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无油螺杆空压机常见故障诊断及维护要点探析

更新时间:2023-06-28 点击量:514
1 引言


  压缩空气系统是电厂最重要的公共系统之一,主要用户包括仪表用、杂用、化水和除灰用压缩空气系统,对其质量要求非常高。火力发电厂热工自动化系统检修运行规程DL/T774-2004第7.1.4节明确阐述仪用气源仪器仪表所用压缩空气中的湿度是热工监督中的强检项目,是保证全厂安全稳定所必须控制的指标。ISO/DP8573/188对仪表用压缩空气的质量等级提出要求,包含固体颗粒等级、含水量。GB/T13277-91一般用压缩空气质量等级中规定,压缩空气品质应符合露点、含尘量、含油量等要求。如作为空压制氮系统的汽源,对压缩空气
等级要求更高。因此,干式无油螺杆空压机因其自身特点在电厂中得到越来越多的应用。
空压机是压缩空气系统的核心设备。根据结构和工作原理不同,可分为容积式和动力式两大类,其中容积式空压机又可细分为往复式和回转式空压机[1]。无油螺杆空压机是一种工作容积作回转运动的容积式气体压缩机械。气体压缩依靠容积变化来实现,而容积的变化又是借助机壳内的一对转子作回转运动来达到。与往复式空压机相比,它具结构简单紧凑、易损件少、日常维护简单、可靠性高等优点。与动力式空压机中常见的离心式相比,它具有强制输气,输气量不受排气压力影响,宽负荷工况范围内仍可保持较高效率,且动平衡特性优异等特点。同时,螺杆式空压机缺点在于其转动部件修复、更换费用较高。目前除少数厂家提供无油主机维修之外,大多数要求直接更换主机,费用较高。
针对空压机维保领域专业性强的特点,设备使用单位过度依赖设备厂代、厂外专业维保人员,造成设备运维成本过高、发现和处理问题不及时。为从根本上避免空压机运行事故,生产单位需要自身培养具备一定经验的运维人员进行空压机维护。本文以美国寿力公司DS-250WC型干式无油双螺杆压缩机为例,介绍其组成、工作原理、常见故障诊断及预防性维护保养注意事项。电厂运维人员掌握上述要点,对降低电厂运维成本,提高关键设备可靠性,可起到积极意义。
2 无油螺杆空压机介绍
2.1 无油螺杆机组成
寿力DS-250WC型为全罩式动力用、两级压缩、干式无油、水冷、变频电动机驱动的低噪声固定式螺杆压缩机。由主机总成、进气系统、冷却及消声系统、润滑系统、真空引射系统构成。主要设备由压缩主机、电动机、中间冷却器、油冷却器、后冷却器,油泵,油箱和机组底座等零部件组成,被封闭在隔声罩内。
2.1.1 主机总成
无油螺杆空压机的核心是压缩主机。为了提高整机压缩效率,降低过程压缩温度,压缩主机在设计上采用两级压缩。以其中高压级为例,介绍高压部分组成。
(1)转子
主机壳体中平行地配置一对相互啮合的螺旋形转子,通常把节圆外具有凸齿的转子,称为阳转子或阳螺杆。把节圆内具有凹齿的转子,称为阴转子或阴螺杆。每根转子的横截面都有不同形状和数量的“齿"、“凹槽",分别有4个、6个齿。在同步齿轮的带动下,每个旋转周期阳转子进行6次旋转,阴转子进行4次旋转。
在主机壳体的两端,分别开设一定形状和大小的孔口。一个供吸气用,称为进气口;另一个供排气用,称作排气口。工作区域是阳转子和阴转子之间的叶间体积。它在进气口较大,并沿转子的轴向长度逐渐减小,直到排气口,这种体积变化促成空气被压缩过程。转子经过二十几道工序精加工和装配,使转子线型和转子之间间隙达到高的精确度和持久性。转子表面涂有特氟龙,起到预防金属转子腐蚀的作用。
(2)轴承及齿轮
主机内部装有抗磨滚动轴承和精密齿轮,由主机润滑油润滑。其中,径向轴承使转子保持径向精准定位,并在做功过程中承受压缩空气转递给转子的径向力,保证阴阳转子的同轴度和间隙。主机非驱动端,阴转子通过正时齿轮被阳转子带动。主机驱动端,阳转子通过增速齿轮与空压机主轴连接。阴阳转子上的最后一对轴承可实现轴向定位功能,承受做功过程中的轴向力。如图1所示。
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(3)密封
压缩室与轴承间采用四道气封和迷宫油封以减少机头漏气并确保润滑油与压缩腔之间不会串通。
2.1.2 进气系统及功能描述
进气系统包括空气过滤器(以下简称“空滤"),进气调节阀,放空消声器等。环境空气经空滤过滤后,洁净空气从进气调节阀进入压缩机主机。调节阀为紧凑设计的蝶阀,既控制压缩机的进气,同时可以在卸载时放空压缩机内部的压力。
进气调节阀由一个两位三通电磁阀控制。当启动空压机时,电磁阀不得电,蝶阀处于关闭位置,从而实现压缩机轻载起动。当电机转速接近其额定转速时(约几秒钟后),控制器控制电磁阀得电,进气蝶阀打开,同时关断放空管路,压缩机的压力被迅速建立。压缩机正常运行。
当压缩空气需求量低于其额定排气量时,排气管路中的压力逐渐升高,当压力达到控制器设定的卸载压力时,控制器控制电磁阀失电,进气阀蝶阀在弹簧力作用下关闭,同时放空阀打开,压缩机泄载运行。
压缩机重新加载至满载运行。停机时,当按下停机按钮后,控制器会立即控制电磁阀失电,进气阀关闭同时放空阀打开,内部压缩空气被放空。
2.1.3 冷却及消声系统及功能描述
冷却及消声系统主要由中间冷却器,排气消声器,排气止回阀,后(部)冷却器及冷凝水分离器等组成。
空气在主机腔室内被压缩过程中产生大量热量。从一级主机排出的高温压缩空气经过中间冷却器冷却并分离其中的冷凝水后,再被送入到二级主机。从二级主机出来的高温压缩空气经过排气消音器、止回阀进入后冷却器冷却,冷却后经过水分离器分离其中的液态冷凝水,再进入压缩空气管网。螺杆式空压机转速较高,运行噪声较大,经二级主机压缩后的空气进入消声器,起到降低噪声作用。出口排气止回阀作用是在启动时将空压机与压缩空气管网系统隔离,确保空压机空载起动。停机时阻止压缩空气管网内的压缩空气倒流入空压机,实现对压缩机的卸载控制。
2.1.4 润滑系统及功能描述
润滑系统主要由独立油泵,油箱,油冷却器,油过滤器,油呼吸器等组成。主机内压缩空气与润滑油之间不接触,但其高速运转的齿轮与轴承是靠润滑油进行润滑的。压缩机启动前,首先启动油泵,在一定时间内,系统自动检查润滑油压力达到要求后,控制器再启动主电机。确保主机起动前,各部位所需润滑油已提前供应。在主机停机后,油泵仍会持续运行一段时间,继续起到冷却降温作用,延长部件使用寿命。当油
压过高时,油泵内置的泄压阀会将润滑油直接旁路到油泵的进油侧。
油泵进油侧有前置过滤器,确保较大颗粒杂质被分离后润滑油才会被吸入油泵。从油泵出来的润滑油经过冷却器冷却,再经过油过滤器过滤后,被引至压缩机主机的各个润滑点,之后回到油箱。
2.1.5 真空引射系统及功能描述
采用真空引射器对油箱抽负压,油箱与轴承和齿轮润滑处相通,主机轴承与齿轮处形成负压,从而隔离两级主机压缩空气与润滑油侧,确保压缩机产生的压缩空气无油。
真空引射器有3个接口,少量的经过冷却及冷凝水分离的压缩空气,从排气管处引入,经过控制管路过滤器过滤,再经过减压阀降压后作为一次流体接入引射器进口,油箱顶部的气体(含有少量的润滑油)经过油精密过滤器过滤后接入引射器作为二次流体,干净无油的空气通过引射器出口直接排入大气。通过调节一次流体进气压力来保证油箱内产生微负压。
2.2 规格和性能参数
主要规格参数如表1所示。
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2.3 工作原理
阴阳转子与机壳内表面形成封闭的压缩腔,压缩腔的容积从吸入口沿轴向不断减小,螺杆空压机正常运转时,腔内被封闭的空气的压力不断升高,最终与机壳的排气口相通,压缩空气被排出。其工作原理由吸气、压缩、排气过程组成。
2.3.1 进气过程
转子转动时,阴阳转子的齿沟空间在转至进气端壁开口时空间最大,此时转子齿沟空间与进气口的相通,因在排气时齿沟的气体被排出,排气完成时,齿沟处于真空状态,当转至进气口时,外界气体即被吸入,沿轴向进入阴阳转子的齿沟内。
当气体充满了整个齿沟时,转子进气侧端面转离机壳进气口,抽吸过程结束。
2.3.2 压缩过程
阴阳转子在吸气结束时,其阴阳转子齿尖会与机壳封闭,此时气体在齿沟内不再外流。啮合面逐渐沿转子轴向朝排气端移动。啮合面与排气口之间的齿沟空间渐渐减小,齿沟内气体被压缩,压力提高,一直持续到齿间容积对与排气口连通。
2.3.3 排气过程
当转子的啮合端面转到与排气口相通时,气体开始排出,直至齿尖与齿沟的啮合面移至排气端面,此时阴阳转子的啮合面与机壳排气口的齿沟空间为0,即完成排气过程,与此同时转子的啮合面与机壳进气口之间的齿沟长度又达到最长,进气过程又再一次进行。
3 常见故障诊断及预防
3.1 空压机超温报警
外部冷却水用户有3个,分别是(一级、二级)主机出口空气冷却器、空压机机头冷却、润滑油冷油器。温度异常报警时原因查找,在排除热工测点异常后,需从冷源和热源的角度同时分析。作为冷源,当外部冷却水出现异常时,将可能导致以下故障报警,温度报警监测点及相应位置如图2所示。
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3.1.1 一、二级主机出口温度高报警T1、T2
一级(低压级)主机出口温度T1数值由空滤前空气进气温度及一级主机工作状态决定。空滤前进气温度允许范围在工程设计阶段设备选型时已提前确定,当空压机入口吸入空气温度在正常值范围内,T1受一级主机工作状态决定。一级主机工作状态主要包括空压机实际转速及其压缩做功产热量、冷却水夹套实际冷却效果。进一步分析,当空压机转速在额定范围内时,T1受一级主机冷却水夹套冷却能力影响。
二级(高压级)主机出口温度T2由二级主机入口温度T4及二级主机工作状态决定。当T4温度在正常设计要求范围,且空压机转速在额定范围内时,T2温度受二级主机冷却水夹套冷却能力影响。
3.1.2 中间冷却器出口T4、后冷却器出口T5高报警
中间冷却器出口温度T4由中间冷却器入口温度T1和中间冷却器冷却效果共同决定。后冷却期出口温度T5由后冷却器入口温度T2和后冷却器冷却效果共同决定。当中间冷却器或后冷却器入口温度均在正常设计范围内时,冷却器出口温度由冷却器本身换热效果所决定。
3.1.3 润滑油冷油器出口温度T3高报警
润滑油冷油器出口温度T3由润滑油冷油器入口油温及冷油器实际换热效果所决定。当T3超温报警时,首先检查冷油器入口温度,即润滑油回油箱内温度。当冷油器入口油温在正常设计范围内时,流经换热器的冷却水流量及换热系数将决定实际出口温度。
通过以上分析可知,当供给空压机的外部冷却水系统参数出现异常时,必然引起空压机各冷却用户出现冷却功能异常,进而引起T1、T2、T3、T4超温报警。供给空压机的外部冷却水主要参数包括冷却水供水流量、供水温度、供水化学品质。
实际供水流量检查校验通过读取每台空压机前冷却水供水管道压力测量点示数,与设备厂家规定设计范围进行对比,同时可通过检验空压机冷却水出入口管道温升进行检验,例如DR-250CW 型规定冷却水温升小于15℃。
实际供水温度应小于空压机厂家规定设计温度上限,可通过冷却水系统测点参数读取校验。例如DR-250CW型规定冷却水进水温度不应超过32℃。
实际供水品质对空压机各冷却用户换热效果的影响体现在降低换热系数。当冷却水水质不合格时,将造成各换热器水侧表面结垢,增大传热热阻,换热能力随时间发展和实际结垢程度缓慢下降。因此,空压机运行阶段,应定期对冷却水水质进行取样化验。DR-250WC型对冷却水要求如下表2所示。
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3.2 空压机机头抱死
机头抱死是空压机运行恶性事故,轻者更换部分零配件,严重时报废整机更换,消耗大量时间和物力成本。为保证较高的工作效率,主机内部部件之间设计精确的配合间隙。结构设计上配置径向支撑轴承、轴向推力轴承、齿轮,可起到维持动静间隙的作用,即阴/阳转子之间、转子与密封腔室之间、端部密封动静间隙、传动齿轮啮合间隙。保持动静部分之间合理间隙,既是做功效率的保证,也是安全保证。因此,当轴承或齿轮出现异常故障,失去精准定位功能后,动静间隙必然发生变化,进而造成碰磨。从结构上推导,造成轴承或齿轮工作异常的原因可从轴、轴承、润滑油3个方面入手查找。
转子原始不平衡力较小是螺杆式空压机自身特点,且转子表面涂层具有预防转子腐蚀的功能。因此,只有当旋转螺杆表面涂层损伤失效时,才能造成转子挠性增大,继而造成转子间直接互相摩擦或转子振动增大。空压机停机后,做功腔室温度下降,冷凝露形成,如果未及时采取有效措施,冷凝液将侵蚀转子表面,导致涂层脱落。因此,引进并正确投入停机反吹装置[2],阻止冷凝液在转子表面积聚,减少冷凝液对转子涂层的腐蚀,可延长涂层使用寿命,防止转子被进一步腐蚀造成转子不平衡力增大,尤其沿海发电厂[3],空气相对潮湿,海风中的盐很容易引起涂层腐蚀脱落。
空滤是阻止外来异物的第一道屏障。当滤网变薄或破损时,异物将由此进入空气压缩通道,造成螺杆瞬间卡涩抱死。日常生产中,应将空滤检查列为定期工作,每1000h检查空滤清洁度。如果当地空气质量较差,应视情况增加保养频率。保养空滤时用低于5kg的压缩空气自内向外沿斜角方向吹气,吹口离滤芯内表面10mm左右,自上而下沿圆周进行,吹扫要点在于整个过程中吹扫力不宜过小或过大。空滤清理次数不应超过3次,因此最多每隔4000h更换一次空滤。
轴承性能受正常机械磨损老化的影响。需要定期化验润滑油回油箱油质,记录、跟踪机械杂质含量,超标时使用外置式滤油机过滤掉机械杂质,防止轴承部件磨损加剧,最后造成轴承配合间隙超出公差标准。此外,异常振动传导是导致轴承或齿轮故障失效的主要原因,其典型特征是故障发生需要经历时间发展过程,即起初振动超标,随后逐渐增大,发展到一定程度后阴阳转子磨损、端部气封磨损、油封磨损,甚至工作腔室高温压缩空气窜入回油管路,造成润滑油超温沸腾、油箱呼吸器冒油气等异常征兆,最后转子抱死。无论在机组大、小修之后还是在日常生产阶段,都应实施振动监测,及时发现异常,采取消振措施。现场测振应分别选择在主轴两端、一/二级主机阴/阳螺杆两端共10处位置,对水平、垂直、轴向3个方向进行全面测量、记录和对比,见图3所示。空压机配套电机,选取驱动端和非驱动端2处,对3个方向进行测量。空压机主机及配套电机振动标准[4]详见表3。
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4 结论
  (1)一、二级压缩主机是干式无油螺杆式空压机核心部件,进汽过滤、冷却消音、润滑、抽真空等系统是辅助工艺。理解并掌握工艺流程是故障原因分析、故障预防的基础。
(2)外部冷却水参数异常是空压机超温报警的主要外部因素,轴承或齿轮失去精准定位功能是空压机抱死的直接原因。
(3)干式无油螺杆式空压机使用过程中维护简单方便,但是主机零部件维修费用高昂。除了做好定期检查“三滤"等预防性检修工作外,每天应格外重视冷却水监视、振动监测是防止出现严重故障,降低纠正性维修成本的关键。



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