裴一哲，王云龍，劉翔宇

（中國航空規(guī)劃設(shè)計研究總院有限公司，北京 100120）

對于航空發(fā)動機或燃氣輪機三大部件，除壓氣機外，在燃燒室和渦輪（透平）的各項試驗中，均需要使用一路或者多路壓縮空氣用于給試驗件提供?；蛘鎸嵉墓ぷ鳝h(huán)境，獲得試驗件內(nèi)部的氣動熱力特性，驗證部件性能是否滿足設(shè)計需求。壓縮空氣的供應(yīng)能力是衡量場所試驗?zāi)芰Φ囊粋€較為直觀的標尺。隨著我國航空發(fā)動機及燃氣輪機兩大行業(yè)的蓬勃發(fā)展，各場所對航空發(fā)動機及燃氣輪機的試驗?zāi)芰μ岢隽巳找鎳揽恋男枨?，究其根本，便是對氣源系統(tǒng)的供氣能力提出了大流量、高壓力、高溫度的需求。

然而，為了供應(yīng)大流量、高壓力的壓縮空氣，氣源系統(tǒng)需要消耗大量的能源，原因主要為以下兩個方面：（1）由于壓縮機單級的壓比低，將大流量的空氣壓縮至高壓需要進行多級壓縮，則耗電量大，為兆瓦級別，同時需要消耗大量的循環(huán)水冷卻壓縮機組和級間的壓縮空氣。（2）受壓縮機性能曲線限制，單機流量調(diào)節(jié)范圍約為設(shè)計點流量的70%～100%，多機組流量調(diào)節(jié)范圍由并聯(lián)情況確定，難以滿足不同試驗器在不同工況下對壓縮空氣流量的需求。若某個試驗工況點處于多機組流量調(diào)節(jié)范圍外，出現(xiàn)壓縮空氣流量的供需不匹配，則只能通過大流量放氣方式匹配用氣需求，導(dǎo)致大量能源浪費。因此，在氣源系統(tǒng)各型空氣壓縮機組選型（設(shè)計點壓力及流量）時，應(yīng)著重考慮降低氣源系統(tǒng)在各試驗工況用氣需求下的能源消耗。

需要說明的是，壓縮空氣溫度調(diào)節(jié)的實現(xiàn)方式是在空壓機組再行串聯(lián)后冷器或空氣加熱器實現(xiàn)，溫度調(diào)節(jié)精度約為±5℃，基本上可以認為是無極調(diào)節(jié)，同時，加熱器內(nèi)壓縮空氣壓力損失較小，基本不存在能源浪費的情況。因此，本文不對后冷器或空氣加熱器的選型進行分析，僅針對壓縮機組的選型原則進行分析。

1 氣源系統(tǒng)壓縮機組選型原則

氣源系統(tǒng)中空氣壓縮機組的選型應(yīng)根據(jù)各試驗器所需壓縮空氣壓力和流量的范圍確定，通過串聯(lián)或并聯(lián)不同空壓機組的來滿足各試驗器壓縮空氣的壓力與流量需求。在保證氣源系統(tǒng)實用性及可擴展性的基礎(chǔ)上，應(yīng)著重考慮氣源系統(tǒng)整體能源消耗，盡可能通過優(yōu)化空壓機組配置實現(xiàn)降低能源消耗?？諌簷C組選型的原則主要可以總結(jié)為如下幾項：

（1）根據(jù)各試驗器各工況點的所需壓縮空氣的壓力，空壓機組工作壓力的選取應(yīng)保證在大部分工況點下的減壓壓降盡可能低，并可根據(jù)需要分別設(shè)置低壓壓縮機組及增壓壓縮機組對空氣進行二級壓縮。

（2）根據(jù)各試驗器各工況點的所需壓縮空氣的流量，空壓機組工作流量的選取應(yīng)保證在大部分工況點下的放氣流量盡可能小，并可根據(jù)實際情況分別設(shè)置大流量主流壓縮機組以及小流量次流壓縮機組。

（3）試驗器主流、次流管路分開設(shè)置，通過不同的空壓機組供應(yīng)主流次流供氣，有利于快速調(diào)節(jié)所需壓縮空氣的流量及壓力，避免主流次流之間相互影響。

（4）應(yīng)盡量考慮選擇相同規(guī)格的空壓機組，增強氣源系統(tǒng)通用性，降低機組采購成本，同時便于后期維護保養(yǎng)。同規(guī)格空壓機組數(shù)量一般應(yīng)在3～5臺為宜。

（5）由于試驗器需求的不確定性，可考慮在供氣能力方面預(yù)留一定的裕度。

（6）空壓機組選型應(yīng)盡可能保證不同用氣工況下壓縮機組設(shè)備利用率高，減少氣源系統(tǒng)設(shè)備的占地面積。

2 氣源系統(tǒng)壓縮機組選型分析案例

現(xiàn)以某燃氣輪機試驗園區(qū)內(nèi)5臺試驗器在不同工況下的壓縮空氣用氣需求為例，闡述氣源系統(tǒng)中空氣壓縮機組選型方案的確定。對于每臺試驗器的所有壓縮空氣需求點，在每次試驗中需求能夠從最小工況連續(xù)變化到最大工況。圖1為各試驗臺在不同工況點下所需壓縮空氣的流量及壓力分布情況。

圖1 各試驗器用氣工況點壓力流量分布

根據(jù)圖1中各試驗器各工況點壓縮空氣需求的分布情況，可將該園區(qū)內(nèi)試驗器的用氣需求分為4類，具體如表1所示。

表1 各試驗臺壓縮空氣需求分類

（1）空壓機組壓力等級的確定。根據(jù)各試驗器用氣工況點壓力流量的分布，空壓機的壓力等級確定為1.0MPa低壓機組和1.0～4.0MPa增壓機組。試驗器用氣壓力小于1MPa時僅低壓機組運行，避免由于不必要的增壓導(dǎo)致的能耗增加。試驗器用氣壓力大于1MPa時低壓機組合增壓機組串聯(lián)運行，可滿足最高4MPa的壓縮空氣需求。

（2）空壓機組主流次流機組的確定?？紤]到0～25kg/s流量范圍內(nèi)用氣點較為密集，將該流量區(qū)間劃分為次流，試驗器E兩路壓縮空氣同時使用時為次流最大公工況，考慮使用3臺12kg/s的1.0MPa低壓機組并串聯(lián)3臺12kg/s的1.0～4.0MPa增壓機組提供次流范圍內(nèi)的壓縮空氣用氣需求。

低壓1.0MPa壓縮空氣用氣最大流量在試驗器D兩路壓縮空氣同時使用時取到，共計約134kg/s。為提高設(shè)備利用率，在現(xiàn)有3臺12kg/s的次流低壓機組基礎(chǔ)上，主流低壓機組仍需要提供流量不小于100kg/s的壓縮空氣，設(shè)置4臺25kg/s的1.0MPa低壓機組?？紤]到需要約75kg/s的主流高壓壓縮空氣，設(shè)置3臺25kg/s的1.0～4.0MPa增壓機組，串聯(lián)在3臺低壓機組后運行。

綜上所述，氣源系統(tǒng)壓縮機組選型為3臺12kg/s 1.0MPa低壓機組、3臺12kg/s 1.0～4.0MPa增壓機組、4臺25kg/s 1.0MPa低壓機組與3臺25kg/s 1.0～4.0MPa增壓機組，共計13臺空壓機。不同流量和壓力的空壓機通過串并聯(lián)后向各試驗器供氣。

3 結(jié)語

本文在通過建立試驗器各工況用氣壓力及流量的分布情況，選取放氣量和壓縮機組利用率作為衡量氣源系統(tǒng)機組選型在能源消耗以及投資方面是否經(jīng)濟的依據(jù)，對比不同的空壓機組選型方案，具有一定的指導(dǎo)意義。下一步工作可進一步梳理各試驗器的使用頻率及使用時長，將長時間和高頻次運行的試驗器設(shè)計在多機組調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，進一步降低氣源系統(tǒng)運行的能源消耗，提高經(jīng)濟性。

表2 各試驗器供氣策略