噴油螺桿空壓機節能技術應用

劉玉勇，王宇川，鮑洋洋，李韶強

（合肥通用機械研究院，安徽合肥 230000）

1 引言

空氣壓縮機（以下簡稱“空壓機”）作為提供壓縮空氣這一優質動力能源的設備，廣泛應用于航空航天、機械電子、石油化工、交通郵電、醫療衛生、輕工紡織、軍工核電、建筑裝潢等領域，我國在用空壓機的能量消耗約占全國總發電量的7%。因此空壓機的能效水平對我國節能減排事業的推動起到至關重要的作用。而近10年噴油螺桿空壓機由于主機關鍵技術的國產化，得到飛速發展，已經在7.5～355 kW范圍內基本取代傳統的活塞空壓機，占據市場絕對的主導地位，其節能技術也是不斷推陳出新。因此，本文就應用在噴油螺桿空壓機上較為普遍的效果良好的節能技術進行分析介紹。

2 能效標準情況

我國目前針對空壓機有相應的能效標準GB19153-2009《容積式壓縮機能效限定值及能效等級》，規定了機組輸入比功率用于表征空壓機能效水平，機組輸入比功率越小，能效水平越好。標準將空壓機能效分為1級、2級、3級3個等級，其中噴油螺桿空壓機每2個能效等級之間能效相差12%左右。噴油螺桿空壓機在其生命周期（通常是8～10年）內的能源消耗成本至少是其采購成本的十幾倍，因此節能潛力很大，也很有必要。

3 節能技術

3.1 兩級壓縮

根據工程熱力學理論，空壓機的壓縮過程可分為等溫壓縮、多變壓縮和絕熱壓縮，其中等溫壓縮耗功最小，而空壓機實際的壓縮過程為多變壓縮，等溫壓縮機是不可能實現的。因此空壓機的設計方向就是要使壓縮過程盡可能接近等溫壓縮過程，從而實現效率的最大化。兩級壓縮就是使壓縮過程接近等溫壓縮的重要技術手段。為了便于理解，將空壓機的壓縮過程用p-V圖表示。如圖1所示，13′為等溫壓縮過程，如果采用單級壓縮，消耗的功相當于面積613″46；當采用兩級壓縮時，消耗的功相當于面積61256與面積52'345之和。節省的功相當于面積2′23″32′。但與等溫壓縮相比，仍多耗了面積122'1加面積2′33′2′的功量[1]。

隨著國內一些空壓機企業逐步掌握了噴油螺桿空壓機主機的設計制造技術，噴油螺桿空壓機近年得以快速發展，成本大幅下降，國內企業開始嘗試將兩級壓縮技術應用在螺桿空壓機上，兩級壓縮的能效優勢也得以體現。近年兩級壓縮和單級壓縮能效比較通過統計部分近年國家壓縮機中心的檢測數據，可以發現兩級壓縮的空壓機效率明顯高于，尤其是110 kW以上原來單級壓縮的空壓機幾乎不可能達到1級能效，甚至很難達到2級能效，而兩級壓縮技術的應用則可以讓大功率空壓機達到1級能效。由圖2可以看出，兩級壓縮的能效值均優于國家1級能效指標線，且要遠遠優于單級壓縮的能效值。

由表1可以看出，不同功率的兩級壓縮噴油螺桿空壓機能效值均優于單級壓縮能效值10%以上，有的功率檔甚至接近20%。這對單臺設備的能效提升來說是一個巨大的進步。兩級壓縮噴油螺桿空壓機節能優勢較為明顯主要有2個原因：

（1）由于采用了兩級壓縮，使得壓縮過程更長，油氣能夠充分混合，使得壓縮過程更接近等溫壓縮。

（2）每級的壓比更低，內泄漏更少，容積效率更高。在兩級壓縮主機和系統設計上，不同螺桿空壓機制造企業也各有特色，如主機多點噴油使油氣混合更均勻，級間設計特殊結構形成霧狀噴射簾以降低2級吸氣溫度等技術，其目的都是使壓縮過程接近等溫壓縮，從而提高效率。

3.2 變頻技術

圖1 壓縮過程的p-V圖

圖2 單級壓縮和兩級壓縮能效比較

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

為了保證下游用氣，設計院或者用戶在選型時對空壓機容積流量指標會留有一定余量。而空壓機幾乎不可能一直在滿負荷條件下運行，需要相應的調節手段。且通常用戶的用氣量有一定的變化波動，要保證供氣穩定，空壓機供氣也應可以調節。普通工頻空壓機通過排氣壓力反饋，靠加卸載來控制空壓機的供氣。但是卸載過程進氣閥處于關閉狀態，空壓機不供氣，而電機依然在額定轉速下運轉，空壓機卸載時功率約為滿載功率的30%～50%，造成了極大的能源浪費。考核空壓機運行水平的重要指標為加載率，即空壓機加載時間占總運行時間的百分比。空壓機加載率越低，運行水平越低，能源浪費也就越嚴重。變頻技術在噴油螺桿空壓機上的應用，很好地解決了加載頻繁、加載率低的問題。變頻空壓機是在控制系統中設置期望的排氣壓力，通過排氣壓力的信號反饋來調節變頻器頻率，從而控制空壓機轉速，調節產氣量。

通過對2臺額定功率110 kW的分別使用加卸載調節和變頻調節的噴油螺桿空壓機進行用氣量變化試驗分析發現，當用氣量與額定排氣量比例分別為90%、80%、70%、50%時，變頻調節相比加卸載調節，節能比例分別為：6.6%、11.7%、18.3%、28.5%[3]。可以看出，當用氣量越小，變頻技術的節能優勢體現得越明顯。因此變頻空壓機適合用氣波動比較大的場合。

3.3 一體式永磁空壓機

該空壓機是將永磁同步電動機與噴油螺桿空壓機主機組成一體的空氣壓縮機。其主要特點：（1）使用高效永磁同步電動機，其效率要優于三相異步電動機，尤其是低轉速時永磁同步電動機的效率下降不明顯，相比普通電機的優勢更大；（2）結構型式上，將電動機的轉子以嵌入方式直接固定于噴油螺桿空壓機主機動力輸入端，沒有了聯軸器，減少了軸承，減少了傳動和摩擦的損失。

為了比較永磁同步動機和三相異步電動機的效率，根據噴油螺桿空壓機的轉速特性，選取同步轉速均為3000 r/min的永磁同步動機和三相異步電動機中效率相對較高的YE3系列電動機進行比較。如圖3，在額定點上，永磁同步電動機的效率比YE3系列電動機高出5.9%～1.7%，隨著功率的增加，二者效率的差距逐漸減小，故永磁同步電動機具有較高效率，但僅在小功率段有較為明顯的優勢。因此在90 kW以下的噴油螺桿空壓機采用一體式永磁結構有更好的節能效益。

4 結語

圖3 電動機額定點效率對比

提高空壓機能效是一個系統工程，不能只依賴某一項技術，需要多項節能技術的綜合運用，也需要每一個細節的優化，積少成多。因此還有一些如優化轉子型線、采用高效離心風機、改變進氣設計、改進系統管路等技術也被廣泛應用在空壓機設計制造中。由于這些節能技術的應用，國內品牌的噴油螺桿空壓機能效水平已經趕上甚至超越國際一流品牌的水平。通過國家檢測中心檢測數據發現，近年噴油螺桿空壓機能效水平達到2級以上的比例越來越高，特別是額定功率90 kW以下，達到2級能效水平的樣機超過60%。一方面體現了能效水平的整體提升；另一方面體現標準指標設定不能滿足現有產品的發展趨勢。目前修訂后的能效標準GB19153已經在報批階段，其中噴油螺桿空壓機的能效指標有了較大幅度地提升，也對企業未來產品提出了更高的要求。希望能效標準和產品技術進步能夠起到相互推動的作用，不斷提高空壓機的能效水平，為我國節能減排事業做出貢獻。