雙級螺桿壓縮機節(jié)能效果及其原理分析

任宏權(quán)，冉 鵬，羅吉榮，司 超，張嶠嶠，李析恒

(陜西漢機精密機械股份有限公司，陜西 漢中 723000)

1 引言

在2005年，我國的“十一五”規(guī)劃綱要中就提出要節(jié)能減排，隨著我國持續(xù)采取節(jié)能減排的政策，我國單位GDP的碳排放量呈現(xiàn)進一步下降的趨勢，2020年我國單位GDP的碳排放量約為0.653千克/美元，僅為2005年的四分之一左右。國家主席習(xí)近平同志在2020年9月份的第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上表示，中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，力爭2030年前實現(xiàn)碳達峰，2060年前實現(xiàn)碳中和。至此節(jié)能減排，綠色發(fā)展也必將走上一個新的高度。

2 螺桿壓縮機簡介

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，螺桿壓縮機憑借各種優(yōu)勢，市場占比也呈現(xiàn)出持續(xù)上漲的趨勢。螺桿壓縮機作為“用電大戶”，如何降低其能耗提升產(chǎn)品的性能，制造出更加綠色節(jié)能的螺桿壓縮機也成為各大壓縮機廠家的頭等大事。

當(dāng)下國內(nèi)市場上的螺桿壓縮機主要是指雙螺桿壓縮機，根據(jù)運行方式不同主要可分為干式螺桿壓縮機和噴液螺桿壓縮機，其中噴油螺桿壓縮機因為其結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高等優(yōu)良特點被廣泛應(yīng)用于礦山、化工、冶金等很多領(lǐng)域。

影響螺桿機壓縮機性能的因素有很多，但是螺桿壓縮機主機作為螺桿壓縮機的核心，其性能的優(yōu)劣是螺桿壓縮機節(jié)能的關(guān)鍵，而軸比功率的大小就是評價一臺螺桿壓縮機主機性能優(yōu)劣的一個重要指標。軸比功率是指標準工況下壓縮機主機的實際容積流量qv與壓縮機軸功率P的比值，即

(1)

在同等條件下，軸比功率的數(shù)值越小，則壓縮機主機的性能越好。

由式(1)可以看出，壓縮機主機性能的優(yōu)化主要有兩個方向，即提高實際容積流量qv或降低壓縮機軸功率P。由于受到轉(zhuǎn)子型線等一些技術(shù)的限制，目前國內(nèi)螺桿壓縮機主機制造技術(shù)基本已經(jīng)到了一個瓶頸，很難有較大的提升。當(dāng)前國內(nèi)一些廠家為了達到節(jié)能的目的，在優(yōu)化空壓機整體配置的同時，使用了雙級螺桿壓縮機主機代替原來的單級螺桿壓縮機主機。這樣做雖然提高了制造成本，但是其后期使用成本卻大幅度下降，綜合來看也可以達到為客戶省錢的目的。

3 雙級螺桿壓縮機主機與單級螺桿壓縮機主機性能對比試驗

國產(chǎn)的雙級螺桿壓縮機進入市場已經(jīng)有幾年的時間了，結(jié)合廠家宣傳和用戶體驗來看，它的確比單級螺桿壓縮機更加節(jié)能。壓縮機終端用戶對于雙級螺桿壓縮機的實際節(jié)能效果的認知，都來源于廠家的宣傳數(shù)據(jù)。所以我們需要通過實驗，對比在同等條件下雙級螺桿壓縮機主機和單級螺桿壓縮機主機的主要參數(shù)，根據(jù)測試的結(jié)果來看看雙級螺桿壓縮機的實際節(jié)能效果。

3.1 雙級螺桿壓縮機主機節(jié)能簡介

雙級螺桿壓縮機主機與單級螺桿壓縮機在運行方式上主要區(qū)別有兩點：(1)就是空氣從壓縮機主機的進氣口到排氣口，需要經(jīng)過兩次壓縮才能達到最終所需的壓力，同時每一次壓縮的壓縮比相對于單級螺桿壓縮機主機要低很多，內(nèi)壓比越小壓縮機的運行也就更加穩(wěn)定，內(nèi)泄漏也會減??；(2)雙級螺桿壓縮機主機在兩個壓縮級之間增加了噴油冷卻，降低壓縮氣體的溫度。在壓縮過程的所有可選擇的路徑中，以定溫過程所耗的功最小，定熵過程所耗的功最大，“多級壓縮、中間冷卻”是減少壓縮機耗功的有效方法之一[1]。增加噴油冷卻雖然不能達到定溫壓縮的效果，但是只要給氣體降溫，就可以降低壓縮耗功。

從理論分析的角度來說，在同等條件下雙級螺桿壓縮機主機的確要比單級螺桿壓縮機主機的軸功率更低，但是其具體效果還是需要試驗進行驗證。

3.2 螺桿壓縮機主機性能測試

雙級螺桿壓縮機主機的主體結(jié)構(gòu)可以看做將兩個螺桿壓縮機主機串聯(lián)在一起，其驅(qū)動方式主要有兩種，一種是采用雙電機分別驅(qū)動每一級壓縮機，另一種是使用單電機帶動齒輪箱將動力傳遞到每一級壓縮機。本次測試用的雙級螺桿壓縮機主機結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 實驗用雙級螺桿壓縮機局部剖視圖

根據(jù)等增壓比分配原則，即當(dāng)各單級增壓比相等或者說按照幾何平均均勻分配總增比時，壓縮機的耗功最小[1]。所以需要在設(shè)計的過程中將雙級壓縮機主機的每一級壓縮的內(nèi)壓比εi設(shè)置為3。

本次實驗的目的是找出在同等條件下，兩種螺桿壓縮機主機的實際容積流量qv和壓縮機軸功率P有何變化。

為了使實驗數(shù)據(jù)更加精確，減小其他因素對試驗結(jié)果的干擾。雙級螺桿壓縮機主機的一級壓縮使用和單級螺桿壓縮機主機相同的螺桿轉(zhuǎn)子和輸入轉(zhuǎn)速，兩種螺桿壓縮機主機的理論容積流量同為23.7 m3/min，排氣壓力0.8 MPa。

兩種螺桿壓縮機主機在同一測試臺上面進行測試，都采用電機直連驅(qū)動的方式連接，實驗所用測試臺由合肥通用機械研究院建造。為了數(shù)據(jù)準確可靠，分別制造2種螺桿壓縮機主機各5臺進行測試，并且在每一臺壓縮機主機開機測試約1 h的時候取一組試驗數(shù)據(jù)，試驗結(jié)果如表1所示。

表1 螺桿壓縮機主機測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

3.3 實驗結(jié)果分析

根據(jù)以上試驗數(shù)據(jù)可以看出，在同等條件下雙級螺桿壓縮機主機有以下幾點優(yōu)勢：容積效率更高，排氣量更大，軸比功率更小。

以試驗中使用的2種螺桿壓縮機主機為例，雙級螺桿壓縮機主機的排氣量要比單級螺桿壓縮機主機多1.26 m3/min ，同時雙級螺桿壓縮機主機的軸功率也比單級螺桿壓縮機主機大2.11 kW。但是雙級螺桿壓縮機主機的軸比功率為6.07，單級螺桿壓縮機主機的軸比功率為6.34 ，即在壓縮機其他配置相同的情況下每制造1 m3的壓縮空氣，雙級螺桿壓縮機要比單級螺桿壓縮機耗能少約0.27 kW。

通過試驗數(shù)據(jù)的對比，不僅證明了雙級螺桿壓縮機的確要比單級螺桿壓縮機更加節(jié)能，也驗證了前文中提出的理論。但是雙級螺桿壓縮機具體是如何節(jié)能的，其節(jié)能的原理是什么依舊需要我們通過計算來進一步分析。

4 壓縮機軸功率計算與節(jié)能原理分析

由于螺桿壓縮機的壓縮耗能主要在主機，所以研究絕熱效率就是研究螺桿壓縮機主機的性能。絕熱效率可以理解為空壓機中空氣被壓縮后與前所含能量的比值，體現(xiàn)空壓機壓縮前后能量利用的完善程度。絕熱效率越接近1，說明該空壓機主機的性能越好，反之則空壓機主機的性能較次[3]。

通過上面的試驗可以看出雖然雙級螺桿壓縮機主機的軸功率和實際容積流量都要比單級螺桿壓縮機大，但是軸比功率卻更小。所以我們需要通過試驗中取得壓縮機主機的軸功率等試驗數(shù)據(jù)來計算壓縮機主機的絕熱效率，從絕熱效率的角度來分析雙級螺桿壓縮機為什么比單級螺桿壓縮機更加節(jié)能。

壓縮機的軸功率P可以按下式計算

P=Pad/ηad

(1)

式中Pad——壓縮機的等熵絕熱功率

ηad——壓縮機的絕熱效率

螺桿壓縮機的絕熱效率ηad反映了壓縮機能量利用的完善程度，其數(shù)值依機型和工況的不同有明顯的差別。通過式(1)可以看出，在同等條件下壓縮等量的壓縮空氣即等熵絕熱功率Pad相同的情況下，絕熱效率ηad越高，則壓縮機的最終軸功率P越小。

4.1 單級螺桿壓縮機主機絕熱效率計算

如果被壓縮的氣體可以看做理想氣體來處理，則壓縮機的等熵絕熱功率Pad可以按下式計算[2]

(2)

式中ps——壓縮機的吸氣壓力

pd——壓縮機的排氣壓力

k——被壓縮氣體的等熵指數(shù)

qv——壓縮機的實際容積流量

根據(jù)壓縮機的使用工況來看，可以將本次實驗的壓縮空氣看做理想氣體，由式(2)可得出單級螺桿壓縮機主機的等熵絕熱功率

所以，由式(1)得出單級螺桿壓縮機主機的絕熱效率

ηad=Pad/P=104.93/132.31×100%=79.31%

4.2 雙級螺桿壓縮機主機絕熱效率計算

本次試驗用的雙級螺桿壓縮機可以看做由2個單級螺桿壓縮機主機串聯(lián)，所以雙級螺桿壓縮機主機的等熵絕熱功率也就等于每一級壓縮的等熵絕熱功率相加。試驗用雙級螺桿壓縮機使用的傳動齒輪為5級精度的圓柱斜齒輪，在后面的計算中我們假設(shè)其傳動效率為98%。

首先，由式(2)可得出一級壓縮的等熵絕熱功率

要計算二級壓縮的等熵絕熱功率首先需要算出二級壓縮的實際容積流量，現(xiàn)在已知一級壓縮的內(nèi)壓比εi=3，一級壓縮的實際容積流量為22.32 m3/min，則一級壓縮排出氣體的容積流量可以通過式(3)計算[2]

(3)

式中qv——一級壓縮機實際容積流量

qv1——一級壓縮終了時壓縮機的容積流量

k——被壓縮氣體的等熵指數(shù)

εV——壓縮機的內(nèi)容積比

由式(3)可得出一級壓縮排出氣體的容積流量

上面的計算用的壓縮機主機的實際容積流量，而且在壓縮機主機的2個壓縮級之間沒有其他泄漏點，所以一級壓縮排出氣體的容積流量就可以看做是二級壓縮的實際容積流量。

由式(2)可得出二級壓縮的等熵絕熱功率

雙級螺桿壓縮機主機總的等熵絕熱功率

Pad=Pad1+Pad2=113.08 kW

因為容積流量的不同，壓縮機主機的絕熱效率也會不同。在同等條件下容積流量越大，則壓縮機主機的絕熱效率也越高。本次試驗的目的在于比較兩種螺桿壓縮機主機的絕熱效率，所以我們就通過雙級螺桿壓縮機主機總的等熵絕熱功率來計算雙級螺桿壓縮機主機的絕熱效率，不再分別計算每一個壓縮級的絕熱效率：

所以，由式(1)得出雙級螺桿壓縮機主機的絕熱效率

ηad=Pad/P=113.08/(134.42×0.98)×100%=85.84%

4.3 計算結(jié)果分析

通過計算的結(jié)果可以看出，雙級螺桿壓縮機主機的絕熱效率要比單級螺桿壓縮機主機高大約6.5%，這也就是雙級螺桿壓縮機主機更加節(jié)能的主要原因。

5 結(jié)論

通過對比試驗以及后面的計算分析可以看出以下幾點結(jié)論：

以一臺軸功率132 kW的螺桿壓縮機為例(在同等條件下)。

(1)雙級螺桿壓縮機主機容積效率更高，實際容積流量更高，雙級螺桿壓縮機主機要比單級螺桿壓縮機主機實際容積流量高約4.5%；

(2)雙級螺桿壓縮機主機的軸比功率優(yōu)于單級螺桿壓縮機主機。制造等量的壓縮空氣，雙級螺桿壓縮機要比單級螺桿壓縮機節(jié)能約4.5%，即同樣加載運行1 h雙級螺桿壓縮機要比單級螺桿壓縮機節(jié)省約6.6 kW·h；

(3)雙級螺桿壓縮機主機之所以比單級螺桿壓縮機節(jié)能是因為其絕熱效率更高。