吸氣參數對螺桿空壓機運行能耗影響的研究分析

吳 丹，趙 軍

（上海理工大學能源與動力工程學院，上海200093）

1 引言

作為現代工業制造行業的主要動力能源，空壓機是實現電能-電機機械能-氣體壓力勢能相互轉換的通用機械設備，除電力外，壓縮空氣作為第二大動力能源目前已被廣泛應用于工業生產中，其能耗在大多數工廠中約占其全部能耗10%～35%[1]，壓縮空氣系統的能耗分析及其節能優化措施的研究已經成為世界各國實現節能減排的新領域。現階段的節能降耗策略多停留在變頻改造、聯控、管路優化、余熱回收和恒壓控制上，忽略了空氣壓縮機進口空氣溫、濕度對壓縮空氣系統的能耗同樣具有重要影響。樊瑞[2]通過工程實例分析得出濕空氣對空氣壓縮系統造成一系列低劣化的影響，且在相同工況下，壓縮濕空氣所消耗的能量大于干空氣的能量；秦莉[3]對紡織廠空壓機吸氣溫度與能耗進行測試，得出空壓機的吸氣溫度每增加1℃，空壓機的能耗將增加0.295%；張媛媛[4]根據理論分析與實驗研究相結合得出吸氣溫度與壓縮機的輸入比功率基本成線性反比的關系，并提出空壓機最佳能效檢測溫度為12～28℃。本文就吸氣溫、濕度對螺桿壓縮機的能耗影響進行理論分析與實驗研究，得出吸氣參數對螺桿空壓機能耗的影響，并找出空壓機工作時吸氣溫度的合理范圍。

2 吸氣參數對螺桿空壓機能耗的影響分析

2.1 吸氣溫度對螺桿空壓機的影響

螺桿式空壓機屬于容積式空壓機，其實際壓縮過程都帶有冷卻裝置且與外界有熱量交換，空壓機的實際工作過程為多變壓縮過程，多變過程的壓縮功為

式中w——氣體多變過程壓縮功，kJ/kg

p1——氣體初始壓力，Pa

p2——壓縮終了時氣體壓力，Pa

T——氣體初始溫度，K

R——為氣體常數，J/（kg·K）

k——多變指數

由式（1） 可知，在其他條件相同的情況下，壓縮單位質量氣體所消耗的功隨著吸氣溫度的升高而增加，因此在可允許的范圍內降低空螺桿壓機的進氣溫度可以降低空壓機的能耗[5-6]。隨著進氣溫度的增加空壓機的排氣量將減少，據統計，空氣壓縮機進氣溫度每增加10℃，空壓機的實際排氣量會減少2%～4%。但是，若螺桿空壓機的進氣溫度過低會導致壓縮機內部潤滑油粘度增大，壓縮機氣動損失變大，且當空壓機進氣溫度過低時，空壓機的比功率較大能效水平較低。因此在針對空壓機進氣溫度應該控制在合理的范圍內，避免進氣溫度過低或過高對空壓機能效的影響，以保持空壓機的高效節能運行。

2.2 吸氣濕度對螺桿空壓機的影響

若空壓機運行過程中吸氣濕度過高，潤滑油中易摻混壓縮過程析出的水分，會造成潤滑油功效降低，加速螺桿和管道閥件的磨損，降低設備的使用效率，且凝結的水蒸汽會對機器產生較大的腐蝕，導致空壓機中的設備和組成部件生銹，縮短使用壽命。

螺桿空壓機在不同的進氣濕度下能耗也不同。假設氣體壓縮在瞬間完成且不產生相變，壓縮過程可近似為等熵絕熱壓縮，干、濕空氣絕等熵絕熱壓縮p-V圖[7-8]如圖1所示。

在壓力相同的情況下，濕空氣的密度相對于干空氣較小，進行等熵絕熱壓縮時，濕空氣所做的膨脹功大于干空氣所做的膨脹功，圖1中，2-3過程為濕空氣的壓縮過程，1-4過程為干空氣的壓縮過程，1-2-3-4所包圍的面積即為膨脹功的差值，膨脹功差值Δw計算如式（2） 所示[9]

式中 Δw——膨脹功的差值，kJ

T——氣體的初始溫度，K

p1——氣體初始壓力，Pa

p2——壓縮終了時氣體壓力，Pa

k——氣體的絕熱指數

R——氣體常數，J/（kg·K）

由于技術功等于k倍的膨脹功[10]，所以壓縮m（kg/h）的濕空氣時比壓縮同等質量的干空氣相比多消耗的壓縮功如式（3） 所示

由式（2）、（3） 可知，在等熵絕熱壓縮過程中，隨著吸氣濕度的升高所消耗的壓縮功也會增加，因此，在螺桿空壓機運行時使用各種除濕方法降低空壓機的吸氣濕度可以使空壓機的能耗保持在較低水平。

3 實驗裝置及實驗方案

3.1 實驗裝置

實驗中空壓機樣機為一臺工頻噴油螺桿式空壓機和一臺變頻噴油螺桿式空壓機，通過所設計的空壓站測量系統，采集空壓機運行時各空壓機參數、管道氣體流量、空壓機輸入功率、進氣溫度、進氣濕度等數據。空壓機的具體參數如下：

1#：22 kW噴油螺桿變頻空壓機

加載壓力：0.6 MPa；卸載壓力：0.8 MPa，額定功率：22 kW；頻率范圍：30～50 Hz。

排氣量：3.6 m3/min；驅動方式：電機驅動、帶傳動；壓縮級數：單級。

2#：22 kW噴油螺桿工頻空壓機

加載壓力：0.6 MPa；卸載壓力：0.8 MPa；額定功率：22 kW；排氣量：3.6 m3/min

驅動方式：電機驅動、帶傳動；壓縮級數：單級。

3.2 實驗方案

“比能量[11]（kW·h/m3）”是衡量空壓機能耗的重要指標，它表示輸出單位體積壓縮空氣機組所消耗的平均電量。空壓機的比能量受空壓機類型、吸氣參數、出氣壓力等因素的影響，比能量值越小，產生單位體積壓縮空氣所消耗的電量越低，空壓機能效越高。通過實驗測量不同溫、濕度下空壓站運行時的參數，并計算空壓站的比能量，空壓機的比能量Φ，可由空壓機總際容積流量與空壓機輸入功率計算所得

空壓機總實際容積流量QZ1由測得的標況下總產氣量QZ換算得來，如式（5） 所示

式中QZ1——空壓機組總實際容積流量，m3/min

p0——標況下大氣壓力，kPa

QZ——標況下單位時間內氣體體積，Nm3/min

T0——標況下氣體溫度，K

p——當地大氣壓力，kPa

T——空壓機進氣溫度，K

Φ——空壓機進氣相對濕度，RH

ps——水在進氣溫度下的飽和蒸汽壓力，kPa

分別對工頻空壓機及變頻空壓機進行運行實驗，管網壓力范圍為0.3～0.8 MPa，分別測試不同管網壓力下空壓機運行的參數。通過使用加濕器及電加熱器改變空壓機進氣口環境的溫、濕度。進行不同濕度工況的實驗時，進氣溫度維持在15℃，進氣相對濕度分別為45%、55%、65%、75%、85%、95%。進行不同溫度工況下的實驗時，進氣濕度保持為45%，進氣溫度分別為10℃、15℃、20℃、25℃、30℃，溫度的誤差范圍為±0.5℃，測量記錄不同溫、濕度環境下空壓機的運行參數。

圖1 干、濕空氣等熵絕熱壓縮p-V圖

4 實驗結果及分析

通過測量不同工況下空壓機的運行參數，計算空壓機的比能量Φ，通過比能量值的大小衡量壓縮機的能耗情況，不同吸氣參數下空壓機的比能量曲線圖如圖2～5所示：其中圖3和圖4為變頻空壓機在不同溫、濕度工況下比能量曲線圖，圖2和圖5為變頻空壓機在不同溫、濕度工況下比能量曲線圖。

由圖2、3可知，當吸氣溫度相同時，不同管網壓力下，空壓機的比能量均隨著進氣濕度的增加而增大，其中，當工頻空壓機的相對濕度從45%上升到95%時，空壓機的平均能耗增加了2.83%，相對濕度每提高10%時，生產1 m3的壓縮空氣耗電量將增0.000789 kW·h，能耗增加0.56%。當變頻空壓機的相對濕度從45%上升到95%時，空壓機的平均能耗增加了1.56%，相對濕度每提高10%時，生產1 m3的壓縮空氣耗電量將增0.000443 kW·h，能耗增加0.31%。管網壓力為0.8 MPa時比能量相對于壓力為0.6 MPa時增加了1.54%。因此，在管網壓力滿足用戶需求的前提下應盡量減少管網壓力，并且空壓運行時應使用干燥器等除濕設備以減小空壓機的吸氣濕度。

由圖4、5可知，空壓機進氣濕度相同時，當環境溫度10℃＜T＜30℃時，空壓機總體能效水平隨進氣溫度的升高而升高，其中吸氣溫度從10℃上升到30℃時，工頻空壓機平均能耗水平降低了8.48%，溫度每升高1℃，生產1 m3的壓縮空氣機組耗電量將減少0.00059 kW·h，能耗降低0.42%，當變頻壓縮機的吸氣溫度從10℃上升到30℃時，變頻空壓機平均能耗水平降低了8.89%，溫度每升高1℃，生產1 m3的壓縮空氣機組耗電量將減少0.00063 kW·h，能耗降低0.44%。當空壓機吸氣溫度30℃＜T＜45℃（45℃為空壓機最高工作環境溫度）時，空壓機能效水平隨著吸氣溫度的升高而急劇下降，吸氣溫度從30℃上升到35℃時，工頻空壓機的平均能耗增加了7.58%，溫度每升高1℃，生產1 m3的壓縮空氣機組耗電量將增加0.00194 kW·h，變頻空壓機的平均能耗增加了3.51%，溫度每升高1℃，生產1 m3的壓縮空氣機組耗電量將增加0.000907 kW·h。因此，空壓機的進氣溫度過高或者過低都會使空壓機的能耗增加，空壓機的吸氣溫度控制的合理范圍應該在18～30℃。

圖2 不同濕度下工頻空壓機比能量圖

圖3 不同濕度下變頻空壓機比能量圖

圖4 不同溫度下變頻空壓機比能量圖

圖5 不同溫度下工頻空壓機比能量圖

5 結論

吸氣參數的變化對空壓機的能耗有較大的影響，本文通過測量在不同溫、濕度環境下螺桿空壓機的運行參數，分析吸氣參數對空壓機能耗的影響，對所得實驗數據進行分析可得到如下結論：

（1） 壓縮空氣是一種生產成本很高的動力能源，在企業內部總量中，壓縮空氣系統的電能消耗占10%～35%，應積極采取措施降低壓縮空氣在生產過程中的能耗。

（2） 空壓機的能耗水平與機組進氣濕度有密切關系，當機組進氣溫度不變時，進氣相對濕度越高，空壓機平均能耗越高，進氣相對濕度每提高10%，工頻空壓機的平均能耗增加能耗提升0.56%，變頻空壓機的平均能耗增加0.31%。在進行工業生產時，應使用冷凍干燥機等除濕設備減少空壓機組的進氣濕度。

（3） 空壓機運行時進氣溫度過高或過低都會降低空壓機的能效水平。空壓機運行時進氣溫度需保持在一個合適的范圍之內以保證空壓機的高效運行，根據實驗結果及理論分析可以得出空壓機高效運行時溫度范圍應保持在18～30℃。