噴油螺桿空壓機(jī)節(jié)能技術(shù)應(yīng)用

劉玉勇，王宇川，鮑洋洋，李韶強(qiáng)

（合肥通用機(jī)械研究院，安徽合肥 230000）

1 引言

空氣壓縮機(jī)（以下簡稱“空壓機(jī)”）作為提供壓縮空氣這一優(yōu)質(zhì)動力能源的設(shè)備，廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械電子、石油化工、交通郵電、醫(yī)療衛(wèi)生、輕工紡織、軍工核電、建筑裝潢等領(lǐng)域，我國在用空壓機(jī)的能量消耗約占全國總發(fā)電量的7%。因此空壓機(jī)的能效水平對我國節(jié)能減排事業(yè)的推動起到至關(guān)重要的作用。而近10年噴油螺桿空壓機(jī)由于主機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的國產(chǎn)化，得到飛速發(fā)展，已經(jīng)在7.5～355 kW范圍內(nèi)基本取代傳統(tǒng)的活塞空壓機(jī)，占據(jù)市場絕對的主導(dǎo)地位，其節(jié)能技術(shù)也是不斷推陳出新。因此，本文就應(yīng)用在噴油螺桿空壓機(jī)上較為普遍的效果良好的節(jié)能技術(shù)進(jìn)行分析介紹。

2 能效標(biāo)準(zhǔn)情況

我國目前針對空壓機(jī)有相應(yīng)的能效標(biāo)準(zhǔn)GB19153-2009《容積式壓縮機(jī)能效限定值及能效等級》，規(guī)定了機(jī)組輸入比功率用于表征空壓機(jī)能效水平，機(jī)組輸入比功率越小，能效水平越好。標(biāo)準(zhǔn)將空壓機(jī)能效分為1級、2級、3級3個等級，其中噴油螺桿空壓機(jī)每2個能效等級之間能效相差12%左右。噴油螺桿空壓機(jī)在其生命周期（通常是8～10年）內(nèi)的能源消耗成本至少是其采購成本的十幾倍，因此節(jié)能潛力很大，也很有必要。

3 節(jié)能技術(shù)

3.1 兩級壓縮

根據(jù)工程熱力學(xué)理論，空壓機(jī)的壓縮過程可分為等溫壓縮、多變壓縮和絕熱壓縮，其中等溫壓縮耗功最小，而空壓機(jī)實際的壓縮過程為多變壓縮，等溫壓縮機(jī)是不可能實現(xiàn)的。因此空壓機(jī)的設(shè)計方向就是要使壓縮過程盡可能接近等溫壓縮過程，從而實現(xiàn)效率的最大化。兩級壓縮就是使壓縮過程接近等溫壓縮的重要技術(shù)手段。為了便于理解，將空壓機(jī)的壓縮過程用p-V圖表示。如圖1所示，13′為等溫壓縮過程，如果采用單級壓縮，消耗的功相當(dāng)于面積613″46；當(dāng)采用兩級壓縮時，消耗的功相當(dāng)于面積61256與面積52'345之和。節(jié)省的功相當(dāng)于面積2′23″32′。但與等溫壓縮相比，仍多耗了面積122'1加面積2′33′2′的功量[1]。

隨著國內(nèi)一些空壓機(jī)企業(yè)逐步掌握了噴油螺桿空壓機(jī)主機(jī)的設(shè)計制造技術(shù)，噴油螺桿空壓機(jī)近年得以快速發(fā)展，成本大幅下降，國內(nèi)企業(yè)開始嘗試將兩級壓縮技術(shù)應(yīng)用在螺桿空壓機(jī)上，兩級壓縮的能效優(yōu)勢也得以體現(xiàn)。近年兩級壓縮和單級壓縮能效比較通過統(tǒng)計部分近年國家壓縮機(jī)中心的檢測數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)兩級壓縮的空壓機(jī)效率明顯高于，尤其是110 kW以上原來單級壓縮的空壓機(jī)幾乎不可能達(dá)到1級能效，甚至很難達(dá)到2級能效，而兩級壓縮技術(shù)的應(yīng)用則可以讓大功率空壓機(jī)達(dá)到1級能效。由圖2可以看出，兩級壓縮的能效值均優(yōu)于國家1級能效指標(biāo)線，且要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于單級壓縮的能效值。

由表1可以看出，不同功率的兩級壓縮噴油螺桿空壓機(jī)能效值均優(yōu)于單級壓縮能效值10%以上，有的功率檔甚至接近20%。這對單臺設(shè)備的能效提升來說是一個巨大的進(jìn)步。兩級壓縮噴油螺桿空壓機(jī)節(jié)能優(yōu)勢較為明顯主要有2個原因：

（1）由于采用了兩級壓縮，使得壓縮過程更長，油氣能夠充分混合，使得壓縮過程更接近等溫壓縮。

（2）每級的壓比更低，內(nèi)泄漏更少，容積效率更高。在兩級壓縮主機(jī)和系統(tǒng)設(shè)計上，不同螺桿空壓機(jī)制造企業(yè)也各有特色，如主機(jī)多點噴油使油氣混合更均勻，級間設(shè)計特殊結(jié)構(gòu)形成霧狀噴射簾以降低2級吸氣溫度等技術(shù)，其目的都是使壓縮過程接近等溫壓縮，從而提高效率。

3.2 變頻技術(shù)

圖1 壓縮過程的p-V圖

圖2 單級壓縮和兩級壓縮能效比較

表1 統(tǒng)計不同功率噴油螺桿空壓機(jī)的機(jī)組輸入比功率平均值的比較

為了保證下游用氣，設(shè)計院或者用戶在選型時對空壓機(jī)容積流量指標(biāo)會留有一定余量。而空壓機(jī)幾乎不可能一直在滿負(fù)荷條件下運(yùn)行，需要相應(yīng)的調(diào)節(jié)手段。且通常用戶的用氣量有一定的變化波動，要保證供氣穩(wěn)定，空壓機(jī)供氣也應(yīng)可以調(diào)節(jié)。普通工頻空壓機(jī)通過排氣壓力反饋，靠加卸載來控制空壓機(jī)的供氣。但是卸載過程進(jìn)氣閥處于關(guān)閉狀態(tài)，空壓機(jī)不供氣，而電機(jī)依然在額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)，空壓機(jī)卸載時功率約為滿載功率的30%～50%，造成了極大的能源浪費(fèi)?？己丝諌簷C(jī)運(yùn)行水平的重要指標(biāo)為加載率，即空壓機(jī)加載時間占總運(yùn)行時間的百分比?？諌簷C(jī)加載率越低，運(yùn)行水平越低，能源浪費(fèi)也就越嚴(yán)重。變頻技術(shù)在噴油螺桿空壓機(jī)上的應(yīng)用，很好地解決了加載頻繁、加載率低的問題。變頻空壓機(jī)是在控制系統(tǒng)中設(shè)置期望的排氣壓力，通過排氣壓力的信號反饋來調(diào)節(jié)變頻器頻率，從而控制空壓機(jī)轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)產(chǎn)氣量。

通過對2臺額定功率110 kW的分別使用加卸載調(diào)節(jié)和變頻調(diào)節(jié)的噴油螺桿空壓機(jī)進(jìn)行用氣量變化試驗分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)用氣量與額定排氣量比例分別為90%、80%、70%、50%時，變頻調(diào)節(jié)相比加卸載調(diào)節(jié)，節(jié)能比例分別為：6.6%、11.7%、18.3%、28.5%[3]?？梢钥闯?，當(dāng)用氣量越小，變頻技術(shù)的節(jié)能優(yōu)勢體現(xiàn)得越明顯。因此變頻空壓機(jī)適合用氣波動比較大的場合。

3.3 一體式永磁空壓機(jī)

該空壓機(jī)是將永磁同步電動機(jī)與噴油螺桿空壓機(jī)主機(jī)組成一體的空氣壓縮機(jī)。其主要特點：（1）使用高效永磁同步電動機(jī)，其效率要優(yōu)于三相異步電動機(jī)，尤其是低轉(zhuǎn)速時永磁同步電動機(jī)的效率下降不明顯，相比普通電機(jī)的優(yōu)勢更大；（2）結(jié)構(gòu)型式上，將電動機(jī)的轉(zhuǎn)子以嵌入方式直接固定于噴油螺桿空壓機(jī)主機(jī)動力輸入端，沒有了聯(lián)軸器，減少了軸承，減少了傳動和摩擦的損失。

為了比較永磁同步動機(jī)和三相異步電動機(jī)的效率，根據(jù)噴油螺桿空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速特性，選取同步轉(zhuǎn)速均為3000 r/min的永磁同步動機(jī)和三相異步電動機(jī)中效率相對較高的YE3系列電動機(jī)進(jìn)行比較。如圖3，在額定點上，永磁同步電動機(jī)的效率比YE3系列電動機(jī)高出5.9%～1.7%，隨著功率的增加，二者效率的差距逐漸減小，故永磁同步電動機(jī)具有較高效率，但僅在小功率段有較為明顯的優(yōu)勢。因此在90 kW以下的噴油螺桿空壓機(jī)采用一體式永磁結(jié)構(gòu)有更好的節(jié)能效益。

4 結(jié)語

圖3 電動機(jī)額定點效率對比

提高空壓機(jī)能效是一個系統(tǒng)工程，不能只依賴某一項技術(shù)，需要多項節(jié)能技術(shù)的綜合運(yùn)用，也需要每一個細(xì)節(jié)的優(yōu)化，積少成多。因此還有一些如優(yōu)化轉(zhuǎn)子型線、采用高效離心風(fēng)機(jī)、改變進(jìn)氣設(shè)計、改進(jìn)系統(tǒng)管路等技術(shù)也被廣泛應(yīng)用在空壓機(jī)設(shè)計制造中。由于這些節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用，國內(nèi)品牌的噴油螺桿空壓機(jī)能效水平已經(jīng)趕上甚至超越國際一流品牌的水平。通過國家檢測中心檢測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，近年噴油螺桿空壓機(jī)能效水平達(dá)到2級以上的比例越來越高，特別是額定功率90 kW以下，達(dá)到2級能效水平的樣機(jī)超過60%。一方面體現(xiàn)了能效水平的整體提升；另一方面體現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)設(shè)定不能滿足現(xiàn)有產(chǎn)品的發(fā)展趨勢。目前修訂后的能效標(biāo)準(zhǔn)GB19153已經(jīng)在報批階段，其中噴油螺桿空壓機(jī)的能效指標(biāo)有了較大幅度地提升，也對企業(yè)未來產(chǎn)品提出了更高的要求。希望能效標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品技術(shù)進(jìn)步能夠起到相互推動的作用，不斷提高空壓機(jī)的能效水平，為我國節(jié)能減排事業(yè)做出貢獻(xiàn)。