(太原重工股份有限公司技術(shù)中心， 山西太原 030024)

引言

在壓縮空氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用中，冷凝水必須引起高度重視。氣路系統(tǒng)常見(jiàn)故障表現(xiàn)為冷凝水凍結(jié)引發(fā)的氣動(dòng)元件漏氣，管道凍結(jié)堵塞，使氣路系統(tǒng)立即失效[1]。在高溫高濕度環(huán)境下，表現(xiàn)為氣路管道、控制元件的銹蝕。國(guó)內(nèi)近年對(duì)于壓縮空氣中水分的來(lái)源、危害及應(yīng)對(duì)措施的研究越來(lái)越重視， 也取得了一定的研究成果。基礎(chǔ)研究方面有空氣濕度對(duì)壓縮機(jī)的影響[2]、壓縮空氣露點(diǎn)控制[3]、濕空氣參數(shù)在工業(yè)的應(yīng)用[4]、壓縮空氣含水量計(jì)算[5]等。工程應(yīng)用方面，國(guó)內(nèi)在醫(yī)用氣源、化工管道和壓縮機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)壓縮空氣中水分的含量和危害進(jìn)行了一定的研究，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)工程師對(duì)上述工況做了很多探討[6-8]。在低溫下，很多應(yīng)用領(lǐng)域使用無(wú)熱再生吸附式除水方法，這一方法需要消耗干燥的壓縮空氣[9]，有可能對(duì)主氣路系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生一定沖擊，應(yīng)用效果還有待進(jìn)一步的提升。目前的氣動(dòng)應(yīng)用手冊(cè)中沒(méi)有針對(duì)極低溫的詳細(xì)的含水量應(yīng)用數(shù)據(jù)。作為一線工作的壓縮空氣應(yīng)用工程師和設(shè)備維護(hù)服務(wù)人員，有很強(qiáng)的意愿了解壓縮狀態(tài)下濕空氣中水分的定量分析計(jì)算方法，具體工況下的含水量應(yīng)用數(shù)據(jù)，空氣后處理設(shè)備的設(shè)計(jì)選用原則和使用注意事項(xiàng)。目前關(guān)于在嚴(yán)寒地區(qū)工作的壓縮空氣系統(tǒng)的應(yīng)用情況相關(guān)技術(shù)介紹比較少，我們長(zhǎng)期從事極端工況下大型露天礦設(shè)備壓縮空氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用方面的工作，結(jié)合大型露天礦設(shè)備在極地礦區(qū)壓縮空氣應(yīng)用工況，對(duì)壓縮空氣中水分的來(lái)源、危害和應(yīng)對(duì)措施做一些初步探討，希望能對(duì)類(lèi)似應(yīng)用場(chǎng)合的相關(guān)設(shè)計(jì)、應(yīng)用提供借鑒。

1 空壓機(jī)進(jìn)氣狀態(tài)的空氣含濕量計(jì)算和典型數(shù)據(jù)

濕空氣是干空氣和水蒸氣的混合物?？諌簷C(jī)工作時(shí)，將完全吸入大氣壓力狀態(tài)(0.1013 MPa)下濕空氣中的水蒸氣。含濕量是指每千克干空氣中所含水蒸汽的質(zhì)量。計(jì)算公式為：

(1)

式中,d—— 含濕量，g·kg-1

φ—— 相對(duì)濕度

p—— 濕空氣的壓力，Pa

psv—— 飽和水蒸氣壓力，Pa

根據(jù)熱力學(xué)理論，飽和水蒸氣壓力可以從水蒸氣圖表查出，對(duì)圖表未給出的數(shù)據(jù)，參考經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算：

(2)

根據(jù)式(1)、式(2)經(jīng)過(guò)計(jì)算得到在壓力為0.1013 MPa 條件下，飽和濕空氣的分壓力和含濕量數(shù)據(jù)，見(jiàn)表1。

表1 在壓力為0.1013 MPa條件下飽和濕空氣分壓力和含濕量

2 單位時(shí)間進(jìn)入空氣系統(tǒng)的水的定量計(jì)算

單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入壓縮空氣系統(tǒng)的水量與空壓機(jī)排量、進(jìn)氣環(huán)境溫度、濕空氣的相對(duì)濕度有關(guān)?？諌簷C(jī)連續(xù)工作1 h從大氣中吸入空氣系統(tǒng)的水分可按下列公式計(jì)算：

m=60×qvχmaxφ

(3)

式中,m—— 每小時(shí)進(jìn)入空氣系統(tǒng)的水的質(zhì)量，g/h

qv—— 空壓機(jī)的排氣量，m3/min

χmax—— 飽和濕空氣的絕對(duì)濕度，g/m3

φ—— 空氣的相對(duì)濕度

飽和濕空氣的絕對(duì)濕度根據(jù)表1中飽和含濕量ds和空氣密度ρ按式(4)換算：

χmax=ds×ρ

(4)

應(yīng)用案例：某大型露天礦設(shè)備，使用一臺(tái)空壓機(jī)，qv為2.3，m3/min。φ為空氣的相對(duì)濕度取0.8空壓機(jī)連續(xù)工作1 h，計(jì)算帶入空氣系統(tǒng)的水蒸汽的質(zhì)量。

根據(jù)式(3)、式(4)代入上述數(shù)值計(jì)算，結(jié)果如表2所示。

3 不同溫度、不同壓力下壓縮空氣飽和含濕量計(jì)算

取不同的濕空氣壓力，根據(jù)式(1)、式(2)計(jì)算得到與溫度、壓力對(duì)應(yīng)的壓縮空氣的含濕量，見(jiàn)表3。

表2 2.3 m3/min空壓機(jī)極端工況條件下吸入系統(tǒng)的水蒸氣質(zhì)量

表3 壓縮空氣的飽和含濕量 g·kg-1

4 壓縮空氣中冷凝水的定量分析和計(jì)算

壓縮空氣管路中冷凝水的多少與壓縮空氣壓力和管道中壓縮空氣的溫度有關(guān)。隨著壓力升高、溫度降低、飽和濕空氣中含水量減少，因而析出的冷凝水增加。

根據(jù)表1～表3所提供的計(jì)算數(shù)據(jù)表，可以方便應(yīng)用工程師分析計(jì)算具體空氣系統(tǒng)的含水量，為采取有針對(duì)的除水措施提供參考。

分析表1，表3在-20 ℃時(shí)數(shù)據(jù)，0.1013 MPa壓力下，空氣中飽和含濕量為0.77 g·kg-1，0.7 MPa壓力下，空氣中飽和含濕量為0.0963 g·kg-1，兩者差值為空氣被壓縮后析出冷凝水量。

分析表3數(shù)據(jù)可知，同一壓力下壓縮空氣在不同溫度下的飽和含水量，隨溫度降低而下降。因此，從空氣壓縮機(jī)出口到用氣點(diǎn)，如果發(fā)生降溫，會(huì)析出部分冷凝水。析出水量為溫差所對(duì)應(yīng)的飽和含濕量差值。

分析表2數(shù)據(jù)，可見(jiàn)該設(shè)備壓縮空氣系統(tǒng)空壓機(jī)連續(xù)工作1 h，將帶入系統(tǒng)的水量的絕對(duì)數(shù)值隨進(jìn)氣溫度升高而增加。對(duì)于高溫高濕度的工況，顯然應(yīng)該引起高度重視；相對(duì)于低溫工況，進(jìn)入系統(tǒng)的水的絕對(duì)數(shù)值低，危害性容易被使用者忽視，但是連續(xù)作業(yè)條件下，其危害性更大，要特別注意。

5 壓縮空氣中冷凝水的危害

大型露天礦設(shè)備壓縮空氣系統(tǒng)需要24 h連續(xù)工作。面對(duì)低溫高濕度、高溫高濕度環(huán)境的考驗(yàn)。在北緯60°附近礦區(qū)，冬季最冷月份平均氣溫低于-30 ℃，最低氣溫-50 ℃，平均相對(duì)濕度大于50%，連續(xù)降雪時(shí)相對(duì)濕度超過(guò)90%。在熱帶、亞熱帶礦區(qū)，夏季平均氣溫超過(guò)30 ℃，最高氣溫50 ℃，平均相對(duì)濕度大于50%，雨季相對(duì)濕度超過(guò)90%。

圖1所示為工作在極地礦區(qū)的大型露天礦設(shè)備冬季氣路系統(tǒng)排放冷凝水凍結(jié)情況。

圖1 極地礦區(qū)某大型露天礦設(shè)備

在嚴(yán)寒地區(qū)，氣路系統(tǒng)常見(jiàn)故障表現(xiàn)為冷凝水凍結(jié)引發(fā)的氣動(dòng)元件漏氣，密封件撕裂，管道凍結(jié)堵塞甚至是斷裂，使氣路系統(tǒng)立即失效。在熱帶地區(qū)，常見(jiàn)故障表現(xiàn)為冷凝水使氣動(dòng)元件、管道發(fā)生銹蝕而引發(fā)緩慢失效。如圖2所示，為極地礦區(qū)油水分離排氣管道因冷凝水排放不及時(shí)引起排放管路凍結(jié)的情況。

圖2 冷凝水排放膠管凍結(jié)失效

圖3 汽水分離器筒體發(fā)生銹蝕

6 某大型露天設(shè)備壓縮空氣防凍應(yīng)對(duì)措施

6.1 氣源組成及工作原理

露天礦設(shè)備典型氣源凈化處理系統(tǒng)如圖4所示。

1.空壓機(jī) 2.后冷卻器 3.濕空氣儲(chǔ)氣包 4.油水分離器5.干燥機(jī) 6.干空氣儲(chǔ)氣包 7.空氣過(guò)濾器 8.管道防凍器9.自動(dòng)排水閥 10.球閥 11.空濾器圖4 氣源凈化處理系統(tǒng)

該氣源凈化處理系統(tǒng)工作原理簡(jiǎn)述如下：空壓機(jī)1通過(guò)空濾器11從大氣中吸入濕空氣，經(jīng)壓縮后的熱空氣進(jìn)入后冷卻器2初步冷卻，隨后進(jìn)入濕空氣儲(chǔ)氣包3,在這里，冷凝水通過(guò)自動(dòng)排水閥9排放，壓縮空氣得到初步處理。從儲(chǔ)氣包3出來(lái)的壓縮空氣經(jīng)汽水分離器4，干燥機(jī)5進(jìn)一步處理后進(jìn)入干空氣儲(chǔ)存氣包6之后，壓縮空氣經(jīng)過(guò)空氣過(guò)濾器7、管道防凍器8進(jìn)入各個(gè)氣路控制單元。

6.2 不同除水措施的應(yīng)用效果及不足

(1) 在圖4中濕空氣儲(chǔ)氣包3具有冷卻作用，可以促進(jìn)冷凝水的形成，降低壓縮空氣中的水分。冷凝水通過(guò)自動(dòng)排水閥9排出。

此方法有一定效果，不足是受到設(shè)備空間限制，儲(chǔ)氣包容積有限，除水效果一般。

(2) 在重要用氣點(diǎn)前安裝油水分離器4。利用氣流的離心力除去空氣中的水滴[9]。

此方法能夠快速除去從空壓機(jī)出來(lái)的熱空氣中的液體水分，油水分離器的分水率在0.8以上。不足是并不能除去空氣中的溶膠和水蒸氣。另外是分離器殼體內(nèi)排出過(guò)程中排水管道容易凍結(jié)，如圖2所示。冷凝水通過(guò)自動(dòng)排水閥9是必要的，并且要注意合理設(shè)置排放時(shí)間，如圖5所示。

圖5 自動(dòng)排水閥定時(shí)器

自動(dòng)排水閥可以設(shè)定排水間隔時(shí)間和排水時(shí)間。依據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)定。在極寒地區(qū)，排水時(shí)間(設(shè)定范圍0.5～10 s)和間隔時(shí)間(設(shè)定范圍0.5～50 min)要設(shè)置短點(diǎn)。

(3) 在干式儲(chǔ)氣罐6前加裝適應(yīng)不同環(huán)境工況的空氣干燥機(jī)5。在露天礦設(shè)備上，把干燥機(jī)安裝在空壓機(jī)出口與干空氣儲(chǔ)氣罐中間，確保儲(chǔ)氣罐出口是干燥空氣。球閥10用于在干燥機(jī)出現(xiàn)故障或維護(hù)時(shí)隔離干燥機(jī)。常用干燥機(jī)特點(diǎn)和應(yīng)用[10-11]見(jiàn)表4。

(4) 在低溫工況下，在露天安裝的氣路管道、氣動(dòng)控制箱外表面必須保溫處理；在控制箱體內(nèi)安裝適合的電加熱器，用溫控開(kāi)關(guān)控制；在管道上安裝無(wú)水酒精防凍器，酒精度達(dá)到99.9%以上。

6.3 吸附式干燥機(jī)的應(yīng)用及效果

從表4可知，冷凍式干燥機(jī)的壓力露點(diǎn)在2～10 ℃，所以不適用于環(huán)境溫度低于0 ℃的條件。

針對(duì)工作在嚴(yán)寒地區(qū)的壓縮空氣系統(tǒng)，使用吸附式干燥機(jī)是必要的。但是吸附式干燥機(jī)再生工作時(shí)要消耗15%～20%的干燥空氣，會(huì)對(duì)氣源壓力形成沖擊。這點(diǎn)在實(shí)際應(yīng)用中必須引起足夠重視。

表4 各類(lèi)干燥機(jī)特點(diǎn)和應(yīng)用

為避免儲(chǔ)氣罐內(nèi)干燥空氣通過(guò)干燥機(jī)消耗，通過(guò)控制程序?qū)Ω稍餀C(jī)運(yùn)行與空壓機(jī)運(yùn)行采取連鎖控制策略。當(dāng)空壓機(jī)處于加載狀態(tài)工作時(shí)，干燥機(jī)同步工作；當(dāng)空壓機(jī)處于卸荷運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，干燥機(jī)凍結(jié)干燥循環(huán)；直到空壓機(jī)再次加載運(yùn)行時(shí)恢復(fù)被凍結(jié)的干燥循環(huán)。圖6是某型號(hào)無(wú)熱再生吸附式干燥機(jī)在極地礦區(qū)的應(yīng)用。

圖6 在極地礦區(qū)設(shè)備使用的無(wú)熱再生吸附式干燥機(jī)

在該露天礦設(shè)備使用的吸附式干燥機(jī)上，具有遠(yuǎn)程控制連接器。如果打開(kāi)遠(yuǎn)程控制連接器的輸入電路，則干燥機(jī)將“凍結(jié)”干燥周期，凈化氣流將停止。當(dāng)連接到連接器的觸點(diǎn)被再次打開(kāi)時(shí)，干燥機(jī)將切換塔并繼續(xù)正常運(yùn)行。此功能可以在壓縮機(jī)未持續(xù)加載運(yùn)行時(shí)防止壓縮空氣(凈化空氣)流失。如圖6所示，氣路系統(tǒng)的干燥程序處于“凍結(jié)”狀態(tài)，此時(shí)兩個(gè)干燥塔都處于升壓狀態(tài)?？刂飘?huà)面顯示干燥機(jī)左塔處于吸附狀態(tài)，右塔處于“凍結(jié)”狀態(tài)。

該干燥機(jī)控制系統(tǒng)指出，對(duì)于配有加載/卸載控制的壓縮機(jī)，可將遠(yuǎn)程控制連接器連接至壓縮機(jī)的無(wú)源觸點(diǎn)(在壓縮機(jī)卸載運(yùn)行時(shí)，觸點(diǎn)將打開(kāi))。 如果沒(méi)有提供無(wú)源觸點(diǎn)，則應(yīng)在壓縮機(jī) 的加載/卸載接觸器上安裝附加的無(wú)源觸點(diǎn)以使用此功能。

由于露天礦設(shè)備用氣點(diǎn)對(duì)壓縮空氣消耗量隨工作狀態(tài)不同而不同，空壓機(jī)工作時(shí)加載卸載比較頻繁，這種工況下不允許電機(jī)頻繁啟停，空壓機(jī)電機(jī)一直處于帶電運(yùn)行狀態(tài)，因此“凍結(jié)”信號(hào)不能從啟動(dòng)空壓機(jī)的接觸器輔助觸點(diǎn)直接取出。

7 結(jié)論

(1) 通過(guò)計(jì)算，得到不同溫度、不同壓力下的濕空氣含水量典型數(shù)據(jù)，可以用來(lái)定量分析計(jì)算具體系統(tǒng)中冷凝水的量，為采取有針對(duì)的除水措施提供參考；

(2) 除水措施和設(shè)備的選擇主要考慮環(huán)境溫度和相對(duì)濕度。在低溫工況下，要采取必要的防凍措施；在高溫工況下，主要關(guān)注冷凝水的及時(shí)排放，避免管路銹蝕；

(3) 無(wú)熱再生吸附式除水方法在低溫下應(yīng)用廣泛，除水效果也很顯著，可以對(duì)干燥機(jī)運(yùn)行與空壓機(jī)運(yùn)行采取連鎖控制來(lái)減緩對(duì)主要?dú)饴返臎_擊。極地礦區(qū)露天礦的應(yīng)用也充分驗(yàn)證了這一點(diǎn)，但仍然存在一定的壓縮空氣消耗，需要更深入研究；

(4) 著重關(guān)注已經(jīng)進(jìn)入空氣系統(tǒng)的水分的應(yīng)對(duì)措施。如果能夠?qū)諌簷C(jī)進(jìn)口處空氣預(yù)先采取必要的除水，將是有意義的，但目前還未在實(shí)踐中看到類(lèi)似應(yīng)用，有必要進(jìn)一步研究。