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空壓機組這樣處理節能效果驚人!有工廠一年省42萬

發布時間:2022-09-07 21:27人氣:

空壓機組這樣處理節能效果驚人!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臺循環水泵,6個開式冷卻塔??諝鈮嚎s機24h運行,擔負著工廠生產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......

我公司某工廠有4臺某外資品牌離心式空壓機,配套4臺循環水泵,6個開式冷卻塔??諝鈮嚎s機24h運行,擔負著工廠生產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,多次出現因循環冷卻水對空壓機冷卻器產生影響,造成機組聯鎖停機,對安全生產造成嚴重威脅。

 

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空壓機循環冷卻水系統基本情況
 

1.1空壓機循環冷卻水系統

循環冷卻水系統工藝流程見圖1.1,為獨立間冷開式系統,由冷卻塔、水池、風機/水輪機、循環水泵、加藥系統、給回水管路等組成。水池循環水經循環水泵加壓到0.4MPa后送到空壓機冷卻系統進行換熱冷卻,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。

 

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循環水系統在運行過程中,由于水分蒸發、風吹損失等情況使循環水系統中的水分越來越少,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生的熱量,從而提高壓縮效率。然后氣體在流動的低速區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的階段重復,直到壓縮機達到了所要求的工作壓力。

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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。

 

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循環水系統對空壓機運行的影響及對策
 

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,發現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。

 

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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%,說明循環水系統中鈣、鎂離子過多,在換熱器管壁160℃左右高溫狀態下容易形成結垢,影響換熱效果。

 

2.2換熱器結垢成因分析

冷卻水經換熱器換熱,產生如下反應:

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。

 

現有循環水采用加藥阻垢,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月循環水水質控制圖看出,2~4月的水質總硬度在400mg/L 左右,優于控制標準(總硬度<500),但還是出現了結垢的現象。

 

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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(L.S.I)來判斷碳酸鈣沉淀趨勢。根據碳酸鈣的溶解平衡,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時,重碳酸鈣既不分解為碳酸鈣,碳酸鈣也不會繼續溶解,此時的pH值稱為飽和的pH值。

 

A為總溶解固體系數,A=(lg[TDS]-1)/10,[TDS]單位為mg/L;

 

B為溫度系數,B=-13.2lg(t+273)+34.55,溫度單位為℃;

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

D為M堿度系數,D=lg[堿度(以CaCO3計)],堿度單位為mol/L。

A、B、C、D系數換算可查表1。

 

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根據循環水的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,仍能繼續溶解,水具有產生腐蝕的趨勢;

LSI>0,碳酸鈣處于過飽和狀態,水具有產生碳酸鈣沉積的趨勢;

LSI=0,水質處于穩定狀態,既不結垢,也無產生腐蝕的趨勢。

 

我公司采用的緩釋阻垢劑能控制LSI<2.6 的循環水的結垢趨勢。

以6月3日的水質分析數據為例,補水電導率237μS/cm,循環水電導率1171μs/cm,水側表面溫度按照LSI參數最高的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結垢的現象。

 

2.3應對設備結垢對策

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

 

2.3.1循環水系統濃縮倍數現狀

濃縮倍數(N)表示循環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日的水質分析數據為例,濃縮倍數N=1171/237=4.94倍,高于4倍的極限濃縮倍數。

 

2.3.2對策后存在的問題

補水量及排污量計算

①蒸發損失P1

P1=K×Δt×Q=750×0.0015×8=9m3/h

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

Δt:進出水溫差系統設計為Δt=8℃

Q:系統設計循環水量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

由于系統是密閉循環,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,才能將濃縮倍數降到3.5倍。

 

存在問題:循環水系統每天需補水量302.4m3,補水后同時需補充相應數量藥劑控制水質,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。

 

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循環水軟化處理
 

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,基于經濟適用的原則,采用目前最常用的、效果穩定準確、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軟化系統設計

基于簡單實用的原則,在循環水系統中增加一套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水,循環水回水壓力是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程序控制自動運行、自動再生;軟化后的循環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。

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軟化樹脂罐容量900L;

空壓機冷卻系統采用軟化系統后,完全可以不用排污,實現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

 

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軟化處理實施效果
 

4.1水質指標情況:

經3個月的運行時間驗證,循環水電導率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,可有效控制循環水結垢傾向,濃縮倍數在6倍左右。在此高濃縮倍數下,水質各項指標仍能滿足冷卻系統的使用需求,達成了軟化設計的預期效果。

 

4.2經濟效益:

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,每年可產生42萬余元的經濟效益。當年投資,當年收益,經濟效益和社會效益非常明顯,值得推廣實施。

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