节流调节在螺杆压缩机节能中的理论研究

党修成

（中国船舶重工集团公司第七一一研究所，上海200072）

节流调节在螺杆压缩机节能中的理论研究

党修成

（中国船舶重工集团公司第七一一研究所，上海200072）

通过理论推导，分析了吸气压力对非固定容积比和固定容积比压缩机的压缩功率的影响，并提出了节流调节在不同类型压缩机的适用条件，为节流调节在工艺无油螺杆压缩机的应用提供了理论依据。

节流；螺杆压缩机；内容积比；节能；调节

1　引言

螺杆压缩机的调节方式主要包括：开停调节、滑阀调节、旁路调节、节流调节和变频调节［1］。其中开停调节常见于中小型螺杆压缩机中，如火炬气螺杆压缩机。这种方式容易对滑动轴承、密封组件（尤其是干气密封）等部件造成损伤，在大型螺杆压缩机中通常不予采用。滑阀调节是喷油螺杆压缩机独有的一种调节方式，能够实现气量的无级调节，通常用于制冷剂和空气压缩的场合。工艺无油螺杆压缩机中，由于气缸体缺乏必要的润滑以及考虑杂质颗粒对滑阀的阻塞影响，一般不设置滑阀调节。旁路调节是一种耗能的调节，但由于调节的可靠性高，在工况稳定的工艺中普遍采用。变频调节则是一种节能的调节方式，波动工况采用较多，可由变频的汽轮机、燃气轮机和变频电机实现。通常情况下，变频调节的投资较大，但因其具备良好的操作经济性，在大中型螺杆压缩机中应用较广。

节流调节是利用阀门等装置，通过降低压缩机吸气压力，从而实现气量调节的一种方式，由于气体标方量与吸气压力成比例，有时也称为比例调节。目前，工艺无油螺杆压缩机的节流调节应用并不多，主要基于如下原因：

（1）从安全上考虑，大部分工艺气为可燃易爆的气体，在吸气压力较低的工况下，节流容易造成工艺气负压，导致空气通过管道和管件的连接处泄漏至工艺气中引起燃烧和爆炸危险［2］。

（2）从操作上考虑，某些工况下，节流会引起阀门等节流元件产生强烈振动［3］，影响压缩机的正常运行。

（3）从节能上考虑，无滑阀的工艺无油螺杆压缩机为固定内容积比，因此并非在任何工况下入口节流都可以实现节能的［4］。相对于非固定内容积比的压缩机（如往复机）而言，其节流调节引起压缩功率的变化存在较大差异，相关的研究表明，在部分工况下往复压缩机的效率要高于螺杆压缩机［5］。

上述前2个原因均可通过技术上的改进得以解决。但节能问题，需要进行理论的分析研究。本文通过对非固定容积比压缩机、无油湿式和无油干式螺杆压缩机在节流工况下的功率消耗与吸气压力的关联关系，提出节流调节的适用条件。在此基础上，分析了节流调节可能带来的问题及相应的解决方法，为节流调节在工艺螺杆压缩机的应用提供理论基础。

2　理论研究

非固定容积比和固定容积比的p-V图，如图1所示。其中，图中白色区块加上点填充的总面积为节流前功耗，而白色区块加上斜线填充的总面积为节流后的功耗。实际所能节约的功率为点填充面积减去斜线填充面积。无论是非固定容积比，还是固定容积比，点填充的面积与斜线填充的面积的大小关系并非为直观确定的关系，因此需要进行公式计算才能推导出其中的关系。

图1　节流功耗图

2.1非固定容积比压缩机的节流分析

非固定容积比压缩机（如无余隙容积的往复机）在不考虑气阀损失、容积损失和余隙容积的影响，其压缩功率过程可按照绝热压缩过程进行计算，如下

式中Pad-r——非固定容积比压缩机的压缩功率

k——气体绝热指数

ps——吸气压力

Qv——理论容积流量

pd——排气压力

为考察功率对吸气压力的影响，对吸气压力ps进行一阶和二阶求导。所得结果如下

式中ps-t为非固定容积比压缩机节能调节的分界吸气压力，显然该吸气压力与排气压力和气体的绝热指数有关。对公式（1）进行二阶求导

可知，ps-t为Pad-r的极大值，即吸气压力为ps-t值时，压缩机消耗的功率最大，ps-t将节流的功率分为2个分界如图2（a）

图2　节流调节性能图

（1）当实际的吸气压力ps∈（0，ps-t）时，节流引起吸气压力降低能够起到节能的效果；

（2）ps∈ps-t，pd时，节流引起吸气压力降低起到耗能的效果。

2.2无油湿式螺杆压缩机节流分析

无油螺杆压缩机为固定容积比，通常称为内容积比，其大小是由于压缩机的转子和气缸体共同构成。由于未采用滑阀调节，内容积比的大小在压缩机的建造时已经确定，实际运行时无法进行改变。

无油螺杆压缩机的压缩功率计算比较复杂，需要做相应的简化：（1）所压缩的工艺气为理想气体；（2）压缩过程为绝热过程；（3）不考虑压缩过程的局部阻力损失。实际上，无油喷液螺杆压缩机中，由于液体很难做到非常精细的雾化，在较高的转速下，气液接触时间短，难于实现充分的传热。相关的研究表明，螺杆压缩机的实际过程更接近于绝热过程。螺杆压缩机的压缩功率如下

式中Pad-s——螺杆压缩机压缩功率

pf——压缩终了压力

εv——内容积比

其中方程的第一部分为吸气压力至内压缩终了时的绝热功，第二部分为压缩终了至排气压力时，由于压力差造成的额外功。

终了压力与内容积比的关系如下

根据式（5）和式（6）对压缩机的吸气压力进行求导，结果如下

根据上述关系，可求得

式中εv-t——可节流节能的最小内容积比

显然εv-t只与气体的绝热指数k有关，而与工况无关。

因此可知，工艺无油螺杆压缩机的节流应分以下3种情况图2（b）。

（1）当εv>εv-t，压缩功率Pad-s随吸气压力ps的降低，单调递减，此时节流可实现压缩机的节能操作，并且εv离εv-t越大，节能效果越明显；

（2）当εv=εv-t，压缩功率Pad-s随吸气压力ps的降低，保持不变，此时节流对压缩机的功率没有影响；

（3）当εv<εv-t，压缩功率Pad-s随吸气压力ps的降低，单调递增，此时节流反而引起压缩机功耗的增加，并且εv离εv-t越小，耗能效果越明显。

以空气为例，由于k=1.4，计算相应的εv-t为2.3。则实际内容积比εv>2.3时，则节流调节可以实现节能，反之亦然。这与文献［4］的结论一致。同时相关文献［6］的实验结果也验证了这一结论，见图3。根据气体绝热指数k的范围，可知εv-t∈［2.2，2.7］区间范围内，k越大，相应的εv-t越小。

从图2可以看出，非固定容积比（如往复压缩机）和固定容积比（如无油螺杆）压缩机的节流调节性能存在较大差异。

图3　压缩功率与吸气压力的关系

2.3无油干式螺杆压缩机节流分析

无油湿式螺杆可通过控制冷却液的注入量，实现对排气温度的控制。即使节流造成的效率下降，气体排气温度升高，仍可利用冷却液保护压缩机，不会影响压缩机的正常运行；另一方面，无油干式螺杆压缩机除了与湿式螺杆压缩机面临同样的节流节能问题，本身还面临效率问题。在缺乏冷却液的情况下，效率的下降引起排气温度的升高，容易造成压缩机转子和汽缸体的膨胀而出现咬合和擦缸风险。因此，无油干式螺杆压缩机的节流节能调节，一方面需满足容积比大于的条件；另一方面还需防止节流后气体的密度下降，导致质量流量变少而排气温度变化的风险。为此需要考察排气温度与吸气压力的关系。假设在这一过程中，容积效率保持不变，则螺杆压缩机的排气温度满足如下关系式

式中ηv——容积效率

Cp——定压比热容

Rg——气体常数

经过化简运算后，求得

根据上式可知排气温度随着吸气压力的降低而增加。一般情况下，吸气压力下降的情况下，还可造成压缩机容积效率的下降，二者共同作用，排气温度将进一步升高。因此，干式螺杆压缩机采用节流调节，虽然在较大内容积比的情况下可实现节能调节的目的，但将引起压缩机排气温度的升高。因此，可调节的范围较窄，甚至不可用。

3　节流调节可能存在的问题及解决方法

如上所述，节流调节主要存在的问题是：（1）导致管路负压，造成空气内漏；（2）造成节流机构振动；（3）引起排气流量的减少，喷液导致出口柱塞流，而引起振动。

针对上述问题，系统上应做如下改进：（1）为减少空气内漏风险，节流机构应尽可能靠近压缩机的入口，并减少节流机构与压缩机之间的连接管件，在某些的情况下，可采取在连接件外做液体或气体密封夹套的防护措施；（2）为避免节流机构的振动，可采用多级节流的防振阀门，控制每一级的节流压比在临界压比以上，（3）为防止出口出现柱塞流，应采用下排气的壳体，在气液分离之前应避免两相流的爬升。

4　结论

节流调节是工艺螺杆压缩机除变频调节方式以外的另一种气量调节手段，在满足一定的条件下，可实现较好的节能操作。相对于变频调节，节流调节系统简单、占地小、投资少。此外，节流调节不改变转子的齿顶速度，在某些条件下甚至能够保证较高的效率。因此可作为工艺螺杆压缩机的现有气量调节方式的一种补充。

［1］林德.螺杆压缩机［M］.北京：机械工业出版社，1986.

［2］邢子文.螺杆压缩机——理论、设计及应用［M］.北京：机械工业出版社，2000.

［3］郁翠菊，徐树风.喷油螺杆压缩机的调节［J］.流体机械，2002，30（5）：43-44.

［4］Sjoholm L.Variable Volume-Ratio and Capacity Control in Twin-Screw Compressors［J］.International Compressor Engineering Conference，1986：494-508.

［5］Brendeng1 E.Reciprocating Compressors or Screw Compressors［J］.International Journal of Refrigeration，1979，2（3）：163-170.

［6］Wennemar J.Dry Screw Compressor Performance And Application Range［C］.Proceedings of The Thirty-Eighth Turbomachinery Symposium.Houston：Turbomachinery Laboratory，2009.

Theoretical Study on the Screw Compressor Energy-saving Control by Throttling

DAND Xiu-cheng
（Shanghai Marine Diesel Engine Research Institute，Shanghai 200072，China）

The effect of suction pressure on the compression power of unbuilt-in and built-in volume ratio of compressor was analyzed through theoretical deducing.The applicable conditions of throttling were pointed out for the energy-saving control of different types of compressors.The result provides a theory base for the application of throttling in the process oil-free screw compressors.

throttling；screw compressor；volume ratio；energy-saving；capacity control

TH455

A

1006-2971（2015）02-0006-04

2014-09-23