低壓噴油螺桿壓縮機排氣含油量過高的原因分析及如何降低排氣含油量

冉 鵬，羅吉榮，司 超

(陜西漢機精密機械股份有限公司，陜西 漢中 723000)

1 引言

隨著我國國民經(jīng)濟建設(shè)的持續(xù)增長，各類壓縮機的需求量不斷增大，同時也對壓縮空氣的質(zhì)量進一步提高，如何獲得含油量低、潔凈的高品質(zhì)壓縮空氣，是壓縮機行業(yè)和用戶十分關(guān)注的一個課題。

噴油螺桿壓縮機作為一種壓縮空氣制造設(shè)備，具有高效節(jié)能、綠色環(huán)保、故障率低、噪聲小、操作簡便等優(yōu)良特點。但是在低壓(排氣壓力<3bar)環(huán)境下，壓縮空氣中混入的潤滑油氣體微粒很難被有效的分離出來，這就造成油氣分離不徹底，壓縮空氣含油量過高。在一些對于壓縮空氣含油量有嚴格要求應(yīng)用領(lǐng)域，噴油螺桿壓縮機也就被拒之門外，而且潤滑油流失過快也會縮短壓縮機的保養(yǎng)周期，提高壓縮機的使用成本。

2 油氣分離系統(tǒng)簡介

按分離機理的不同，噴油螺桿壓縮機機組中采用兩種不同的油氣分離方法：①機械碰撞法，即依靠油滴自身重力的作用，從氣體中分離較大的油滴。實測表明，對直徑大于1 μm的油滴，都可采用機械碰撞法被有效地分離出來。②親和聚結(jié)法，既通過特殊材料制成的元件，使直徑在1 μm以下的油滴，先聚結(jié)為直徑更大的油滴，然后再分離出來。

現(xiàn)在常見的油氣分離系統(tǒng)通常都有油氣分離桶，油氣分離濾芯和回油管路組成，并且使用最小壓力閥來保證油氣分離桶內(nèi)的壓力。一般情況下，需要將壓縮空氣在進入油氣分離桶之前的流速控制在15～25 m/s之間，壓縮空氣進入油氣分離桶內(nèi)部之后，速度會進一步下降，然后通過內(nèi)桶與外桶不停地碰撞，將壓縮空氣中較大的油滴分離出來，這些油滴會沿著油氣分離桶內(nèi)壁滑落到油氣分離桶底部的潤滑油油池中。噴油螺桿壓縮機排氣溫度通常在80℃以上，所以經(jīng)過一次油氣分離的壓縮空氣中依然含有很多微小的油粒和油蒸汽，這種狀態(tài)下的潤滑油分離難度更大，所以這不僅對油氣分離濾芯的材質(zhì)有特殊要求，壓縮空氣通過油氣分離濾芯的速度也必須控制在<0.7 m/s才行，因為經(jīng)過一次油氣分離的壓縮空氣中所含的潤滑油顆粒都非常微小，在這種情況下壓縮空氣流速越低，分離效果越好。

3 低壓噴油螺桿壓縮機排氣含油量過高的原因分析及解決方案

很多廠家制造低壓噴油螺桿壓縮機時發(fā)現(xiàn)，相對于常壓(排氣壓力8 bar)噴油螺桿壓縮機，采用相同的油氣分離系統(tǒng)時低壓(排氣壓力<3 bar)噴油螺桿壓縮機制備出的壓縮空氣往往含油量遠大于常壓機型。為找出排氣壓力對壓縮空氣含油量的影響，特設(shè)置以下實驗，根據(jù)實驗結(jié)果進行分析，找出低壓噴油螺桿壓縮機壓縮空氣含油量過高的原因。

普通噴油螺桿壓縮機大多用于對壓縮空氣沒有特殊要求的工礦企業(yè)，對于壓縮空氣含油量沒有明確的要求，所以大多數(shù)噴油螺桿壓縮機廠家都是按照固定時間內(nèi)的耗油量或者以壓縮空氣總含油量<5 mg/m3為合格標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)最終計算結(jié)果顯示，這兩種合格標(biāo)準(zhǔn)最終的壓縮空氣含油量相近，所以本文中所有試驗都以壓縮空氣總含油量<5 mg/m3合格標(biāo)準(zhǔn)。但是根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)要求，這種質(zhì)量的壓縮空氣在很多應(yīng)用領(lǐng)域是無法使用的。所以我們本次實驗不僅要找出低壓噴油螺桿壓縮機壓縮空氣含油量過高的原因，而且要找出進一步降低壓縮空氣含油量的方法。

3.1 不同排氣壓力下壓縮空氣含油量測試

本次試驗的目的是找出在油氣分離系統(tǒng)配置相同的情況下，排氣壓力對壓縮空氣含油量的影響。根據(jù)實驗?zāi)康?，我們選取一臺容積流量為10 m3/min噴油螺桿壓縮機，并采用常壓(8 bar)配置的油氣分離系統(tǒng)，該系統(tǒng)由油氣分離桶，油氣分離濾芯和回油管路組成。

首先，我們需要根據(jù)油氣分離設(shè)計經(jīng)驗值，選取合理的油氣分離桶與油細分離器。本次實驗中選取的油氣分離桶進氣口管徑為DN50，進氣口截面積為1.96×10-3m3，油氣分離濾芯中濾紙展開面積約為0.28 m2。本次試驗的測試儀器采用DUSTTRAK-Ⅱ氣溶膠監(jiān)測儀，并且在每個試驗狀態(tài)下取5組數(shù)據(jù)求平均值，以保證試驗數(shù)據(jù)的可靠性。

第一步，把排氣壓力設(shè)置為8 bar，用儀器檢測顯示5次測試的壓縮空氣平均含油量為僅為0.631 mg/m3，見表1，此時的壓縮空氣含油量達到大多數(shù)廠家的合格標(biāo)準(zhǔn)。

表1 排氣壓力8 bar時壓縮空氣含油量

第二步，把排氣壓力設(shè)置為5 bar，此時用儀器檢測顯示5次測試的壓縮空氣平均含油量為1.39 mg/m3，見表2。可以看出，此時的壓縮空氣含油量也滿足大多數(shù)廠家的合格標(biāo)準(zhǔn)，但是相對于排氣壓力為8 bar時增加了約1倍。

表2 排氣壓力5 bar時壓縮空氣含油量

第三步，把排氣壓力設(shè)置為2.5 bar，此時用儀器檢測顯示5次測試的壓縮空氣平均含油量為8.44 mg/m3，見表3。此時的壓縮空氣含油量已經(jīng)超出了大多數(shù)廠家的合格標(biāo)準(zhǔn)。

表3 排氣壓力2.5 bar時壓縮空氣含油量

3.2 實驗結(jié)果分析

通常來說，造成壓縮空氣含油量主要原因有：油氣分離系統(tǒng)中油氣分離元件的損壞，潤滑油變質(zhì)等。但是根據(jù)上述實驗第一步、第二步可以排除以上這些原因，因為在此實驗中影響壓縮空氣含油量的因素只有排氣壓力，其余配置均相同。那么，我們就必須根據(jù)以上的試驗參數(shù)，通過計算去找出低壓環(huán)境下壓縮空氣含油量超標(biāo)的原因。

螺桿壓縮機的內(nèi)壓比εi，是指齒間容積的內(nèi)壓縮終了壓力與吸氣壓力之比。通常壓縮機主機在設(shè)計的時候內(nèi)壓縮終了壓力會略小于排氣壓力，但是為方便計算，我們在設(shè)計試驗過程中讓內(nèi)壓縮終了壓力等于排氣壓力。

(1)

式中pi——內(nèi)壓縮終了壓力

采用SAR雙通道對消技術(shù)對兩通道信號進行處理，可得散射波干擾對消結(jié)果如圖6所示.圖6(a)是采用自動相位搜索算法進行相位估計的補償對消成像，從圖中可以看出虛假散射場景被完全對消，傳統(tǒng)散射波干擾失效.但由于對消后真實目標(biāo)回波信號受調(diào)制項影響，區(qū)域成像沿方位向產(chǎn)生對消暗條紋.圖6(b)為對消結(jié)果的幅度等值線圖，在圖中很難辨別出虛假散射場景的等幅值線，同時在方位向上靠近干擾機的真實目標(biāo)幅度極弱，形成了十分明顯的幅值低谷，進一步驗證了雙通道對消效果和真實目標(biāo)信息損失造成的影響.由式(5)計算可得暗條紋周期約為725m，因此在圖中只能顯示與干擾機同方位向的一條暗條紋.以上仿真結(jié)果均與理論分析一致.

ps——壓縮起始壓力

Vo——壓縮起始時的內(nèi)容積

Vi——壓縮終了時的內(nèi)容積

εv——壓縮機的內(nèi)容積比

k——氣體的等熵指數(shù)(空氣為1.4)

排氣壓力不同會造成的容積效率、噴油量、內(nèi)泄漏等因素的變化，但是這些因素對于計算結(jié)果影響不大且計算過于復(fù)雜，因此在計算時不考慮這些因素，同時在假設(shè)在試驗中這3種排氣壓力下壓縮機的容積效率均為為90%。根據(jù)經(jīng)驗值，壓縮空氣在進入油氣分離桶之前的流速要求是15～25 m/s之間，壓縮空氣進入油氣分離濾芯的速度應(yīng)<0.7 m/s。

由式(1)計算得出，當(dāng)排氣壓力為8 bar時，εv=4.42，則此時排氣口容積流量為2.03 m3/min，可以得出此時壓縮空氣進入油分桶的流速約為17.2 m/s，通過油氣分離濾芯時流速約為0.12 m/s。

當(dāng)排氣壓力為5 bar時，εv=3.16，則此時排氣口容積流量為2.84 m3/min，可以得出此時壓縮空氣進入油分桶的流速約為24.1 m/s，通過油氣分離濾芯時流速約為0.17 m/s。

通過對比以上計算結(jié)果可以看出，當(dāng)使用相同的油氣分離系統(tǒng)時，排氣壓力越低，壓縮空氣進入油氣分離桶的速度會增加，壓縮空氣進入油氣分離桶的速度越高，最終產(chǎn)出的壓縮空氣含油量也越高，當(dāng)壓力低到一定程度時，就會導(dǎo)致壓縮空氣進入油氣分離桶的速度超過其使用要求，最終造成壓縮空氣含油量超標(biāo)。

由此我們可以得出：在同等容積流量下，采用相同的油氣分離系統(tǒng)，排氣壓力越低，壓縮空氣中含油量越高。想要解決這個問題，只需要通過計算壓縮空氣進入油氣分離桶的速度，選用合適型號的油氣分離桶就可以有效降低壓縮空氣含油量。

在此次的試驗中，壓縮空氣的流速都滿足油氣分離濾芯的使用要求，且壓縮空氣進入油分桶的速度也不是固定值，所以在此次實驗中暫時無法看出油氣分離濾芯對壓縮空氣含油量影響有多大。

3.3 低壓噴油螺桿壓縮機含油量解決方案

針對以上試驗以及結(jié)果分析，我們雖然找出了低壓油螺桿壓縮機排氣含油量過高的主要原因，但是無法判斷壓縮空氣通過油氣分離濾芯的速度對壓縮空氣含油量有什么影響，所以我們需要進一步試驗。在相同容積流量下，選用更大型號的油氣分離桶和濾紙展開面積不同的的油氣分離濾芯進行試驗，驗證前面的觀點是否正確，同時找出壓縮空氣通過油氣分離濾芯的速度對含油量的影響。

這次試驗，我們依然使用上面試驗中使用的容積流量為10 m3/min噴油螺桿壓縮機，綜合考慮到空壓機機箱尺寸以及經(jīng)濟效益，我們將油氣分離桶更換為進氣口管徑為DN65的油氣分離桶，進氣口截面積為1.96×10-3m3，同時分別選用濾紙展開面積約為0.41 m2的油氣分離濾芯和第一次試驗使用的展開面積約為0.28 m2的濾紙。因為在上面實驗中，排壓為8 bar、5 bar時，壓縮空氣含油量均達到了合格標(biāo)準(zhǔn)，為簡化流程所以以下試驗僅針對排壓2.5 bar進行。

在試驗之前，先計算以上配置是否合理，由式(1)計算得出，當(dāng)排氣壓力為2.5 bar時，εv=1.92，則此時排氣口容積流量為5.21 m3/min，可以得出此時壓縮空氣進入油分桶的流速約為23.4 m/s，此流速滿足油氣分離桶的要求，說明該配置較為合理，可以進行試驗。

試驗開始：把排氣壓力設(shè)置為2.5 bar，首先使用濾紙展開面積約為0.28 m2的油氣分離濾芯，通過計算可以的得出通過油氣分離濾芯時流速約為0.28 m/s，使用儀器檢測顯示5次測試的壓縮空氣平均含油量為3.68 mg/m3，見表4。此時的壓縮空氣含油量滿足大多數(shù)廠家的合格標(biāo)準(zhǔn)。

表4 濾紙展開面積約為0.28 m2時壓縮空氣含油量

把排氣壓力設(shè)置為2.5 bar，首先使用濾紙展開面積約為0.41 m2的油氣分離濾芯，通過計算可以的得出通過油氣分離濾芯時流速約為0.21 m/s，使用儀器檢測顯示5次測試的壓縮空氣平均含油量為2.36 mg/m3，見表5。此時的壓縮空氣含油量相對使用濾紙展開面積約為0.28 m2的油氣分離濾芯時有明顯的下降。

表5 濾紙展開面積約為0.41 m2時壓縮空氣含油量

本次實驗的結(jié)果不僅驗證了第一次試驗得出的結(jié)論是正確性，在低壓應(yīng)用的環(huán)境中，只要將壓縮空氣進入油氣分離桶的速度控制在合理的范圍內(nèi)，就可以有效降低壓縮空氣的含油量。同時，通過試驗對比我們可以看出：在同等條件下，油氣分離濾芯的展開面積越小，壓縮空氣通過油氣分離濾芯的流速越高，則最終得到的壓縮空氣中含油量越高。

4 降低噴油螺桿壓縮機排氣含油量

在前面的試驗中，我們通過改變油氣分離系統(tǒng)的配置來解決壓縮空氣含油量過高的問題，可以保證噴油螺桿壓縮機無論在高壓還是低壓使用環(huán)境中都能保證滿足出廠標(biāo)準(zhǔn)。但是在一些對于壓縮空氣含油量有嚴格要求應(yīng)用領(lǐng)域，噴油螺桿壓縮機的排氣含油量依然達不到國家標(biāo)準(zhǔn)要求。為了達到更好的過濾效果，獲得含油量更低、更潔凈的高品質(zhì)壓縮空氣。我們將通過分析，合理改進油氣分離系統(tǒng)進行試驗，找出降低壓縮空氣含油量的方法。

4.1 油氣分離系統(tǒng)配置

想要進一步降低壓縮空氣含油量，首先必須分析壓縮空氣中所含的潤滑油的物理狀態(tài)，針對潤滑油的物理狀態(tài)進行合理配置，將潤滑油分離出來。常規(guī)噴油螺桿壓縮機最終排出壓縮空氣中所含的油都是直徑1 μm以下的微小油滴，以及氣態(tài)的油蒸汽，這種狀態(tài)下的潤滑油只有使用油氣分離濾芯才能將其從壓縮空氣中分離出來。所以我們只需要在常規(guī)配置的油氣分離系統(tǒng)內(nèi)部再增加一層油氣分離濾芯和回油管路，這樣可以對壓縮空氣再進行一次過濾，可以有效降低壓縮空氣的含油量。

新配置的油氣分離系統(tǒng)是一種三層過濾油氣分離系統(tǒng)，該油氣分離系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。雖然在理論上來說，油氣分離濾芯過濾層數(shù)越多，則最終過濾效果越好，但是過濾層數(shù)越多零件的加工制造難度也會增加很多，并且更多的油氣分離濾芯在油氣分離桶內(nèi)的空間也無法排布。多以使用雙層油氣分離濾芯是目前較為合理的一種選擇。

圖1 三層過濾油氣分離系統(tǒng)示意圖

為了驗證以上理論的正確性以及實際油氣分離效果如何，我們需要進行第3次試驗，本次試驗依然采用容積流量為10 m3/min的噴油螺桿壓縮機，并且將排氣壓力設(shè)置為2.5 bar，因為前面試驗已經(jīng)得出：在同等配置下，排氣壓力越低則壓縮空氣含油量越高，所以只需要針對低壓進行試驗，就可以看出三層過濾油氣分離系統(tǒng)的油氣分離能力。

試驗開始，將排氣壓力設(shè)置為2.5 bar，為保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，本次試驗取5組數(shù)據(jù)，見表6?？梢钥闯?，使用三層過濾油氣分離系統(tǒng)之后，5次測試壓縮空氣平均含油量為0.038 mg/m3，最高含油量為0.058 mg/m3。

表6 三層過濾后的壓縮空氣含油量

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T13277-91，本次試驗當(dāng)壓縮空氣的含油量小于0.1 mg/m3，已經(jīng)達到國家標(biāo)準(zhǔn)中含油量等級2級要求，這個等級的壓縮空氣除了食品飲料加工，噴漆等極少的行業(yè)之外，其余大部分應(yīng)用環(huán)境下都是可以使用的。

通過以上試驗可以看出，增加一層油氣分離濾芯可以有效降低壓縮空氣含油量。雖然在油氣分離桶內(nèi)部增加油氣分離濾芯會遇到裝配空間不足、裝配難度過大等問題，但是考慮增加外部過濾系統(tǒng)這樣也可以進一步降低壓縮空氣含油量。本次試驗的目的是找出怎么改進現(xiàn)有油氣分離系統(tǒng)可以降低壓縮空氣含油量，上面的試驗已經(jīng)可以得出結(jié)論，所以就不再進行進一步降低壓縮空氣含油量的試驗。

5 結(jié)論

綜合以上所有試驗可以看出：

(1)使用同等配置的油氣分離系統(tǒng)，噴油螺桿壓縮機排壓越低，則壓縮空氣的含油量越高。

(2)同等容積流量的壓縮機在配置油氣分離系統(tǒng)時，隨著排氣壓力的變化，需要根據(jù)計算選用合理的油氣分離桶。

(3)合理增加油氣分離系統(tǒng)中油氣分離濾芯的層數(shù)可以有效降低壓縮空氣的含油量。