淀的可能性如下：
LSI<0，即pH<pHs，说明水中的碳酸钙处于未饱和状态，仍能继续溶解，水具有产生腐蚀的趋势；
LSI>0，碳酸钙处于过饱和状态，水具有产生碳酸钙沉积的趋势；
LSI=0，水质处于稳定状态，既不结垢，也无产生腐蚀的趋势。
我公司采用的缓释阻垢剂能控制LSI<2.6 的循环水的结垢趋势。
以6月3日的水质分析数据为例，补水电导率237μS/cm，循环水电导率1171μs/cm，水侧表面温度按照LSI参数最高的80℃计算（实际在160℃左右）钙硬度约为382mg/L，总碱度440mg/L，pH值8.83。计算后的LSI为3.04，超出药剂的控制阈值2.6，这也说明了为何加了阻垢剂还是出现结垢的现象。
2.3应对设备结垢对策
根据系统的补水情况及阻垢剂所能对应的极限LSI，我公司循环水极限浓缩倍数控制在4倍以下，实际按3.5倍进行管控。
2.3.1循环水系统浓缩倍数现状
浓缩倍数(N)表示循环水中的盐类浓度与补充水中盐类浓度之比：
N=CR÷CM=P÷(P2+P3+P4)
P=P1+P2+P3+P4
式中：CR一一循环水中的盐类浓度，ppm
CM——补充水中的盐类浓类，ppm
P一一补充水量，m3/h
P1一一蒸发损失，m3/h
P2一一风吹损失，m3/h
P3一一泄漏损失，m3/h
P4一一排污量，m3/h
以6月3日的水质分析数据为例，浓缩倍数N=1171/237=4.94倍，高于4倍的极限浓缩倍数。
2.3.2对策后存在的问题
补水量及排污量计算
①蒸发损失P1
P1=K×Δt×Q=750×0.0015×8=9m3/h
K：系数（在环境温度为24℃时，K=0.0015，2021年广州市年平均气温24.0℃）
Δt：进出水温差系统设计为Δt=8℃
Q：系统设计循环水量750m3/h
②风吹损失P2
P2=750×0.1%=0.75m3/h
对于机械通风凉水塔，在有收水器的情况下，风吹损失率为0.1%。
③泄漏损失P3
P3=0m3/h
由于系统是密闭循环，机泵的泄漏可忽略不计。
④补水量P
∵N=P÷(P-P1)
∴P=N×P1÷（N-1）=3.5×9÷2.5=12.6m3/h
每天补水量：12.6×24=302.4m3/天
⑤理论排污量P4
P4=12.6-9-0.75-0=2.85m3/h
每天排污量：2.85×24=68.4m3/天
综上所述，须每天排污68.4m3左右，才能将浓缩倍数降到3.5倍。
存在问题：循环水系统每天需补水量302.4m3，补水后同时需补充相应数量药剂控制水质，加入药剂后须每天化验、定时加药，但受补水量、补水水质、水温和环境气候变化、检测手段及其精度等外界因素影响，水质指标难以精准控制，设备结垢问题难以完全杜绝。
3.1软化方案选择
软化方法有药剂软化法或沉淀软化法、离子交换软化法、电渗析法、反渗透与超滤、蒸馏法等，由于水的硬度主要由钙、镁离子形成及表示，基于经济适用的原则，采用目前最常用的、效果稳定准确、工艺成熟的离子交换法。
离子交换法的工作原理是：离子交换树脂是一种聚合物，带有相应的功能基团。钠离子交换树脂中带有大量的Na+，Na+与水中的硬度成分Ca2+、Mg2+相交换，从而将水中的Ca2+、Mg2+吸附出来，使水的硬度下降。随着树脂内Ca2+、Mg2+的增加，树脂去除Ca2+、Mg2+的效能逐渐降低。当树脂吸收的Ca2+、Mg2+饱和之后，就必须进行再生。再生过程就是从盐箱中吸入盐水冲洗树脂层，盐水中的Na+再和树脂上的Ca2+、Mg2+进行交换，交换出来的Ca2+、Mg2+随再生废液排出罐外，树脂即可恢复软化交换功能。
如以RNa代表钠型树脂，其交换过程如下：
2RNa+Ca2+=2RCa+2Na+
2RNa+Mg2+=2RMg+2Na+
即水通过钠离子交换器后，水中的Ca2+、Mg2+被置换成Na+。由于钠盐的溶解度很高，所以就避免了随温度的升高而造成水垢生成的情况。
3.2软化系统设计
基于简单实用的原则，在循环水系统中增加一套20m3/h软化水处理设备。如图3.1所示，从冷却塔的回水管道中取出循环水，循环水回水压力是0.35MPa，满足软水设备的进水使用压力要求，循环水直接进入软化水设备，设备运行基本上不需要电力，只靠进水压力，采用虹吸原理吸盐，自动注水化盐、配比浓度，无须盐泵、溶盐等附属设备，通过控制器即可实现程序控制自动运行、自动再生；软化后的循环水返回冷却塔重复使用。
3.3软化设备调试及软化性能保证
软化处理能力：树脂的体积全交换容量：≥1900mmol/L，树脂的工作交换容量：≥1200mmol/L（浙江争光001*7强酸性阳树脂ZGC107MB，按1500mmol/L）计算。
软化树脂罐容量900L；
空压机冷却系统采用软化系统后，完全可以不用排污，实现0排放，每天补水量302.4m3下降到302.4-68.4=234m3，补水硬度120mg/L，约为3mmol/L（1mmolCa2+的质量是40mg），出水0.03mmol/L。
每立方水中需要去除的硬度量为：
1000L×(3-0.03)mmol/L=2970mmol/m3
每天需要去除的硬度量为：
2970mmol/m3×234m3/天=694980mmol/天
软化水设备所填树脂的总工作交换容量是：
1500mmol/L×900L=1350000mmol。
所以，设备理论再生周期为：
1350000mmol÷694980mmol/天=1.9天
4.1水质指标情况：
经3个月的运行时间验证，循环水电导率1500μs/cm左右，钙硬度约为99mg/L左右，总碱度433mg/L左右，pH值8.79左右。计算后的LSI也低于药剂的控制阈值2.6，可有效控制循环水结垢倾向，浓缩倍数在6倍左右。在此高浓缩倍数下，水质各项指标仍能满足冷却系统的使用需求，达成了软化设计的预期效果。
4.2经济效益：
①降低水费及污水处理费：使用软化水后，污水排放由68.4m3降到11.1m3左右，每天补水量由302.4m3下降到245.1m3左右，每年可以节省自来水费8万元、污水处理费26万余元。
②日常运行费用：基本上是树脂和工业盐的消耗，但和减少投入的药剂成本相抵，基本上不会增加运行费用。
③维修费用：技改前，每年须对4台空压机冷却器拆洗除垢一次，费用约为8万余元。
综上所述，每年可产生42万余元的经济效益。当年投资，当年收益，经济效益和社会效益非常明显，值得推广实施。
