文中結(jié)論提煉：

? 按國(guó)標(biāo)能效標(biāo)準(zhǔn)，某些機(jī)型單級(jí)壓縮幾乎“不可能”達(dá)到，而只能通過(guò)“兩級(jí)壓縮”才有可能達(dá)成。

? 隨著機(jī)組功率的增加，在目前螺桿空壓機(jī)設(shè)計(jì)與制造水平下，某些絕熱效率要求在單級(jí)壓縮空壓機(jī)中幾乎“不可能達(dá)到”。

? 兩級(jí)壓縮中間冷卻的空氣壓縮方式具有明顯的能效優(yōu)勢(shì)。

? 2級(jí)壓縮對(duì)各排氣壓力及機(jī)組功率下主機(jī)均有大幅改善，相同能效下絕熱效率需求降低10%~15%，且效果隨著壓比提高和機(jī)組大型化有增大的趨勢(shì)。更為重要的是，針對(duì)已經(jīng)很高的絕熱效率（如在7bar 和12.5bar 大功率機(jī)組中），進(jìn)一步提高效率難度很大，因此采用兩級(jí)壓縮是提高機(jī)組能效的最佳方法。

基于噴油螺桿空壓機(jī)國(guó)標(biāo)能效限定值的兩級(jí)壓縮性能分析

作者:趙兆瑞、陳文卿、唐昊、邢子文

(西安交通大學(xué)、西安交通大學(xué)蘇州研究院)

摘要:GB19153-2009規(guī)定的一級(jí)能效限定值進(jìn)行分析，計(jì)算空壓機(jī)主機(jī)絕熱效率，尋找其變化趨勢(shì)，并對(duì)比單級(jí)壓縮與雙級(jí)壓縮的計(jì)算結(jié)果，給出機(jī)組功率與單、雙級(jí)選擇的判定依據(jù)。同時(shí)，文中還對(duì)進(jìn)氣溫度與級(jí)間冷卻效果對(duì)計(jì)算的影響，以及雙級(jí)壓縮中間壓力的實(shí)際確定進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

▎引言

 GB 19153-2009 《容積式空氣壓縮機(jī)能效限定值及能效等級(jí)》是2009 年12 月1 日起實(shí)施的針對(duì)容積式空壓機(jī)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)空壓機(jī)的能效等級(jí)、能效限定值、目標(biāo)能效限定值、節(jié)能評(píng)價(jià)值、試驗(yàn)方法和檢驗(yàn)規(guī)則進(jìn)行了具體的規(guī)定，對(duì)近年來(lái)空壓機(jī)產(chǎn)品的研發(fā)和企業(yè)的發(fā)展方向有指向性的作用。

該標(biāo)準(zhǔn)中僅對(duì)空壓機(jī)機(jī)組整體的輸入功率進(jìn)行要求，并未對(duì)空壓機(jī)主機(jī)、流動(dòng)損失和換熱效果提供指導(dǎo)性建議。同時(shí)，其所規(guī)定的能效限定值往往無(wú)法通過(guò)單機(jī)壓縮達(dá)到，需要借由兩級(jí)壓縮完成，但如何判斷兩級(jí)壓縮的必要性、級(jí)間冷卻效果的要求以及兩級(jí)壓比的分配等問(wèn)題依然沒(méi)有針對(duì)性的理論與實(shí)踐支持。

針對(duì)國(guó)標(biāo)中的要求，已有研究進(jìn)行了相關(guān)討論，如文獻(xiàn)[1] 對(duì)機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)中噴油螺桿空壓機(jī)的能效限定值取值合理性進(jìn)行了分析，指出部分缺陷；文獻(xiàn)[2] 對(duì)國(guó)標(biāo)中螺桿空壓機(jī)機(jī)組效率進(jìn)行了相關(guān)分析；文獻(xiàn)[3] 對(duì)電動(dòng)機(jī)效率對(duì)整機(jī)的能耗影響進(jìn)行了分析；文獻(xiàn)[4]、[5] 則涉及部分對(duì)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)實(shí)際絕熱效率的測(cè)試數(shù)據(jù)。

然而，現(xiàn)有研究依然沒(méi)有提出針對(duì)國(guó)標(biāo)能效要求的具體解決方案，即如何達(dá)到1 級(jí)能效限定值的螺桿空壓機(jī)設(shè)計(jì)思路。

本文針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)中的能效限定值進(jìn)行分析，分別對(duì)單級(jí)壓縮和兩級(jí)壓縮機(jī)組計(jì)算相關(guān)的主機(jī)絕熱效率，并對(duì)兩級(jí)壓縮的壓比分配和級(jí)間冷卻效果設(shè)計(jì)提供可行性的建議，旨在為螺桿空壓機(jī)產(chǎn)品提供合理的設(shè)計(jì)指導(dǎo)。 

▎能效國(guó)標(biāo)限定值概述

根據(jù)國(guó)標(biāo)中的定義，比功率是“在額定工況下，空壓機(jī)機(jī)組的輸入功率與空壓機(jī)實(shí)際容積流量之比值，單位為千瓦每立方米[kW/(m3/min)]”，而額定工況根據(jù)JB/T6430 所規(guī)定的螺桿空壓機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)工況，即： 

吸氣壓力：0.1 MPa （絕對(duì)壓力）

 吸氣溫度：20 ℃ 

吸氣相對(duì)濕度：0% 

國(guó)標(biāo)給出了在4 種不同排氣壓力下，從2.2 kW到630 kW 功率段螺桿空壓機(jī)各級(jí)能效所需滿足的最大比功率，圖1 所示為1 級(jí)能效螺桿空壓機(jī)在不同排氣壓力與機(jī)組功率條件下的比功率限定值。

由圖1 可以看出，隨著排氣壓力的提高，比功率限定值有明顯的提高；而隨著機(jī)組功率的不斷增大，比功率限定值以近乎線性的趨勢(shì)下降。

由此可見，國(guó)標(biāo)能效值對(duì)大功率機(jī)組有更為苛刻的要求；而由于排氣壓力的增高必然需求更多的能量消耗，比功率限定值必然會(huì)隨著壓比的增高而增高。

▎單級(jí)壓縮機(jī)組主機(jī)效率分析

上述對(duì)國(guó)標(biāo)能效限定值的分析，只能從定性角度看出比功率變化的趨勢(shì)，無(wú)法定量判斷其對(duì)各個(gè)部件的要求，而其中壓縮機(jī)主機(jī)的絕熱效率無(wú)疑是最為重要的一項(xiàng)。

為了確定達(dá)到能效限定值必要的主機(jī)效率，需要從比功率中剔除電機(jī)效率損耗、傳動(dòng)效率損失、吸氣壓降損失、排氣損失，并與同壓比下的絕熱壓縮過(guò)程耗功對(duì)比，以百分比的形式確定主機(jī)效率。基于常見螺桿空壓機(jī)的絕熱效率經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以基本判斷在一定壓比與功率情況下，實(shí)現(xiàn)一級(jí)能效的可能性。

3.1 絕熱效率計(jì)算過(guò)程

3.1.1 電機(jī)效率與傳動(dòng)效率的影響

GB 18613-2012 《中小型三相異步電動(dòng)機(jī)能效限定值及能效等級(jí)》中給出了不同轉(zhuǎn)速、不同功率電機(jī)各級(jí)能效限定值。為提高整體系統(tǒng)效率，此處全部選取1 級(jí)能效電機(jī)進(jìn)行計(jì)算，并設(shè)定4級(jí)電機(jī)為標(biāo)準(zhǔn)參照。

 

對(duì)于傳動(dòng)效率，小于45 kW 機(jī)組按97%取值，大于或等于55 kW 機(jī)組按99%取值。

3.1.2 吸排氣壓力損失的影響

 

基于對(duì)吸排氣壓力損失的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)取值，本文進(jìn)行如下設(shè)定：

 

20 kW 以下機(jī)型，吸氣壓力損失600 Pa；

20~90 kW 機(jī)型，吸氣壓力損失800 Pa；

90 kW 以上機(jī)型，吸氣壓力損失1000 Pa；

排氣壓力損失以排氣壓力的4%計(jì)算。

 

3.1.3 絕熱效率計(jì)算

 

由壓縮機(jī)理論，可逆的絕熱過(guò)程可以如公式

（1）       計(jì)算絕熱壓縮功率

對(duì)于國(guó)標(biāo)限定的螺桿空壓機(jī)，進(jìn)氣壓力為1atm，空氣的絕熱指數(shù)κ=1.4。

實(shí)際壓縮過(guò)程中，吸排氣壓力損失將引起空壓機(jī)壓比與工況變化。吸氣壓損將降低主機(jī)進(jìn)氣壓力，進(jìn)而在排氣壓力確定的情況下增大壓縮機(jī)壓比，消耗更多的軸功率。因此，實(shí)際吸氣壓力需要按標(biāo)準(zhǔn)工況壓力減去進(jìn)氣損失引起的壓降計(jì)算得到。

同樣的，排氣壓力損失也將引起主機(jī)排氣壓力上升，提高壓比，增加功耗，因此在實(shí)際排氣壓力確定中需要考慮4%的排氣壓力損失，將損失預(yù)先扣除來(lái)設(shè)計(jì)主機(jī)壓比，保證系統(tǒng)出口壓力。

 

機(jī)組理論輸入電比功率計(jì)算公式：

 

 

依照如上計(jì)算方法，對(duì)排氣壓力分別為7bar、8bar、10bar、12.5bar 的空壓機(jī)機(jī)組進(jìn)行主機(jī)絕熱效率計(jì)算，進(jìn)而分析不同排氣壓力機(jī)組絕熱效率的需求，以及其隨機(jī)組功率大小的變化趨勢(shì)。

絕熱效率計(jì)算公式：

 3.2 結(jié)果與分析

 

表1列出了1級(jí)能效下不同壓比與功率空壓機(jī)機(jī)組的絕熱效率。

 

圖2給出了4種不同壓比工況下，1級(jí)能效螺桿空壓機(jī)主機(jī)所必須具備的絕熱效率。

 

由圖中可以看出，各壓比機(jī)組主機(jī)效率隨主機(jī)功率大小階梯型上升，與空壓機(jī)輸入功率形成近線性正相關(guān)關(guān)系。可見在對(duì)主機(jī)絕熱效率的要求上，國(guó)標(biāo)對(duì)大功率機(jī)組也要更為苛刻。

然而，隨著機(jī)組功率的增加，在目前螺桿空壓機(jī)設(shè)計(jì)與制造水平下，某些絕熱效率要求在單級(jí)壓縮空壓機(jī)中幾乎“不可能達(dá)到” （如某些絕熱效率超過(guò)95%的機(jī)組），甚至一些中小型機(jī)組對(duì)主機(jī)設(shè)計(jì)與加工工藝的要求也較難滿足，需要從其他角度考慮機(jī)組整體效率提升的方法。

針對(duì)這一問(wèn)題，可以采用兩級(jí)壓縮中間冷卻的方式進(jìn)行機(jī)組設(shè)計(jì)，從理論上減小主機(jī)能耗，提高絕熱效率，以求達(dá)到相關(guān)比功率限定值，提高能效等級(jí)。

 

▎兩級(jí)壓縮機(jī)組主機(jī)效率分析

 

兩級(jí)壓縮中間冷卻的空氣壓縮方式具有明顯的能效優(yōu)勢(shì)。

 

其相對(duì)一級(jí)壓縮，能有效降低二級(jí)壓縮入口溫度，降低功耗。同時(shí)利用兩級(jí)壓縮低壓比、排氣溫度低等優(yōu)勢(shì)，減小泄漏損失，提高容積效率，降低后冷卻器及油冷卻器壓力，都有助于提高系統(tǒng)能效。

 

4.1 中間壓比的確定

在以往的熱力學(xué)理論及壓縮機(jī)技術(shù)，對(duì)于中間壓比通常采用“多級(jí)均勻分配”的方法，即保證每一級(jí)壓縮的壓比相同。此種分配方法在理論上能夠達(dá)到最低的功耗，提高效率，然而在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中存在以下兩點(diǎn)不同：

①吸氣壓降與排氣壓力損失對(duì)壓比的影響

 

由于在壓縮機(jī)實(shí)際工作過(guò)程中，必然存在吸、排氣壓力損失，導(dǎo)致壓縮機(jī)主機(jī)工況與壓比與理論設(shè)計(jì)存在偏差。這不僅增大了其功耗，且在變化工況的情況下，最優(yōu)中間壓力將產(chǎn)生滑移。

②中間冷卻效果對(duì)中間壓力的影響

在理論分析過(guò)程中，往往將中間冷卻視為最大化效果，即將二級(jí)進(jìn)氣溫度降至室溫，忽略換熱器換熱溫差。但這在實(shí)際操作過(guò)程中無(wú)法達(dá)到，這也將很大程度上影響最優(yōu)壓比分配。

 

本文將基于上文提到的吸排氣損失以及不完全級(jí)間冷卻，針對(duì)螺桿空壓機(jī)兩級(jí)壓縮計(jì)算最佳壓比。

 

兩級(jí)壓縮理論總功耗可以通過(guò)如下公式計(jì)算：

利用式(5)、(6)即可求得兩級(jí)壓縮的最佳中間壓力與功耗?？紤]到換熱溫差15℃，此處T1 以20℃、T2 以35 ℃代入計(jì)算。

計(jì)算結(jié)果表明，各排氣壓力機(jī)組具有近乎相同的1、2 級(jí)壓比分配比例，即1 級(jí)壓比與2 級(jí)壓比之比為1.22。

 

4.2 計(jì)算結(jié)果及分析

 

表2 給出了采用2 級(jí)壓縮的螺桿按上述方法計(jì)算得到螺桿空壓機(jī)主機(jī)絕熱效率。

 

 

 

圖3 給出了7bar、8bar、10bar、12.5bar 兩級(jí)壓縮空壓機(jī)1 級(jí)能效主機(jī)所需具備的最低絕熱效率。

 

可以看出采用2 級(jí)壓縮設(shè)計(jì)后的機(jī)組主機(jī)所需絕熱效率大幅減少，均在可達(dá)到的范圍內(nèi)。

4.3 1、2級(jí)壓縮對(duì)比分析

 

在螺桿空壓機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，往往存在一個(gè)較難量化的問(wèn)題，即在何種工況及能效要求下需要用2級(jí)壓縮代替1級(jí)壓縮。本文根據(jù)以上數(shù)據(jù)，從主機(jī)絕熱效率角度，對(duì)這兩點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行探討，力求提供一定的理論分析基礎(chǔ)。

圖4 以7bar 與12.5bar 排氣壓力為例給出了不同功率單級(jí)、兩級(jí)壓縮機(jī)組中1 級(jí)能效主機(jī)所需具有的絕熱效率。

 

 

由圖4 可以看出，2 級(jí)壓縮對(duì)各排氣壓力及機(jī)組功率下主機(jī)均有大幅改善，相同能效下絕熱效率需求降低10%~15%，且效果隨著壓比提高和機(jī)組大型化有增大的趨勢(shì)。

更為重要的是，針對(duì)已經(jīng)很高的絕熱效率（如在7bar 和12.5bar 大功率機(jī)組中），進(jìn)一步提高效率難度很大，因此采用兩級(jí)壓縮是提高機(jī)組能效的最佳方法。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外關(guān)于螺桿空壓機(jī)性能的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，我們不難發(fā)現(xiàn)常見主機(jī)（7~8bar 排氣壓力機(jī)組中） 絕熱效率達(dá)到85%已有較大難度。建議在90 kW 以下機(jī)組可采用單級(jí)壓縮，而追求1 級(jí)能效的機(jī)組則采用2 級(jí)壓縮，這將有助于提高機(jī)組能效，降低成本，提高穩(wěn)定性。

需要說(shuō)明的是，在上述研究結(jié)果下，有兩點(diǎn)對(duì)計(jì)算產(chǎn)生決定性影響的參數(shù)需要進(jìn)行進(jìn)一步的探討：中間冷卻效果取決于眾多因素，如中間冷卻器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、流速與換熱時(shí)間、材料等等，因此針對(duì)特定機(jī)型中間冷卻器的特別設(shè)計(jì)，結(jié)果可能發(fā)生改變。

另一方面，雖然國(guó)標(biāo)中規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)氣工況為20℃，然而在較為惡劣的環(huán)境溫度下進(jìn)氣溫度可能高于這個(gè)溫度，這也將產(chǎn)生很大的影響。

4.4 中間冷卻效果的影響

 

表3 給出了從10~20℃換熱溫差，在20℃進(jìn)氣溫度情況下對(duì)不同機(jī)組計(jì)算結(jié)果的影響。

 

 

可以看出，換熱溫差對(duì)絕熱效率計(jì)算結(jié)果的影響較小，保持在1.5%以內(nèi)，但對(duì)中間壓力的設(shè)計(jì)影響較大。這是因?yàn)橹虚g冷卻效果僅影響第二級(jí)壓縮，而隨著換熱溫差的增大，二級(jí)進(jìn)氣溫度提高，能耗增加，需要改變兩級(jí)壓力分配，提高一級(jí)壓比以最優(yōu)化系統(tǒng)功耗，提高能效。

 

因此，當(dāng)選取不同類型中間冷卻結(jié)構(gòu)時(shí)，需要根據(jù)其效果選擇最佳中間壓力分配比率。

 4.5 進(jìn)氣溫度的影響

表4 給出了從20℃到40℃進(jìn)氣溫度在15K 換熱溫差下對(duì)不同機(jī)組計(jì)算結(jié)果的影響。

 由表4 可以看出，進(jìn)氣溫度的升高對(duì)系統(tǒng)功耗有很大的影響，隨著進(jìn)氣溫度的升高，主機(jī)的絕熱效率需求提高較大，而中間壓力的設(shè)定則變化不大。

 ▎結(jié)論

 本文通過(guò)對(duì)國(guó)標(biāo)能效限定值的計(jì)算，分析研究噴油螺桿空壓機(jī)系統(tǒng)主機(jī)絕熱效率，并對(duì)比單級(jí)壓縮與雙級(jí)壓縮的優(yōu)劣，得出以下結(jié)論：

 

① 從空壓機(jī)主機(jī)絕熱效率角度分析，國(guó)標(biāo)對(duì)小功率機(jī)組要求較低，而對(duì)大型機(jī)組有很高的要求，甚至某些機(jī)型單級(jí)壓縮需要達(dá)到近乎100%的絕熱效率才能滿足1級(jí)能效限定值的要求；

② 雙級(jí)壓縮機(jī)組的中間壓力確定需要考慮吸排氣損失與中間冷卻效果等的影響，一般采取1.22的1、2級(jí)壓比比例；

③ 采用雙級(jí)壓縮可以將絕熱效率要求降低10%~15%，即使低壓比大功率機(jī)組也可達(dá)到1 級(jí)能效的要求；建議在90kW 以上1級(jí)能效機(jī)組采用雙級(jí)壓縮；

④ 級(jí)間冷卻效果對(duì)能效的影響較小，但會(huì)明顯改變最佳中間壓力的設(shè)計(jì)；而進(jìn)氣溫度的升高則會(huì)明顯的提高功耗，降低效率，但最佳中間壓力幾乎沒(méi)有變化。