無油螺桿空壓機常見故障診斷及維護要點探析

更新時間：2023-06-28 點擊量：1389

１　引言

　　壓縮空氣系統是電廠最重要的公共系統之一，主要用戶包括儀表用、雜用、化水和除灰用壓縮空氣系統，對其質量要求非常高。火力發電廠熱工自動化系統檢修運行規程ＤＬ／Ｔ７７４－２００４第７.１.４節明確闡述儀用氣源儀器儀表所用壓縮空氣中的濕度是熱工監督中的強檢項目，是保證全廠安全穩定所必須控制的指標。ＩＳＯ／ＤＰ８５７３／１８８對儀表用壓縮空氣的質量等級提出要求，包含固體顆粒等級、含水量。ＧＢ／Ｔ１３２７７－９１一般用壓縮空氣質量等級中規定，壓縮空氣品質應符合露點、含塵量、含油量等要求。如作為空壓制氮系統的汽源，對壓縮空氣

等級要求更高。因此，干式無油螺桿空壓機因其自身特點在電廠中得到越來越多的應用。

空壓機是壓縮空氣系統的核心設備。根據結構和工作原理不同，可分為容積式和動力式兩大類，其中容積式空壓機又可細分為往復式和回轉式空壓機［１］。無油螺桿空壓機是一種工作容積作回轉運動的容積式氣體壓縮機械。氣體壓縮依靠容積變化來實現，而容積的變化又是借助機殼內的一對轉子作回轉運動來達到。與往復式空壓機相比，它具結構簡單緊湊、易損件少、日常維護簡單、可靠性高等優點。與動力式空壓機中常見的離心式相比，它具有強制輸氣，輸氣量不受排氣壓力影響，寬負荷工況范圍內仍可保持較高效率，且動平衡特性優異等特點。同時，螺桿式空壓機缺點在于其轉動部件修復、更換費用較高。目前除少數廠家提供無油主機維修之外，大多數要求直接更換主機，費用較高。

針對空壓機維保領域專業性強的特點，設備使用單位過度依賴設備廠代、廠外專業維保人員，造成設備運維成本過高、發現和處理問題不及時。為從根本上避免空壓機運行事故，生產單位需要自身培養具備一定經驗的運維人員進行空壓機維護。本文以美國壽力公司ＤＳ－２５０ＷＣ型干式無油雙螺桿壓縮機為例，介紹其組成、工作原理、常見故障診斷及預防性維護保養注意事項。電廠運維人員掌握上述要點，對降低電廠運維成本，提高關鍵設備可靠性，可起到積極意義。

２　無油螺桿空壓機介紹

２.１　無油螺桿機組成

壽力ＤＳ－２５０ＷＣ型為全罩式動力用、兩級壓縮、干式無油、水冷、變頻電動機驅動的低噪聲固定式螺桿壓縮機。由主機總成、進氣系統、冷卻及消聲系統、潤滑系統、真空引射系統構成。主要設備由壓縮主機、電動機、中間冷卻器、油冷卻器、后冷卻器，油泵，油箱和機組底座等零部件組成，被封閉在隔聲罩內。

２.１.１　主機總成

無油螺桿空壓機的核心是壓縮主機。為了提高整機壓縮效率，降低過程壓縮溫度，壓縮主機在設計上采用兩級壓縮。以其中高壓級為例，介紹高壓部分組成。

（１）轉子

主機殼體中平行地配置一對相互嚙合的螺旋形轉子，通常把節圓外具有凸齒的轉子，稱為陽轉子或陽螺桿。把節圓內具有凹齒的轉子，稱為陰轉子或陰螺桿。每根轉子的橫截面都有不同形狀和數量的“齒"、“凹槽"，分別有４個、６個齒。在同步齒輪的帶動下，每個旋轉周期陽轉子進行６次旋轉，陰轉子進行４次旋轉。

在主機殼體的兩端，分別開設一定形狀和大小的孔口。一個供吸氣用，稱為進氣口；另一個供排氣用，稱作排氣口。工作區域是陽轉子和陰轉子之間的葉間體積。它在進氣口較大，并沿轉子的軸向長度逐漸減小，直到排氣口，這種體積變化促成空氣被壓縮過程。轉子經過二十幾道工序精加工和裝配，使轉子線型和轉子之間間隙達到高的精確度和持久性。轉子表面涂有特氟龍，起到預防金屬轉子腐蝕的作用。

（２）軸承及齒輪

主機內部裝有抗磨滾動軸承和精密齒輪，由主機潤滑油潤滑。其中，徑向軸承使轉子保持徑向精準定位，并在做功過程中承受壓縮空氣轉遞給轉子的徑向力，保證陰陽轉子的同軸度和間隙。主機非驅動端，陰轉子通過正時齒輪被陽轉子帶動。主機驅動端，陽轉子通過增速齒輪與空壓機主軸連接。陰陽轉子上的最后一對軸承可實現軸向定位功能，承受做功過程中的軸向力。如圖１所示。

（３）密封

壓縮室與軸承間采用四道氣封和迷宮油封以減少機頭漏氣并確保潤滑油與壓縮腔之間不會串通。

２.１.２　進氣系統及功能描述

進氣系統包括空氣過濾器（以下簡稱“空濾"），進氣調節閥，放空消聲器等。環境空氣經空濾過濾后，潔凈空氣從進氣調節閥進入壓縮機主機。調節閥為緊湊設計的蝶閥，既控制壓縮機的進氣，同時可以在卸載時放空壓縮機內部的壓力。

進氣調節閥由一個兩位三通電磁閥控制。當啟動空壓機時，電磁閥不得電，蝶閥處于關閉位置，從而實現壓縮機輕載起動。當電機轉速接近其額定轉速時（約幾秒鐘后），控制器控制電磁閥得電，進氣蝶閥打開，同時關斷放空管路，壓縮機的壓力被迅速建立。壓縮機正常運行。

當壓縮空氣需求量低于其額定排氣量時，排氣管路中的壓力逐漸升高，當壓力達到控制器設定的卸載壓力時，控制器控制電磁閥失電，進氣閥蝶閥在彈簧力作用下關閉，同時放空閥打開，壓縮機泄載運行。

壓縮機重新加載至滿載運行。停機時，當按下停機按鈕后，控制器會立即控制電磁閥失電，進氣閥關閉同時放空閥打開，內部壓縮空氣被放空。

２.１.３　冷卻及消聲系統及功能描述

冷卻及消聲系統主要由中間冷卻器，排氣消聲器，排氣止回閥，后（部）冷卻器及冷凝水分離器等組成。

空氣在主機腔室內被壓縮過程中產生大量熱量。從一級主機排出的高溫壓縮空氣經過中間冷卻器冷卻并分離其中的冷凝水后，再被送入到二級主機。從二級主機出來的高溫壓縮空氣經過排氣消音器、止回閥進入后冷卻器冷卻，冷卻后經過水分離器分離其中的液態冷凝水，再進入壓縮空氣管網。螺桿式空壓機轉速較高，運行噪聲較大，經二級主機壓縮后的空氣進入消聲器，起到降低噪聲作用。出口排氣止回閥作用是在啟動時將空壓機與壓縮空氣管網系統隔離，確保空壓機空載起動。停機時阻止壓縮空氣管網內的壓縮空氣倒流入空壓機，實現對壓縮機的卸載控制。

２.１.４　潤滑系統及功能描述

潤滑系統主要由獨立油泵，油箱，油冷卻器，油過濾器，油呼吸器等組成。主機內壓縮空氣與潤滑油之間不接觸，但其高速運轉的齒輪與軸承是靠潤滑油進行潤滑的。壓縮機啟動前，首先啟動油泵，在一定時間內，系統自動檢查潤滑油壓力達到要求后，控制器再啟動主電機。確保主機起動前，各部位所需潤滑油已提前供應。在主機停機后，油泵仍會持續運行一段時間，繼續起到冷卻降溫作用，延長部件使用壽命。當油

壓過高時，油泵內置的泄壓閥會將潤滑油直接旁路到油泵的進油側。

油泵進油側有前置過濾器，確保較大顆粒雜質被分離后潤滑油才會被吸入油泵。從油泵出來的潤滑油經過冷卻器冷卻，再經過油過濾器過濾后，被引至壓縮機主機的各個潤滑點，之后回到油箱。

２.１.５　真空引射系統及功能描述

采用真空引射器對油箱抽負壓，油箱與軸承和齒輪潤滑處相通，主機軸承與齒輪處形成負壓，從而隔離兩級主機壓縮空氣與潤滑油側，確保壓縮機產生的壓縮空氣無油。

真空引射器有３個接口，少量的經過冷卻及冷凝水分離的壓縮空氣，從排氣管處引入，經過控制管路過濾器過濾，再經過減壓閥降壓后作為一次流體接入引射器進口，油箱頂部的氣體（含有少量的潤滑油）經過油精密過濾器過濾后接入引射器作為二次流體，干凈無油的空氣通過引射器出口直接排入大氣。通過調節一次流體進氣壓力來保證油箱內產生微負壓。

２.２　規格和性能參數

主要規格參數如表１所示。

２.３　工作原理

陰陽轉子與機殼內表面形成封閉的壓縮腔，壓縮腔的容積從吸入口沿軸向不斷減小，螺桿空壓機正常運轉時，腔內被封閉的空氣的壓力不斷升高，最終與機殼的排氣口相通，壓縮空氣被排出。其工作原理由吸氣、壓縮、排氣過程組成。

２.３.１　進氣過程

轉子轉動時，陰陽轉子的齒溝空間在轉至進氣端壁開口時空間最大，此時轉子齒溝空間與進氣口的相通，因在排氣時齒溝的氣體被排出，排氣完成時，齒溝處于真空狀態，當轉至進氣口時，外界氣體即被吸入，沿軸向進入陰陽轉子的齒溝內。

當氣體充滿了整個齒溝時，轉子進氣側端面轉離機殼進氣口，抽吸過程結束。

２.３.２　壓縮過程

陰陽轉子在吸氣結束時，其陰陽轉子齒尖會與機殼封閉，此時氣體在齒溝內不再外流。嚙合面逐漸沿轉子軸向朝排氣端移動。嚙合面與排氣口之間的齒溝空間漸漸減小，齒溝內氣體被壓縮，壓力提高，一直持續到齒間容積對與排氣口連通。

２.３.３　排氣過程

當轉子的嚙合端面轉到與排氣口相通時，氣體開始排出，直至齒尖與齒溝的嚙合面移至排氣端面，此時陰陽轉子的嚙合面與機殼排氣口的齒溝空間為０，即完成排氣過程，與此同時轉子的嚙合面與機殼進氣口之間的齒溝長度又達到最長，進氣過程又再一次進行。

３　常見故障診斷及預防

３.１　空壓機超溫報警

外部冷卻水用戶有３個，分別是（一級、二級）主機出口空氣冷卻器、空壓機機頭冷卻、潤滑油冷油器。溫度異常報警時原因查找，在排除熱工測點異常后，需從冷源和熱源的角度同時分析。作為冷源，當外部冷卻水出現異常時，將可能導致以下故障報警，溫度報警監測點及相應位置如圖２所示。

３.１.１　一、二級主機出口溫度高報警Ｔ１、Ｔ２

一級（低壓級）主機出口溫度Ｔ１數值由空濾前空氣進氣溫度及一級主機工作狀態決定。空濾前進氣溫度允許范圍在工程設計階段設備選型時已提前確定，當空壓機入口吸入空氣溫度在正常值范圍內，Ｔ１受一級主機工作狀態決定。一級主機工作狀態主要包括空壓機實際轉速及其壓縮做功產熱量、冷卻水夾套實際冷卻效果。進一步分析，當空壓機轉速在額定范圍內時，Ｔ１受一級主機冷卻水夾套冷卻能力影響。

二級（高壓級）主機出口溫度Ｔ２由二級主機入口溫度Ｔ４及二級主機工作狀態決定。當Ｔ４溫度在正常設計要求范圍，且空壓機轉速在額定范圍內時，Ｔ２溫度受二級主機冷卻水夾套冷卻能力影響。

３.１.２　中間冷卻器出口Ｔ４、后冷卻器出口Ｔ５高報警

中間冷卻器出口溫度Ｔ４由中間冷卻器入口溫度Ｔ１和中間冷卻器冷卻效果共同決定。后冷卻期出口溫度Ｔ５由后冷卻器入口溫度Ｔ２和后冷卻器冷卻效果共同決定。當中間冷卻器或后冷卻器入口溫度均在正常設計范圍內時，冷卻器出口溫度由冷卻器本身換熱效果所決定。

３.１.３　潤滑油冷油器出口溫度Ｔ３高報警

潤滑油冷油器出口溫度Ｔ３由潤滑油冷油器入口油溫及冷油器實際換熱效果所決定。當Ｔ３超溫報警時，首先檢查冷油器入口溫度，即潤滑油回油箱內溫度。當冷油器入口油溫在正常設計范圍內時，流經換熱器的冷卻水流量及換熱系數將決定實際出口溫度。

通過以上分析可知，當供給空壓機的外部冷卻水系統參數出現異常時，必然引起空壓機各冷卻用戶出現冷卻功能異常，進而引起Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４超溫報警。供給空壓機的外部冷卻水主要參數包括冷卻水供水流量、供水溫度、供水化學品質。

實際供水流量檢查校驗通過讀取每臺空壓機前冷卻水供水管道壓力測量點示數，與設備廠家規定設計范圍進行對比，同時可通過檢驗空壓機冷卻水出入口管道溫升進行檢驗，例如ＤＲ－２５０ＣＷ型規定冷卻水溫升小于１５℃。

實際供水溫度應小于空壓機廠家規定設計溫度上限，可通過冷卻水系統測點參數讀取校驗。例如ＤＲ－２５０ＣＷ型規定冷卻水進水溫度不應超過３２℃。

實際供水品質對空壓機各冷卻用戶換熱效果的影響體現在降低換熱系數。當冷卻水水質不合格時，將造成各換熱器水側表面結垢，增大傳熱熱阻，換熱能力隨時間發展和實際結垢程度緩慢下降。因此，空壓機運行階段，應定期對冷卻水水質進行取樣化驗。ＤＲ－２５０ＷＣ型對冷卻水要求如下表２所示。

３.２　空壓機機頭抱死

機頭抱死是空壓機運行惡性事故，輕者更換部分零配件，嚴重時報廢整機更換，消耗大量時間和物力成本。為保證較高的工作效率，主機內部部件之間設計精確的配合間隙。結構設計上配置徑向支撐軸承、軸向推力軸承、齒輪，可起到維持動靜間隙的作用，即陰／陽轉子之間、轉子與密封腔室之間、端部密封動靜間隙、傳動齒輪嚙合間隙。保持動靜部分之間合理間隙，既是做功效率的保證，也是安全保證。因此，當軸承或齒輪出現異常故障，失去精準定位功能后，動靜間隙必然發生變化，進而造成碰磨。從結構上推導，造成軸承或齒輪工作異常的原因可從軸、軸承、潤滑油３個方面入手查找。

轉子原始不平衡力較小是螺桿式空壓機自身特點，且轉子表面涂層具有預防轉子腐蝕的功能。因此，只有當旋轉螺桿表面涂層損傷失效時，才能造成轉子撓性增大，繼而造成轉子間直接互相摩擦或轉子振動增大。空壓機停機后，做功腔室溫度下降，冷凝露形成，如果未及時采取有效措施，冷凝液將侵蝕轉子表面，導致涂層脫落。因此，引進并正確投入停機反吹裝置［２］，阻止冷凝液在轉子表面積聚，減少冷凝液對轉子涂層的腐蝕，可延長涂層使用壽命，防止轉子被進一步腐蝕造成轉子不平衡力增大，尤其沿海發電廠［３］，空氣相對潮濕，海風中的鹽很容易引起涂層腐蝕脫落。

空濾是阻止外來異物的第一道屏障。當濾網變薄或破損時，異物將由此進入空氣壓縮通道，造成螺桿瞬間卡澀抱死。日常生產中，應將空濾檢查列為定期工作，每１０００ｈ檢查空濾清潔度。如果當地空氣質量較差，應視情況增加保養頻率。保養空濾時用低于５ｋｇ的壓縮空氣自內向外沿斜角方向吹氣，吹口離濾芯內表面１０ｍｍ左右，自上而下沿圓周進行，吹掃要點在于整個過程中吹掃力不宜過小或過大。空濾清理次數不應超過３次，因此最多每隔４０００ｈ更換一次空濾。

軸承性能受正常機械磨損老化的影響。需要定期化驗潤滑油回油箱油質，記錄、跟蹤機械雜質含量，超標時使用外置式濾油機過濾掉機械雜質，防止軸承部件磨損加劇，最后造成軸承配合間隙超出公差標準。此外，異常振動傳導是導致軸承或齒輪故障失效的主要原因，其典型特征是故障發生需要經歷時間發展過程，即起初振動超標，隨后逐漸增大，發展到一定程度后陰陽轉子磨損、端部氣封磨損、油封磨損，甚至工作腔室高溫壓縮空氣竄入回油管路，造成潤滑油超溫沸騰、油箱呼吸器冒油氣等異常征兆，最后轉子抱死。無論在機組大、小修之后還是在日常生產階段，都應實施振動監測，及時發現異常，采取消振措施。現場測振應分別選擇在主軸兩端、一／二級主機陰／陽螺桿兩端共１０處位置，對水平、垂直、軸向３個方向進行全面測量、記錄和對比，見圖３所示。空壓機配套電機，選取驅動端和非驅動端２處，對３個方向進行測量。空壓機主機及配套電機振動標準［４］詳見表３。

４　結論

　　（１）一、二級壓縮主機是干式無油螺桿式空壓機核心部件，進汽過濾、冷卻消音、潤滑、抽真空等系統是輔助工藝。理解并掌握工藝流程是故障原因分析、故障預防的基礎。

（２）外部冷卻水參數異常是空壓機超溫報警的主要外部因素，軸承或齒輪失去精準定位功能是空壓機抱死的直接原因。

（３）干式無油螺桿式空壓機使用過程中維護簡單方便，但是主機零部件維修費用高昂。除了做好定期檢查“三濾"等預防性檢修工作外，每天應格外重視冷卻水監視、振動監測是防止出現嚴重故障，降低糾正性維修成本的關鍵。

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