特約撰稿人：劉連國(guó) 遲建龍 劉利波

螺桿空壓機(jī)情況介紹

螺桿空壓機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠及操作方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，因而自誕生之日起就受到工業(yè)界的廣泛關(guān)注。在歐、美、日等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家經(jīng)過多年的發(fā)展，螺桿空壓機(jī)在1～60m3/min 的流量和≤16kg/cm2的壓力范圍內(nèi)，幾乎完全取代了活塞空壓機(jī)，而其中99%以上是雙螺桿空壓機(jī)。

螺桿空壓機(jī)有單螺桿與雙螺桿兩種，設(shè)計(jì)上雙螺桿式空壓機(jī)更趨合理、先進(jìn)。雙螺桿空壓機(jī)克服了單螺桿空壓機(jī)不平衡、軸承易損的缺點(diǎn)，具有壽命長(zhǎng)，噪音低，更加節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。八十年代技術(shù)成熟后，其應(yīng)用范圍日漸擴(kuò)大。螺桿式(即雙螺桿) 壓縮機(jī)具有一對(duì)互相嚙合、相反旋向的螺旋形齒的轉(zhuǎn)子。就目前的技術(shù)發(fā)展看，雙螺桿空壓機(jī)不但在技術(shù)上是先進(jìn)的，而且在實(shí)際應(yīng)用中已經(jīng)完全成熟，得到了廣泛的應(yīng)用。單螺桿空壓機(jī)雖然在原理上有獨(dú)特之處，但由于在一些決定性的因素上存在不足之處，其產(chǎn)品仍有待進(jìn)一步完善。

單螺桿空壓機(jī)起源于20 世紀(jì)60 年代，從名字上看，該種壓縮機(jī)的特征是只有一個(gè)螺桿轉(zhuǎn)子。但實(shí)際上，單螺桿空壓機(jī)卻有三根旋轉(zhuǎn)軸，即由一個(gè)螺桿轉(zhuǎn)子和兩個(gè)與螺桿轉(zhuǎn)子垂直的行星齒輪組成。單螺桿空壓機(jī)在工作原理上有自己的特點(diǎn)，既有良好的動(dòng)力平衡性能，但其也存在一些難題，主要是星輪過早磨損，加上變形不均勻引起的嚙合精度難以保證，造成整機(jī)排氣量下降，機(jī)械穩(wěn)定性降低，因而故障率高，壽命短，應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性能差。

雙螺桿空壓機(jī)誕生于20 世紀(jì)30 年代，它是由一對(duì)平行布置相互嚙合的轉(zhuǎn)子和機(jī)殼組成。工作時(shí)，一個(gè)轉(zhuǎn)子按順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，一個(gè)轉(zhuǎn)子按逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，在相互嚙合的過程中，空氣被壓縮到所需要的壓力，依靠運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)容積的變化來吸入、壓縮和排出空氣，具有極簡(jiǎn)單的機(jī)械結(jié)構(gòu)，極高的機(jī)械可靠性和優(yōu)良的動(dòng)力平衡性，操作和維護(hù)也十分方便。

單螺桿和雙螺桿空壓機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

1.力平衡方面

單螺桿空壓機(jī)：螺桿承受的徑向和軸向氣體力可以自動(dòng)平衡，星輪齒承受氣體力，要求星輪齒具有足夠的強(qiáng)度和剛度。

雙螺桿空壓機(jī)：螺桿轉(zhuǎn)子承受較大的徑向和軸向氣體力，要求螺桿具有足夠的強(qiáng)度和剛度。

2.制造成本方面

單螺桿空壓機(jī)：螺桿和星輪軸承可選用普通軸承，制造成本較低。

雙螺桿空壓機(jī)：由于兩螺桿轉(zhuǎn)子負(fù)荷較大，要求選用精度較高的軸承，制造成本較高。

3.可靠性和運(yùn)行成本方面

單螺桿空壓機(jī)：?jiǎn)温輻U空壓機(jī)星輪是易損部件，除對(duì)星輪材料有較高要求外，星輪還需定期更換，運(yùn)行成本高。

雙螺桿空壓機(jī)：雙螺桿空壓機(jī)中沒有易損件，無故障運(yùn)行時(shí)間可達(dá)4～8 萬小時(shí)，運(yùn)行成本低。采用角接觸球軸承而沒有使用圓錐滾子軸承，提高了機(jī)器的可靠性。

4.效率方面

在新機(jī)狀態(tài)下，單螺桿和雙螺桿空壓機(jī)效率基本相同，但隨著運(yùn)行時(shí)間增加，單螺桿壓縮機(jī)的星輪磨損將導(dǎo)致氣量減少和效率下降。

5.噪音和振動(dòng)方面

雙螺桿空壓機(jī)的噪音和振動(dòng)較單螺桿空壓機(jī)要小，采用兩級(jí)壓縮，降低了每次壓縮的壓縮比，大大降低了噪聲，特別是卸載噪聲。

6.加工設(shè)備方面

單螺桿空壓機(jī)：沒有成熟的專用加工設(shè)備，導(dǎo)致產(chǎn)品的性能不是很穩(wěn)定。

雙螺桿空壓機(jī)：已有成熟的螺桿專用銑床和磨床，可確保產(chǎn)品性能穩(wěn)定。

7.操作和維護(hù)方面

單螺桿和雙螺桿的操作幾乎相同，但是維護(hù)方面雙螺桿空壓機(jī)工作量較少，采用兩級(jí)壓縮，降低了每次壓縮的壓縮比，大大降低了每一級(jí)軸承的軸向負(fù)荷，提高了軸承壽命，延長(zhǎng)了主機(jī)壽命。

8.適用性方面

單螺桿空壓機(jī)：適合用于高排氣壓力的場(chǎng)合。

雙螺桿空壓機(jī)：由于受到轉(zhuǎn)子剛度和軸承負(fù)荷方面的限制，只能用于中、低壓范圍，排氣壓力一般不能超過4.5Mpa。

技術(shù)指標(biāo)分析

空氣壓縮機(jī)能效考慮的三個(gè)技術(shù)指標(biāo)：排氣量、主電機(jī)服務(wù)系數(shù)和比功率

排氣量的定義：吸氣狀態(tài)的體積流量，立方米/分（m3/min）。

主電機(jī)的服務(wù)系數(shù)：電機(jī)允許連續(xù)運(yùn)行的輸出軸功率與銘牌上的名義輸出軸功率之比。

比功率的定義：壓縮機(jī)機(jī)組的輸入功率除以壓縮機(jī)的排氣量，kw/m3/min，排氣量1 立方米/ 分所需要的機(jī)組的輸入功率。

判斷一臺(tái)螺桿式空壓機(jī)是否節(jié)能的重要標(biāo)準(zhǔn)就是“比功率”，即單位時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)一立方壓縮空氣所需要的能耗，常用單位為：kw/m3/min。因而，雙級(jí)壓縮的螺桿式空壓機(jī)主要節(jié)能原理也是在如何降低比功率上進(jìn)行技術(shù)革新。

常規(guī)的單級(jí)壓縮螺桿機(jī)轉(zhuǎn)子。單級(jí)壓縮機(jī)：進(jìn)氣端進(jìn)氣壓力為常規(guī)大氣壓力(以0 海拔為例) 約1bar，經(jīng)轉(zhuǎn)子壓縮至出口壓力(轉(zhuǎn)子排氣端)8bar，該壓縮過程的壓縮比為：8:1=8;即單級(jí)壓縮機(jī)的壓縮比(出口壓力為8bar) 機(jī)器為8。

雙級(jí)壓縮螺桿機(jī)轉(zhuǎn)子。雙級(jí)壓縮機(jī)：進(jìn)氣端進(jìn)氣壓力約為常規(guī)大氣壓力(以0 海拔為例)1bar，經(jīng)一級(jí)轉(zhuǎn)子壓縮至出口壓力(一級(jí)轉(zhuǎn)子排氣端)3.15bar(該壓力為二級(jí)轉(zhuǎn)子的入口壓力)。一級(jí)轉(zhuǎn)子壓縮過的壓縮空氣再進(jìn)入二級(jí)轉(zhuǎn)子提升壓力至所需要的8bar 出口壓力(二級(jí)轉(zhuǎn)子端的排氣壓力)。一級(jí)低壓轉(zhuǎn)子的壓縮比為：3.15:1=3.15;二級(jí)高壓轉(zhuǎn)子端的壓縮比為：8:3.15 ≌ 2.54 即二級(jí)端的壓縮比(出口壓力為8bar) 大約為2.54。雙級(jí)壓縮轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的最高壓縮比(8bar 機(jī)器為例) 為3.15。

由此得出，同單級(jí)壓縮螺桿機(jī)相比，出口壓力同樣為8bar 的機(jī)器，雙級(jí)壓縮螺桿機(jī)的壓縮比不到單級(jí)壓縮螺桿機(jī)的50%。

如同其它流體一樣，壓縮空氣一樣遵循從高壓端向低壓端的自然回流，壓縮比越高，回流泄露量越大。與同功率，同等排氣壓力的單級(jí)壓縮螺桿機(jī)相比，雙級(jí)壓縮螺桿機(jī)的壓縮比低，這就確保大大降低了回流泄露量，排氣流量大大提高，意味著效率提升，即比功率的降低。這就是雙級(jí)壓縮螺桿機(jī)的節(jié)能原理核心所在。

在同等裝機(jī)功率，同等排氣壓力的情況下，相比于單級(jí)壓縮螺桿機(jī)，雙級(jí)壓縮螺桿機(jī)的節(jié)能比例在7%～13% 左右，即最低節(jié)能保證在7% 以上。該系列機(jī)器已為國(guó)內(nèi)眾多大型用戶使用并驗(yàn)證。

雙級(jí)壓縮螺桿空壓機(jī)節(jié)能效果顯著的原因

等溫壓縮。 由于一級(jí)壓縮時(shí)的壓縮過程的冷卻不完善性，雙級(jí)常壓有完善的級(jí)間冷卻設(shè)計(jì)和二級(jí)壓縮過程的冷卻的完善性。相比于單級(jí)壓縮，兩級(jí)壓縮趨近于最省功的等溫壓縮，從原理上，兩級(jí)壓縮比單級(jí)壓縮節(jié)能5%～8%。

a.曲線12′ 3′為等溫壓縮過程，與縱坐標(biāo)形成的面積613′ 4 為等溫壓縮的指示功。

b.曲線123″為一級(jí)實(shí)際壓縮過程，與縱與縱坐標(biāo)形成的面積613″ 4 為一級(jí)壓縮的指示功。

c.曲線12、22′、2′ 3 為兩級(jí)實(shí)際壓縮過程，與縱坐標(biāo)形成的面積 6125 和 52′ 34 之和（6122′ 34）為兩級(jí)壓縮的指示功。

d.由圖示可以看出，等溫壓縮過程613′4 面積（指示功）最小，但在壓縮機(jī)實(shí)際壓縮過程中無法做到等溫壓縮。

e.一級(jí)壓縮比等溫壓縮多出了13′3″1 面積的功率，而兩級(jí)壓縮則比一級(jí)壓縮節(jié)省了22′ 33″面積的功率。

相關(guān)工藝參數(shù)優(yōu)化。

a.第一級(jí)、第二級(jí)的吸、排氣孔口均經(jīng)過優(yōu)化（6bar、7bar、8bar、10bar、13bar 的主機(jī)均不相同）。

b.潤(rùn)滑油總噴射量經(jīng)過優(yōu)化。

c.噴入各處的油量分配經(jīng)過優(yōu)化。

d.機(jī)體回油經(jīng)過優(yōu)化，齒輪箱潤(rùn)滑油回至一級(jí)機(jī)頭第一個(gè)轉(zhuǎn)子嚙合密封槽內(nèi)，提高了機(jī)組的容積效率，降低了機(jī)組的軸功率。

高效的螺桿轉(zhuǎn)子型線。世界最高效率的型線：一級(jí)轉(zhuǎn)子型線：Y-1 二級(jí)轉(zhuǎn)子型線：Y-2。

1級(jí)節(jié)能+2級(jí)節(jié)能=節(jié)能的平方

兩級(jí)壓縮降低了每一級(jí)的軸承載荷，使用角接觸球軸承而沒有使用圓錐滾子軸承。

一級(jí)及二級(jí)螺桿轉(zhuǎn)子均運(yùn)行在最佳齒頂速度。

兩級(jí)壓縮過程的冷卻設(shè)計(jì)非常完善。經(jīng)過一級(jí)壓縮后，冷卻劑會(huì)通過機(jī)體上的多個(gè)噴射孔，形成霧狀噴射簾，對(duì)熱的壓縮空氣進(jìn)行近乎完美的冷卻，大大降低了進(jìn)入二級(jí)壓縮階段前的壓縮空氣溫度，級(jí)間長(zhǎng)通道冷卻，充分霧化,起到趨近等溫壓縮過程、節(jié)約壓縮所需能量的效果。

實(shí)施方案

測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)選在河?xùn)|金礦采礦一車間空壓機(jī)房，該空壓機(jī)房配備同型號(hào)的SAC132 空壓機(jī)4 臺(tái)，用電計(jì)量為全新的江蘇林洋多功能電度表，互感器變比相同，變比均為400/5。

將在用1#空壓機(jī)換為開山JN 雙級(jí)壓縮空壓機(jī)，與4#單級(jí)壓縮空壓機(jī)作對(duì)比。在兩條排氣管路上安裝渦街流量傳感器（LUGB-2048），兩臺(tái)空壓機(jī)的加載壓力設(shè)定到0.65Mpa，卸載壓力設(shè)定到0.72 Mpa，同時(shí)記錄排氣量和耗電量，計(jì)算出排氣單耗，便于對(duì)兩種空壓機(jī)之間的節(jié)能性做出公平、合理的評(píng)價(jià)。

1.兩種空壓機(jī)具體參數(shù)對(duì)比。

(1)4#空壓機(jī)主要參數(shù)：型號(hào)：SAC132，電機(jī)功率：132KW，銘牌排氣量：22 立方/min，額定排氣壓力：0.85Mpa，設(shè)備出廠時(shí)間：2005 年5 月；

(2)1#空壓機(jī)主要參數(shù)：型號(hào)：JN90-20，電機(jī)功率：90KW，銘牌排氣量：19.5 立方/min，額定排氣壓力：0.8Mpa，設(shè)備出廠時(shí)間：2014 年10 月。

2.具體測(cè)量時(shí)間為：2014 年12 月1 日至12 月5 日，共計(jì)5 天。

3.具體測(cè)量數(shù)據(jù)如下：

河?xùn)|金礦采一車間1 號(hào)4 號(hào)空壓機(jī)對(duì)比情況如下：

4.兩種空壓機(jī)耗電量計(jì)算：

1#空壓機(jī)耗電量：（60.37-10.65）×80=49.72×80=3977.6KWh

4#空壓機(jī)耗電量：（7 7.5 8-6.4 4）×80=71.14×80=5691.2 KWh

5.兩種空壓機(jī)排氣量計(jì)算：

1#空壓機(jī)排氣量：129824-86287=43537m3

4#空壓機(jī)排氣量：92790-51970=40820m3

6.兩種空壓機(jī)排氣單耗計(jì)算：

1#空壓機(jī)排氣單耗：3977.6÷43537=0.09134KWh/m3

4#空壓機(jī)排氣單耗：5691.2÷40820=0.13942 KWh/m3

7.排氣電費(fèi)計(jì)算（電單價(jià)按照0.66 元/kwh）。

1#空壓機(jī)排氣電費(fèi)：0.09134 ×0.66=0.06028 元/m3

4#空壓機(jī)排氣電費(fèi)：0.13942×0.66=0.09202 元/m3

8.綜合節(jié)能效果對(duì)比。

節(jié)電量：0.13942-0.09134=0.04808 KWh/m3

節(jié)電費(fèi)：0.09202-0.06028=0.03174 元/m3

節(jié)電率：0.04808÷0.13942 ≈0.3448×100%=34.48%

9.最終結(jié)果。

雙級(jí)壓縮空壓機(jī)比單級(jí)壓縮空壓機(jī)每產(chǎn)生1m3壓縮空氣節(jié)約電量0.04808 KWh，節(jié)約電費(fèi)0.03174 元，節(jié)電率達(dá)34.48%，節(jié)能效果顯著，極具推廣價(jià)值。

實(shí)施后的效果：一臺(tái)空壓機(jī)年節(jié)電23 萬元

由于礦山企業(yè)在用的空壓機(jī)使用數(shù)量多，因此全面使用節(jié)能性能高的雙螺桿空壓機(jī)極具推廣價(jià)值，一臺(tái)空壓機(jī)可節(jié)電23.12 萬元，全部更換雙螺桿壓縮空壓機(jī)我礦年可節(jié)省電費(fèi)支出近300 多萬元，節(jié)能效果顯著，符合當(dāng)前國(guó)家在節(jié)能減排方面的方針政策。雙級(jí)壓縮螺桿空壓機(jī)不論在性能可靠性、維護(hù)量、節(jié)能方面都擁有無可比擬的優(yōu)勢(shì)，在工業(yè)用電量占比達(dá)75%的社會(huì)總用電量，做好工礦企業(yè)的節(jié)能工作就顯得尤為重要。另外空壓機(jī)在重、輕工業(yè) 、礦山、水電、海港、工程建設(shè)、油氣田、鐵路、交通、船舶制造、能源、軍工等行業(yè)也有大量使用，因此對(duì)雙級(jí)壓縮螺桿空壓機(jī)的研究和應(yīng)用具有很大的價(jià)值。

無論是從政府對(duì)企業(yè)的要求，還是企業(yè)自身發(fā)展的需要，節(jié)能降耗已經(jīng)是企業(yè)必走之路，是企業(yè)的生存之本，招金礦業(yè)作為山東省千家重點(diǎn)用能企業(yè)，樹立一種“點(diǎn)點(diǎn)滴滴降成本，分分秒秒增效益”的節(jié)能意識(shí)，多年來公司一直重視科技創(chuàng)新，節(jié)能降耗工作，通過采用技術(shù)改造、四新技術(shù)等措施來實(shí)現(xiàn)節(jié)能效益的最大化，用技術(shù)革新、科技進(jìn)步、時(shí)代發(fā)展的手段更新淘汰舊的、高耗能的設(shè)備，達(dá)到節(jié)能的目的，實(shí)現(xiàn)資源利用效率最大限度提高。技術(shù)進(jìn)步與創(chuàng)新是建設(shè)節(jié)約環(huán)保型企業(yè)的動(dòng)力源泉，開發(fā)和建立“節(jié)約環(huán)保型”企業(yè)的關(guān)鍵是技術(shù)體系，不斷提高資源利用效率，以創(chuàng)新促發(fā)展，能夠?qū)⒓夹g(shù)創(chuàng)新、節(jié)能減排、企業(yè)效益結(jié)合起來，達(dá)到經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的協(xié)調(diào)發(fā)展。