容積式空氣壓縮機能效新標準檢測過程分析

溫金開

(福建省產品質量檢驗研究院，福建 福州 350002)

1 引言

容積式空氣壓縮機是一種用于提供動力的常用的機械設備，是國家工業機械產品的最基本的產品。空壓機具有非常廣闊的運用范圍，涉及生產的各個方面[1][3]。新版的能效標準GB 19153-2019《容積式空氣壓縮機能效限定值及能效等級》[3]于2020年07月01日開始實施，根據中國標準化研究院能效標識管理中心關于容積式空氣壓縮機能效標準修訂和能效標識實施有關問題的說明。同時根據CEL-019《容積式空氣壓縮機能源效率標識實施規則》中1.2、3.1和4.3條的規定，容積式空氣壓縮機能效標識實施范圍、檢測依據及能效等級判定都是依據GB 19153-2019《容積式空氣壓縮機能效限定值及能效等級》的現行有效版本。因此，如何在現行有效版本的標準下實施能效檢測顯得尤為重要，本文對GB 19153-2019《容積式空氣壓縮機能效限定值及能效等級》的現行有效版本的能效檢測方法進行了研究和分析，詳細介紹了在現行有效版本標準下的能效檢測的實驗過程。

2 機組容積流量的試驗過程

2.1 容積式壓縮機流量測量的基本要求

根據GB/T 3853-2017《容積式空氣壓縮機能效限定值及能效等級》[4]或供需雙方商定的壓縮機試驗工況確定流量的測量工況。測量應在壓縮機運轉平穩，工況穩定時進行，測量過程中的各被測參數的波動不得超過表1的規定。每一工況讀數五次，各次讀數時間間隔應均勻，各測點參數應盡可能同時讀數。以各參數的平均值計算壓縮機流量。

表1 被測參數允許的波動值

2.2 容積式壓縮機流量測量方法

2.2.1 測量測量方法選擇

根據GB/T 15487-2015《容積式壓縮機流量測量方法》[5]的測量規定：流量測量有3種方法，包括：用ISA 1932噴嘴加整流器的測量裝置測量壓縮機流量；用ASME噴嘴測量裝置測量壓縮機流量；用圓弧文丘里噴嘴測量裝置在臨界流流狀態下測量空壓機流量。本文主要探討和分析采用實驗室常用的用ASME噴嘴測量裝置(圖1)測量壓縮機流量的方法測量容積式壓縮機機組容積流量。

2.2.2 非變轉速容積式空壓機測量機組比功率測量過程

(1)容積流量測量

非變轉速容積式空壓機測量在容積式壓縮機試驗工況運轉穩定后測量各參數，總時間不少于30 min，數據采集間隔時間相等。測量參數包括：排氣壓力p2、吸氣溫度T1(測量兩點)、 吸氣濕度(%)、噴嘴溫度T2(測量兩點)、壓差△p、吸氣壓力(試驗處大氣壓)p1(測量兩點)、轉速NR和噴嘴直徑d。每個點均測量5次，結果取測量參數的算術平均值。噴嘴系數C(由噴嘴溫度T2和壓差△p據GB/T 15487圖10及表8查得)。實際容積流量按照式1進行計算。

圖1 ASME噴嘴測量裝置示意圖

(1)

非變轉速容積式測量在容積式壓縮機容積流量的修正，包括轉速修正系數K1、規定的多方指數與實驗工況值不一致時對試驗的修正系數K2、外部冷卻劑溫度修正系數K3、氣體中冷凝液的排放而對實際容積流量的修正qvcd。其中實際容積流量各修正系數計算按以下進行計算。

a.速修正系數K1=NC/NR

式中NC——機頭額定轉速

NR——實測轉速

b.規定的多方指數與試驗工況值不一致時對試驗的修正系數K2按照式(2)進行計算。

(2)

相對余隙容積e，rR為壓力比，n=0.9к

c.外部冷切劑溫度修正系數K3，假如規定的氣體和冷切劑溫度以及它們之間的溫度差能保持在GB/T 3853-2017《容積式空氣壓縮機能效限定值及能效等級》 表3給出的范圍內，則建議不做修正。K3=1.0。

d.氣體中冷凝液的排放而對實際容積流量的修正qvcd按式(3)進行計算。

(3)

Rv為水蒸氣的氣體常數，Rv=461.393 J/(kg·K)，qmed為所收集的冷凝液總重量流量。

修正后的機組容積流量按式(4)進行計算。

qV.corr=K1·K2·K3·(qVR+qVcd)

(4)

(2)容積式空壓機功率測量

對于三相電動機，應采用而瓦特計法或其他具有相似精度的方法測量功率。對應流量測量的方法應測量5次，結果取測量參數的算術平均值。功率各修正系數按照以下公式進行計算。

a.轉速修正系數，與容積流量測量時轉速修正系數一直，即K4=K1。

b.吸氣壓力的修正系數K5=p1C/p1R

其中p1C為額定吸氣壓力，p1R為實測吸氣壓力。

c.等熵指數修正系數K6，按照標準GB/T 3853-2017的6.7.3條款進行修正。

d.級壓縮機的濕度修正系數K7，按照標準GB/T 3853-2017的6.7.4條款進行修正。單級壓縮機，無需進行此項修正，即K7=1。

e.冷卻劑進口溫度的修正系數K8，按照標準GB/T 3853-2017的6.7.5條款進行修正。無外部冷卻劑時，無需此項修正，即K8=1。

修正后的機組功率按照式(5)進行計算。

Pcorr=K4·K5·K6·K7·K8·PR

(5)

(3)容積式空壓機機組比功率測量

組比功率吸氣溫度修正系數按式(6)進行計算，無量綱。

(6)

機組比功率式(7)進行計算。

eVC=K14·(Pcorr/qV.corr)

(7)

2.2.4 變轉速容積式空壓機測量機組比功率測量過程

對于變轉速噴油回轉空氣壓縮機的容積流量，應該測量其滿負荷運轉時的100%、70%和40%容積流量的工況。計算變轉速噴油回轉空氣壓縮機機組比功率按式8進行計算，需要按照GB19153-2019表7計算權重系數進行計算。100%、70%和40%滿負荷機組容積流量的工況試驗時，實測機組容積流量與滿負荷的機組容積流量偏差應不大于±5%。

(8)

2.3 運用實例

2.3.1 非變轉速容積式空壓機測量機組比功率測量過程運用實例

本文對型號為V-0.18/7的微型往復活塞空氣壓縮機一臺樣機進行測試，具體包括：排氣壓力、吸氣溫度、噴嘴溫度、壓差、吸氣壓力和轉速等，每個參數測量5次，按照其算術平均值進行容積流量的計算。其機頭額定轉速為：1190 r/min。容積流量實測數據和計算結果詳見表2。

表2 容積流量實測數據和計算結果圖

(1)容積流量各修正系數計算

a.速修正系數K1=NC/NR

機頭額定轉速NC：1190 r/min(標稱)，實測NR：1191 r/min

轉速修正系數K1=NC/NR=1190/1191=0.999

b.規定的多方指數與實驗工況值不一致時對試驗的修正系數K2按式(2)進行計算。

相對余隙容積e，rR為壓力比，n=0.9к

經資料驗證，常溫下空氣等熵指數к在1.40附近波動，經計算驗證后，K2=0.999≈1。

c.外部冷卻劑溫度修正系數K3，一般用噴油螺桿空氣壓縮機無外部冷卻劑，無需此項修正。K3=1。

d.氣體中冷凝液的排放而對容積流量的修正qvcd按式(9)進行計算。

(9)

Rv為水蒸氣的氣體常數，Rv=461.393 J/(kg·K)，qmed為所收集的冷凝液總質量流量，實際收集冷凝液總質量為0 kg，樣機運行時間為120 min，則qmed=0/120=0 kg/min

故：qved=(0×461.393×312.2)/101100≈0 m3/min

(2)修正后的容積流量

QC=K1·K2·K3·(qVR+qVcd)=0.999×1×1×0.174≈0.174(m3/min)

(3)機組輸入功率PR=1.870 kW

(4)功率各修正系數計算

a.轉速修正系數K4=K1=NC/NR=1190/1191=0.999

b.吸氣壓力的修正系數K5=p1C/p1R=100000/101000≈0.990

其中p1C為額定吸氣壓力，p1R為實測吸氣壓力。

c.等熵指數修正系數K6，n=0.9к，經資料驗證，常溫下空氣等熵指數к在1.40附近波動，經計算驗證后，K6=0.999≈1。

d.級壓縮機的濕度修正系數K7。單級壓縮機，無需進行此項修正，即K7=1。

e.冷卻劑進口溫度的修正系數K8，無外部冷卻劑時，無需此項修正，即K8=1。

(5)修正后的功率

PC=K4·K5·K6·K7·K8·PR=0.999×0.990×1×1×1×1.870≈1.849 kW

(6)機組輸入比功率

ωC=PC/QC=1.849/0.174 ≈10.63 kW/(m3/min)

(7)機組比功率吸氣溫度修正系數，無量綱。

(8)機組比功率

eVC=K14·ωC=1.006×10.63≈10.69 kW/(m3/min)

2.3.2 變轉速容積式空壓機測量機組比功率測量過程運用實例

對于變轉速噴油回轉空氣壓縮機的容積流量，應該測量其滿負荷運轉時的100%、70%和40%容積流量的工況。計算變轉速噴油回轉空氣壓縮機機組比功率按式(8)進行計算，需要按照GB 19153-2019表7計算權重系數進行計算。100%、70%和40%滿負荷機組容積流量的工況試驗時，實測機組容積流量與滿負荷的機組容積流量偏差應不大于±5%。

3 結論

本文利用嚴格按照GB 19153-2019《容積式空氣壓縮機能效限定值及能效等級》設計計算容積式空氣壓縮機能效新標準檢測過程。包括機組容積流量、機組功率的測量計算過程，最后進行機組比功率的計算，同時包括中間的修正過程。最后可以通過GB 19153-2019《容積式空氣壓縮機能效限定值及能效等級》查詢容積式空氣壓縮機的能效等級。