喷油螺杆空压机节能技术应用

刘玉勇，王宇川，鲍洋洋，李韶强

（合肥通用机械研究院，安徽合肥 230000）

1 引言

空气压缩机（以下简称“空压机”）作为提供压缩空气这一优质动力能源的设备，广泛应用于航空航天、机械电子、石油化工、交通邮电、医疗卫生、轻工纺织、军工核电、建筑装潢等领域，我国在用空压机的能量消耗约占全国总发电量的7%。因此空压机的能效水平对我国节能减排事业的推动起到至关重要的作用。而近10年喷油螺杆空压机由于主机关键技术的国产化，得到飞速发展，已经在7.5～355 kW范围内基本取代传统的活塞空压机，占据市场绝对的主导地位，其节能技术也是不断推陈出新。因此，本文就应用在喷油螺杆空压机上较为普遍的效果良好的节能技术进行分析介绍。

2 能效标准情况

我国目前针对空压机有相应的能效标准GB19153-2009《容积式压缩机能效限定值及能效等级》，规定了机组输入比功率用于表征空压机能效水平，机组输入比功率越小，能效水平越好。标准将空压机能效分为1级、2级、3级3个等级，其中喷油螺杆空压机每2个能效等级之间能效相差12%左右。喷油螺杆空压机在其生命周期（通常是8～10年）内的能源消耗成本至少是其采购成本的十几倍，因此节能潜力很大，也很有必要。

3 节能技术

3.1 两级压缩

根据工程热力学理论，空压机的压缩过程可分为等温压缩、多变压缩和绝热压缩，其中等温压缩耗功最小，而空压机实际的压缩过程为多变压缩，等温压缩机是不可能实现的。因此空压机的设计方向就是要使压缩过程尽可能接近等温压缩过程，从而实现效率的最大化。两级压缩就是使压缩过程接近等温压缩的重要技术手段。为了便于理解，将空压机的压缩过程用p-V图表示。如图1所示，13′为等温压缩过程，如果采用单级压缩，消耗的功相当于面积613″46；当采用两级压缩时，消耗的功相当于面积61256与面积52'345之和。节省的功相当于面积2′23″32′。但与等温压缩相比，仍多耗了面积122'1加面积2′33′2′的功量[1]。

随着国内一些空压机企业逐步掌握了喷油螺杆空压机主机的设计制造技术，喷油螺杆空压机近年得以快速发展，成本大幅下降，国内企业开始尝试将两级压缩技术应用在螺杆空压机上，两级压缩的能效优势也得以体现。近年两级压缩和单级压缩能效比较通过统计部分近年国家压缩机中心的检测数据，可以发现两级压缩的空压机效率明显高于，尤其是110 kW以上原来单级压缩的空压机几乎不可能达到1级能效，甚至很难达到2级能效，而两级压缩技术的应用则可以让大功率空压机达到1级能效。由图2可以看出，两级压缩的能效值均优于国家1级能效指标线，且要远远优于单级压缩的能效值。

由表1可以看出，不同功率的两级压缩喷油螺杆空压机能效值均优于单级压缩能效值10%以上，有的功率档甚至接近20%。这对单台设备的能效提升来说是一个巨大的进步。两级压缩喷油螺杆空压机节能优势较为明显主要有2个原因：

（1）由于采用了两级压缩，使得压缩过程更长，油气能够充分混合，使得压缩过程更接近等温压缩。

（2）每级的压比更低，内泄漏更少，容积效率更高。在两级压缩主机和系统设计上，不同螺杆空压机制造企业也各有特色，如主机多点喷油使油气混合更均匀，级间设计特殊结构形成雾状喷射帘以降低2级吸气温度等技术，其目的都是使压缩过程接近等温压缩，从而提高效率。

3.2 变频技术

图1 压缩过程的p-V图

图2 单级压缩和两级压缩能效比较

表1 统计不同功率喷油螺杆空压机的机组输入比功率平均值的比较

为了保证下游用气，设计院或者用户在选型时对空压机容积流量指标会留有一定余量。而空压机几乎不可能一直在满负荷条件下运行，需要相应的调节手段。且通常用户的用气量有一定的变化波动，要保证供气稳定，空压机供气也应可以调节。普通工频空压机通过排气压力反馈，靠加卸载来控制空压机的供气。但是卸载过程进气阀处于关闭状态，空压机不供气，而电机依然在额定转速下运转，空压机卸载时功率约为满载功率的30%～50%，造成了极大的能源浪费。考核空压机运行水平的重要指标为加载率，即空压机加载时间占总运行时间的百分比。空压机加载率越低，运行水平越低，能源浪费也就越严重。变频技术在喷油螺杆空压机上的应用，很好地解决了加载频繁、加载率低的问题。变频空压机是在控制系统中设置期望的排气压力，通过排气压力的信号反馈来调节变频器频率，从而控制空压机转速，调节产气量。

通过对2台额定功率110 kW的分别使用加卸载调节和变频调节的喷油螺杆空压机进行用气量变化试验分析发现，当用气量与额定排气量比例分别为90%、80%、70%、50%时，变频调节相比加卸载调节，节能比例分别为：6.6%、11.7%、18.3%、28.5%[3]。可以看出，当用气量越小，变频技术的节能优势体现得越明显。因此变频空压机适合用气波动比较大的场合。

3.3 一体式永磁空压机

该空压机是将永磁同步电动机与喷油螺杆空压机主机组成一体的空气压缩机。其主要特点：（1）使用高效永磁同步电动机，其效率要优于三相异步电动机，尤其是低转速时永磁同步电动机的效率下降不明显，相比普通电机的优势更大；（2）结构型式上，将电动机的转子以嵌入方式直接固定于喷油螺杆空压机主机动力输入端，没有了联轴器，减少了轴承，减少了传动和摩擦的损失。

为了比较永磁同步动机和三相异步电动机的效率，根据喷油螺杆空压机的转速特性，选取同步转速均为3000 r/min的永磁同步动机和三相异步电动机中效率相对较高的YE3系列电动机进行比较。如图3，在额定点上，永磁同步电动机的效率比YE3系列电动机高出5.9%～1.7%，随着功率的增加，二者效率的差距逐渐减小，故永磁同步电动机具有较高效率，但仅在小功率段有较为明显的优势。因此在90 kW以下的喷油螺杆空压机采用一体式永磁结构有更好的节能效益。

4 结语

图3 电动机额定点效率对比

提高空压机能效是一个系统工程，不能只依赖某一项技术，需要多项节能技术的综合运用，也需要每一个细节的优化，积少成多。因此还有一些如优化转子型线、采用高效离心风机、改变进气设计、改进系统管路等技术也被广泛应用在空压机设计制造中。由于这些节能技术的应用，国内品牌的喷油螺杆空压机能效水平已经赶上甚至超越国际一流品牌的水平。通过国家检测中心检测数据发现，近年喷油螺杆空压机能效水平达到2级以上的比例越来越高，特别是额定功率90 kW以下，达到2级能效水平的样机超过60%。一方面体现了能效水平的整体提升；另一方面体现标准指标设定不能满足现有产品的发展趋势。目前修订后的能效标准GB19153已经在报批阶段，其中喷油螺杆空压机的能效指标有了较大幅度地提升，也对企业未来产品提出了更高的要求。希望能效标准和产品技术进步能够起到相互推动的作用，不断提高空压机的能效水平，为我国节能减排事业做出贡献。