彭 博， 嚴 迪

(武漢科技大學 機械自動化學院， 湖北 武漢 430081)

引言

壓縮機的作用是提高氣體壓力及輸送氣體，分為多個種類且用途極為廣泛。相較于活塞壓縮機及其他類型的壓縮機，螺桿壓縮機起源于20世紀30年代，只有很短的發(fā)展歷史。在我國，其發(fā)展歷程更短，自20世紀80年代引進螺桿壓縮機起，僅僅經過40年我國已擁有幾百家企業(yè)生產組裝螺桿壓縮機，其中擁有生產許可證的企業(yè)達到了200多家[1]。

壓縮機是工業(yè)系統中的基礎組件，每年消耗的能源比達到30%～40%。因此，壓縮機的節(jié)能降耗對生產企業(yè)和國家能源戰(zhàn)略都具有重要意義。但是，目前市場上仍有大量的低端機，一級能效產品的份額還不足8%，這與節(jié)能降耗的初衷背道而馳?！澳苄亲钪匾牡谝荒茉础?，國際能源署署長法提赫·比羅爾在2019年7月舉行的第四屆全球能效大會上重申了這一理念。我國對能源的關注很早便開始了，其中在容積式空氣壓縮機能效方面，我國的理論研究和實踐更是走在了世界前列。我國于2003年首次發(fā)布了國家標準《容積式空氣壓縮機能效限定值和能效等級》，改進后的第2版GB 19153—2009于2009年發(fā)布，并在2019年再次改進發(fā)布了新版本GB 19153—2019版，于2020年7月1日起實施。相比于上一版本，2019版有許多變化，主要如下：

(1) 驅動電動機最大額定功率未變，但最小額定功率由2.2 kW降至1.5 kW，范圍進一步擴大；而額定排氣壓力在0.70， 0.80， 1.00， 1.25 MPa 4個壓力段的基礎上，增加了0.30， 0.50 MPa 2個壓力段；

(2) 增加了驅動電動機額定功率為2.2～315.0 kW、額定排氣壓力為0.30～1.25 MPa的一般用變轉速空壓機能效等級指標；

(3) 提高了部分空壓機的能效等級指標，將以20 ℃ 為基準的吸氣溫度修正系數加入代表能效指標的機組輸入比功率計算公式中；

(4) 提出了回轉空壓機機組功率試驗值的計算公式，并規(guī)定其應小于驅動電動機大一檔的額定功率；

(5) 提出了一般用變轉速空壓機機組輸入比功率的計算公式，是由100%，70%，40%容積流量的滿負荷機組的輸入比功率，分別乘以對應的25%，50%，25% 3種權重系數，最后求和得到；

(6) 為了對標歐美節(jié)能標準以及響應現代能源管理的要求，增加了機組輸入比功率與機組輸功效率、等熵效率的換算公式。

新標準GB 19153—2019不僅體現了有關空壓機最新的能效概念，還體現了新時代能效的發(fā)展方向。

1 歷史與背景

螺桿壓縮機的原理最早是1878年德國人KRIGAR H提出，直到1935年LYSHOLM A通過改進轉子的型線，提出更精確的方法制作轉子，才奠定了螺桿壓縮機高效型線技術。自20世紀60年代起，SRM公司推出SRM-A型線，ATLAS公司推出ATLAS型線。新推出的型線由對稱齒形發(fā)展為不對稱齒形，并且可以將容積效率提高10%以上。我國于1965年才進行螺桿壓縮機的相關研究。20世紀70年代德國的螺桿空壓機制造商GHH公司，推出GHH型線。20世紀80年代螺桿壓縮機的推廣階段，全球開始了更深入的研究，我國某些壓縮機廠則在1985年開始分別引進英國Holroyd公司的2AC，5AC螺桿銑床形成批量生產。從20世紀90年代至今則開始進一步技術研究，例如提高加工精度、提高性能以及節(jié)能減排等方面。

與其他類型壓縮機相比，螺桿壓縮機具有結構簡單、轉速高、運行穩(wěn)定、占用空間小且使用方便等一系列優(yōu)點。而在螺桿壓縮機的市場發(fā)展方面，一些老牌螺桿壓縮機重點企業(yè)占據較大的份額，例如：比澤爾、漢鐘、復盛、萊富康、富士豪和日本神鋼、前川兩家企業(yè)。其中比澤爾在2017年前一直保持20%～30%的年增長率，2018年市場增速有所放緩，但仍在兩位數以上。

目前國內已經有幾十家企業(yè)生產螺桿機頭，技術水平也快速上升，國產主機用量超過全球主機用量的50%，并且國內生產的大部分主機都出口給一些臺企或外企。

雖然國內螺桿壓縮機的生產水平不斷提高，但是許多企業(yè)在生產或者使用壓縮機時并不是很重視 “節(jié)能”概念，認為相對于壓縮機性能方面的要求，節(jié)能是次要的。而事實并非如此，在我國，壓縮機的用電占比很高，可達到全國發(fā)電總量8%以上。例如，1臺容積流量為20 m3/min、額定排氣壓力為0.8 MPa的螺桿空壓機每小時用電量約150 kW·h，僅1臺機器每年的電費高達近百萬元。因此如果每臺壓縮機的能耗在現有基礎上降低5%，全國總發(fā)電量將減少近0.4%。從以上數據可以看出，提高螺桿壓縮機的能效具有重要意義，高能效設計理念與技術將成為未來壓縮機制造企業(yè)爭奪市場的主要手段[1]。

2 影響螺桿壓縮機能效因素的研究現狀

影響螺桿壓縮機能效的因素有很多，在此重點針對螺桿壓縮機幾何參數、工況參數、系統的結構形式、驅動形式等4個方面的國內外研究現狀進行綜述。

2.1 幾何參數設計及優(yōu)化

一對相互嚙合的螺桿轉子是螺桿壓縮機的核心部件，所以轉子嚙合狀況決定了螺桿壓縮機的運行性能以及工作效率。而轉子的嚙合狀況又是由螺桿轉子型線直接決定，因此要設計出一對高性能的螺桿轉子，除了對加工精度有很高的要求外，更重要的是設計出優(yōu)良的轉子型線。

螺桿壓縮機幾何參數包括型線的設計及優(yōu)化，是影響螺桿壓縮機能效的重要因素，許多學者通過優(yōu)化設計型線和相關幾何參數來提高螺桿壓縮機的能效。

針對具有相同中心距、外徑、內徑以及轉子長度的4/6齒轉子的壓縮機，張炯焱[2]提出了減小中心距的4/5齒轉子，優(yōu)化后的型線和轉子結構顯著減小了齒頂間隙面積、接觸線長度以及泄漏三角形面積，在提高螺桿壓縮機效率的同時節(jié)省了加工材料的成本。

STOSIC N等[3]則針對3/5，4/5，4/6和5/6齒轉子的壓縮機，將增加轉子型線深度前后兩種情況進行了對比，以確定增加轉子型線深度對螺桿壓縮機性能的影響。研究發(fā)現，較深的轉子型線在所有情況下都顯示出優(yōu)勢；干式壓縮機的容積流量和比功率分別提高了2.9%和0.6%，油浸式壓縮機分別提高了4.5%和1.4%。由此得出，轉子型線深度越大，容積流量越大，絕熱效率越高，能顯著的提高壓縮機的性能。

UTRI M等[4]討論了螺桿壓縮機幾何結構的優(yōu)化問題，通過將熱力學模擬與Nadler Mead優(yōu)化算法相結合，提出了一種工業(yè)螺桿空壓機可變轉子型線的優(yōu)化設計。研究表明，雙型線轉子代表了可變型線的優(yōu)化形狀，優(yōu)化后的轉子由2個不同形狀和長度的部分組成，與恒定轉子型線相比，采用雙型線轉子可使壓縮機效率提高3%。

基于空間曲線的嚙合定律，蔡宏等[5]通過顯函數的形式表示了壓縮轉角與型線坐標參數的關系，由此提出了一種典型轉子型線(SRM型線)的算法實例，為后續(xù)高效轉子型線的設計提供參考。

READ M G等[6]研究了轉子幾何形狀對內嚙合轉子間功率傳遞的影響，提出了Gerotor型螺桿壓縮機轉子輪廓對其主要性能參數(體積、氣孔面積及泄漏面積)的影響。將幾何分析結果與傳統的雙螺桿壓縮機進行了比較，結果表明，在大部分的壓縮周期內，Gerotor型螺桿壓縮機可以得到更大的軸向端口面積和更小的泄漏面積，大大提高了壓縮機的能效。

除了螺桿轉子優(yōu)化設計外，其他幾何參數對螺桿壓縮機的能效也有較大的影響。ABDAN S等[7]通過研究分析由Kirloskar公司和倫敦大學城市壓縮機技術中心協同開發(fā)的新型高效油浸式螺桿壓縮機，得出采用齒條產生的“N”形轉子輪廓具有較經濟的間隙，從而盡可能的提高壓縮機效率。

ABDAN S等[8]還討論了幾何參數對噴油螺桿壓縮機機械功率損耗的影響。研究表明，齒輪箱中功率損耗隨著傳動比和輸入速度提高而增加，軸承的功率損耗隨著轉速和軸承尺寸的增加而增加；除此之外，徑向載荷和軸向載荷對總摩擦功率損失都有顯著影響。因此采用最佳的幾何參數可以減少機械功率的損耗，提高壓縮機的能效。

MALAEL I等[9]通過計算流體力學(CFD)技術分析了在最小間隙40～60 μm和20～40 μm兩種情況下，壓縮機的最大速度、絕對壓力、功率、扭矩、油液質量流量隨時間的變化。研究表明，第一種情況的總功率比第二種情況高18 kW，但第一種情況的轉子表面壓力略高。因此只有最佳的間隙設計才能顯著提高壓縮機的性能。

王增麗等[10]計算了螺桿星輪幾何參數對壓縮機流量損失的影響。結果顯示，隨著星輪螺桿直徑比增加，壓縮機排氣量呈上升趨勢，而隨著中心距系數增加，排氣量則呈現先上升后下降的趨勢。因此在中心距不變的條件下，通過改變星輪螺桿直徑比，適當擴大壓縮機排氣口，可以減少流動阻力損失，提高壓縮機的效率。

為了提高雙螺桿制冷壓縮機性能，吳華根等[11]分析了嚙合間隙和排氣端間隙對壓縮機性能的影響。結果表明，相較于排氣端間隙，嚙合間隙對壓縮機性能的影響更大。因此，為了提高螺桿壓縮機的性能，必須重視嚙合間隙的分布，在滿足熱力變形的基礎上，應盡量減小嚙合間隙，其中，效率η隨間隙s的變化如圖1所示。

圖1 效率隨間隙變化的情況

BUCKNEY D等[12]以一臺噴油螺桿壓縮機為例，在高溫下對原間隙和修正后的間隙進行了測試。通過對原間隙設計和修正間隙設計的對比評價，得出了修正間隙對壓縮機性能的影響。

2.2 工況參數

除了幾何參數的設計及優(yōu)化外，螺桿壓縮機的噴油量、轉速、排氣壓力、吸氣參數、溫度等工況參數也會影響螺桿壓縮機的能效。

噴油是螺桿壓縮機發(fā)展的突破性技術，噴油可以顯著改善螺桿壓縮機的性能， 其總體效果取決于工作流體的質量、流量、噴油位置和噴油溫度等因素。然而，這些變量對機器性能的定量影響規(guī)律還沒有得到充分的研究。為此，BASHA N等[13]對外徑為98 mm、噴嘴尺寸為2，3，4 mm的多孔噴嘴空壓機進行了試驗，試驗在排放壓力為0.65，0.85，1.05，1.25 MPa、轉子轉速為3000，4000，5000 r/min的條件下進行。結果顯示，對于較低的排氣壓力(0.65 MPa和0.85 MPa)，功耗隨著油流量的增加而增加。同時，在較高的排氣壓力(1.05 MPa和1.25 MPa)下，功耗隨著油流量的增加而降低。因此，對于在特定設計條件下運行的壓縮機，應該確定最佳的噴油量。

YANG S M等[14]研究了噴油位置、噴油分布和油流量對雙螺桿制冷壓縮機壓力脈動的影響。研究表明，降低壓縮機排放壓力脈動最主要的因素是油流量，其次是噴油位置和噴油分布。

ZHANG J W等[15]采用先進的CAE工具對噴油螺桿壓縮機內部的流動特性和油分布進行了研究，分析了無油和噴油兩種工況下的壓縮機模型，由此得出最佳的噴油分布。

基于搭建的變頻式噴油螺桿空壓機性能測試試驗臺，呂鵬等[16]分析了壓縮機的轉速以及噴油量對壓縮機熱力性能的影響，得到了排氣溫度、比功率和容積流量隨之變化的規(guī)律。研究表明，在轉速不變情況下，排氣溫度隨噴油量增大逐漸減小，噴油降溫效果隨轉速的增加而增加；比功率隨噴油量增大逐漸減小，而轉速越低時，其減小的幅度越大；容積流量隨噴油量增大逐漸增大，但是增加趨勢逐漸平緩。根據試驗結果，擬合了壓縮機在額定排氣壓力下以不同轉速運行時最佳噴油量Q隨轉速n變化的線性曲線，如圖2所示。

圖2 最佳噴油量隨轉速變化的擬合曲線

噴油技術雖然是目前提高螺桿壓縮機能效較為成熟的技術，但過量的油會導致摩擦和動量損失，從而增加功率消耗。因此許多學者通過改變螺桿壓縮機的轉速、排氣壓力、吸氣參數、溫度等工況參數，以提高壓縮機的能效?；诖罱ǖ臒o油工藝螺桿壓縮機系統實驗臺，劉常峰等[17]研究了影響無油螺桿壓縮機吸氣量的工況參數。結果顯示，在保證排氣溫度不超標的同時，適當增加噴液量不僅可以提高吸氣量，還可以降低壓縮機的設計轉速，在節(jié)約壓縮機電耗的同時還提高了機組運行的可靠性。

通過對螺桿制冷壓縮機電機的繞組溫度場進行研究，文命清等[18]分析了制冷劑氣體流量以及工況參數對繞組溫度的影響。研究表明，在名義工況下螺桿式制冷壓縮機的電機繞組溫度T隨負荷率W的增加呈現先下降后上升的趨勢，其線性曲線如圖3所示。該研究對電機的功率、螺桿壓縮機性能的提高具有設計指導意義。

圖3 名義工況下螺桿式制冷壓縮機電機繞組溫度與負荷率的關系

安紹沛[19]分析了轉子轉速與壓縮機機組效率、容積流量、振動和噪聲的關系。結果表明，適當的控制轉子轉速，可以明顯提高壓縮機的效率和容積流量，降低振動和噪聲，對壓縮機的整體性能有很大影響。

通過測量螺桿空壓機在不同溫度、濕度下的工況參數，吳丹等[20]分析了吸氣參數對工頻和變頻螺桿空壓機能效的影響。研究表明，在相同進氣溫度下，隨著進氣濕度增加，空壓機能耗也隨之增加，因此在空壓機運行時應盡量減小進氣濕度；而在相同進氣濕度下，進氣溫度無論過高或過低，都會降低空壓機的能效水平，因此將空壓機進氣溫度維持在適當的范圍內(18～30 ℃)可保證空壓機組的高效運行。

WU H G等[21]利用計算流體力學(CFD)技術對帶蒸汽噴射(Vapor Injection,VI)的雙螺桿壓縮機的工作過程進行了數值模擬，分析了VI壓力和VI位置對雙螺桿壓縮機性能的影響。結果表明，在相同的VI位置，隨著VI壓力的增大，壓縮機的功率逐漸增大，效率先增大后減小。因此，可以找到最佳的VI壓力，以達到壓縮機效率的峰值。在相同的VI壓力下，則存在一個最佳VI位置可以最大限度地提高壓縮機的效率。

通過對螺桿式壓縮機內容積比k增大時的性能進行計算后，STOSIC N[22]確定了內容積比增大對壓縮機效率的影響。結果表明，在高壓比超過20的情況下運行壓縮機，如果縮小壓縮機排氣口，使其內容積比增加1倍，則比功率PB和絕熱效率可提高26%，性能就會提高，證明了壓縮機在高壓比下工作時采用小尺寸高壓端口的優(yōu)越性，如圖4所示。

圖4 不同內容積比壓縮機比功率的比較

在建立微型高壓壓縮機熱力學模型的基礎上，鄧亦攀等[23]研究了在不同轉速下壓縮機各級工作腔壓力和氣體質量的變化情況，從而分析其對壓縮機效率的影響。結果表明，隨著轉速的提高，壓縮機排氣壓力隨之增大，進而在一定程度上降低壓縮機的效率。因此在不同工況下壓縮機的參數優(yōu)化匹配對其能效的提高具有重要意義。

仝繼鋼等[24]在對微型高壓壓縮機進行仿真分析后，發(fā)現了余隙容積對壓縮機的性能影響明顯，為高能效壓縮機的設計提供了參考。

在壓縮機運行時由壓力脈動產生的噪聲是不可避免，而其對壓縮機的功率和可靠性又有較大的影響，因此壓力脈動的衰減是氣體和制冷設備中的一個重要問題[25]。劉華等[26]研究了一種基于赫姆霍茲共振器的寬頻帶穿孔板氣流脈動衰減器，研究表明，該衰減器可使氣流脈動基頻排氣噪聲值降低3 dB以上，而在噪聲較大的高轉速區(qū)間其衰減效果更好，能有效提高制冷壓縮機的性能。

WU H G等[27]設計了基于一維非穩(wěn)態(tài)氣體流動方程的數學模型來研究雙螺桿制冷壓縮機的排氣壓力脈動，結果表明，在排氣壓力相同的情況下，隨著壓縮機的轉速增加，壓縮機排氣過程中壓力脈動的頻率和振幅也會增加。

基于變頻螺桿制冷壓縮機的結構特點與噪聲原理，陳文卿等[28]提出排氣端面脈動衰減裝置和排氣管路消聲器兩種降噪設計方法。研究表明，排氣端面衰減裝置對壓縮機不同位置的噪聲都有衰減作用，排氣管路消聲器只對排氣側噪聲有顯著削弱，而同時采用兩種降噪方法后，壓縮機在不同轉速下的平均降噪效果能達到5.0～10.0 dB。

除此之外，CHEN W Q等[29-30]通過數學模型研究了壓縮機轉速、部分負荷工況、冷凝溫度以及設計參數等因素對雙螺桿式制冷壓縮機排氣壓力脈動的影響。結果表明，當壓縮機的轉速增加時，排氣壓力脈動的振幅和頻率也會隨之增加。而當壓縮機的負荷率由100%下降至50%時，排氣壓力脈動的平均振幅則隨之下降22%～43%。還對雙螺桿制冷壓縮機的機械振動和氣流湍流引起的噪聲和振動(Noise Vibration Har,NVH)進行了研究和分析，并根據NVH的不同產生機理提出了兩種抑制方法。結果表明，兩種方法都能有效地抑制NVH，提高壓縮機性能。

上述研究解決了高速制冷螺桿壓縮機小型化所帶來的排氣噪聲問題，使高速靜音制冷螺桿壓縮機成為可能，從而提高了螺桿壓縮機的能效。

除上述研究外，一些學者還對如何通過控制方式改變壓縮機的工況參數來影響壓縮機的能效進行了分析和研究。商萍君等[31]通過對采用變頻風機和變頻壓縮機的風冷螺桿式冷水機組進行研究分析，提出了一種優(yōu)化制冷系統的控制方法。研究表明，該控制方法不僅能保證壓縮機組運行的可靠性，還能降低機組的能耗，提高機組的運行效率。WANG等[32]對已開發(fā)的水潤滑螺桿壓縮機進行了實驗分析，研究了注水流量和注水方式對壓縮機性能的影響，找到了提高壓縮機效率的最佳工況參數。該研究為今后高能效水潤滑螺桿壓縮機的發(fā)展和改進提供了參考。

FRANCISCO J等[33]研究了在冷凝盤管前放置蒸發(fā)冷卻墊對螺桿壓縮機冷水機組性能的影響。結果表明，安裝蒸發(fā)冷卻墊不僅可以大幅度降低壓縮機的能耗，還可以顯著減少CO2的排放，在提高機組能效的同時還減小了環(huán)境污染。

針對壓縮機多級壓縮過程中，采用的壓縮噴霧直接冷卻壓縮空氣技術，賈冠偉等[34]討論了不同的壓縮方式、空氣進入壓縮機的溫度、不同比體積以及不同噴霧粒徑對壓縮機能效的影響。結果表明，當壓縮空氣經過噴霧直接冷卻后，壓縮空氣進入下級壓縮機的溫度隨之降低，那么再次壓縮時，壓縮機將趨于等溫壓縮，相應的壓縮功也隨之減少。而當壓比為9，水與空氣的體積比為0.003時，采用該技術的節(jié)能效率可達38.8%。

通過研究水霧能耗對壓縮能耗的影響后，王佳等[35]提出了水霧將壓縮空氣冷卻以實現壓縮機等溫壓縮所需要的極值能耗線，研究表明，當水霧的直徑、噴射壓力以及噴射量達到一定條件時，可以實現壓縮總效率的提高。

為了降低壓縮過程中級間空氣進入壓縮機的溫度，減少壓縮熱能的損失，許未晴等[36]提出在壓縮空氣中注入微米級水霧以實現等溫壓縮。研究表明，該方法大幅度降低了壓縮功的損耗，可以有效的提高壓縮總效率。

2.3 系統結構形式方面

為了降低螺桿壓縮機運行耗電量，減小比功率，提升能效水平，針對大功率一級能效螺桿壓縮機的研發(fā)，螺桿壓縮機的系統結構優(yōu)化必不可少。傳統的單級螺桿壓縮機是采用一次壓縮，隨著現代技術的發(fā)展，兩級乃至多級壓縮的螺桿壓縮機逐漸進入市場。相對單級壓縮，多級壓縮有明顯的節(jié)能優(yōu)勢。近年來國內企業(yè)開始嘗試將兩級壓縮技術應用于螺桿空壓機，兩級壓縮的節(jié)能優(yōu)勢也得以體現。

曹美恒[37]提出了一種新型的兩級永磁螺桿空壓機，介紹了該新型空壓機的工作原理以及節(jié)能原理，結合了相關工程實例，驗證了兩級壓縮的節(jié)能優(yōu)勢。

張森[38]設計了一種適用于低溫工況的半封閉兩級變頻螺桿式制冷壓縮機，具有良好的性能表現。

王辰等[39]介紹了工藝氣兩級注液螺桿壓縮機組在啟動、試氣和工藝投產時的步驟和注意事項，并指出了兩級噴液螺桿壓縮機組的優(yōu)點。研究表明，開發(fā)兩級甚至多級螺桿壓縮機組對壓縮機的能效發(fā)展具有重要意義。

趙兆瑞等[40]計算了單級壓縮和兩級壓縮空壓機主機的絕熱效率，并對比了兩種壓縮形式的計算結果。研究表明，對于大功率機組來說，采用兩級壓縮可使絕熱效率的要求降低10%～15%，能顯著提高機組能效，降低成本，提高機器運行的穩(wěn)定性。

SHEN J B等[41]提出了離心式壓縮機和雙螺桿壓縮機相結合的兩級水蒸汽壓縮方法，并對其進行了理論評價。結果表明，在不同工況下，組合系統具有較高能效。

秦波等[42]介紹了一種2個永磁電動機分別驅動一、二級陽轉子的永磁一體式兩級壓縮螺桿空壓機，研究表明，與傳統的兩級壓縮螺桿空壓機相比，該機型具有更好的性能表現。

劉玉勇等[43]就促進噴油螺桿空氣壓縮機能效提升的兩級壓縮節(jié)能技術進行分析和介紹，結果表明，兩級空壓機的效率明顯高于單級空壓機。從圖5可以看出，兩級壓縮的能效均高于國家一級能效，并且遠高于單級壓縮。從表1可以看出，不同功率的兩級壓縮噴油螺桿空壓機的能效比單級壓縮高出10%以上，部分功率檔甚至高出20%，這對單臺設備的能效提升提供了指導。

圖5 單級壓縮和兩級壓縮能效對比

表1 統計不同功率噴油螺桿空壓機的機組輸入比功率平均值的比較

由上述研究可知，壓縮機采用兩級壓縮后，不僅可以讓壓縮機的壓縮過程更長，實現油氣的充分混合，還能降低每一級的壓縮比以及內外泄漏，實現壓縮機效率的提高，由此提升壓縮機的性能。

2.4 驅動形式

近些年來在關于螺桿壓縮機的能效方面的研究中，新的驅動形式和技術方面的研究占較大比重。例如，采用變頻調節(jié)、節(jié)流調節(jié)等不同調節(jié)方式，或者熱水回收、熱風回收等余熱回收方案來實現螺桿壓縮機節(jié)能運行。

變頻技術是如今螺桿壓縮機行業(yè)中發(fā)展較為成熟的技術，國內外有許多相關研究。

在分析空壓機結構、工作原理以及耗能原因的基礎上，張曉靜[44]詳細介紹空壓機變頻調速系統的設計原理和方法，最后對2臺帶有變頻調速系統的DLG-280型空壓機進行能耗計算。結果表明，采用變頻調速系統不僅能提高空壓機運行效率，還能降低壓縮機的能耗。

為了進一步降低螺桿壓縮機的能耗，鄒江等[45]除了對機械系統方面進行調節(jié)外，還采用變頻調速技術進行節(jié)能改造，研究發(fā)現變頻調節(jié)不僅能提高機組的運行穩(wěn)定性，還能減少氣體壓縮時不必要的能耗損失，顯著提高壓縮機的能效水平。

在分析空壓機常規(guī)控制系統不足的基礎上，王慧芳[46]提出了一種基于PLC控制器的變頻調速系統。研究表明，該系統在降低空壓機能耗的同時還能減小設備的磨損，延長機器使用壽命，實現綜合效益的提升。

李俊[47]利用變頻調速系統對螺桿壓縮機進行改造，研究表明，采用變頻器的PID調節(jié)可以實現壓力的快速、精確控制。改造后不僅可以降低壓縮機的能耗，還可以維護成本、提高壓縮機效率，從而達到節(jié)能降耗、降本增效的目的。

YUSHA V L 等[48]從壓縮機運行方式與油系統的關系出發(fā)，研究了噴油螺桿壓縮機在變頻模式下的運行過程。研究表明，變頻調節(jié)對壓縮機的效率有顯著影響。

CHEN W Q等[49]建立了一個半封閉螺桿式制冷壓縮機的集總參數模型來模擬電機內部傳熱特性，對比了滑閥和變頻兩種方式調節(jié)下電機的溫度分布以及壓縮機的性能。研究表明，采用變頻調節(jié)后，螺桿式制冷壓縮機在功耗、排氣量以及繞組定子溫度特性上有更好的表現。

為了降低設備能耗和維護成本，提高生產效率，曾維剛等[50]對2臺不同型號的螺桿空壓機實施“一控二”的變頻節(jié)能聯合控制方案，對改造前后能耗進行對比分析表明，滿負荷生產下的壓縮機每年可節(jié)約電量為6.1×105kW·h，節(jié)能效果明顯。

余萬民等[51]以ESV45 螺桿空壓機為研究對象，分析了變頻調速系統在螺桿壓縮機中的工作原理，并對工頻和變頻螺桿空壓機的性能進行了比較。結果表明，在空壓機中采用變頻技術不僅能使設備運行穩(wěn)定，還能減少能耗，為用戶帶來顯著的收益，如圖6所示。

圖6 45 kW工頻、變頻空壓機成本比較

以變頻式雙螺桿空壓機為實驗對象，杜巧連等[52]闡述了變頻技術在螺桿空壓機中的應用，并研究了變頻改造對空壓機性能的影響。研究表明，空壓機采用變頻調速系統不僅有利于機器運行穩(wěn)定性，還能取得良好的節(jié)能效果。

為了提高螺桿壓縮機組在實際運行中的性能，秦黃輝[53]分析了機組性能之間的邏輯聯系。結果表明，在部分負荷工況下，螺桿壓縮機組采用變頻調速系統能顯著提高整個機組的性能。

節(jié)流調節(jié)是螺桿壓縮機除變頻調節(jié)外的另一種氣體調節(jié)方式，與變頻調節(jié)相比，節(jié)流調節(jié)系統結構簡單，占地少，成本低。此外，節(jié)流調節(jié)不會改變轉子的齒頂速度，在某些情況下甚至可以保證更高的效率。黨修成[54]通過理論推導分析了吸氣壓力對非固定容積比和固定容積比壓縮機壓縮功率的影響，提出了不同類型壓縮機節(jié)流調節(jié)的適用條件，為節(jié)流調節(jié)在工藝無油螺桿壓縮機中的應用提供了理論依據。

針對小排量螺桿壓縮機采用一般變頻調節(jié)時排氣脈動大，產生節(jié)能效果不理想的情況，郝明濤等[55]基于PAC控制器設計了一種采用“變頻+節(jié)流+電機自動啟?！狈侄握{節(jié)、同時具有能量監(jiān)測功能的控制系統。研究表明，該系統不僅提高了壓縮機的節(jié)能能力，還能實時反映壓縮機組的能量損耗情況，為生產管理工作帶來方便。

除了改變螺桿壓縮機的控制方式外，還可以通過余熱回收系統來提高壓縮機的能效。針對螺桿空壓機在工作過程中排放大量熱能的情況，王國濤[56]提出了一種余熱回收系統，并介紹了其工作原理和實施方案，分析了其節(jié)能效果以及經濟效益。結果表明，該系統不僅提高壓縮機的能效、降低生產成本，還能降低CO2的排放，減小對環(huán)境的污染。

為提升氨工業(yè)制冷系統的運行能效，裴秀英等[57]提出了一種壓縮機氨蒸氣余熱回收方案。理論計算表明，熱回收系統所回收的總熱負荷相當于壓縮機輸入功率的84.2%～99.6%，而組合式熱回收系統的綜合性能系數比無熱回收制冷系統高出29.0%～62.5%，節(jié)能效果顯著。

VLADUCA J等[58]提出了一種無油螺桿壓縮機的余熱回收系統。研究表明，該回收系統能從氣體中提取出浪費的能量，同時將其冷卻以供使用，節(jié)省了巨大的能源。

王超[59]將余熱回收領域中的螺桿機械應用劃分成了四大類，并對其中的應用工藝進行了詳細的介紹。研究發(fā)現，余熱回收對螺桿機械能效方面的發(fā)展提供了重要的理論與實踐指導。

郭亮仁等[60]對螺桿式制氧空壓機進行簡單的改造，采用基于PLC的溫度-流量串級PID控制實現制氧機余熱的回收利用。結果表明，改造后既保證了制氧機運行的穩(wěn)定性，又提高了其工作效率，減少了熱量排放，具有良好的社會和經濟效益。

3 結論

節(jié)能環(huán)保是螺桿壓縮機行業(yè)的未來趨勢，在保證壓縮機排氣壓力、流量等基本性能的同時，提高壓縮機的能效已成為重中之重。近些年，國內外針對螺桿壓縮機能效方面的開發(fā)研究主要集中在幾何參數、運行參數、系統的結構形式、驅動形式等方面。針對目前螺桿壓縮機能效優(yōu)化升級的研究狀況，本研究就螺桿壓縮機高能效設計的未來發(fā)展趨勢進行了展望：

(1) 高效的轉子型線設計和幾何參數優(yōu)化仍是螺桿壓縮機主機能效升級的最根本途徑，在已有的成熟轉子型線基礎上，對其齒數比、齒槽深度、間隙大小及分布等幾何參數進行進一步定量優(yōu)化設計仍是能效升級的有效手段；

(2) 噴油技術仍待創(chuàng)新突破，尤其是噴油量和噴油位置的精確設計、以及噴油后壓縮機腔內氣液兩相流分布和工作過程的精確模擬及預測仍然是重要的技術難點和瓶頸；通過優(yōu)化螺桿壓縮機系統結構，降低螺桿機的噪聲和脈動，可實現能效在一定范圍內的提升；將頻率的范圍進一步的擴大，以求能達到壓縮機的高轉速小型化也是螺桿壓縮機節(jié)能技術的一個方向；

(3) 在單級壓縮的螺桿壓縮機難以繼續(xù)大幅降低能效的限制下，兩級乃至多級壓縮技術將在未來成為高能效螺桿壓縮機設計的重要技術手段，并且將不同類型的壓縮機組合起來,綜合其優(yōu)勢的多級壓縮已成為許多壓縮機制造企業(yè)正在嘗試和探索的高能效設計的突破口；

(4) 在系統驅動與控制方面，變頻技術的相關創(chuàng)新研究和應用在節(jié)能方面產生了很明顯的效果，更高效的控制方法及系統設計也有很大的提升空間，例如，可進一步發(fā)揮變頻的容積流量調節(jié)功能以及滑閥的內容積比調節(jié)功能等；此外，新能源驅動壓縮機已成為一個新的技術熱點，這將對螺桿壓縮機能效方面的發(fā)展和突破產生巨大影響。

作為一種核心工業(yè)產品，螺桿壓縮機能源耗比較大，其能效方面的技術研究仍然具有很大的發(fā)展空間。