關(guān)于氣源系統(tǒng)中空氣壓縮機(jī)組選型方案的分析

裴一哲，王云龍，劉翔宇

（中國航空規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京 100120）

對于航空發(fā)動(dòng)機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)三大部件，除壓氣機(jī)外，在燃燒室和渦輪（透平）的各項(xiàng)試驗(yàn)中，均需要使用一路或者多路壓縮空氣用于給試驗(yàn)件提供模化或真實(shí)的工作環(huán)境，獲得試驗(yàn)件內(nèi)部的氣動(dòng)熱力特性，驗(yàn)證部件性能是否滿足設(shè)計(jì)需求。壓縮空氣的供應(yīng)能力是衡量場所試驗(yàn)?zāi)芰Φ囊粋€(gè)較為直觀的標(biāo)尺。隨著我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)兩大行業(yè)的蓬勃發(fā)展，各場所對航空發(fā)動(dòng)機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)的試驗(yàn)?zāi)芰μ岢隽巳找鎳?yán)苛的需求，究其根本，便是對氣源系統(tǒng)的供氣能力提出了大流量、高壓力、高溫度的需求。

然而，為了供應(yīng)大流量、高壓力的壓縮空氣，氣源系統(tǒng)需要消耗大量的能源，原因主要為以下兩個(gè)方面：（1）由于壓縮機(jī)單級的壓比低，將大流量的空氣壓縮至高壓需要進(jìn)行多級壓縮，則耗電量大，為兆瓦級別，同時(shí)需要消耗大量的循環(huán)水冷卻壓縮機(jī)組和級間的壓縮空氣。（2）受壓縮機(jī)性能曲線限制，單機(jī)流量調(diào)節(jié)范圍約為設(shè)計(jì)點(diǎn)流量的70%～100%，多機(jī)組流量調(diào)節(jié)范圍由并聯(lián)情況確定，難以滿足不同試驗(yàn)器在不同工況下對壓縮空氣流量的需求。若某個(gè)試驗(yàn)工況點(diǎn)處于多機(jī)組流量調(diào)節(jié)范圍外，出現(xiàn)壓縮空氣流量的供需不匹配，則只能通過大流量放氣方式匹配用氣需求，導(dǎo)致大量能源浪費(fèi)。因此，在氣源系統(tǒng)各型空氣壓縮機(jī)組選型（設(shè)計(jì)點(diǎn)壓力及流量）時(shí)，應(yīng)著重考慮降低氣源系統(tǒng)在各試驗(yàn)工況用氣需求下的能源消耗。

需要說明的是，壓縮空氣溫度調(diào)節(jié)的實(shí)現(xiàn)方式是在空壓機(jī)組再行串聯(lián)后冷器或空氣加熱器實(shí)現(xiàn)，溫度調(diào)節(jié)精度約為±5℃，基本上可以認(rèn)為是無極調(diào)節(jié)，同時(shí)，加熱器內(nèi)壓縮空氣壓力損失較小，基本不存在能源浪費(fèi)的情況。因此，本文不對后冷器或空氣加熱器的選型進(jìn)行分析，僅針對壓縮機(jī)組的選型原則進(jìn)行分析。

1 氣源系統(tǒng)壓縮機(jī)組選型原則

氣源系統(tǒng)中空氣壓縮機(jī)組的選型應(yīng)根據(jù)各試驗(yàn)器所需壓縮空氣壓力和流量的范圍確定，通過串聯(lián)或并聯(lián)不同空壓機(jī)組的來滿足各試驗(yàn)器壓縮空氣的壓力與流量需求。在保證氣源系統(tǒng)實(shí)用性及可擴(kuò)展性的基礎(chǔ)上，應(yīng)著重考慮氣源系統(tǒng)整體能源消耗，盡可能通過優(yōu)化空壓機(jī)組配置實(shí)現(xiàn)降低能源消耗?？諌簷C(jī)組選型的原則主要可以總結(jié)為如下幾項(xiàng)：

（1）根據(jù)各試驗(yàn)器各工況點(diǎn)的所需壓縮空氣的壓力，空壓機(jī)組工作壓力的選取應(yīng)保證在大部分工況點(diǎn)下的減壓壓降盡可能低，并可根據(jù)需要分別設(shè)置低壓壓縮機(jī)組及增壓壓縮機(jī)組對空氣進(jìn)行二級壓縮。

（2）根據(jù)各試驗(yàn)器各工況點(diǎn)的所需壓縮空氣的流量，空壓機(jī)組工作流量的選取應(yīng)保證在大部分工況點(diǎn)下的放氣流量盡可能小，并可根據(jù)實(shí)際情況分別設(shè)置大流量主流壓縮機(jī)組以及小流量次流壓縮機(jī)組。

（3）試驗(yàn)器主流、次流管路分開設(shè)置，通過不同的空壓機(jī)組供應(yīng)主流次流供氣，有利于快速調(diào)節(jié)所需壓縮空氣的流量及壓力，避免主流次流之間相互影響。

（4）應(yīng)盡量考慮選擇相同規(guī)格的空壓機(jī)組，增強(qiáng)氣源系統(tǒng)通用性，降低機(jī)組采購成本，同時(shí)便于后期維護(hù)保養(yǎng)。同規(guī)格空壓機(jī)組數(shù)量一般應(yīng)在3～5臺為宜。

（5）由于試驗(yàn)器需求的不確定性，可考慮在供氣能力方面預(yù)留一定的裕度。

（6）空壓機(jī)組選型應(yīng)盡可能保證不同用氣工況下壓縮機(jī)組設(shè)備利用率高，減少氣源系統(tǒng)設(shè)備的占地面積。

2 氣源系統(tǒng)壓縮機(jī)組選型分析案例

現(xiàn)以某燃?xì)廨啓C(jī)試驗(yàn)園區(qū)內(nèi)5臺試驗(yàn)器在不同工況下的壓縮空氣用氣需求為例，闡述氣源系統(tǒng)中空氣壓縮機(jī)組選型方案的確定。對于每臺試驗(yàn)器的所有壓縮空氣需求點(diǎn)，在每次試驗(yàn)中需求能夠從最小工況連續(xù)變化到最大工況。圖1為各試驗(yàn)臺在不同工況點(diǎn)下所需壓縮空氣的流量及壓力分布情況。

圖1 各試驗(yàn)器用氣工況點(diǎn)壓力流量分布

根據(jù)圖1中各試驗(yàn)器各工況點(diǎn)壓縮空氣需求的分布情況，可將該園區(qū)內(nèi)試驗(yàn)器的用氣需求分為4類，具體如表1所示。

表1 各試驗(yàn)臺壓縮空氣需求分類

（1）空壓機(jī)組壓力等級的確定。根據(jù)各試驗(yàn)器用氣工況點(diǎn)壓力流量的分布，空壓機(jī)的壓力等級確定為1.0MPa低壓機(jī)組和1.0～4.0MPa增壓機(jī)組。試驗(yàn)器用氣壓力小于1MPa時(shí)僅低壓機(jī)組運(yùn)行，避免由于不必要的增壓導(dǎo)致的能耗增加。試驗(yàn)器用氣壓力大于1MPa時(shí)低壓機(jī)組合增壓機(jī)組串聯(lián)運(yùn)行，可滿足最高4MPa的壓縮空氣需求。

（2）空壓機(jī)組主流次流機(jī)組的確定?？紤]到0～25kg/s流量范圍內(nèi)用氣點(diǎn)較為密集，將該流量區(qū)間劃分為次流，試驗(yàn)器E兩路壓縮空氣同時(shí)使用時(shí)為次流最大公工況，考慮使用3臺12kg/s的1.0MPa低壓機(jī)組并串聯(lián)3臺12kg/s的1.0～4.0MPa增壓機(jī)組提供次流范圍內(nèi)的壓縮空氣用氣需求。

低壓1.0MPa壓縮空氣用氣最大流量在試驗(yàn)器D兩路壓縮空氣同時(shí)使用時(shí)取到，共計(jì)約134kg/s。為提高設(shè)備利用率，在現(xiàn)有3臺12kg/s的次流低壓機(jī)組基礎(chǔ)上，主流低壓機(jī)組仍需要提供流量不小于100kg/s的壓縮空氣，設(shè)置4臺25kg/s的1.0MPa低壓機(jī)組?？紤]到需要約75kg/s的主流高壓壓縮空氣，設(shè)置3臺25kg/s的1.0～4.0MPa增壓機(jī)組，串聯(lián)在3臺低壓機(jī)組后運(yùn)行。

綜上所述，氣源系統(tǒng)壓縮機(jī)組選型為3臺12kg/s 1.0MPa低壓機(jī)組、3臺12kg/s 1.0～4.0MPa增壓機(jī)組、4臺25kg/s 1.0MPa低壓機(jī)組與3臺25kg/s 1.0～4.0MPa增壓機(jī)組，共計(jì)13臺空壓機(jī)。不同流量和壓力的空壓機(jī)通過串并聯(lián)后向各試驗(yàn)器供氣。

3 結(jié)語

本文在通過建立試驗(yàn)器各工況用氣壓力及流量的分布情況，選取放氣量和壓縮機(jī)組利用率作為衡量氣源系統(tǒng)機(jī)組選型在能源消耗以及投資方面是否經(jīng)濟(jì)的依據(jù)，對比不同的空壓機(jī)組選型方案，具有一定的指導(dǎo)意義。下一步工作可進(jìn)一步梳理各試驗(yàn)器的使用頻率及使用時(shí)長，將長時(shí)間和高頻次運(yùn)行的試驗(yàn)器設(shè)計(jì)在多機(jī)組調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，進(jìn)一步降低氣源系統(tǒng)運(yùn)行的能源消耗，提高經(jīng)濟(jì)性。

表2 各試驗(yàn)器供氣策略