吸气参数对螺杆空压机运行能耗影响的研究分析

吴 丹，赵 军

（上海理工大学能源与动力工程学院，上海200093）

1 引言

作为现代工业制造行业的主要动力能源，空压机是实现电能-电机机械能-气体压力势能相互转换的通用机械设备，除电力外，压缩空气作为第二大动力能源目前已被广泛应用于工业生产中，其能耗在大多数工厂中约占其全部能耗10%～35%[1]，压缩空气系统的能耗分析及其节能优化措施的研究已经成为世界各国实现节能减排的新领域。现阶段的节能降耗策略多停留在变频改造、联控、管路优化、余热回收和恒压控制上，忽略了空气压缩机进口空气温、湿度对压缩空气系统的能耗同样具有重要影响。樊瑞[2]通过工程实例分析得出湿空气对空气压缩系统造成一系列低劣化的影响，且在相同工况下，压缩湿空气所消耗的能量大于干空气的能量；秦莉[3]对纺织厂空压机吸气温度与能耗进行测试，得出空压机的吸气温度每增加1℃，空压机的能耗将增加0.295%；张媛媛[4]根据理论分析与实验研究相结合得出吸气温度与压缩机的输入比功率基本成线性反比的关系，并提出空压机最佳能效检测温度为12～28℃。本文就吸气温、湿度对螺杆压缩机的能耗影响进行理论分析与实验研究，得出吸气参数对螺杆空压机能耗的影响，并找出空压机工作时吸气温度的合理范围。

2 吸气参数对螺杆空压机能耗的影响分析

2.1 吸气温度对螺杆空压机的影响

螺杆式空压机属于容积式空压机，其实际压缩过程都带有冷却装置且与外界有热量交换，空压机的实际工作过程为多变压缩过程，多变过程的压缩功为

式中w——气体多变过程压缩功，kJ/kg

p1——气体初始压力，Pa

p2——压缩终了时气体压力，Pa

T——气体初始温度，K

R——为气体常数，J/（kg·K）

k——多变指数

由式（1） 可知，在其他条件相同的情况下，压缩单位质量气体所消耗的功随着吸气温度的升高而增加，因此在可允许的范围内降低空螺杆压机的进气温度可以降低空压机的能耗[5-6]。随着进气温度的增加空压机的排气量将减少，据统计，空气压缩机进气温度每增加10℃，空压机的实际排气量会减少2%～4%。但是，若螺杆空压机的进气温度过低会导致压缩机内部润滑油粘度增大，压缩机气动损失变大，且当空压机进气温度过低时，空压机的比功率较大能效水平较低。因此在针对空压机进气温度应该控制在合理的范围内，避免进气温度过低或过高对空压机能效的影响，以保持空压机的高效节能运行。

2.2 吸气湿度对螺杆空压机的影响

若空压机运行过程中吸气湿度过高，润滑油中易掺混压缩过程析出的水分，会造成润滑油功效降低，加速螺杆和管道阀件的磨损，降低设备的使用效率，且凝结的水蒸汽会对机器产生较大的腐蚀，导致空压机中的设备和组成部件生锈，缩短使用寿命。

螺杆空压机在不同的进气湿度下能耗也不同。假设气体压缩在瞬间完成且不产生相变，压缩过程可近似为等熵绝热压缩，干、湿空气绝等熵绝热压缩p-V图[7-8]如图1所示。

在压力相同的情况下，湿空气的密度相对于干空气较小，进行等熵绝热压缩时，湿空气所做的膨胀功大于干空气所做的膨胀功，图1中，2-3过程为湿空气的压缩过程，1-4过程为干空气的压缩过程，1-2-3-4所包围的面积即为膨胀功的差值，膨胀功差值Δw计算如式（2） 所示[9]

式中 Δw——膨胀功的差值，kJ

T——气体的初始温度，K

p1——气体初始压力，Pa

p2——压缩终了时气体压力，Pa

k——气体的绝热指数

R——气体常数，J/（kg·K）

由于技术功等于k倍的膨胀功[10]，所以压缩m（kg/h）的湿空气时比压缩同等质量的干空气相比多消耗的压缩功如式（3） 所示

由式（2）、（3） 可知，在等熵绝热压缩过程中，随着吸气湿度的升高所消耗的压缩功也会增加，因此，在螺杆空压机运行时使用各种除湿方法降低空压机的吸气湿度可以使空压机的能耗保持在较低水平。

3 实验装置及实验方案

3.1 实验装置

实验中空压机样机为一台工频喷油螺杆式空压机和一台变频喷油螺杆式空压机，通过所设计的空压站测量系统，采集空压机运行时各空压机参数、管道气体流量、空压机输入功率、进气温度、进气湿度等数据。空压机的具体参数如下：

1#：22 kW喷油螺杆变频空压机

加载压力：0.6 MPa；卸载压力：0.8 MPa，额定功率：22 kW；频率范围：30～50 Hz。

排气量：3.6 m3/min；驱动方式：电机驱动、带传动；压缩级数：单级。

2#：22 kW喷油螺杆工频空压机

加载压力：0.6 MPa；卸载压力：0.8 MPa；额定功率：22 kW；排气量：3.6 m3/min

驱动方式：电机驱动、带传动；压缩级数：单级。

3.2 实验方案

“比能量[11]（kW·h/m3）”是衡量空压机能耗的重要指标，它表示输出单位体积压缩空气机组所消耗的平均电量。空压机的比能量受空压机类型、吸气参数、出气压力等因素的影响，比能量值越小，产生单位体积压缩空气所消耗的电量越低，空压机能效越高。通过实验测量不同温、湿度下空压站运行时的参数，并计算空压站的比能量，空压机的比能量Φ，可由空压机总际容积流量与空压机输入功率计算所得

空压机总实际容积流量QZ1由测得的标况下总产气量QZ换算得来，如式（5） 所示

式中QZ1——空压机组总实际容积流量，m3/min

p0——标况下大气压力，kPa

QZ——标况下单位时间内气体体积，Nm3/min

T0——标况下气体温度，K

p——当地大气压力，kPa

T——空压机进气温度，K

Φ——空压机进气相对湿度，RH

ps——水在进气温度下的饱和蒸汽压力，kPa

分别对工频空压机及变频空压机进行运行实验，管网压力范围为0.3～0.8 MPa，分别测试不同管网压力下空压机运行的参数。通过使用加湿器及电加热器改变空压机进气口环境的温、湿度。进行不同湿度工况的实验时，进气温度维持在15℃，进气相对湿度分别为45%、55%、65%、75%、85%、95%。进行不同温度工况下的实验时，进气湿度保持为45%，进气温度分别为10℃、15℃、20℃、25℃、30℃，温度的误差范围为±0.5℃，测量记录不同温、湿度环境下空压机的运行参数。

图1 干、湿空气等熵绝热压缩p-V图

4 实验结果及分析

通过测量不同工况下空压机的运行参数，计算空压机的比能量Φ，通过比能量值的大小衡量压缩机的能耗情况，不同吸气参数下空压机的比能量曲线图如图2～5所示：其中图3和图4为变频空压机在不同温、湿度工况下比能量曲线图，图2和图5为变频空压机在不同温、湿度工况下比能量曲线图。

由图2、3可知，当吸气温度相同时，不同管网压力下，空压机的比能量均随着进气湿度的增加而增大，其中，当工频空压机的相对湿度从45%上升到95%时，空压机的平均能耗增加了2.83%，相对湿度每提高10%时，生产1 m3的压缩空气耗电量将增0.000789 kW·h，能耗增加0.56%。当变频空压机的相对湿度从45%上升到95%时，空压机的平均能耗增加了1.56%，相对湿度每提高10%时，生产1 m3的压缩空气耗电量将增0.000443 kW·h，能耗增加0.31%。管网压力为0.8 MPa时比能量相对于压力为0.6 MPa时增加了1.54%。因此，在管网压力满足用户需求的前提下应尽量减少管网压力，并且空压运行时应使用干燥器等除湿设备以减小空压机的吸气湿度。

由图4、5可知，空压机进气湿度相同时，当环境温度10℃＜T＜30℃时，空压机总体能效水平随进气温度的升高而升高，其中吸气温度从10℃上升到30℃时，工频空压机平均能耗水平降低了8.48%，温度每升高1℃，生产1 m3的压缩空气机组耗电量将减少0.00059 kW·h，能耗降低0.42%，当变频压缩机的吸气温度从10℃上升到30℃时，变频空压机平均能耗水平降低了8.89%，温度每升高1℃，生产1 m3的压缩空气机组耗电量将减少0.00063 kW·h，能耗降低0.44%。当空压机吸气温度30℃＜T＜45℃（45℃为空压机最高工作环境温度）时，空压机能效水平随着吸气温度的升高而急剧下降，吸气温度从30℃上升到35℃时，工频空压机的平均能耗增加了7.58%，温度每升高1℃，生产1 m3的压缩空气机组耗电量将增加0.00194 kW·h，变频空压机的平均能耗增加了3.51%，温度每升高1℃，生产1 m3的压缩空气机组耗电量将增加0.000907 kW·h。因此，空压机的进气温度过高或者过低都会使空压机的能耗增加，空压机的吸气温度控制的合理范围应该在18～30℃。

图2 不同湿度下工频空压机比能量图

图3 不同湿度下变频空压机比能量图

图4 不同温度下变频空压机比能量图

图5 不同温度下工频空压机比能量图

5 结论

吸气参数的变化对空压机的能耗有较大的影响，本文通过测量在不同温、湿度环境下螺杆空压机的运行参数，分析吸气参数对空压机能耗的影响，对所得实验数据进行分析可得到如下结论：

（1） 压缩空气是一种生产成本很高的动力能源，在企业内部总量中，压缩空气系统的电能消耗占10%～35%，应积极采取措施降低压缩空气在生产过程中的能耗。

（2） 空压机的能耗水平与机组进气湿度有密切关系，当机组进气温度不变时，进气相对湿度越高，空压机平均能耗越高，进气相对湿度每提高10%，工频空压机的平均能耗增加能耗提升0.56%，变频空压机的平均能耗增加0.31%。在进行工业生产时，应使用冷冻干燥机等除湿设备减少空压机组的进气湿度。

（3） 空压机运行时进气温度过高或过低都会降低空压机的能效水平。空压机运行时进气温度需保持在一个合适的范围之内以保证空压机的高效运行，根据实验结果及理论分析可以得出空压机高效运行时温度范围应保持在18～30℃。