空壓機非正常運行狀態研究與分析

姜文雍 黃增陽 許中琛

摘 要：通過對活塞式空壓機的異常情況進行理論分析，明確了空壓機異常情況主要表現為壓力和溫度的變化，為空壓機非正常狀態測試裝置的研發提供理論基礎。

關鍵詞：容積系數；溫度系數；壓力系數；過程方程

中圖分類號：TD443 文獻標識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2018.10.008

基金項目：衢州職業技術學院重點資助基金項目（QZYZ1702）

作者簡介：姜文雍（1982-），男，浙江衢州人，碩士，主要從事機械制造與自動化方面的科研和教學工作。

0 引言

空氣壓縮機簡稱空壓機，是一種將原動機的機械能轉換為氣體壓力能的裝置。空壓機在現實的工農業生產中應用非常廣泛，在化工、造船 、石化、石油天然氣、鋼鐵、食品醫藥、電力和冶金等行業有著十分重要的應用[1]。空壓機結構復雜且工作過程繁瑣，物理結構上除了機械、電氣外，還包括了氣體、冷卻水等回路系統，工作時由于內部氣體流動的復雜性，在運行過程中極易產生不容易發現的異常情況，主要有容積流量、各級進排氣壓力和溫度等參數的異常[2]。如果這些異常情況不能夠及時得到解決，那么空壓機將無法正常工作，隨著運行時間的增加，有時還會造成嚴重的安全事故。所以如何及時發現異常情況是當前工作的重點，本文主要針對空壓機運行時的非正常狀態進行研究和分析，從而為空壓機非正常狀態測試裝置的研發提供理論基礎。

1 容積流量的異常

容積流量是空壓機的一項重要性能指標，它的變化會影響到排氣溫度等熱力參數的變化。同時影響容積流量的因素又很多，這使得空壓機在運行時的異常情況更加復雜。為了確定這些異常情況，本文以活塞式空壓機（單級壓縮）為例，對異常情況進行了相應的理論研究與分析。

空壓機容積流量Q0（m3/min）的理論計算公式

Q0=Vh·λv·λT·λP·λL·N0（1）

式中 Vh—行程容積；

λv—容積系數；

λT—溫度系數；

λP—壓力系數；

λL—泄露系數，它考慮到了空壓機所有的泄露；

N0—空壓機的額定轉速（r/min）。

等式（1）的右側任何一個參數發生變化都會影響空壓機的容積流量。對活塞式空壓機而言，Vh通常是不會發生改變的，而其他因素在空壓機運行過程中均能發生改變，從而影響容積流量。

1.1 容積系數

通過對活塞式空壓機吸排氣過程中壓力變化的分析和研究，繪制了實際循環壓力指示圖，見下圖。

容積系數為理論進氣體積V′α與行程容積Vh之比。根據氣體過程方程和氣體狀態方程對活塞式壓縮機的膨脹和壓縮過程進行分析，我們得到容積系數λv的理論計算公式

λv=1-α·[ε1/m-1]（2）

式中 α—相對余隙容積，α=VS/Vh；

ε—壓力比，ε=P2/P1；

m—膨脹指數。

由式（1）和（2）可知：行程容積不變時，壓力比和膨脹指數相同的情況下，若相對余隙容積增大，則容積系數減小，容量流量也減小，反之增大；相對余隙容積和膨脹指數一定時，若壓力比增大，則相應余隙容積內的氣體膨脹至吸氣閥開啟時所占據的氣缸體積增大，容積系數減小，容量流量減小，當壓力比大到一定程度之后，膨脹氣體會占據整個氣缸，空壓機吸氣量等于零，容積流量亦等于零。

1.2 壓力系數

利用過程方程對活塞式空壓機由點v到點1的多方壓縮過程進行分析，可以推導出壓力系數的計算公式。

過程方程

p·v n = c （3）

壓力系數計算式

λp =1-[（1+α）/n·λv]·（△Pv/P1） （4）

當相對余隙容積α=5%～10%，多方指數n=1.5，容積系數λv=0.8～0.9時，得到壓力系數λp的近似計算公式：

λp=1-△Pv/P1= Pv/P1 （5）

式中 Pv—吸氣終了壓力；

P1—大氣壓力。

對式（5）和上圖進行分析可知：壓力系數的大小主要受到進氣閥關閉狀態的彈簧力和進氣管道中壓力波動影響。進氣閥彈簧越硬，克服彈簧力開啟閥片所需要的壓差就越大，λp越小；吸氣終了時，當氣流處于波峰時，會對氣缸內氣體起到增壓作用，甚至造成Pv高于P1的情況；反之，如果氣流處于波谷，則吸氣結束時，氣缸內氣體壓力比正常狀態還要低。

1.3 溫度系數

進氣過程中氣體吸收熱量的多少決定了溫度系數的大小，熱量的來源有兩個：一是氣體進入氣缸過程中，不斷地吸收來自通道、缸壁和活塞的熱量，這部分熱量受氣體和壁面的溫差、活塞的平均速度和氣體的密度的影響，而壁面的溫度取決于壓力比的大小和氣缸的冷卻情況；二是吸氣過程中，由于壓力損失所消耗的功也轉化為熱量而被氣體吸收。

2 排氣壓力的異常

排氣壓力和容積流量兩者之間相互影響，不可分離。當容積流量在額定排氣壓力下不能夠滿足用戶對于排氣量的要求時，排氣壓力減小，所以，排氣壓力降低只是現象，其實質是排氣量不能滿足要求。兩種情況會發生排氣量不足：一種是空壓機自身產生故障，使排氣量減小；另一種情況是空壓機沒有故障，而是用戶對于排氣要求的增加，導致排氣壓力的降低。

3 排氣溫度異常

對活塞式空壓機的吸排氣過程進行熱力學分析，可知空壓機的吸氣溫度和排氣溫度之間存在著關系式（6），式（6）給出了影響排氣溫度的因素。

Td=Tsεk/（k-1）（6）

式中 Ts—吸氣溫度；

Td—排氣溫度；

ε—壓力比；

k—壓縮指數。

空壓機在工作壓力下（表壓）運行過程中，會向周圍空氣環境中不斷釋放熱量，對空壓機吸氣口處的空氣進行預熱，使吸氣溫度Ts增加，因此排氣溫度也增加。同時，由于周圍空氣環境的改變，吸氣壓力也在發生變化，吸氣壓力增加，壓力比減小，排氣溫度減小；吸氣壓力減小，壓力比增加，排氣溫度增大。

上述排氣溫度的變化情況并非異常，而是空壓機運行過程中的正常狀態，在對空壓機的非正常情況進行分析時，要能夠準確的分辨出異常情況與正常情況。當空壓機排氣閥泄漏時，能夠使熱的氣體回竄，進入氣缸，回竄氣體不僅在吸氣過程中加熱氣體而且壓縮過程的開始階段也能夠對氣體繼續加熱，從而使排氣溫度升高。

4 結論

通過對活塞式空壓機異常情況的理論分析和研究，我們知道活塞式空壓機溫度和壓力的變化是空壓機發生異常時最主要的表現形式，同時它們又能夠影響空壓機一些性能指標。因此在使用中，我們可以通過監測溫度和壓力的異常情況來判斷活塞式空壓機運轉是否正常，這為我們研發空壓機非正常狀態測試裝置提供了理論基礎。

參考文獻：

[1] 劉新航.空氣壓縮機組監控系統開發[D].大連：大連理工大學，2006.

[2] 周敏，王慶鋒，劉文彬，等.往復壓縮機故障診斷模型技術研究及應用[J].壓縮機技術， 2012（4）：13-15.

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