大型压缩机传动方式的探讨

曹杨峰，赵升吨

(西安交通大学 机械工程学院，陕西 西安 710049)

0 前言

为了响应国家的双碳目标，践行绿色发展，碳达峰、碳中和并不是就气候、就低碳谈低碳，而是经济社会发展的综合性战略。在中国的重型机械行业，更是需要中间转换技术、技术创新等方面推动深刻变革。压缩机是一种把原动机的机械能转变成气体能量的压缩机械。我国石油化工、冶金设备、电力装置等日趋大型化，需要使用的大型压缩机组越来越多，以往的这些大型压缩机都是采用蒸汽透平驱动，但是当项目中的蒸汽重量不足时，往往需要为这些压缩机专门新建锅炉，然而由于电动机技术的日益成熟，电动机制造能力也大幅提高，电动机驱动的压缩机组越来越被广泛使用[1]。在电机驱动的压缩机组中，大都采用了普通异步电机带增速齿轮箱驱动压缩机，往往采用额外的晶闸管软启动装置或者中压变频启动，其对能源来说都是浪费，而且中间有庞大的转动机构，使得整体机组笨重，不便于替换[2,3]。轴流压缩机分为静叶固定转速可调速轴流压缩机(A系列)和全静叶可调型轴流压缩机(AV系列)。目前工业常用的是AV系列，其规格从AV40到AV140，级数一般为2～19级，该系列压缩机的特点是流量、压力调节范围宽广，各工况点效率高，最高可达90%以上。目前，大部分的新上大型装置的空分规模都在十万等级制氧量，目前十万等级空分压缩机国内只有沈鼓一家有设计经验、制造经验，虽然已研制成功，但是在效率和外观等方面还有待进一步提高[4]。而陕鼓每年压缩机机组的电机使用在18 000 kW左右，其中以6 000 kW左右档居多，每年估计有10～15台套左右的使用量。如图1所示为陕鼓集团的某压缩机组。

图1 陕鼓集团的压缩机组

在压缩机如此的大功率以及广泛的应用背景下，但是人们并没有充分的挖掘出压缩机的节能潜能，在节能改造新技术这一方面还有很多不足，文献[5]通过优化工艺参数、优化结构设计以及控制技术对压缩机组进行节能改造。但并没有从根本上解决目前压缩机组存在的一个重大问题，那就是当前压缩机传动中复杂的传动结构以及表现出来的低效率。

1 压缩机的驱动方式

1.1 皮带传动

小型的螺杆压缩机大都采用的皮带传动，可以通过调节皮带轮的直径大小来获得不同的输出转速，皮带传动依靠摩擦力传递动力，本身需要消耗一定的能量，而且当皮带使用太久的时候，由于皮带的打滑使得摩擦热增大，所以传动的效率较低，另外，皮带传动由于依靠摩擦力传动，所以皮带张紧是电机与机头的轴承承受额外的径向负荷，所以对连接的轴承提出了更高的要求，由于张紧力的存在，皮带的寿命通常低于齿轮传动，要定时更换。皮带传动的压缩机通常生产成本较低，一般仅用于小型较为经济的压缩机。如图2所示是某新型发明授权专利的皮带传动压缩机结构简图[6]。其连接方式是电动机通过皮带轮，皮带传动将动力传递给压缩主机，磁极皮带轮采用的电磁离合器实现下一级的传动与否。

图2 某新型发明授权专利的皮带传动压缩机结构简图

1.2 汽轮机驱动压缩机组

安钢2#高炉配套的汽轮压缩机，压缩机采用陕鼓AV90-16型。轴功率为28 544 kW，汽轮机采用西门子NK63/90/32凝汽式中温、中压工业汽轮机，为轴流式通过膜片式联轴器拖动压缩机，驱动方式如图3所示[7]。

图3 汽轮机驱动压缩机组的传动方式

1.3 齿轮传动

齿轮传动一般应用于中大型的压缩机传动，它是由电动机驱动增速齿轮箱进行增速，齿轮箱的输出轴连接到压缩机，齿轮传动具有传动精度高，适用范围广的特点，而且齿轮传动可以较为容易的改变齿轮传动比从而获得想要的输出转速，从而使得设计更加灵活，但是齿轮传动对齿轮加工精度和材质要求很高，生产成本也很高。电动机驱动压缩机的传动方式如图4所示[7]。

图4 电动机通过齿轮箱驱动压缩机的传动方式

1.4 直联传动

直联传动目前应用较少，只有国内的少数大型的压缩机机组中，通过弹性联轴器将电动机的动力直接传递给压缩机组，省去了中间的传动装置，出故障的几率大大降低，减少了设备的整体成本，包括购买成本与设备维修成本，节约了资源，另外由于省去了中间的传动装置使得效率大幅度提高。

2 新型技术改造

以目前市场上提供的小型压缩机组大都采用普通电机带增速齿轮箱的传动方式或者普通电机通过皮带轮的传动方式，大型压缩机机组大都采用的燃气轮机驱动、高速电机直驱和普通电机带增速箱驱动的机组总成技术方案。但是随着国家的对碳排放的要求以及2025年碳达峰的总体战略要求，势必要求企业进一步改善自己的机组结构，做到节能减排。本论文对陕鼓集团目前的普通电机带增速齿轮箱的设计结构与直接用高速电机直驱取代的方案进行对比，发现高速电机直驱的机组总成设计方案能大大的减小机组的体积以及成本，效率更高，应该更大力推广。

表1是陕鼓集团采用普通电机带增速齿轮箱所采用的压缩机型号、电机功率、压缩机驱动电机的类型以及增速齿轮箱的传动比。可以将陕鼓集团的低速电动机带压缩机组进行电机高速化替换，对比不同方式下的节能减排效果。

表1 陕鼓目前采用的压缩机型号等信息

采用Ansys Maxwell软件对陕鼓集团使用的5 800 kW交流异步感应电机按照电机设计计算公式进行高速和低速数值模拟计算，并生成对应的三维模型并添加材料的属性，计算出各个部件的重量，由于只是计算电机的重量，所以对电机的磁场分布情况要求降低，这对电机最终的质量影响很小，只要没有明显的磁饱和现象即可认为设计合理，可以看出来电机没有出现磁饱和现象，磁力线分布较为均匀，如图5所示。

图5 2 985 r/min下电机的定转子的磁场分布以及磁力线分布

如图6所示为对陕鼓集团的5 800 kW的电机进行高速替换以后的高速直驱电机的仿真计算。2 985 r/min的转速在增速比为4.935的情况下，转速变为14 731 r/min。

图6 14 731 r/min的高速电机仿真结果

将生成的三维模型在PROE软件中赋予材料属性，即可计算出电机的总体重量。其质量对比如图7所示。由于电机的尺寸与电机的转速直接相关，所以高速电机在尺寸上将大大缩减，硅钢片的消耗、铜线的消耗以及鼠笼导条的消耗量都大幅缩小，从而总重量也减小更多，所以采用高速电机直驱的方式替代原本的普通电机带增速齿轮箱将从原材料的使用上大大降低，达到节能减排。

图7 同功率的高低速电机各个量化指标的变化

如图8所示为电机各个量化指标缩减程度图，可以看出来定子尺寸与电机长度的缩减都在45%所有，而最终的电机各部分的重量缩减都在85%所有，均有大幅缩减。

图8 同功率的高低速电机的各个量化指标的缩减百分比

另外对表1中陕鼓其它类型电机也做了设计分析计算，无论是表1哪种功率的低速电动机在进行了高速转换以后，其总重量都有明显的降低。既节约了资源，从制造的源头上降低了碳排放，达到了节能减排。又因为高速电机的更高效化使得整体能量转换效率更高，所以应该大范围进行高速化改造以满足双碳的目标。

3 结论

本文研究表明，将普通电机带增速箱驱动的压缩机组替换成高速电机直驱的传动方式将会有优点：

(1)电机体积的缩小将大幅降低设备的整体成本，另外高速电机的尺寸相比同功率的普通电机尺寸大幅度缩小，设备从原来的笨重的大型机组转换成较小的设备。

(2)由于省去了中间的传动机构，运行的整体效率提高，达到了节能减排的目的。进一步响应了国家的双碳目标。