任宏權(quán)，冉 鵬，羅吉榮，司 超，張嶠嶠，李析恒

(陜西漢機(jī)精密機(jī)械股份有限公司，陜西 漢中 723000)

1 引言

在2005年，我國(guó)的“十一五”規(guī)劃綱要中就提出要節(jié)能減排，隨著我國(guó)持續(xù)采取節(jié)能減排的政策，我國(guó)單位GDP的碳排放量呈現(xiàn)進(jìn)一步下降的趨勢(shì)，2020年我國(guó)單位GDP的碳排放量約為0.653千克/美元，僅為2005年的四分之一左右。國(guó)家主席習(xí)近平同志在2020年9月份的第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論上表示，中國(guó)將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，力爭(zhēng)2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。至此節(jié)能減排，綠色發(fā)展也必將走上一個(gè)新的高度。

2 螺桿壓縮機(jī)簡(jiǎn)介

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的持續(xù)增長(zhǎng)，各類壓縮機(jī)的需求量不斷增大，螺桿壓縮機(jī)憑借各種優(yōu)勢(shì)，市場(chǎng)占比也呈現(xiàn)出持續(xù)上漲的趨勢(shì)。螺桿壓縮機(jī)作為“用電大戶”，如何降低其能耗提升產(chǎn)品的性能，制造出更加綠色節(jié)能的螺桿壓縮機(jī)也成為各大壓縮機(jī)廠家的頭等大事。

當(dāng)下國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的螺桿壓縮機(jī)主要是指雙螺桿壓縮機(jī)，根據(jù)運(yùn)行方式不同主要可分為干式螺桿壓縮機(jī)和噴液螺桿壓縮機(jī)，其中噴油螺桿壓縮機(jī)因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高等優(yōu)良特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于礦山、化工、冶金等很多領(lǐng)域。

影響螺桿機(jī)壓縮機(jī)性能的因素有很多，但是螺桿壓縮機(jī)主機(jī)作為螺桿壓縮機(jī)的核心，其性能的優(yōu)劣是螺桿壓縮機(jī)節(jié)能的關(guān)鍵，而軸比功率的大小就是評(píng)價(jià)一臺(tái)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)性能優(yōu)劣的一個(gè)重要指標(biāo)。軸比功率是指標(biāo)準(zhǔn)工況下壓縮機(jī)主機(jī)的實(shí)際容積流量qv與壓縮機(jī)軸功率P的比值，即

(1)

在同等條件下，軸比功率的數(shù)值越小，則壓縮機(jī)主機(jī)的性能越好。

由式(1)可以看出，壓縮機(jī)主機(jī)性能的優(yōu)化主要有兩個(gè)方向，即提高實(shí)際容積流量qv或降低壓縮機(jī)軸功率P。由于受到轉(zhuǎn)子型線等一些技術(shù)的限制，目前國(guó)內(nèi)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)制造技術(shù)基本已經(jīng)到了一個(gè)瓶頸，很難有較大的提升。當(dāng)前國(guó)內(nèi)一些廠家為了達(dá)到節(jié)能的目的，在優(yōu)化空壓機(jī)整體配置的同時(shí)，使用了雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)代替原來的單級(jí)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)。這樣做雖然提高了制造成本，但是其后期使用成本卻大幅度下降，綜合來看也可以達(dá)到為客戶省錢的目的。

3 雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)與單級(jí)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)性能對(duì)比試驗(yàn)

國(guó)產(chǎn)的雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)進(jìn)入市場(chǎng)已經(jīng)有幾年的時(shí)間了，結(jié)合廠家宣傳和用戶體驗(yàn)來看，它的確比單級(jí)螺桿壓縮機(jī)更加節(jié)能。壓縮機(jī)終端用戶對(duì)于雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)的實(shí)際節(jié)能效果的認(rèn)知，都來源于廠家的宣傳數(shù)據(jù)。所以我們需要通過實(shí)驗(yàn)，對(duì)比在同等條件下雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)和單級(jí)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)的主要參數(shù)，根據(jù)測(cè)試的結(jié)果來看看雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)的實(shí)際節(jié)能效果。

3.1 雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)節(jié)能簡(jiǎn)介

雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)與單級(jí)螺桿壓縮機(jī)在運(yùn)行方式上主要區(qū)別有兩點(diǎn)：(1)就是空氣從壓縮機(jī)主機(jī)的進(jìn)氣口到排氣口，需要經(jīng)過兩次壓縮才能達(dá)到最終所需的壓力，同時(shí)每一次壓縮的壓縮比相對(duì)于單級(jí)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)要低很多，內(nèi)壓比越小壓縮機(jī)的運(yùn)行也就更加穩(wěn)定，內(nèi)泄漏也會(huì)減??；(2)雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)在兩個(gè)壓縮級(jí)之間增加了噴油冷卻，降低壓縮氣體的溫度。在壓縮過程的所有可選擇的路徑中，以定溫過程所耗的功最小，定熵過程所耗的功最大，“多級(jí)壓縮、中間冷卻”是減少壓縮機(jī)耗功的有效方法之一[1]。增加噴油冷卻雖然不能達(dá)到定溫壓縮的效果，但是只要給氣體降溫，就可以降低壓縮耗功。

從理論分析的角度來說，在同等條件下雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)的確要比單級(jí)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)的軸功率更低，但是其具體效果還是需要試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

3.2 螺桿壓縮機(jī)主機(jī)性能測(cè)試

雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)的主體結(jié)構(gòu)可以看做將兩個(gè)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)串聯(lián)在一起，其驅(qū)動(dòng)方式主要有兩種，一種是采用雙電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)每一級(jí)壓縮機(jī)，另一種是使用單電機(jī)帶動(dòng)齒輪箱將動(dòng)力傳遞到每一級(jí)壓縮機(jī)。本次測(cè)試用的雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)用雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)局部剖視圖

根據(jù)等增壓比分配原則，即當(dāng)各單級(jí)增壓比相等或者說按照幾何平均均勻分配總增比時(shí)，壓縮機(jī)的耗功最小[1]。所以需要在設(shè)計(jì)的過程中將雙級(jí)壓縮機(jī)主機(jī)的每一級(jí)壓縮的內(nèi)壓比εi設(shè)置為3。

本次實(shí)驗(yàn)的目的是找出在同等條件下，兩種螺桿壓縮機(jī)主機(jī)的實(shí)際容積流量qv和壓縮機(jī)軸功率P有何變化。

為了使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更加精確，減小其他因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的干擾。雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)的一級(jí)壓縮使用和單級(jí)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)相同的螺桿轉(zhuǎn)子和輸入轉(zhuǎn)速，兩種螺桿壓縮機(jī)主機(jī)的理論容積流量同為23.7 m3/min，排氣壓力0.8 MPa。

兩種螺桿壓縮機(jī)主機(jī)在同一測(cè)試臺(tái)上面進(jìn)行測(cè)試，都采用電機(jī)直連驅(qū)動(dòng)的方式連接，實(shí)驗(yàn)所用測(cè)試臺(tái)由合肥通用機(jī)械研究院建造。為了數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，分別制造2種螺桿壓縮機(jī)主機(jī)各5臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，并且在每一臺(tái)壓縮機(jī)主機(jī)開機(jī)測(cè)試約1 h的時(shí)候取一組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 螺桿壓縮機(jī)主機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，在同等條件下雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：容積效率更高，排氣量更大，軸比功率更小。

以試驗(yàn)中使用的2種螺桿壓縮機(jī)主機(jī)為例，雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)的排氣量要比單級(jí)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)多1.26 m3/min ，同時(shí)雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)的軸功率也比單級(jí)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)大2.11 kW。但是雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)的軸比功率為6.07，單級(jí)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)的軸比功率為6.34 ，即在壓縮機(jī)其他配置相同的情況下每制造1 m3的壓縮空氣，雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)要比單級(jí)螺桿壓縮機(jī)耗能少約0.27 kW。

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，不僅證明了雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)的確要比單級(jí)螺桿壓縮機(jī)更加節(jié)能，也驗(yàn)證了前文中提出的理論。但是雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)具體是如何節(jié)能的，其節(jié)能的原理是什么依舊需要我們通過計(jì)算來進(jìn)一步分析。

4 壓縮機(jī)軸功率計(jì)算與節(jié)能原理分析

由于螺桿壓縮機(jī)的壓縮耗能主要在主機(jī)，所以研究絕熱效率就是研究螺桿壓縮機(jī)主機(jī)的性能。絕熱效率可以理解為空壓機(jī)中空氣被壓縮后與前所含能量的比值，體現(xiàn)空壓機(jī)壓縮前后能量利用的完善程度。絕熱效率越接近1，說明該空壓機(jī)主機(jī)的性能越好，反之則空壓機(jī)主機(jī)的性能較次[3]。

通過上面的試驗(yàn)可以看出雖然雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)的軸功率和實(shí)際容積流量都要比單級(jí)螺桿壓縮機(jī)大，但是軸比功率卻更小。所以我們需要通過試驗(yàn)中取得壓縮機(jī)主機(jī)的軸功率等試驗(yàn)數(shù)據(jù)來計(jì)算壓縮機(jī)主機(jī)的絕熱效率，從絕熱效率的角度來分析雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)為什么比單級(jí)螺桿壓縮機(jī)更加節(jié)能。

壓縮機(jī)的軸功率P可以按下式計(jì)算

P=Pad/ηad

(1)

式中Pad——壓縮機(jī)的等熵絕熱功率

ηad——壓縮機(jī)的絕熱效率

螺桿壓縮機(jī)的絕熱效率ηad反映了壓縮機(jī)能量利用的完善程度，其數(shù)值依機(jī)型和工況的不同有明顯的差別。通過式(1)可以看出，在同等條件下壓縮等量的壓縮空氣即等熵絕熱功率Pad相同的情況下，絕熱效率ηad越高，則壓縮機(jī)的最終軸功率P越小。

4.1 單級(jí)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)絕熱效率計(jì)算

如果被壓縮的氣體可以看做理想氣體來處理，則壓縮機(jī)的等熵絕熱功率Pad可以按下式計(jì)算[2]

(2)

式中ps——壓縮機(jī)的吸氣壓力

pd——壓縮機(jī)的排氣壓力

k——被壓縮氣體的等熵指數(shù)

qv——壓縮機(jī)的實(shí)際容積流量

根據(jù)壓縮機(jī)的使用工況來看，可以將本次實(shí)驗(yàn)的壓縮空氣看做理想氣體，由式(2)可得出單級(jí)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)的等熵絕熱功率

所以，由式(1)得出單級(jí)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)的絕熱效率

ηad=Pad/P=104.93/132.31×100%=79.31%

4.2 雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)絕熱效率計(jì)算

本次試驗(yàn)用的雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)可以看做由2個(gè)單級(jí)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)串聯(lián)，所以雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)的等熵絕熱功率也就等于每一級(jí)壓縮的等熵絕熱功率相加。試驗(yàn)用雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)使用的傳動(dòng)齒輪為5級(jí)精度的圓柱斜齒輪，在后面的計(jì)算中我們假設(shè)其傳動(dòng)效率為98%。

首先，由式(2)可得出一級(jí)壓縮的等熵絕熱功率

要計(jì)算二級(jí)壓縮的等熵絕熱功率首先需要算出二級(jí)壓縮的實(shí)際容積流量，現(xiàn)在已知一級(jí)壓縮的內(nèi)壓比εi=3，一級(jí)壓縮的實(shí)際容積流量為22.32 m3/min，則一級(jí)壓縮排出氣體的容積流量可以通過式(3)計(jì)算[2]

(3)

式中qv——一級(jí)壓縮機(jī)實(shí)際容積流量

qv1——一級(jí)壓縮終了時(shí)壓縮機(jī)的容積流量

k——被壓縮氣體的等熵指數(shù)

εV——壓縮機(jī)的內(nèi)容積比

由式(3)可得出一級(jí)壓縮排出氣體的容積流量

上面的計(jì)算用的壓縮機(jī)主機(jī)的實(shí)際容積流量，而且在壓縮機(jī)主機(jī)的2個(gè)壓縮級(jí)之間沒有其他泄漏點(diǎn)，所以一級(jí)壓縮排出氣體的容積流量就可以看做是二級(jí)壓縮的實(shí)際容積流量。

由式(2)可得出二級(jí)壓縮的等熵絕熱功率

雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)總的等熵絕熱功率

Pad=Pad1+Pad2=113.08 kW

因?yàn)槿莘e流量的不同，壓縮機(jī)主機(jī)的絕熱效率也會(huì)不同。在同等條件下容積流量越大，則壓縮機(jī)主機(jī)的絕熱效率也越高。本次試驗(yàn)的目的在于比較兩種螺桿壓縮機(jī)主機(jī)的絕熱效率，所以我們就通過雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)總的等熵絕熱功率來計(jì)算雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)的絕熱效率，不再分別計(jì)算每一個(gè)壓縮級(jí)的絕熱效率：

所以，由式(1)得出雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)的絕熱效率

ηad=Pad/P=113.08/(134.42×0.98)×100%=85.84%

4.3 計(jì)算結(jié)果分析

通過計(jì)算的結(jié)果可以看出，雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)的絕熱效率要比單級(jí)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)高大約6.5%，這也就是雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)更加節(jié)能的主要原因。

5 結(jié)論

通過對(duì)比試驗(yàn)以及后面的計(jì)算分析可以看出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

以一臺(tái)軸功率132 kW的螺桿壓縮機(jī)為例(在同等條件下)。

(1)雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)容積效率更高，實(shí)際容積流量更高，雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)要比單級(jí)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)實(shí)際容積流量高約4.5%；

(2)雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)的軸比功率優(yōu)于單級(jí)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)。制造等量的壓縮空氣，雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)要比單級(jí)螺桿壓縮機(jī)節(jié)能約4.5%，即同樣加載運(yùn)行1 h雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)要比單級(jí)螺桿壓縮機(jī)節(jié)省約6.6 kW·h；

(3)雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)之所以比單級(jí)螺桿壓縮機(jī)節(jié)能是因?yàn)槠浣^熱效率更高。