丁磊 王敏 刘荣
摘 要：针对空压机冷却系统存在水泵、风机功率大，用电、水单耗高和冷却器易结垢堵塞，运行风险、成本高问题，采用将原来水（自来水）—风露天集中式冷却塔（一用一备），改造升级为一台空压机配置一台小型水（纯水）—水（自来水）闭式冷却塔的措施，达到空压机正常运行时一级、二级排气温度小于35°C，用电量节约40 000 kWh/月，用水量节约3 000m3/月的效果，每年可节约用电、用水和冷却器更换成本共计约73.2万元。
关键词：空压机；
纯水冷却系统；
闭式冷却塔；
冷却器
ENERGY SAVING RENOVATION OF AIR COMPRESSOR COOLING SYSTEM
Ding Lei Wang Min Liu Rong
（Yunnan Yunlv Yongxin Aluminum Industry Co.， Ltd. Jianshui 654300， China）
Abstract：In view of the problems of large power of pumps and fans， high unit consumption of electricity and water， easy scaling and blockage of the cooler， operation risk and high cost in the air compressor cooling system， the original water （tap water）-wind open-air centralized cooling tower （one use and one backup） is transformed and upgraded to an air compressor equipped with a small water （pure water）-water （tap water） closed cooling tower， so that the primary and secondary exhaust temperature is less than 35 ℃ during the normal operation of the air compressor， and the electricity consumption is saved by 40 000 kWh. The effect of saving water consumption by 3 000 m3/month can save a total of about 732 000 yuan in electricity， water and cooler replacement costs every year.
Key words：air compressor; pure water cooling system; closed cooling tower; cooler
0 前 言
由于空压机在整个运行过程中会产生大量的热量，随着其长期运行，冷却效果逐渐下降，而冷却效果下降直接影响到空压机的排气温度升高，机组负荷加重，甚至会导致空压机联锁跳停机[1]。目前空压站有4台空压机运行，运行时空压机一、二级排气温度长期运行于报警值（49 ℃）附近。
空压机冷却系统采用的是水（自来水）—风露天集中式冷却塔（一用一备），冷却塔为露天放置，循环冷却水蒸发量大，每天约用水150 m3，且循环冷却水不断蒸发浓缩、外界杂物直接进入系统管路内，易造成轧辊内因循环水结垢或杂物堵塞而影响冷却效果[2]。间隔很短就需要清洗一次冷却器，而且效果并不是很明显，只能更换冷却器，平均每年需更换一个冷却器，单价约30万元，成本较高。检修时打开冷却器管束，发现厚度为3～5 mm的白色垢层。
空压机冷却系统正常运行时启用3台37 kW冷却水泵、1台11 kW循环水泵、2个21 kW风机，总功率达到164 kW，功率大，耗电量较高。吨铝单耗的指标直接影响公司购电电价，电费是电解铝的主要成本，电价的抬高，会迅速抬升铝液成本，导致公司市场竞争力直线下滑。为了能够节能降耗，需要通过技术改造，采用效率更高的新模式，实现更高的冷却效率，进一步降低整流器冷却能源消耗，为实现“阶梯电价”中的铝液综合电耗提供支持。
1 改造方案
1.1 冷却方式更换
原空压冷却系统工艺流程如图1所示。
采用分布式闭式冷却塔进行冷却，数量4组，单组塔可供1台空压机循环冷却使用，如图2所示。厂区生产水经循环水池净化提供喷淋水、冷却循环水为软化纯水，系统配备水处理装置，根据自动进行水循环处理，降低水质硬度。
1）闭式冷却塔组与空压机和余热再生吸附式干燥器组一一对应，单组空压机和余热再生吸附式干燥器组对应一组冷却塔。
2）单组空压机和余热再生吸附式干燥器组的循环冷却水流量为200 m3/h；
冷却水进出水温差△t=8 ℃，冷却塔出口循环水温度≤32 ℃。
3）空压机和余热再生吸附式干燥器循环水进水压力为0.30 ～ 0.50 MPa（采用压力回水）。
4）冷却塔主要由304不锈钢外壳、换热盘管、排风系统、喷淋系统、收水系统、集水槽、补水系统等组成。
1.2 冷却塔控制功能
控制系统采用S7-200SMART PLC控制器和昆仑通泰TPC7062KX触摸屏进行就地控制，通过光纤将信号传到远程上位机进行远程控制，控制系统可监测纯水或循环水水质异常监测记录（在组态报表实时记录保存30-90天可查询）组态要体现设备动态运行状态，可选择手动自动切换主/备用设备、有维修按钮（维修装态下由变频运行改为工频运行），设备异常、故障报警后（30 s内自动切换备用设备（无人为干预）水质监测数据异常报警（水质监测仪表可设定参数）不在自动切换设备内（只报警）。能耗管理、功率、电流、用电量累计等实时数据可查询水质监测异常故障报警等均记录在组态报表内可供查询。
自动切换在正常工作情况下30 s内完成（无人为干预），要在组态设置时间定期自动切换（ 维修状态下不执行此项）。
设备维护时间提醒（可设置）列①冷却水更换周期②管道过滤器清理③循环水定时检查等。设备异常故障等均以微信或电话推送等通知。
1.3 闭式冷却塔工作原理
闭式系统中的冷却循环水是在一个完全密闭的环形管道中进行流动，与外界空气处于隔离状态，外界异物无法进行循环水内，管道内壁、换热器内部不会出现结垢、异物堵塞等现象；
闭式循环系统内循环水和外部喷淋水完全分开，使设备的使用寿命延长，且外部喷淋水采用大流量喷淋方式，以确保换热管组表面形成连续不断的水膜，即增加换热能力又避免潮差效应的产生。采用有压回水方式、就近安装，主循环泵扬程更低，更有利于达到节能目的。闭式循环系统无需水池，现场布局灵活、占地小。冷却塔工作运行原理如图3。
1）风冷部分：工作流体（软水或其他液体）在闭式冷却塔的盘管循环，流体热量被盘管的管壁吸收后通过冷却器上侧部的风机把管壁的热量排出机外。
特点：风的流向（由上向下再经侧面向上）；
风由盘管冷却器上部的一面进风口进入，然后流经盘管冷却吸收热量后，由冷却器下部流经侧面向上排到冷却塔上方空气中。
2）水冷部分：当流体温度过高时（超过设定的温度时）自动启动喷淋系统喷淋泵将水喷洒在湿热的管壁并形成水膜，通过蒸发式吸收大量热量（蒸发潜热）。喷淋水一部分变成水蒸气，被流动的空气带走，未被蒸发的水滴落在填料热交换层上降温后汇集入集水槽里供下一次循环使用，盘管里的流体封闭式循环，理论上无消耗量。
特点：喷淋水的流向（由上向下）：喷淋水由盘管冷却器上部的喷淋管喷出，然后流经盘管冷却器吸收热量后滴落到冷却塔集水槽中供下一次循环使用。
3）风水逆向：运用了风水逆向二次热交换的盘管技术，喷淋水能最大程度的覆盖在盘管表面，保证盘管表面完全湿润，实现了高效换热。
1.4 喷淋水处理装置
1.4.1 空压机冷却循环水系统存在的问题
水（纯水）—水（自来水）闭式冷却塔的外循环水为自来水，自来水的硬度较大，经过测量系统使用的自来水硬度为1 000 mg/L，喷淋水在冷却塔中蒸发，导致水中含盐量增加，水中二氧化碳解析逸散，使水中碳酸钙在换热面上结垢析出，和循环冷却过程中水体中的“Ca2+、Mg2+”等阳离子接触而生成“盐垢”等物质，导致冷却塔结垢。
1.4.2 水处理装置特点
采用独特的“短束纤维体”过滤技术有效去除悬浮物、生物沾泥等微小颗粒明显改善水质、降低浊度。同时实现高速过滤和高精度，并具有反冲洗效率高，反冲洗耗水量少等诸多优点，能有效去除98%的悬浮物，60%的有机物，90%的细菌，65%的重金属等。
采用国际独特的控制释放技术“水垢净加药系统"，能根据水质状况在水中按一定比例控制释放。对人体及管道没有任何负面影响，可直接安装在生活水（热水）管上，其溶解于水后，与水中阳离子形成稳定的络合物，可以增加水中钙镁离子的允许浓度，从根本上解决水垢的形成。同时可在设备管道内壁形成保护膜，隔离溶解氧与管壁产生氧化腐蚀并对水体中的细菌和藻类起到一定的杀灭效果，从而全面改善水质。
采用先进的PLC及人机界面自动控制技术，全自动显示系统工作状态。同时采用德国西门子200smart可编程控制器，对整套设备处理循环水进行全面监控分析，发出指令处理。
1.4.3 水处理装置工艺
在水泵前的吸水管上加絮凝剂（聚合氯化铝），絮凝剂注入水管中，通过水泵叶轮搅拌的作用，使絮凝剂充分与水进行混合，迅速与水中微小颗粒及胶体物质进行脱稳絮凝反应。后通过过滤单元的均匀布水装置，经过滤层的自然分层高精度过滤，有效去除水中的悬浮物颗粒、部分细菌、藻类、小于10 um的水垢结晶体，使循环水水质状况得到明显的改善，其中罗茨风机是用来配合水进行反冲洗，使反洗效果会更好。水体中的溶解氧、含盐量直接影响到换热系统锈、垢的滋生，水垢净系统采用了阻锈、阻垢、杀菌灭藻、控制释放技术，把换热系统管道保护起来，往复循环处理，从而全面的改善水质，解决闭式冷却塔结垢腐蚀、微生物等问题，并保证冷却塔的正常运行。
2 设备组成
1）方便清洗的侧斜式集水槽。集水池底部排污口端倾斜的结构设计，方便清除集水池的污水及深沉杂质。
2）冷却风机。通风系统采用冷却塔专用轴流风机，前倾式风叶结构设计，流线型入口风筒，风阻小、风量大、噪音低性能佳、效率高。无皮带传动的结构减少了传动部件，并采用全封闭自冷式低噪音冷却塔专用电机，具有体积小，重量轻，启动性能佳，运行可靠经久耐用等特点。
3） 换热器。冷却盘管由优质的紫铜管焊接而成，盘管焊接、组装及整体后均在水中经1.6 MPa的气密性试验。增强了盘管耐腐蚀能力，延长了使用寿命。
4）外壳。外壳采用304不锈钢板，它是当今耐腐蚀性能较强的板材之一，并且有阻热性强，耐热性高，外表美观等优点。
5）循环水泵。安装体积小，重量轻，管道直线型可方便的安装在管路中间；
静音设计，电机采用低噪音全封闭防溅防尘室外型电机，室内外均可安装；
防止漏水，由于采用机械密封，所以防止了漏水，并且耐久使用，易于保护维护；
防锈处理，LP泵施环氧泵体都是采用精密铸造，坚固而且使用寿命长，因此作为循环泵的使用。
6）先进的水分配系统—喷淋头。冷却水喷淋系统采用大流量防堵塞的提篮式喷嘴，保证了布水的连续均匀，喷洒在盘管表面上的水，在引风的作用下最大限度的覆盖于盘管表面，使水、空气与制冷剂充分进行热交换，从而提高了传热效果，喷嘴扣接于喷淋支管上，当清洗喷嘴及喷淋支管时可方便将其拆卸。
7）PVC 进风格栅。特有的PVC高效进风格栅，经过三次改变气流方向，保证高效的通风量的同时，使喷淋水的飘逸率小于0.001%，使得设备放置在水雾敏感地区成为可能。
3 改造效果
通过空压机冷却系统节能改造，取得了很好的效果，如表1所示。
1）空压机改造前排气温度在报警值（49 ℃）附近波动，改造以后情况大有好转，运行温度小于35 ℃，一、二级排气温度明显降低，足以说明冷却效果有很大改善。
2）该系统是闭式的，充满纯水作为冷却循环水之后，后续补水可以忽略不计。而外循环水因闭式冷却效率高，蒸发量小，改造后每月用水量节约了约3 000 m3，该冷却系统使用的自来水约6元/m3，每年节约用水成本约21.6万元。
3）空压冷却系统改造之前平均每月用电96 000 kWh，改造后平均每月用电56 000 kwh，用电单价0.45元/kWh，每年节约用电成本21.6万元。
4）改造前每年因水垢问题，平均每年更换一个冷却器，改造后冷却器无结垢问题，无需更换，一个冷却器约30万元，每年可节约更换成本30万元。
通过空压机冷却系统的节能改造，每年共计节约73.2万元成本。
4 结 语
通过对空压机冷却系统存在的问题和缺陷进行研究分析，采用高效节能的闭式冷却塔替代原有的开放式冷冷却塔，有效降低了空压机冷却系统的电耗和空压机运行时的一、二级排气温度，降低了空压机的跳机风险。节约了用水、用电和更换冷却器等成本共计73.2万元，实现了节能降耗，提升了设备运行效率。
参考文献
[1] 张晓东.进口空压机冷却水系统改造[J].化学工程与装备，2016（4）：190-193.
[2] 王学军.空压机冷却器高效清洗工艺应用[J].自动化应用，2019（8）：153-154.
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