文中結(jié)論提煉：

? 按國標(biāo)能效標(biāo)準(zhǔn)，某些機(jī)型單級壓縮幾乎“不可能”達(dá)到，而只能通過“兩級壓縮”才有可能達(dá)成。

? 隨著機(jī)組功率的增加，在目前螺桿空壓機(jī)設(shè)計(jì)與制造水平下，某些絕熱效率要求在單級壓縮空壓機(jī)中幾乎“不可能達(dá)到”。

? 兩級壓縮中間冷卻的空氣壓縮方式具有明顯的能效優(yōu)勢。

? 2級壓縮對各排氣壓力及機(jī)組功率下主機(jī)均有大幅改善，相同能效下絕熱效率需求降低10%~15%，且效果隨著壓比提高和機(jī)組大型化有增大的趨勢。更為重要的是，針對已經(jīng)很高的絕熱效率（如在7bar 和12.5bar 大功率機(jī)組中），進(jìn)一步提高效率難度很大，因此采用兩級壓縮是提高機(jī)組能效的最佳方法。

基于噴油螺桿空壓機(jī)國標(biāo)能效限定值的兩級壓縮性能分析

作者:趙兆瑞、陳文卿、唐昊、邢子文

(西安交通大學(xué)、西安交通大學(xué)蘇州研究院)

摘要:GB19153-2009規(guī)定的一級能效限定值進(jìn)行分析，計(jì)算空壓機(jī)主機(jī)絕熱效率，尋找其變化趨勢，并對比單級壓縮與雙級壓縮的計(jì)算結(jié)果，給出機(jī)組功率與單、雙級選擇的判定依據(jù)。同時(shí)，文中還對進(jìn)氣溫度與級間冷卻效果對計(jì)算的影響，以及雙級壓縮中間壓力的實(shí)際確定進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

▎引言

 GB 19153-2009 《容積式空氣壓縮機(jī)能效限定值及能效等級》是2009 年12 月1 日起實(shí)施的針對容積式空壓機(jī)的國家標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)對空壓機(jī)的能效等級、能效限定值、目標(biāo)能效限定值、節(jié)能評價(jià)值、試驗(yàn)方法和檢驗(yàn)規(guī)則進(jìn)行了具體的規(guī)定，對近年來空壓機(jī)產(chǎn)品的研發(fā)和企業(yè)的發(fā)展方向有指向性的作用。

該標(biāo)準(zhǔn)中僅對空壓機(jī)機(jī)組整體的輸入功率進(jìn)行要求，并未對空壓機(jī)主機(jī)、流動(dòng)損失和換熱效果提供指導(dǎo)性建議。同時(shí)，其所規(guī)定的能效限定值往往無法通過單機(jī)壓縮達(dá)到，需要借由兩級壓縮完成，但如何判斷兩級壓縮的必要性、級間冷卻效果的要求以及兩級壓比的分配等問題依然沒有針對性的理論與實(shí)踐支持。

針對國標(biāo)中的要求，已有研究進(jìn)行了相關(guān)討論，如文獻(xiàn)[1] 對機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)中噴油螺桿空壓機(jī)的能效限定值取值合理性進(jìn)行了分析，指出部分缺陷；文獻(xiàn)[2] 對國標(biāo)中螺桿空壓機(jī)機(jī)組效率進(jìn)行了相關(guān)分析；文獻(xiàn)[3] 對電動(dòng)機(jī)效率對整機(jī)的能耗影響進(jìn)行了分析；文獻(xiàn)[4]、[5] 則涉及部分對螺桿壓縮機(jī)主機(jī)實(shí)際絕熱效率的測試數(shù)據(jù)。

然而，現(xiàn)有研究依然沒有提出針對國標(biāo)能效要求的具體解決方案，即如何達(dá)到1 級能效限定值的螺桿空壓機(jī)設(shè)計(jì)思路。

本文針對標(biāo)準(zhǔn)中的能效限定值進(jìn)行分析，分別對單級壓縮和兩級壓縮機(jī)組計(jì)算相關(guān)的主機(jī)絕熱效率，并對兩級壓縮的壓比分配和級間冷卻效果設(shè)計(jì)提供可行性的建議，旨在為螺桿空壓機(jī)產(chǎn)品提供合理的設(shè)計(jì)指導(dǎo)。 

▎能效國標(biāo)限定值概述

根據(jù)國標(biāo)中的定義，比功率是“在額定工況下，空壓機(jī)機(jī)組的輸入功率與空壓機(jī)實(shí)際容積流量之比值，單位為千瓦每立方米[kW/(m3/min)]”，而額定工況根據(jù)JB/T6430 所規(guī)定的螺桿空壓機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)工況，即： 

吸氣壓力：0.1 MPa （絕對壓力）

 吸氣溫度：20 ℃ 

吸氣相對濕度：0% 

國標(biāo)給出了在4 種不同排氣壓力下，從2.2 kW到630 kW 功率段螺桿空壓機(jī)各級能效所需滿足的最大比功率，圖1 所示為1 級能效螺桿空壓機(jī)在不同排氣壓力與機(jī)組功率條件下的比功率限定值。

由圖1 可以看出，隨著排氣壓力的提高，比功率限定值有明顯的提高；而隨著機(jī)組功率的不斷增大，比功率限定值以近乎線性的趨勢下降。

由此可見，國標(biāo)能效值對大功率機(jī)組有更為苛刻的要求；而由于排氣壓力的增高必然需求更多的能量消耗，比功率限定值必然會(huì)隨著壓比的增高而增高。

▎單級壓縮機(jī)組主機(jī)效率分析

上述對國標(biāo)能效限定值的分析，只能從定性角度看出比功率變化的趨勢，無法定量判斷其對各個(gè)部件的要求，而其中壓縮機(jī)主機(jī)的絕熱效率無疑是最為重要的一項(xiàng)。

為了確定達(dá)到能效限定值必要的主機(jī)效率，需要從比功率中剔除電機(jī)效率損耗、傳動(dòng)效率損失、吸氣壓降損失、排氣損失，并與同壓比下的絕熱壓縮過程耗功對比，以百分比的形式確定主機(jī)效率?；诔Ｒ娐輻U空壓機(jī)的絕熱效率經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以基本判斷在一定壓比與功率情況下，實(shí)現(xiàn)一級能效的可能性。

3.1 絕熱效率計(jì)算過程

3.1.1 電機(jī)效率與傳動(dòng)效率的影響

GB 18613-2012 《中小型三相異步電動(dòng)機(jī)能效限定值及能效等級》中給出了不同轉(zhuǎn)速、不同功率電機(jī)各級能效限定值。為提高整體系統(tǒng)效率，此處全部選取1 級能效電機(jī)進(jìn)行計(jì)算，并設(shè)定4級電機(jī)為標(biāo)準(zhǔn)參照。

 

對于傳動(dòng)效率，小于45 kW 機(jī)組按97%取值，大于或等于55 kW 機(jī)組按99%取值。

3.1.2 吸排氣壓力損失的影響

 

基于對吸排氣壓力損失的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)取值，本文進(jìn)行如下設(shè)定：

 

20 kW 以下機(jī)型，吸氣壓力損失600 Pa；

20~90 kW 機(jī)型，吸氣壓力損失800 Pa；

90 kW 以上機(jī)型，吸氣壓力損失1000 Pa；

排氣壓力損失以排氣壓力的4%計(jì)算。

 

3.1.3 絕熱效率計(jì)算

 

由壓縮機(jī)理論，可逆的絕熱過程可以如公式

（1）       計(jì)算絕熱壓縮功率

對于國標(biāo)限定的螺桿空壓機(jī)，進(jìn)氣壓力為1atm，空氣的絕熱指數(shù)κ=1.4。

實(shí)際壓縮過程中，吸排氣壓力損失將引起空壓機(jī)壓比與工況變化。吸氣壓損將降低主機(jī)進(jìn)氣壓力，進(jìn)而在排氣壓力確定的情況下增大壓縮機(jī)壓比，消耗更多的軸功率。因此，實(shí)際吸氣壓力需要按標(biāo)準(zhǔn)工況壓力減去進(jìn)氣損失引起的壓降計(jì)算得到。

同樣的，排氣壓力損失也將引起主機(jī)排氣壓力上升，提高壓比，增加功耗，因此在實(shí)際排氣壓力確定中需要考慮4%的排氣壓力損失，將損失預(yù)先扣除來設(shè)計(jì)主機(jī)壓比，保證系統(tǒng)出口壓力。

 

機(jī)組理論輸入電比功率計(jì)算公式：

 

 

依照如上計(jì)算方法，對排氣壓力分別為7bar、8bar、10bar、12.5bar 的空壓機(jī)機(jī)組進(jìn)行主機(jī)絕熱效率計(jì)算，進(jìn)而分析不同排氣壓力機(jī)組絕熱效率的需求，以及其隨機(jī)組功率大小的變化趨勢。

絕熱效率計(jì)算公式：

 3.2 結(jié)果與分析

 

表1列出了1級能效下不同壓比與功率空壓機(jī)機(jī)組的絕熱效率。

 

圖2給出了4種不同壓比工況下，1級能效螺桿空壓機(jī)主機(jī)所必須具備的絕熱效率。

 

由圖中可以看出，各壓比機(jī)組主機(jī)效率隨主機(jī)功率大小階梯型上升，與空壓機(jī)輸入功率形成近線性正相關(guān)關(guān)系?？梢娫趯χ鳈C(jī)絕熱效率的要求上，國標(biāo)對大功率機(jī)組也要更為苛刻。

然而，隨著機(jī)組功率的增加，在目前螺桿空壓機(jī)設(shè)計(jì)與制造水平下，某些絕熱效率要求在單級壓縮空壓機(jī)中幾乎“不可能達(dá)到” （如某些絕熱效率超過95%的機(jī)組），甚至一些中小型機(jī)組對主機(jī)設(shè)計(jì)與加工工藝的要求也較難滿足，需要從其他角度考慮機(jī)組整體效率提升的方法。

針對這一問題，可以采用兩級壓縮中間冷卻的方式進(jìn)行機(jī)組設(shè)計(jì)，從理論上減小主機(jī)能耗，提高絕熱效率，以求達(dá)到相關(guān)比功率限定值，提高能效等級。

 

▎兩級壓縮機(jī)組主機(jī)效率分析

 

兩級壓縮中間冷卻的空氣壓縮方式具有明顯的能效優(yōu)勢。

 

其相對一級壓縮，能有效降低二級壓縮入口溫度，降低功耗。同時(shí)利用兩級壓縮低壓比、排氣溫度低等優(yōu)勢，減小泄漏損失，提高容積效率，降低后冷卻器及油冷卻器壓力，都有助于提高系統(tǒng)能效。

 

4.1 中間壓比的確定

在以往的熱力學(xué)理論及壓縮機(jī)技術(shù)，對于中間壓比通常采用“多級均勻分配”的方法，即保證每一級壓縮的壓比相同。此種分配方法在理論上能夠達(dá)到最低的功耗，提高效率，然而在實(shí)際運(yùn)行過程中存在以下兩點(diǎn)不同：

①吸氣壓降與排氣壓力損失對壓比的影響

 

由于在壓縮機(jī)實(shí)際工作過程中，必然存在吸、排氣壓力損失，導(dǎo)致壓縮機(jī)主機(jī)工況與壓比與理論設(shè)計(jì)存在偏差。這不僅增大了其功耗，且在變化工況的情況下，最優(yōu)中間壓力將產(chǎn)生滑移。

②中間冷卻效果對中間壓力的影響

在理論分析過程中，往往將中間冷卻視為最大化效果，即將二級進(jìn)氣溫度降至室溫，忽略換熱器換熱溫差。但這在實(shí)際操作過程中無法達(dá)到，這也將很大程度上影響最優(yōu)壓比分配。

 

本文將基于上文提到的吸排氣損失以及不完全級間冷卻，針對螺桿空壓機(jī)兩級壓縮計(jì)算最佳壓比。

 

兩級壓縮理論總功耗可以通過如下公式計(jì)算：

利用式(5)、(6)即可求得兩級壓縮的最佳中間壓力與功耗。考慮到換熱溫差15℃，此處T1 以20℃、T2 以35 ℃代入計(jì)算。

計(jì)算結(jié)果表明，各排氣壓力機(jī)組具有近乎相同的1、2 級壓比分配比例，即1 級壓比與2 級壓比之比為1.22。

 

4.2 計(jì)算結(jié)果及分析

 

表2 給出了采用2 級壓縮的螺桿按上述方法計(jì)算得到螺桿空壓機(jī)主機(jī)絕熱效率。

 

 

 

圖3 給出了7bar、8bar、10bar、12.5bar 兩級壓縮空壓機(jī)1 級能效主機(jī)所需具備的最低絕熱效率。

 

可以看出采用2 級壓縮設(shè)計(jì)后的機(jī)組主機(jī)所需絕熱效率大幅減少，均在可達(dá)到的范圍內(nèi)。

4.3 1、2級壓縮對比分析

 

在螺桿空壓機(jī)的設(shè)計(jì)過程中，往往存在一個(gè)較難量化的問題，即在何種工況及能效要求下需要用2級壓縮代替1級壓縮。本文根據(jù)以上數(shù)據(jù)，從主機(jī)絕熱效率角度，對這兩點(diǎn)問題進(jìn)行探討，力求提供一定的理論分析基礎(chǔ)。

圖4 以7bar 與12.5bar 排氣壓力為例給出了不同功率單級、兩級壓縮機(jī)組中1 級能效主機(jī)所需具有的絕熱效率。

 

 

由圖4 可以看出，2 級壓縮對各排氣壓力及機(jī)組功率下主機(jī)均有大幅改善，相同能效下絕熱效率需求降低10%~15%，且效果隨著壓比提高和機(jī)組大型化有增大的趨勢。

更為重要的是，針對已經(jīng)很高的絕熱效率（如在7bar 和12.5bar 大功率機(jī)組中），進(jìn)一步提高效率難度很大，因此采用兩級壓縮是提高機(jī)組能效的最佳方法。

根據(jù)國內(nèi)外關(guān)于螺桿空壓機(jī)性能的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，我們不難發(fā)現(xiàn)常見主機(jī)（7~8bar 排氣壓力機(jī)組中） 絕熱效率達(dá)到85%已有較大難度。建議在90 kW 以下機(jī)組可采用單級壓縮，而追求1 級能效的機(jī)組則采用2 級壓縮，這將有助于提高機(jī)組能效，降低成本，提高穩(wěn)定性。

需要說明的是，在上述研究結(jié)果下，有兩點(diǎn)對計(jì)算產(chǎn)生決定性影響的參數(shù)需要進(jìn)行進(jìn)一步的探討：中間冷卻效果取決于眾多因素，如中間冷卻器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、流速與換熱時(shí)間、材料等等，因此針對特定機(jī)型中間冷卻器的特別設(shè)計(jì)，結(jié)果可能發(fā)生改變。

另一方面，雖然國標(biāo)中規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)氣工況為20℃，然而在較為惡劣的環(huán)境溫度下進(jìn)氣溫度可能高于這個(gè)溫度，這也將產(chǎn)生很大的影響。

4.4 中間冷卻效果的影響

 

表3 給出了從10~20℃換熱溫差，在20℃進(jìn)氣溫度情況下對不同機(jī)組計(jì)算結(jié)果的影響。

 

 

可以看出，換熱溫差對絕熱效率計(jì)算結(jié)果的影響較小，保持在1.5%以內(nèi)，但對中間壓力的設(shè)計(jì)影響較大。這是因?yàn)橹虚g冷卻效果僅影響第二級壓縮，而隨著換熱溫差的增大，二級進(jìn)氣溫度提高，能耗增加，需要改變兩級壓力分配，提高一級壓比以最優(yōu)化系統(tǒng)功耗，提高能效。

 

因此，當(dāng)選取不同類型中間冷卻結(jié)構(gòu)時(shí)，需要根據(jù)其效果選擇最佳中間壓力分配比率。

 4.5 進(jìn)氣溫度的影響

表4 給出了從20℃到40℃進(jìn)氣溫度在15K 換熱溫差下對不同機(jī)組計(jì)算結(jié)果的影響。

 由表4 可以看出，進(jìn)氣溫度的升高對系統(tǒng)功耗有很大的影響，隨著進(jìn)氣溫度的升高，主機(jī)的絕熱效率需求提高較大，而中間壓力的設(shè)定則變化不大。

 ▎結(jié)論

 本文通過對國標(biāo)能效限定值的計(jì)算，分析研究噴油螺桿空壓機(jī)系統(tǒng)主機(jī)絕熱效率，并對比單級壓縮與雙級壓縮的優(yōu)劣，得出以下結(jié)論：

 

① 從空壓機(jī)主機(jī)絕熱效率角度分析，國標(biāo)對小功率機(jī)組要求較低，而對大型機(jī)組有很高的要求，甚至某些機(jī)型單級壓縮需要達(dá)到近乎100%的絕熱效率才能滿足1級能效限定值的要求；

② 雙級壓縮機(jī)組的中間壓力確定需要考慮吸排氣損失與中間冷卻效果等的影響，一般采取1.22的1、2級壓比比例；

③ 采用雙級壓縮可以將絕熱效率要求降低10%~15%，即使低壓比大功率機(jī)組也可達(dá)到1 級能效的要求；建議在90kW 以上1級能效機(jī)組采用雙級壓縮；

④ 級間冷卻效果對能效的影響較小，但會(huì)明顯改變最佳中間壓力的設(shè)計(jì)；而進(jìn)氣溫度的升高則會(huì)明顯的提高功耗，降低效率，但最佳中間壓力幾乎沒有變化。