吸氣參數(shù)對(duì)螺桿空壓機(jī)運(yùn)行能耗影響的研究分析

吳 丹，趙 軍

（上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海200093）

1 引言

作為現(xiàn)代工業(yè)制造行業(yè)的主要?jiǎng)恿δ茉?，空壓機(jī)是實(shí)現(xiàn)電能-電機(jī)機(jī)械能-氣體壓力勢(shì)能相互轉(zhuǎn)換的通用機(jī)械設(shè)備，除電力外，壓縮空氣作為第二大動(dòng)力能源目前已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，其能耗在大多數(shù)工廠中約占其全部能耗10%～35%[1]，壓縮空氣系統(tǒng)的能耗分析及其節(jié)能優(yōu)化措施的研究已經(jīng)成為世界各國(guó)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的新領(lǐng)域?，F(xiàn)階段的節(jié)能降耗策略多停留在變頻改造、聯(lián)控、管路優(yōu)化、余熱回收和恒壓控制上，忽略了空氣壓縮機(jī)進(jìn)口空氣溫、濕度對(duì)壓縮空氣系統(tǒng)的能耗同樣具有重要影響。樊瑞[2]通過工程實(shí)例分析得出濕空氣對(duì)空氣壓縮系統(tǒng)造成一系列低劣化的影響，且在相同工況下，壓縮濕空氣所消耗的能量大于干空氣的能量；秦莉[3]對(duì)紡織廠空壓機(jī)吸氣溫度與能耗進(jìn)行測(cè)試，得出空壓機(jī)的吸氣溫度每增加1℃，空壓機(jī)的能耗將增加0.295%；張媛媛[4]根據(jù)理論分析與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合得出吸氣溫度與壓縮機(jī)的輸入比功率基本成線性反比的關(guān)系，并提出空壓機(jī)最佳能效檢測(cè)溫度為12～28℃。本文就吸氣溫、濕度對(duì)螺桿壓縮機(jī)的能耗影響進(jìn)行理論分析與實(shí)驗(yàn)研究，得出吸氣參數(shù)對(duì)螺桿空壓機(jī)能耗的影響，并找出空壓機(jī)工作時(shí)吸氣溫度的合理范圍。

2 吸氣參數(shù)對(duì)螺桿空壓機(jī)能耗的影響分析

2.1 吸氣溫度對(duì)螺桿空壓機(jī)的影響

螺桿式空壓機(jī)屬于容積式空壓機(jī)，其實(shí)際壓縮過程都帶有冷卻裝置且與外界有熱量交換，空壓機(jī)的實(shí)際工作過程為多變壓縮過程，多變過程的壓縮功為

式中w——?dú)怏w多變過程壓縮功，kJ/kg

p1——?dú)怏w初始?jí)毫?，Pa

p2——壓縮終了時(shí)氣體壓力，Pa

T——?dú)怏w初始溫度，K

R——為氣體常數(shù)，J/（kg·K）

k——多變指數(shù)

由式（1） 可知，在其他條件相同的情況下，壓縮單位質(zhì)量氣體所消耗的功隨著吸氣溫度的升高而增加，因此在可允許的范圍內(nèi)降低空螺桿壓機(jī)的進(jìn)氣溫度可以降低空壓機(jī)的能耗[5-6]。隨著進(jìn)氣溫度的增加空壓機(jī)的排氣量將減少，據(jù)統(tǒng)計(jì)，空氣壓縮機(jī)進(jìn)氣溫度每增加10℃，空壓機(jī)的實(shí)際排氣量會(huì)減少2%～4%。但是，若螺桿空壓機(jī)的進(jìn)氣溫度過低會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)內(nèi)部潤(rùn)滑油粘度增大，壓縮機(jī)氣動(dòng)損失變大，且當(dāng)空壓機(jī)進(jìn)氣溫度過低時(shí)，空壓機(jī)的比功率較大能效水平較低。因此在針對(duì)空壓機(jī)進(jìn)氣溫度應(yīng)該控制在合理的范圍內(nèi)，避免進(jìn)氣溫度過低或過高對(duì)空壓機(jī)能效的影響，以保持空壓機(jī)的高效節(jié)能運(yùn)行。

2.2 吸氣濕度對(duì)螺桿空壓機(jī)的影響

若空壓機(jī)運(yùn)行過程中吸氣濕度過高，潤(rùn)滑油中易摻混壓縮過程析出的水分，會(huì)造成潤(rùn)滑油功效降低，加速螺桿和管道閥件的磨損，降低設(shè)備的使用效率，且凝結(jié)的水蒸汽會(huì)對(duì)機(jī)器產(chǎn)生較大的腐蝕，導(dǎo)致空壓機(jī)中的設(shè)備和組成部件生銹，縮短使用壽命。

螺桿空壓機(jī)在不同的進(jìn)氣濕度下能耗也不同。假設(shè)氣體壓縮在瞬間完成且不產(chǎn)生相變，壓縮過程可近似為等熵絕熱壓縮，干、濕空氣絕等熵絕熱壓縮p-V圖[7-8]如圖1所示。

在壓力相同的情況下，濕空氣的密度相對(duì)于干空氣較小，進(jìn)行等熵絕熱壓縮時(shí)，濕空氣所做的膨脹功大于干空氣所做的膨脹功，圖1中，2-3過程為濕空氣的壓縮過程，1-4過程為干空氣的壓縮過程，1-2-3-4所包圍的面積即為膨脹功的差值，膨脹功差值Δw計(jì)算如式（2） 所示[9]

式中 Δw——膨脹功的差值，kJ

T——?dú)怏w的初始溫度，K

p1——?dú)怏w初始?jí)毫?，Pa

p2——壓縮終了時(shí)氣體壓力，Pa

k——?dú)怏w的絕熱指數(shù)

R——?dú)怏w常數(shù)，J/（kg·K）

由于技術(shù)功等于k倍的膨脹功[10]，所以壓縮m（kg/h）的濕空氣時(shí)比壓縮同等質(zhì)量的干空氣相比多消耗的壓縮功如式（3） 所示

由式（2）、（3） 可知，在等熵絕熱壓縮過程中，隨著吸氣濕度的升高所消耗的壓縮功也會(huì)增加，因此，在螺桿空壓機(jī)運(yùn)行時(shí)使用各種除濕方法降低空壓機(jī)的吸氣濕度可以使空壓機(jī)的能耗保持在較低水平。

3 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方案

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)中空壓機(jī)樣機(jī)為一臺(tái)工頻噴油螺桿式空壓機(jī)和一臺(tái)變頻噴油螺桿式空壓機(jī)，通過所設(shè)計(jì)的空壓站測(cè)量系統(tǒng)，采集空壓機(jī)運(yùn)行時(shí)各空壓機(jī)參數(shù)、管道氣體流量、空壓機(jī)輸入功率、進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣濕度等數(shù)據(jù)?？諌簷C(jī)的具體參數(shù)如下：

1#：22 kW噴油螺桿變頻空壓機(jī)

加載壓力：0.6 MPa；卸載壓力：0.8 MPa，額定功率：22 kW；頻率范圍：30～50 Hz。

排氣量：3.6 m3/min；驅(qū)動(dòng)方式：電機(jī)驅(qū)動(dòng)、帶傳動(dòng)；壓縮級(jí)數(shù)：?jiǎn)渭?jí)。

2#：22 kW噴油螺桿工頻空壓機(jī)

加載壓力：0.6 MPa；卸載壓力：0.8 MPa；額定功率：22 kW；排氣量：3.6 m3/min

驅(qū)動(dòng)方式：電機(jī)驅(qū)動(dòng)、帶傳動(dòng)；壓縮級(jí)數(shù)：?jiǎn)渭?jí)。

3.2 實(shí)驗(yàn)方案

“比能量[11]（kW·h/m3）”是衡量空壓機(jī)能耗的重要指標(biāo)，它表示輸出單位體積壓縮空氣機(jī)組所消耗的平均電量。空壓機(jī)的比能量受空壓機(jī)類型、吸氣參數(shù)、出氣壓力等因素的影響，比能量值越小，產(chǎn)生單位體積壓縮空氣所消耗的電量越低，空壓機(jī)能效越高。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量不同溫、濕度下空壓站運(yùn)行時(shí)的參數(shù)，并計(jì)算空壓站的比能量，空壓機(jī)的比能量Φ，可由空壓機(jī)總際容積流量與空壓機(jī)輸入功率計(jì)算所得

空壓機(jī)總實(shí)際容積流量QZ1由測(cè)得的標(biāo)況下總產(chǎn)氣量QZ換算得來，如式（5） 所示

式中QZ1——空壓機(jī)組總實(shí)際容積流量，m3/min

p0——標(biāo)況下大氣壓力，kPa

QZ——標(biāo)況下單位時(shí)間內(nèi)氣體體積，Nm3/min

T0——標(biāo)況下氣體溫度，K

p——當(dāng)?shù)卮髿鈮毫Γ琸Pa

T——空壓機(jī)進(jìn)氣溫度，K

Φ——空壓機(jī)進(jìn)氣相對(duì)濕度，RH

ps——水在進(jìn)氣溫度下的飽和蒸汽壓力，kPa

分別對(duì)工頻空壓機(jī)及變頻空壓機(jī)進(jìn)行運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，管網(wǎng)壓力范圍為0.3～0.8 MPa，分別測(cè)試不同管網(wǎng)壓力下空壓機(jī)運(yùn)行的參數(shù)。通過使用加濕器及電加熱器改變空壓機(jī)進(jìn)氣口環(huán)境的溫、濕度。進(jìn)行不同濕度工況的實(shí)驗(yàn)時(shí)，進(jìn)氣溫度維持在15℃，進(jìn)氣相對(duì)濕度分別為45%、55%、65%、75%、85%、95%。進(jìn)行不同溫度工況下的實(shí)驗(yàn)時(shí)，進(jìn)氣濕度保持為45%，進(jìn)氣溫度分別為10℃、15℃、20℃、25℃、30℃，溫度的誤差范圍為±0.5℃，測(cè)量記錄不同溫、濕度環(huán)境下空壓機(jī)的運(yùn)行參數(shù)。

圖1 干、濕空氣等熵絕熱壓縮p-V圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

通過測(cè)量不同工況下空壓機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，計(jì)算空壓機(jī)的比能量Φ，通過比能量值的大小衡量壓縮機(jī)的能耗情況，不同吸氣參數(shù)下空壓機(jī)的比能量曲線圖如圖2～5所示：其中圖3和圖4為變頻空壓機(jī)在不同溫、濕度工況下比能量曲線圖，圖2和圖5為變頻空壓機(jī)在不同溫、濕度工況下比能量曲線圖。

由圖2、3可知，當(dāng)吸氣溫度相同時(shí)，不同管網(wǎng)壓力下，空壓機(jī)的比能量均隨著進(jìn)氣濕度的增加而增大，其中，當(dāng)工頻空壓機(jī)的相對(duì)濕度從45%上升到95%時(shí)，空壓機(jī)的平均能耗增加了2.83%，相對(duì)濕度每提高10%時(shí)，生產(chǎn)1 m3的壓縮空氣耗電量將增0.000789 kW·h，能耗增加0.56%。當(dāng)變頻空壓機(jī)的相對(duì)濕度從45%上升到95%時(shí)，空壓機(jī)的平均能耗增加了1.56%，相對(duì)濕度每提高10%時(shí)，生產(chǎn)1 m3的壓縮空氣耗電量將增0.000443 kW·h，能耗增加0.31%。管網(wǎng)壓力為0.8 MPa時(shí)比能量相對(duì)于壓力為0.6 MPa時(shí)增加了1.54%。因此，在管網(wǎng)壓力滿足用戶需求的前提下應(yīng)盡量減少管網(wǎng)壓力，并且空壓運(yùn)行時(shí)應(yīng)使用干燥器等除濕設(shè)備以減小空壓機(jī)的吸氣濕度。

由圖4、5可知，空壓機(jī)進(jìn)氣濕度相同時(shí)，當(dāng)環(huán)境溫度10℃＜T＜30℃時(shí)，空壓機(jī)總體能效水平隨進(jìn)氣溫度的升高而升高，其中吸氣溫度從10℃上升到30℃時(shí)，工頻空壓機(jī)平均能耗水平降低了8.48%，溫度每升高1℃，生產(chǎn)1 m3的壓縮空氣機(jī)組耗電量將減少0.00059 kW·h，能耗降低0.42%，當(dāng)變頻壓縮機(jī)的吸氣溫度從10℃上升到30℃時(shí)，變頻空壓機(jī)平均能耗水平降低了8.89%，溫度每升高1℃，生產(chǎn)1 m3的壓縮空氣機(jī)組耗電量將減少0.00063 kW·h，能耗降低0.44%。當(dāng)空壓機(jī)吸氣溫度30℃＜T＜45℃（45℃為空壓機(jī)最高工作環(huán)境溫度）時(shí)，空壓機(jī)能效水平隨著吸氣溫度的升高而急劇下降，吸氣溫度從30℃上升到35℃時(shí)，工頻空壓機(jī)的平均能耗增加了7.58%，溫度每升高1℃，生產(chǎn)1 m3的壓縮空氣機(jī)組耗電量將增加0.00194 kW·h，變頻空壓機(jī)的平均能耗增加了3.51%，溫度每升高1℃，生產(chǎn)1 m3的壓縮空氣機(jī)組耗電量將增加0.000907 kW·h。因此，空壓機(jī)的進(jìn)氣溫度過高或者過低都會(huì)使空壓機(jī)的能耗增加，空壓機(jī)的吸氣溫度控制的合理范圍應(yīng)該在18～30℃。

圖2 不同濕度下工頻空壓機(jī)比能量圖

圖3 不同濕度下變頻空壓機(jī)比能量圖

圖4 不同溫度下變頻空壓機(jī)比能量圖

圖5 不同溫度下工頻空壓機(jī)比能量圖

5 結(jié)論

吸氣參數(shù)的變化對(duì)空壓機(jī)的能耗有較大的影響，本文通過測(cè)量在不同溫、濕度環(huán)境下螺桿空壓機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，分析吸氣參數(shù)對(duì)空壓機(jī)能耗的影響，對(duì)所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可得到如下結(jié)論：

（1） 壓縮空氣是一種生產(chǎn)成本很高的動(dòng)力能源，在企業(yè)內(nèi)部總量中，壓縮空氣系統(tǒng)的電能消耗占10%～35%，應(yīng)積極采取措施降低壓縮空氣在生產(chǎn)過程中的能耗。

（2） 空壓機(jī)的能耗水平與機(jī)組進(jìn)氣濕度有密切關(guān)系，當(dāng)機(jī)組進(jìn)氣溫度不變時(shí)，進(jìn)氣相對(duì)濕度越高，空壓機(jī)平均能耗越高，進(jìn)氣相對(duì)濕度每提高10%，工頻空壓機(jī)的平均能耗增加能耗提升0.56%，變頻空壓機(jī)的平均能耗增加0.31%。在進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)時(shí)，應(yīng)使用冷凍干燥機(jī)等除濕設(shè)備減少空壓機(jī)組的進(jìn)氣濕度。

（3） 空壓機(jī)運(yùn)行時(shí)進(jìn)氣溫度過高或過低都會(huì)降低空壓機(jī)的能效水平?？諌簷C(jī)運(yùn)行時(shí)進(jìn)氣溫度需保持在一個(gè)合適的范圍之內(nèi)以保證空壓機(jī)的高效運(yùn)行，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及理論分析可以得出空壓機(jī)高效運(yùn)行時(shí)溫度范圍應(yīng)保持在18～30℃。