陸君君 LU Jun-jun；王永健 WANG Yong-jian

（杭州辰睿空分設(shè)備制造有限公司，杭州 311400）

0 引言

當(dāng)前經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，空壓機(jī)的需求廣泛，但其類型不止一種。為防止設(shè)備選購失當(dāng)，要提前對其特性進(jìn)行了解。本文旨在通過精簡的介紹使得相關(guān)人員快速了解空壓機(jī)的工作原理、最適宜工作場景等，以此來節(jié)約企業(yè)的前期準(zhǔn)備時(shí)間，少走彎路，減少企業(yè)運(yùn)營成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

1 空氣壓縮機(jī)工作原理

1.1 空氣壓縮機(jī)的工藝流程

空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)的主要設(shè)備有空氣過濾器、空氣壓縮機(jī)組、油箱、冷卻器等。[1]其工藝流程如圖1所示。目前，應(yīng)用得最為廣泛的是離心式壓縮機(jī)。在該系統(tǒng)中，空氣壓縮機(jī)工作流程如圖1。

圖1 空壓機(jī)壓縮工藝流程

①因?yàn)樵诳諝庵写嬖陬w粒、灰塵及其它雜質(zhì)，這些物質(zhì)如果進(jìn)入空壓機(jī)會(huì)將其損壞，所以要先經(jīng)過過濾器，過濾之后達(dá)到清潔度要求，方可進(jìn)入空壓機(jī)內(nèi)部。這樣處理之后，在導(dǎo)流管與葉片之間的磨損就不會(huì)因異物進(jìn)入而加劇磨損，水冷器的表面也不會(huì)被雜質(zhì)污染，導(dǎo)熱系數(shù)也不會(huì)被破壞。

在空分裝置中，過濾器一般有濕式、干式兩類。在實(shí)際運(yùn)行過程中，通常將濕式、干式兩種過濾器進(jìn)行串聯(lián)之后再使用。這樣可明顯將過濾效果提升。需要注意的是濕式過濾器在前，干式過濾在再后，效果更好。

②通過過濾器處理的干凈空氣最后進(jìn)入空壓機(jī)，機(jī)器的葉輪會(huì)高速旋轉(zhuǎn)，葉輪周邊空氣被它帶動(dòng)，之后氣體的速度提升，壓力提升。

③經(jīng)過壓縮之后的高壓氣體之后會(huì)進(jìn)入擴(kuò)壓器，在這里，氣體的速率降低，壓力升高。在空分系統(tǒng)中所使用的離心壓縮機(jī)在通常情況下是使用多個(gè)葉輪的，經(jīng)過多個(gè)葉輪的逐級壓縮，最終將氣體壓力提高至預(yù)定值。

在空氣壓縮的過程中，不僅僅是提高壓力，其溫度也隨之攀升。這個(gè)過程必然會(huì)與外界產(chǎn)生熱交換，交換的過程中一部分能量會(huì)被浪費(fèi)，那么壓縮機(jī)的整體工作效率也會(huì)被拉低。為解決這個(gè)問題，引入水冷器設(shè)備。水冷器對于降低氣體溫度十分有效，對提升空壓機(jī)的效率很有幫助。在系統(tǒng)工作過程中離不開潤滑油的作用，油箱會(huì)一致提供。經(jīng)過多次壓縮處理的空氣最終會(huì)被送入氮?dú)忸A(yù)冷器，在這里經(jīng)過冷卻之后，即可輸出到下一設(shè)備使用。[2]

1.2 空壓機(jī)系統(tǒng)參數(shù)及工作原理

1.2.1 空氣壓縮機(jī)控制方法

在正常工作時(shí)，空壓機(jī)系統(tǒng)控制部分主要由2部分組成：出口壓力的恒流控制或恒壓控制、空壓機(jī)啟/?？刂啤?/p>

恒流控制/恒壓控制：控制系統(tǒng)在正常工作時(shí)，遇到壓縮機(jī)壓力或流量出現(xiàn)波動(dòng)的情況，進(jìn)行空壓機(jī)出口處壓力或流量的穩(wěn)定工作。采取的措施主要由：進(jìn)出口流量調(diào)節(jié)、變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。

①進(jìn)口流量調(diào)節(jié)是有固定轉(zhuǎn)速的離心壓縮機(jī)所采用的常用調(diào)節(jié)方法，該種方式的操作相對簡單，調(diào)節(jié)范圍也較廣，花費(fèi)亦不算太大。

②變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)有點(diǎn)是調(diào)節(jié)范圍最大，花費(fèi)最低。它的缺點(diǎn)是不確定性較大，對于要求較高的應(yīng)用環(huán)境并不適用。

在具體的應(yīng)用環(huán)境中，使用恒流控制或恒壓控制一定要根據(jù)所處的工況來進(jìn)行選擇，選取與工況相匹配的方式?？刂频氖滓繕?biāo)是入口導(dǎo)葉片的開度，這是無論哪種控制方法都必須遵循的。不同的是，在恒流控制中，空壓機(jī)出口處壓差的大小決定入口導(dǎo)葉片的開度，但在恒壓控制中，空壓機(jī)出口壓力決定入口導(dǎo)葉片的開度。在大型的空分系統(tǒng)中，通常會(huì)選擇恒壓控制。

在空壓機(jī)工作系統(tǒng)的控制部分，除了上述兩種主要控制外，還有其他類型的控制，比如空壓機(jī)正常啟動(dòng)時(shí)或發(fā)生事故時(shí)的保護(hù)控制，空壓機(jī)電機(jī)電流過載保護(hù)控制，自動(dòng)加載、卸載的控制等。這些控制的存在，都為機(jī)組的正常運(yùn)行增加了助力。

1.2.2 空氣壓縮機(jī)參數(shù)

當(dāng)前市場上，空壓機(jī)的主要性能一般是：排氣壓力、流量、工作效率、工作轉(zhuǎn)速功率等。這些工作參數(shù)詳情如下：

①流量。容積流量和質(zhì)量流量是常用的兩種流量表示方法。在固定式壓縮機(jī)中，較多使用容積流量，在移動(dòng)式壓縮機(jī)中較多使用質(zhì)量流量。壓縮機(jī)的通流能力大小通常用進(jìn)氣容積流量表示，單位為m3/min。在石油、化工、空分等相關(guān)行業(yè)中，使用的則是容積流量（標(biāo)準(zhǔn)狀況下），其單位為m3/h。在不同的應(yīng)用領(lǐng)域，需要使用不同的壓縮機(jī)。由于供氣量所需大小不同，在實(shí)際工作過程中，還要根據(jù)工藝的需求來進(jìn)行適宜的調(diào)節(jié)。

②轉(zhuǎn)速。該參數(shù)的單位為r/min，所指的是空壓機(jī)中轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度。空壓機(jī)的能耗會(huì)受到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的很大影響。

③出口壓力。通常情況下，出口壓力指的是空壓機(jī)設(shè)備的排氣壓力。在空分系統(tǒng)中，該壓力的單位一般為MPa。出口壓力是空壓機(jī)中尤其重要的一個(gè)參數(shù)。所需排氣壓力越大，那么對于設(shè)備的選擇也愈加苛刻，設(shè)備中的各零部件都要質(zhì)量過硬，強(qiáng)度與剛度都要符合一定要求，如此一來，購置成本也會(huì)大幅上升。

④功率。該參數(shù)的單位為kW，指的是驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)時(shí)，驅(qū)動(dòng)機(jī)、軸的功率等。

⑤效率。該參數(shù)是指空壓機(jī)的輸出氣體有效功率數(shù)值跟壓縮機(jī)軸耗功率數(shù)值相比，而得出的數(shù)據(jù)。

在壓縮機(jī)的銘牌上，上述這些參數(shù)都會(huì)明示標(biāo)出，而且空壓機(jī)的工作壓力、工作溫度、相對濕度等相關(guān)參數(shù)的進(jìn)氣條件以及氣體介質(zhì)等也要標(biāo)明?？諌簷C(jī)的出口處壓力是其壓力控制部分系統(tǒng)的重要參數(shù)，該參數(shù)對空壓機(jī)的效率、工作性能影響十分重大，直接決定空壓機(jī)出口處壓力控制性能的優(yōu)劣。

1.2.3 空氣壓縮機(jī)工作原理

空壓機(jī)系統(tǒng)流程在實(shí)際生產(chǎn)中一般是二級壓縮過程，其壓縮指數(shù)介于1-1.5之間。多級空壓機(jī)對空氣進(jìn)行壓縮后，從理論上看，其排氣溫度是非常高的。但在通常情況下，機(jī)器的最終排氣溫度不得超過額定值，即不大于155℃-175℃，所以，在工作過程中，會(huì)在各級之間使用冷卻器進(jìn)行降溫，等溫度降下來之后，氣體才可送往下一級進(jìn)行進(jìn)一步的壓縮。兩級之間的出口壓力差值決定著壓縮溫度的高低，該差值與溫度成正比，即差值越大，溫度越高。溫度又影響空壓機(jī)的容積效率，因此，中間冷卻器在空壓機(jī)系統(tǒng)流程中的應(yīng)用必不可少。

綜上所述，使用多級空壓機(jī)，從第一級開始，往高級輸送的氣體被逐級壓縮，在兩級之間裝設(shè)冷卻裝置進(jìn)行降溫，以避免過高溫度的氣體流向下一層，如此一來，可將機(jī)器的運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行改善，可將氣體的比容縮小。

如圖2所示，將排氣、吸氣的過程都假設(shè)在恒壓控制之下，把曲線圖分成3部分來進(jìn)行詳細(xì)分析。曲線123455’61為第一部分，曲線123456’’1為第二部分，12345’P31為第三部分。第一部分是中間冷卻過程，是空壓機(jī)的二級壓縮。第二部分是空壓機(jī)的單機(jī)壓縮。第三部分是空壓機(jī)的定溫壓縮。

圖2 空壓機(jī)兩級壓縮原理圖

在低壓吸氣過程中，低壓缸進(jìn)氣閥門會(huì)打開，此時(shí)的氣源處于平穩(wěn)不變的狀態(tài)，隨著活塞的向右運(yùn)動(dòng)，氣體的體積慢慢變大，在圖2中用3-4線段表示低壓吸氣過程。

在低壓氣缸壓縮氣體的過程中，進(jìn)出閥門都是處于關(guān)閉狀態(tài)的。此時(shí)的活塞會(huì)向左發(fā)生移動(dòng)，氣體的體積隨之縮小，其壓力隨之變大。在圖2中用4-5線段表示低壓氣缸中氣體的壓縮過程。

在低壓氣缸向中間冷卻器排氣過程中，由于低壓缸已達(dá)到預(yù)定壓力值，出口閥門則被打開，此時(shí)的氣壓保持不變。氣體的體積隨著排氣動(dòng)作而慢慢變小，在圖2中用5-2線段表示該過程。

氣體在壓縮冷卻設(shè)備中的冷卻過程用5-5’表示，在該階段，其壓力也是不變的。

將中間冷卻器的排氣過程與高壓缸的吸氣過程中間產(chǎn)生的能量損失忽略不計(jì)后，兩條線重合，在圖2中用2-5’表示。[3]

在中間設(shè)置有冷卻器的情況下，氣體在高壓氣缸中被壓縮時(shí)，高壓缸的進(jìn)出口閥門處于關(guān)閉狀態(tài)，此時(shí)狀態(tài)與低壓缸相近。當(dāng)活塞向左移動(dòng)，氣體的體積縮小，壓力變大，在圖2中用5-6’表示。

在中間設(shè)置冷卻器的情況下，氣體從高壓氣缸被排出時(shí)，高壓缸的出口閥門處于打開狀態(tài)，當(dāng)活塞向左移動(dòng)，此時(shí)壓力保持恒定，隨著氣體被排出，其體積會(huì)慢慢變小。

在空氣壓縮機(jī)中使用多級壓縮流程，在每級之間使用熱交換器等裝置進(jìn)行降溫，其優(yōu)點(diǎn)如下：

①最終排出的氣體溫度較低。因?yàn)槭褂靡患墘嚎s的話，雖然其空壓機(jī)成本低、結(jié)構(gòu)簡單，但自出口排出的氣體溫度偏高，使用了多級壓縮流程后，經(jīng)過中間冷卻的環(huán)節(jié)，使得最后排出的氣體產(chǎn)品溫度適宜。

②能量消耗較低。由圖2空壓機(jī)兩級壓縮原理圖可推斷出，如果壓縮機(jī)采用的壓縮方式為單級壓縮，那么123456’’1曲線所圍成的面積即為它消耗的功。如果壓縮機(jī)采用的壓縮方式為兩級壓縮，中間冷卻的方式，那么23452區(qū)域、125’61區(qū)域的面積之和則為其所消耗的功。等溫壓縮所耗的功為12345’P31的面積。兩者相比，等溫壓縮所耗的功較小。等溫壓縮只是一種理想狀態(tài)，在實(shí)際工作中，只要?dú)怏w被壓縮，熱量必然會(huì)產(chǎn)生。邊壓縮邊控制為恒溫的狀態(tài)很難達(dá)到，成本太高并不適用于生產(chǎn)實(shí)際。因此，多級壓縮，中間冷卻的方式為當(dāng)前生產(chǎn)實(shí)際所能達(dá)到的最佳方式。

從圖2中可得知，空壓機(jī)級數(shù)與中間冷卻器數(shù)量成正比。經(jīng)過數(shù)次壓縮升溫之后又冷卻的過程，所節(jié)省的功亦越多。而且會(huì)將壓縮過程變?yōu)闊o限趨于定溫工作狀態(tài)壓縮。

2 空氣壓縮機(jī)的分類

空氣壓縮機(jī)是一種機(jī)械裝置，它作為空分裝置的關(guān)鍵組成部分，承擔(dān)著將空氣壓縮之后輸送給別的設(shè)備的任務(wù)。沒有空氣壓縮機(jī)的參與，空分設(shè)備無法接受原料空氣，沒有空氣壓縮機(jī)，制冷裝置、降溫設(shè)備也無法正常使用。[4]

2.1 按使用用途分類

在我國國民經(jīng)濟(jì)的諸多領(lǐng)域中，如電力、礦山、化工、制冷等部門，空壓機(jī)早已被大面積應(yīng)用?？諌簷C(jī)是高壓氣體制造的核心裝備，按用途可分為以下四類：

①便于運(yùn)輸：空壓機(jī)可將氣體壓縮，使得氣體便于運(yùn)輸，節(jié)省成本。經(jīng)過空壓機(jī)的處理，氣體被壓縮為高壓氣體，體積大大減少，從而能裝入便于運(yùn)輸?shù)娜萜髦?，大大?jié)約運(yùn)輸空間，十分方便。

②用作傳力介質(zhì)：氣體可傳遞相當(dāng)巨大的力來做功，所以空壓機(jī)壓縮的空氣可用作傳力介質(zhì)，這是氣壓的傳動(dòng)原理。

③利于化學(xué)反應(yīng)：空壓機(jī)可為諸多化學(xué)反應(yīng)提供壓縮的高壓氣源作為實(shí)驗(yàn)原料。因?yàn)槠淇芍谀承┗瘜W(xué)反應(yīng)能進(jìn)行得更好，氣體中存在的離子能更好地重組為分子。

④用于空分裝備：作為空分裝置不可或缺的組成部分，空壓機(jī)對于空分工作十分重要。在空氣中，主要成分是氮?dú)?、氧氣。其中氧氣含量高達(dá)20%。在工業(yè)制氧中，可利用空分系統(tǒng)對其進(jìn)行液化分離。

2.2 按設(shè)備類型分類

在空分設(shè)備中，當(dāng)前最常見的空壓機(jī)有三類，分布為活塞式空氣壓縮機(jī)、透平式空氣壓縮機(jī)、螺桿式空氣壓縮機(jī)。

2.2.1 活塞式空壓機(jī)

活塞式空壓機(jī)的應(yīng)用環(huán)境為流量不大，但所需壓力很高的情況。在制冷行業(yè)，活塞式空壓機(jī)應(yīng)用廣泛。在使用過程中，活塞式空壓機(jī)的電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)在定子中產(chǎn)生交流電，交變電流會(huì)產(chǎn)生磁場而帶動(dòng)轉(zhuǎn)子進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子、曲軸采取過盈配合的方式。曲軸會(huì)在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的帶動(dòng)下也進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。這是通過曲軸連桿機(jī)構(gòu)活塞在氣缸中便能實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在這一系列動(dòng)作后，氣缸的氣體也隨之被壓縮，最終空壓機(jī)的排氣壓力增加。

2.2.2 透平式空壓機(jī)

透平式壓縮機(jī)的應(yīng)用環(huán)境為流量大，但相對壓力要求不高的情況。該類機(jī)型在工作中利用的是機(jī)械旋轉(zhuǎn)。在葉輪高速旋轉(zhuǎn)過程中，產(chǎn)生離心力，在它作用下，氣體從葉輪中心處吸入，之后順著葉片與葉片中間的通道移動(dòng)，并最后流向葉輪的邊緣處。[5]氣體在葉輪邊緣的速度在變快，氣壓力也增大，此時(shí)在氣體通道中高速流出，之后它進(jìn)入擴(kuò)壓器通道，處于該位置的氣體速度變小，壓力變大，此時(shí)的動(dòng)能會(huì)轉(zhuǎn)化為壓力能。最終擴(kuò)壓器中出來的氣體會(huì)進(jìn)入到蝸室輸出。[6]

透平式空壓機(jī)也是一種常見機(jī)型，因?yàn)樾再|(zhì)、運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的不同，該機(jī)型還細(xì)分為軸流式空壓機(jī)、離心式空壓機(jī)兩類。

①軸流式空壓機(jī)的流量很大，效率也高，但缺點(diǎn)是易磨損、消耗較大。該機(jī)型在工作過程中，葉片高速旋轉(zhuǎn)，此時(shí)軸向流入的氣體便被導(dǎo)流至導(dǎo)葉中而進(jìn)行擴(kuò)壓。該機(jī)型的工作適用范圍不大，因?yàn)樗呐艢鈮毫Σ⒉惶€(wěn)定，難以控制。事實(shí)上，在國內(nèi)一般都較少用到該機(jī)型，除非壓縮氣體消耗大戶，否則不會(huì)想到安裝該類型的空壓機(jī)。

②離心式空壓機(jī)所產(chǎn)生的壓縮空氣質(zhì)量好，對于市面上絕大部分的大型空分裝備都適用，所以該類型的空壓機(jī)應(yīng)用最為廣泛。它的葉輪進(jìn)氣管、蝸室等部件是重要組成部分?？钙鸾?jīng)過引流作用，進(jìn)入其進(jìn)氣管后會(huì)逐漸進(jìn)入葉輪。葉輪在工作過程中是高速旋轉(zhuǎn)的，旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力，氣體在離心力作用下被甩出。位于葉輪邊緣的氣體速度會(huì)提升，然后進(jìn)入蝸殼。在蝸殼內(nèi)，之前進(jìn)入的高速氣體會(huì)轉(zhuǎn)化為高壓氣體，最終被空壓機(jī)排出進(jìn)入下一環(huán)節(jié)。

2.2.3 螺桿式空壓機(jī)

螺桿式空壓機(jī)的應(yīng)用環(huán)境為低壓層面。該種類型的空壓機(jī)流量介于活塞式空壓機(jī)與透平式空壓機(jī)之間。螺桿式空壓機(jī)本質(zhì)上是一種容積式的空氣壓縮機(jī)，主要組成部分有：機(jī)體、一對同步齒輪、主動(dòng)轉(zhuǎn)子以及從動(dòng)轉(zhuǎn)子（可互相嚙合）。在實(shí)際運(yùn)行過程中，嚙合齒輪在持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，空氣也在持續(xù)被壓縮，被排出，整個(gè)過程不中斷、是連貫的，因此最終產(chǎn)出的壓縮氣體也是連貫的。

3 結(jié)束語

綜上所述，本文對空氣壓縮機(jī)工藝流程、參數(shù)、工作原理逐一進(jìn)行了闡述與分析，指出不同類型空壓機(jī)的最適宜場景，希望對相關(guān)行業(yè)人員加強(qiáng)空壓機(jī)方面的了解、設(shè)備的選購及使用等方面有所幫助。