任 芳 ，孫曉明 ，駱 嘉 ，耿茂飛 ，張炯焱 ，王泉超 ，張超萍 ，李金祿 ，姜慧君

（1.合肥通用機(jī)械研究院有限公司，合肥 230031；2.合肥通用機(jī)電產(chǎn)品檢測(cè)院有限公司，合肥 230031；3.寧波鮑斯能源裝備股份有限公司，浙江寧波 315504）

0 引言

空氣壓縮機(jī)（以下簡稱空壓機(jī)）作為國家確定的重點(diǎn)用能設(shè)備，是將電能轉(zhuǎn)換為空氣動(dòng)力的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備［1-2］，其用電量占全國發(fā)電量的9.4%［3］，其能效指標(biāo)——機(jī)組比功率受到特別關(guān)注。機(jī)組比功率是空壓機(jī)在額定、滿載工作狀態(tài)下的性能參數(shù)，但實(shí)際生產(chǎn)時(shí)用戶對(duì)壓縮空氣的需求是經(jīng)常變化的，運(yùn)行過程中有一部分時(shí)間，空壓機(jī)處于空載狀態(tài)，此時(shí)依然消耗電能。因此，機(jī)組比功率并不能真實(shí)對(duì)應(yīng)空壓機(jī)的實(shí)際生產(chǎn)能效。

歐美各企業(yè)較重視空載運(yùn)行功率對(duì)空壓機(jī)實(shí)際生產(chǎn)能效的影響，多年前就開始了此指標(biāo)的檢測(cè)及要求。美國壓縮空氣和壓縮氣體協(xié)會(huì)（CAGI）將空載功率作為性能報(bào)告項(xiàng)目。美國《空氣壓縮機(jī)節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)》（Conservation Standards for Air Compressors）附屬資料也對(duì)空壓機(jī)負(fù)載進(jìn)行了分析。歐盟依據(jù)“歐洲議會(huì)第2009/125/EC號(hào)建立能源產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計(jì)要求指令”，2016年發(fā)布了《生態(tài)設(shè)計(jì)要求 一般用空氣壓縮機(jī)》（Possible requirements for compressors for standard air applications DRAFT ECODESIGN REGULATION）明確規(guī)定，空壓機(jī)制造商提供的技術(shù)文件中須提供空壓機(jī)空載功率參數(shù)。

隨著對(duì)空壓機(jī)實(shí)際用能的重視和國際交流的深入，空載功率越來越受到國內(nèi)行業(yè)的關(guān)注，空壓機(jī)綠色設(shè)計(jì)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)將會(huì)提出對(duì)空載功率的指標(biāo)要求，國內(nèi)企業(yè)必將對(duì)空壓機(jī)產(chǎn)品的空載功率進(jìn)行研究和改進(jìn)。

本文提出空載功率比作為評(píng)價(jià)空壓機(jī)的空載功率水平的方法，建立空載功率比的熱力學(xué)研究數(shù)學(xué)模型，通過理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證研究，確定影響空壓機(jī)空載功率的重要參數(shù)為油氣分離器（以下簡稱油分桶）壓力和主機(jī)進(jìn)氣壓力，并給出要達(dá)到空載功率比20%的世界先進(jìn)水平的參數(shù)設(shè)置。本文還建立了空載功率比和負(fù)載率對(duì)用電單耗影響的數(shù)學(xué)模型，可用于計(jì)算用電單耗的量值變化。通過本文的研究，希望能對(duì)空載功率的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供切實(shí)可行的方法。

1 空載功率

1.1 空壓機(jī)實(shí)際運(yùn)行狀況

在壓縮空氣站建設(shè)時(shí)，按照用戶壓縮空氣最大需求配置空壓機(jī)。而實(shí)際生產(chǎn)中，壓縮空氣需求是變化的，因此空壓機(jī)會(huì)適應(yīng)負(fù)荷的變化調(diào)節(jié)生產(chǎn)的氣量。工頻空壓機(jī)通常采取啟停方式調(diào)節(jié)生產(chǎn)氣量。停止產(chǎn)氣方式有2種：（1）空載運(yùn)行，此時(shí)空壓機(jī)停止產(chǎn)氣但保持運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)，避免頻繁啟動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊并能夠快速恢復(fù)產(chǎn)氣的熱備機(jī)方式；（2）停機(jī)，空壓機(jī)停止運(yùn)行。

圖1示出某臺(tái)噴油螺桿空壓機(jī)某段時(shí)間的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，縱坐標(biāo)為空壓機(jī)的運(yùn)行壓力（油分桶壓力）。空壓機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)，壓力為0.66～0.68 MPa，空載運(yùn)行時(shí)壓力為0.3 MPa。

圖1 空壓機(jī)實(shí)際運(yùn)行Fig.1 Actual operation of air compressor

由圖1可見，用戶使用空壓機(jī)時(shí)，空壓機(jī)實(shí)際運(yùn)行過程中包括了滿載、加卸載、空載及停機(jī)等工況；空壓機(jī)在空載運(yùn)行也要消耗電能，實(shí)際生產(chǎn)過程的真實(shí)能效要差于其理想的持續(xù)滿載運(yùn)行時(shí)的能效。

1.2 空載功率概況

以目前生產(chǎn)量和使用量最大的噴油螺桿空壓機(jī)為研究機(jī)型。

本文將空壓機(jī)空載運(yùn)行、輸出壓縮空氣容積流量為零時(shí)機(jī)組消耗的全部功率，稱為空載功率。空載功率由空載時(shí)壓縮指示功率以及電機(jī)電氣、冷卻風(fēng)扇、潤滑油擾動(dòng)、機(jī)械傳動(dòng)等其他消耗的功率組成。

空壓機(jī)空載功率較大，極端情況下甚至?xí)_(dá)到滿載功率的70%。空壓機(jī)空載運(yùn)行時(shí)，進(jìn)氣閥關(guān)閉，此時(shí)若油分桶壓力保持滿載壓力，則空載功率約為滿載功率的70%左右。國內(nèi)空壓機(jī)產(chǎn)品現(xiàn)階段雖然普遍降低了空載運(yùn)行時(shí)的油分桶壓力，但設(shè)定比較保守，空載功率依然較大，總體水平約為滿載功率的40%左右。

通過對(duì)2018年收集的CAGI報(bào)告的統(tǒng)計(jì)，多家公司多種型號(hào)共85臺(tái)空壓機(jī)的數(shù)據(jù)顯示，空載功率與其滿載功率的比值最小的為15.7%，最大的為42.2%。按空載功率與其滿載功率的比值，對(duì)這些數(shù)據(jù)再進(jìn)行細(xì)分，可知滿足各段數(shù)據(jù)的空壓機(jī)數(shù)量占比見表1。為討論方便，將空載功率與滿載功率之比稱為空載功率比，用 δ 表示。

表1 CAGI數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Tab.1 CAGI data statistics

查詢近年CAGI公布的性能報(bào)告，根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，大多數(shù)產(chǎn)品的空載功率比小于30%，可見國外空壓機(jī)產(chǎn)品空載功率指標(biāo)水平提升較快，空載功率的國際先進(jìn)水平已降至其滿載功率的20%及以下，因此國產(chǎn)空壓機(jī)的空載功率水平相比國際先進(jìn)水平仍有很大的改進(jìn)空間。

2 分析研究

空壓機(jī)空載時(shí)，為了維持運(yùn)轉(zhuǎn)，油分桶必須維持一定的壓力以繼續(xù)給主機(jī)供油，此時(shí)仍需主機(jī)壓縮空氣，所以存在壓縮指示功。空壓機(jī)在其整個(gè)運(yùn)行過程中，主機(jī)壓縮指示功占能耗的主要部分，且隨運(yùn)行狀態(tài)不同變化較大，而其他耗功的變化則相對(duì)較小。本文主要對(duì)空載時(shí)的壓縮指示功率與油分桶壓力、進(jìn)氣壓力關(guān)系重點(diǎn)研究。

2.1 空載運(yùn)行

以單級(jí)噴油螺桿空壓機(jī)為例，其空載運(yùn)行系統(tǒng)如圖2所示，流程為：空壓機(jī)進(jìn)氣減荷閥關(guān)閉進(jìn)氣閥門，油分桶壓力下降，壓縮空氣輸出管路保壓閥關(guān)閉，停止機(jī)組向下游供氣。此時(shí)主機(jī)仍保持運(yùn)行，輸出少量壓縮空氣使油分桶維持一定的壓力。該部分壓縮空氣通過內(nèi)部循環(huán)回到進(jìn)氣口，進(jìn)氣減荷閥閥門微啟或開小孔維持少量進(jìn)氣，然后進(jìn)入主機(jī)循環(huán)。油分桶內(nèi)的壓力提供潤滑油動(dòng)力，維持其循環(huán)，保證主機(jī)持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，處于熱備機(jī)狀態(tài)。

圖2 空壓機(jī)空載運(yùn)行系統(tǒng)Fig.2 Idle operation system of air compressor

為降低運(yùn)行能耗、減少空載功率，空壓機(jī)空載運(yùn)行一般采取2種方法：（1）設(shè)定較低的油分桶壓力，降低主機(jī)工作壓力；（2）進(jìn)氣減荷閥關(guān)閉進(jìn)氣閥門，實(shí)施進(jìn)氣節(jié)流。

2.2 理論分析

空壓機(jī)壓縮指示功率計(jì)算公式［4］：

式中 px—— 壓縮初始?jí)毫Γń^壓），空壓機(jī)滿載運(yùn)行時(shí)，取px為大氣壓p0；

Q ——理論容積流量；

n ——多變過程指數(shù)；

pp—— 壓縮終了壓力（絕壓），空壓機(jī)滿載運(yùn)行時(shí)，取pp為額定排氣壓力；空載運(yùn)行時(shí)，取pp為油分桶壓力Pk。

空載壓縮指示功率PK與滿載壓縮指示功率PF之比 θ 計(jì)算公式：

對(duì)于一臺(tái)具體的空壓機(jī)，其理論容積流量、滿載壓縮指示功率均為定值。不同運(yùn)行工況下的多變過程指數(shù)變化較小，影響也很小，為討論方便，本文視為定值。因此從式（2）可知，θ 值的大小主要受壓縮初始?jí)毫?、油分桶壓力影響?/p>

依據(jù)式（2），以額定壓力0.8 MPa空壓機(jī)為例，取n=1.15，可計(jì)算出不同壓縮初始?jí)毫Α⒉煌头滞皦毫ο碌?θ 值。圖 3 示出 θ 隨壓縮初始?jí)毫Α⒂头滞皦毫ψ兓内厔?shì)。

圖3 壓縮初始?jí)毫?、油分桶壓力與θ關(guān)系曲線（理論計(jì)算）Fig.3 Relationship between initial compression pressure，oil-gas separator pressure and θ （theoretical calculation）

由圖3可以看出，油分桶壓力或壓縮初始?jí)毫υ黾?，?均增加。當(dāng)油分桶壓力為0.4 MPa時(shí)，θ 最高可達(dá)到27.4%，當(dāng)油分桶壓力降為0.1 MPa時(shí)，θ 最大值降為18.8%；當(dāng)壓縮初始?jí)毫?6 kPa（絕壓）時(shí)，θ 為18.8%～27.4%，當(dāng)壓縮初始?jí)毫? kPa（絕壓）時(shí)，θ 為 12.6%～17.3%。

需要說明的是，θ的實(shí)際值要大于圖3中的理論值，這是因?yàn)榭諌簷C(jī)空載運(yùn)行時(shí)，存在較大的過壓縮［5］現(xiàn)象，空載壓縮指示功率實(shí)際值大于理論計(jì)算值；按圖3計(jì)算，油分桶壓力與壓縮初始?jí)毫Φ谋戎捣秶鸀?2.5～250，高于本例空壓機(jī)的額定壓力比為9，但實(shí)際壓縮腔的壓比并不會(huì)達(dá)到這么大，具體原因見2.3。

2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3臺(tái)噴油螺桿空壓機(jī)試驗(yàn)樣機(jī)參數(shù)如下：

機(jī)器1#：單級(jí)，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)額定功率22 kW，額定排氣壓力0.8 MPa，公稱容積流量3.3 m3/min；

機(jī)器2#：單級(jí)，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)額定功率110 kW，額定排氣壓力0.8 MPa，公稱容積流量18.9 m3/min；

機(jī)器3#：單級(jí)，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)額定功率132 kW，額定排氣壓力0.8 MPa，公稱容積流量29.2 m3/min。

圖4示出δ隨進(jìn)氣壓力、油分桶壓力變化的趨勢(shì)。試驗(yàn)時(shí)進(jìn)氣壓力測(cè)點(diǎn)在空壓機(jī)進(jìn)氣減荷閥門后、進(jìn)入空壓機(jī)主機(jī)前。（由于試驗(yàn)條件所限，測(cè)試數(shù)據(jù)尚不夠全面、理想）

圖4 進(jìn)氣壓力、油分桶壓力與 δ 關(guān)系曲線（測(cè)試數(shù)據(jù)）Fig.4 Relationship between inlet pressure，oil-gas separator pressure and δ（test data）

由圖4可以看出，油分桶壓力、進(jìn)氣壓力增加，δ 值均增加。

將圖3與4曲線相比較，可以發(fā)現(xiàn)2條曲線的變化趨勢(shì)一致。但同時(shí)發(fā)現(xiàn)，進(jìn)氣壓力變化對(duì)δ 的影響比對(duì) θ 的影響小，即曲線較平緩，主要原因是空載運(yùn)行時(shí)壓縮初始?jí)毫Ω哂谶M(jìn)氣壓力，因?yàn)橹鳈C(jī)壓縮腔為負(fù)壓，通過泄漏進(jìn)入壓縮腔的空氣較多；負(fù)壓產(chǎn)生大量油蒸汽。所以，壓縮初始?jí)毫]有進(jìn)氣壓力變化大。

2.4 分析總結(jié)

（1）油分桶壓力對(duì)空載功率影響是主要因素。由圖4可見，額定壓力0.8 MPa的空壓機(jī)樣機(jī)，當(dāng)進(jìn)氣壓力小于10 kPa（絕壓），油分桶壓力設(shè)定在0.2 MPa時(shí)，空載功率比基本小于30%；油分桶壓力設(shè)定在0.1 MPa時(shí)，3臺(tái)空壓機(jī)試驗(yàn)時(shí)測(cè)得的最小空載功率比分別為19.2%，22.6%，20.2%，因試驗(yàn)條件所限，只有機(jī)器1#的空載功率比降至了20%以下。分析認(rèn)為，若對(duì)油分桶壓力、進(jìn)氣壓力做進(jìn)一步參數(shù)調(diào)整和系統(tǒng)優(yōu)化，空載功率比可以降到20%。

（2）進(jìn)氣壓力對(duì)空載功率影響較小。在相同油分桶壓力時(shí)，進(jìn)氣壓力越大，則空載功率越大。因此，對(duì)于相同主機(jī)和進(jìn)氣減荷閥的不同空壓機(jī)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)機(jī)組轉(zhuǎn)速的變化，重新調(diào)節(jié)進(jìn)氣減荷閥的節(jié)流壓力（即調(diào)整進(jìn)氣壓力），從而優(yōu)化空載功率比。

（3）其他消耗大會(huì)增加空載功率比。表2可知，在相同的油分桶壓力下，θ小于δ，其原因?yàn)榭諌簷C(jī)由滿載到空載時(shí)，電機(jī)、冷卻風(fēng)扇、潤滑油擾動(dòng)、機(jī)械傳動(dòng)等其他消耗的功變化幅度相對(duì)較小，在空載功率中占比加大，因此δ大于θ。以電機(jī)損耗為例，查詢?cè)囼?yàn)機(jī)器2#變頻電機(jī)的負(fù)載特性曲線，空壓機(jī)滿載時(shí)電機(jī)效率為96.8%，空載時(shí)為93.5%～95.3%，電機(jī)損耗的變化幅度小于空載指示功變化幅度。

表2 空載壓縮指示功率比與空載功率比對(duì)照Tab.2 Comparison table of compression indicated power ratio and idle power ratio

（4）空載功率比并非完全與空壓機(jī)額定壓力無關(guān)。按式（1）（2），對(duì)于排氣量相同但額定排氣壓力不同的空壓機(jī)，只要空載時(shí)的進(jìn)氣壓力和油分桶壓力相同，其空載功率就相同，則空載功率比就不同，且受額定排氣壓力影響大。但實(shí)際情況并非如此，從CAGI報(bào)告的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可看出，不同額定排氣壓力的空壓機(jī)的空載功率比水平差異并不大，這是因?yàn)榕c額定排氣壓力相關(guān)的其他因素實(shí)際會(huì)影響到油分桶壓力和進(jìn)氣壓力參數(shù)值的設(shè)定。因此在設(shè)計(jì)空壓機(jī)及空載功率時(shí)應(yīng)該考慮多方因素，并經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證。

（5）根據(jù)理論計(jì)算、試驗(yàn)結(jié)果分析，認(rèn)為對(duì)于額定壓力0.8 MPa空壓機(jī)，當(dāng)進(jìn)氣壓力小于10 kPa（絕壓），油分桶壓力小于0.2 MPa時(shí)，空載功率比基本可降至30%以下；當(dāng)進(jìn)氣壓力小于10 kPa（絕壓），油分桶壓力小于0.1 MPa時(shí)，空載功率比基本可降至20%，達(dá)到國際先進(jìn)水平。

需要注意的是，降低油分桶壓力和主機(jī)進(jìn)氣壓力參數(shù)，可能在空壓機(jī)組運(yùn)行、啟停時(shí)帶來問題，如：油潤滑不足、啟動(dòng)瞬時(shí)壓縮空氣帶出大量潤滑油到供氣管路等，因此需要綜合考慮整個(gè)系統(tǒng)而定。

設(shè)計(jì)噴油回轉(zhuǎn)空壓機(jī)時(shí)，必須對(duì)進(jìn)氣閥進(jìn)氣孔徑、壓縮腔內(nèi)壓、氣路布置等諸多因素綜合考慮，設(shè)定空載時(shí)的最小壓力閥壓力、進(jìn)氣壓力參數(shù)，并經(jīng)過試驗(yàn)優(yōu)化及驗(yàn)證，才能達(dá)到最佳空載功率比。

3 空載功率對(duì)空壓機(jī)實(shí)際能效影響

對(duì)空壓機(jī)用戶而言，生產(chǎn)壓縮空氣的能效指標(biāo)為空壓機(jī)的用電單耗D，即空壓機(jī)產(chǎn)出單位立方壓縮空氣所消耗的電能。用電單耗的大小直接決定了空壓機(jī)的運(yùn)行成本。

空載功率對(duì)空壓機(jī)用電單耗的影響與空載時(shí)間比例，即負(fù)載率有關(guān)。負(fù)載率大時(shí)，空載功率對(duì)用電單耗影響較小；負(fù)載率小時(shí)，則空載功率對(duì)用電單耗影響較大。下面討論空載功率比與負(fù)載率的大小對(duì)空壓機(jī)實(shí)際生產(chǎn)時(shí)用電單耗的影響。

空壓機(jī)實(shí)際總耗功計(jì)算公式：

式中 WF——負(fù)載耗功；

WK——負(fù)載耗功；

WCER——加卸載耗功。

空壓機(jī)負(fù)載率η計(jì)算公式：

實(shí)際用電單耗增加比例計(jì)算公式：

空壓機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)的耗功分類如圖5所示。

圖5 空壓機(jī)實(shí)際運(yùn)行耗功構(gòu)成Fig.5 Power consumption composition of air compressor in actual operation

由圖6可看出，降低空壓機(jī)空載功率、提高運(yùn)行負(fù)載率，用電單耗就越小，用戶使用時(shí)就越節(jié)能，更能降低實(shí)際運(yùn)行成本。以資料中我國平均負(fù)載率約為66%［6-11］計(jì)算，若空載功率比由40%降至25%，由圖6可得，用電單耗可降低7.7%。以空載功率比為25%計(jì)算，若負(fù)載率由66%提高為90%，用電單耗可降低10.1%。

圖6 空載功率、負(fù)載率對(duì)用電單耗的影響Fig.6 Influences of idle power and load rate on power consumption per cubic meter

4 結(jié)論

（1）優(yōu)化空壓機(jī)的空載功率，可以提升空壓機(jī)在實(shí)際使用過程中的能效，實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)節(jié)能。

（2）空載壓縮指示功是影響空壓機(jī)空載功率的主要影響因素，其他損耗對(duì)空載功率也有一定影響。

（3）油分桶壓力和主機(jī)進(jìn)氣壓力是影響空壓機(jī)空載功率大小的主要影響參數(shù)，應(yīng)將這兩項(xiàng)參數(shù)的設(shè)定作為降低空壓機(jī)空載功率的主要研究方向。

（4）試驗(yàn)證明，通過優(yōu)化油分桶壓力、主機(jī)進(jìn)氣壓力參數(shù)，系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后可將空載功率比降至20%，達(dá)到世界先進(jìn)水平。