劉玉勇，王宇川，鮑洋洋，李韶強(qiáng)

（合肥通用機(jī)械研究院，安徽合肥 230000）

1 引言

空氣壓縮機(jī)（以下簡(jiǎn)稱“空壓機(jī)”）作為提供壓縮空氣這一優(yōu)質(zhì)動(dòng)力能源的設(shè)備，廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械電子、石油化工、交通郵電、醫(yī)療衛(wèi)生、輕工紡織、軍工核電、建筑裝潢等領(lǐng)域，我國(guó)在用空壓機(jī)的能量消耗約占全國(guó)總發(fā)電量的7%。因此空壓機(jī)的能效水平對(duì)我國(guó)節(jié)能減排事業(yè)的推動(dòng)起到至關(guān)重要的作用。而近10年噴油螺桿空壓機(jī)由于主機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的國(guó)產(chǎn)化，得到飛速發(fā)展，已經(jīng)在7.5～355 kW范圍內(nèi)基本取代傳統(tǒng)的活塞空壓機(jī)，占據(jù)市場(chǎng)絕對(duì)的主導(dǎo)地位，其節(jié)能技術(shù)也是不斷推陳出新。因此，本文就應(yīng)用在噴油螺桿空壓機(jī)上較為普遍的效果良好的節(jié)能技術(shù)進(jìn)行分析介紹。

2 能效標(biāo)準(zhǔn)情況

我國(guó)目前針對(duì)空壓機(jī)有相應(yīng)的能效標(biāo)準(zhǔn)GB19153-2009《容積式壓縮機(jī)能效限定值及能效等級(jí)》，規(guī)定了機(jī)組輸入比功率用于表征空壓機(jī)能效水平，機(jī)組輸入比功率越小，能效水平越好。標(biāo)準(zhǔn)將空壓機(jī)能效分為1級(jí)、2級(jí)、3級(jí)3個(gè)等級(jí)，其中噴油螺桿空壓機(jī)每2個(gè)能效等級(jí)之間能效相差12%左右。噴油螺桿空壓機(jī)在其生命周期（通常是8～10年）內(nèi)的能源消耗成本至少是其采購(gòu)成本的十幾倍，因此節(jié)能潛力很大，也很有必要。

3 節(jié)能技術(shù)

3.1 兩級(jí)壓縮

根據(jù)工程熱力學(xué)理論，空壓機(jī)的壓縮過(guò)程可分為等溫壓縮、多變壓縮和絕熱壓縮，其中等溫壓縮耗功最小，而空壓機(jī)實(shí)際的壓縮過(guò)程為多變壓縮，等溫壓縮機(jī)是不可能實(shí)現(xiàn)的。因此空壓機(jī)的設(shè)計(jì)方向就是要使壓縮過(guò)程盡可能接近等溫壓縮過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)效率的最大化。兩級(jí)壓縮就是使壓縮過(guò)程接近等溫壓縮的重要技術(shù)手段。為了便于理解，將空壓機(jī)的壓縮過(guò)程用p-V圖表示。如圖1所示，13′為等溫壓縮過(guò)程，如果采用單級(jí)壓縮，消耗的功相當(dāng)于面積613″46；當(dāng)采用兩級(jí)壓縮時(shí)，消耗的功相當(dāng)于面積61256與面積52'345之和。節(jié)省的功相當(dāng)于面積2′23″32′。但與等溫壓縮相比，仍多耗了面積122'1加面積2′33′2′的功量[1]。

隨著國(guó)內(nèi)一些空壓機(jī)企業(yè)逐步掌握了噴油螺桿空壓機(jī)主機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)，噴油螺桿空壓機(jī)近年得以快速發(fā)展，成本大幅下降，國(guó)內(nèi)企業(yè)開(kāi)始嘗試將兩級(jí)壓縮技術(shù)應(yīng)用在螺桿空壓機(jī)上，兩級(jí)壓縮的能效優(yōu)勢(shì)也得以體現(xiàn)。近年兩級(jí)壓縮和單級(jí)壓縮能效比較通過(guò)統(tǒng)計(jì)部分近年國(guó)家壓縮機(jī)中心的檢測(cè)數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)兩級(jí)壓縮的空壓機(jī)效率明顯高于，尤其是110 kW以上原來(lái)單級(jí)壓縮的空壓機(jī)幾乎不可能達(dá)到1級(jí)能效，甚至很難達(dá)到2級(jí)能效，而兩級(jí)壓縮技術(shù)的應(yīng)用則可以讓大功率空壓機(jī)達(dá)到1級(jí)能效。由圖2可以看出，兩級(jí)壓縮的能效值均優(yōu)于國(guó)家1級(jí)能效指標(biāo)線，且要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于單級(jí)壓縮的能效值。

由表1可以看出，不同功率的兩級(jí)壓縮噴油螺桿空壓機(jī)能效值均優(yōu)于單級(jí)壓縮能效值10%以上，有的功率檔甚至接近20%。這對(duì)單臺(tái)設(shè)備的能效提升來(lái)說(shuō)是一個(gè)巨大的進(jìn)步。兩級(jí)壓縮噴油螺桿空壓機(jī)節(jié)能優(yōu)勢(shì)較為明顯主要有2個(gè)原因：

（1）由于采用了兩級(jí)壓縮，使得壓縮過(guò)程更長(zhǎng)，油氣能夠充分混合，使得壓縮過(guò)程更接近等溫壓縮。

（2）每級(jí)的壓比更低，內(nèi)泄漏更少，容積效率更高。在兩級(jí)壓縮主機(jī)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，不同螺桿空壓機(jī)制造企業(yè)也各有特色，如主機(jī)多點(diǎn)噴油使油氣混合更均勻，級(jí)間設(shè)計(jì)特殊結(jié)構(gòu)形成霧狀噴射簾以降低2級(jí)吸氣溫度等技術(shù)，其目的都是使壓縮過(guò)程接近等溫壓縮，從而提高效率。

3.2 變頻技術(shù)

圖1 壓縮過(guò)程的p-V圖

圖2 單級(jí)壓縮和兩級(jí)壓縮能效比較

表1 統(tǒng)計(jì)不同功率噴油螺桿空壓機(jī)的機(jī)組輸入比功率平均值的比較

為了保證下游用氣，設(shè)計(jì)院或者用戶在選型時(shí)對(duì)空壓機(jī)容積流量指標(biāo)會(huì)留有一定余量。而空壓機(jī)幾乎不可能一直在滿負(fù)荷條件下運(yùn)行，需要相應(yīng)的調(diào)節(jié)手段。且通常用戶的用氣量有一定的變化波動(dòng)，要保證供氣穩(wěn)定，空壓機(jī)供氣也應(yīng)可以調(diào)節(jié)。普通工頻空壓機(jī)通過(guò)排氣壓力反饋，靠加卸載來(lái)控制空壓機(jī)的供氣。但是卸載過(guò)程進(jìn)氣閥處于關(guān)閉狀態(tài)，空壓機(jī)不供氣，而電機(jī)依然在額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)，空壓機(jī)卸載時(shí)功率約為滿載功率的30%～50%，造成了極大的能源浪費(fèi)?？己丝諌簷C(jī)運(yùn)行水平的重要指標(biāo)為加載率，即空壓機(jī)加載時(shí)間占總運(yùn)行時(shí)間的百分比?？諌簷C(jī)加載率越低，運(yùn)行水平越低，能源浪費(fèi)也就越嚴(yán)重。變頻技術(shù)在噴油螺桿空壓機(jī)上的應(yīng)用，很好地解決了加載頻繁、加載率低的問(wèn)題。變頻空壓機(jī)是在控制系統(tǒng)中設(shè)置期望的排氣壓力，通過(guò)排氣壓力的信號(hào)反饋來(lái)調(diào)節(jié)變頻器頻率，從而控制空壓機(jī)轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)產(chǎn)氣量。

通過(guò)對(duì)2臺(tái)額定功率110 kW的分別使用加卸載調(diào)節(jié)和變頻調(diào)節(jié)的噴油螺桿空壓機(jī)進(jìn)行用氣量變化試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)用氣量與額定排氣量比例分別為90%、80%、70%、50%時(shí)，變頻調(diào)節(jié)相比加卸載調(diào)節(jié)，節(jié)能比例分別為：6.6%、11.7%、18.3%、28.5%[3]?？梢钥闯?，當(dāng)用氣量越小，變頻技術(shù)的節(jié)能優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)得越明顯。因此變頻空壓機(jī)適合用氣波動(dòng)比較大的場(chǎng)合。

3.3 一體式永磁空壓機(jī)

該空壓機(jī)是將永磁同步電動(dòng)機(jī)與噴油螺桿空壓機(jī)主機(jī)組成一體的空氣壓縮機(jī)。其主要特點(diǎn)：（1）使用高效永磁同步電動(dòng)機(jī)，其效率要優(yōu)于三相異步電動(dòng)機(jī)，尤其是低轉(zhuǎn)速時(shí)永磁同步電動(dòng)機(jī)的效率下降不明顯，相比普通電機(jī)的優(yōu)勢(shì)更大；（2）結(jié)構(gòu)型式上，將電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子以嵌入方式直接固定于噴油螺桿空壓機(jī)主機(jī)動(dòng)力輸入端，沒(méi)有了聯(lián)軸器，減少了軸承，減少了傳動(dòng)和摩擦的損失。

為了比較永磁同步動(dòng)機(jī)和三相異步電動(dòng)機(jī)的效率，根據(jù)噴油螺桿空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速特性，選取同步轉(zhuǎn)速均為3000 r/min的永磁同步動(dòng)機(jī)和三相異步電動(dòng)機(jī)中效率相對(duì)較高的YE3系列電動(dòng)機(jī)進(jìn)行比較。如圖3，在額定點(diǎn)上，永磁同步電動(dòng)機(jī)的效率比YE3系列電動(dòng)機(jī)高出5.9%～1.7%，隨著功率的增加，二者效率的差距逐漸減小，故永磁同步電動(dòng)機(jī)具有較高效率，但僅在小功率段有較為明顯的優(yōu)勢(shì)。因此在90 kW以下的噴油螺桿空壓機(jī)采用一體式永磁結(jié)構(gòu)有更好的節(jié)能效益。

4 結(jié)語(yǔ)

圖3 電動(dòng)機(jī)額定點(diǎn)效率對(duì)比

提高空壓機(jī)能效是一個(gè)系統(tǒng)工程，不能只依賴某一項(xiàng)技術(shù)，需要多項(xiàng)節(jié)能技術(shù)的綜合運(yùn)用，也需要每一個(gè)細(xì)節(jié)的優(yōu)化，積少成多。因此還有一些如優(yōu)化轉(zhuǎn)子型線、采用高效離心風(fēng)機(jī)、改變進(jìn)氣設(shè)計(jì)、改進(jìn)系統(tǒng)管路等技術(shù)也被廣泛應(yīng)用在空壓機(jī)設(shè)計(jì)制造中。由于這些節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)品牌的噴油螺桿空壓機(jī)能效水平已經(jīng)趕上甚至超越國(guó)際一流品牌的水平。通過(guò)國(guó)家檢測(cè)中心檢測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，近年噴油螺桿空壓機(jī)能效水平達(dá)到2級(jí)以上的比例越來(lái)越高，特別是額定功率90 kW以下，達(dá)到2級(jí)能效水平的樣機(jī)超過(guò)60%。一方面體現(xiàn)了能效水平的整體提升；另一方面體現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)設(shè)定不能滿足現(xiàn)有產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)。目前修訂后的能效標(biāo)準(zhǔn)GB19153已經(jīng)在報(bào)批階段，其中噴油螺桿空壓機(jī)的能效指標(biāo)有了較大幅度地提升，也對(duì)企業(yè)未來(lái)產(chǎn)品提出了更高的要求。希望能效標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品技術(shù)進(jìn)步能夠起到相互推動(dòng)的作用，不斷提高空壓機(jī)的能效水平，為我國(guó)節(jié)能減排事業(yè)做出貢獻(xiàn)。