双级螺杆压缩机节能效果及其原理分析

任宏权，冉 鹏，罗吉荣，司 超，张峤峤，李析恒

(陕西汉机精密机械股份有限公司，陕西 汉中 723000)

1 引言

在2005年，我国的“十一五”规划纲要中就提出要节能减排，随着我国持续采取节能减排的政策，我国单位GDP的碳排放量呈现进一步下降的趋势，2020年我国单位GDP的碳排放量约为0.653千克/美元，仅为2005年的四分之一左右。国家主席习近平同志在2020年9月份的第七十五届联合国大会一般性辩论上表示，中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，力争2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和。至此节能减排，绿色发展也必将走上一个新的高度。

2 螺杆压缩机简介

随着我国国民经济建设的持续增长，各类压缩机的需求量不断增大，螺杆压缩机凭借各种优势，市场占比也呈现出持续上涨的趋势。螺杆压缩机作为“用电大户”，如何降低其能耗提升产品的性能，制造出更加绿色节能的螺杆压缩机也成为各大压缩机厂家的头等大事。

当下国内市场上的螺杆压缩机主要是指双螺杆压缩机，根据运行方式不同主要可分为干式螺杆压缩机和喷液螺杆压缩机，其中喷油螺杆压缩机因为其结构简单、可靠性高等优良特点被广泛应用于矿山、化工、冶金等很多领域。

影响螺杆机压缩机性能的因素有很多，但是螺杆压缩机主机作为螺杆压缩机的核心，其性能的优劣是螺杆压缩机节能的关键，而轴比功率的大小就是评价一台螺杆压缩机主机性能优劣的一个重要指标。轴比功率是指标准工况下压缩机主机的实际容积流量qv与压缩机轴功率P的比值，即

(1)

在同等条件下，轴比功率的数值越小，则压缩机主机的性能越好。

由式(1)可以看出，压缩机主机性能的优化主要有两个方向，即提高实际容积流量qv或降低压缩机轴功率P。由于受到转子型线等一些技术的限制，目前国内螺杆压缩机主机制造技术基本已经到了一个瓶颈，很难有较大的提升。当前国内一些厂家为了达到节能的目的，在优化空压机整体配置的同时，使用了双级螺杆压缩机主机代替原来的单级螺杆压缩机主机。这样做虽然提高了制造成本，但是其后期使用成本却大幅度下降，综合来看也可以达到为客户省钱的目的。

3 双级螺杆压缩机主机与单级螺杆压缩机主机性能对比试验

国产的双级螺杆压缩机进入市场已经有几年的时间了，结合厂家宣传和用户体验来看，它的确比单级螺杆压缩机更加节能。压缩机终端用户对于双级螺杆压缩机的实际节能效果的认知，都来源于厂家的宣传数据。所以我们需要通过实验，对比在同等条件下双级螺杆压缩机主机和单级螺杆压缩机主机的主要参数，根据测试的结果来看看双级螺杆压缩机的实际节能效果。

3.1 双级螺杆压缩机主机节能简介

双级螺杆压缩机主机与单级螺杆压缩机在运行方式上主要区别有两点：(1)就是空气从压缩机主机的进气口到排气口，需要经过两次压缩才能达到最终所需的压力，同时每一次压缩的压缩比相对于单级螺杆压缩机主机要低很多，内压比越小压缩机的运行也就更加稳定，内泄漏也会减小；(2)双级螺杆压缩机主机在两个压缩级之间增加了喷油冷却，降低压缩气体的温度。在压缩过程的所有可选择的路径中，以定温过程所耗的功最小，定熵过程所耗的功最大，“多级压缩、中间冷却”是减少压缩机耗功的有效方法之一[1]。增加喷油冷却虽然不能达到定温压缩的效果，但是只要给气体降温，就可以降低压缩耗功。

从理论分析的角度来说，在同等条件下双级螺杆压缩机主机的确要比单级螺杆压缩机主机的轴功率更低，但是其具体效果还是需要试验进行验证。

3.2 螺杆压缩机主机性能测试

双级螺杆压缩机主机的主体结构可以看做将两个螺杆压缩机主机串联在一起，其驱动方式主要有两种，一种是采用双电机分别驱动每一级压缩机，另一种是使用单电机带动齿轮箱将动力传递到每一级压缩机。本次测试用的双级螺杆压缩机主机结构如图1所示。

图1 实验用双级螺杆压缩机局部剖视图

根据等增压比分配原则，即当各单级增压比相等或者说按照几何平均均匀分配总增比时，压缩机的耗功最小[1]。所以需要在设计的过程中将双级压缩机主机的每一级压缩的内压比εi设置为3。

本次实验的目的是找出在同等条件下，两种螺杆压缩机主机的实际容积流量qv和压缩机轴功率P有何变化。

为了使实验数据更加精确，减小其他因素对试验结果的干扰。双级螺杆压缩机主机的一级压缩使用和单级螺杆压缩机主机相同的螺杆转子和输入转速，两种螺杆压缩机主机的理论容积流量同为23.7 m3/min，排气压力0.8 MPa。

两种螺杆压缩机主机在同一测试台上面进行测试，都采用电机直连驱动的方式连接，实验所用测试台由合肥通用机械研究院建造。为了数据准确可靠，分别制造2种螺杆压缩机主机各5台进行测试，并且在每一台压缩机主机开机测试约1 h的时候取一组试验数据，试验结果如表1所示。

表1 螺杆压缩机主机测试数据统计表

3.3 实验结果分析

根据以上试验数据可以看出，在同等条件下双级螺杆压缩机主机有以下几点优势：容积效率更高，排气量更大，轴比功率更小。

以试验中使用的2种螺杆压缩机主机为例，双级螺杆压缩机主机的排气量要比单级螺杆压缩机主机多1.26 m3/min ，同时双级螺杆压缩机主机的轴功率也比单级螺杆压缩机主机大2.11 kW。但是双级螺杆压缩机主机的轴比功率为6.07，单级螺杆压缩机主机的轴比功率为6.34 ，即在压缩机其他配置相同的情况下每制造1 m3的压缩空气，双级螺杆压缩机要比单级螺杆压缩机耗能少约0.27 kW。

通过试验数据的对比，不仅证明了双级螺杆压缩机的确要比单级螺杆压缩机更加节能，也验证了前文中提出的理论。但是双级螺杆压缩机具体是如何节能的，其节能的原理是什么依旧需要我们通过计算来进一步分析。

4 压缩机轴功率计算与节能原理分析

由于螺杆压缩机的压缩耗能主要在主机，所以研究绝热效率就是研究螺杆压缩机主机的性能。绝热效率可以理解为空压机中空气被压缩后与前所含能量的比值，体现空压机压缩前后能量利用的完善程度。绝热效率越接近1，说明该空压机主机的性能越好，反之则空压机主机的性能较次[3]。

通过上面的试验可以看出虽然双级螺杆压缩机主机的轴功率和实际容积流量都要比单级螺杆压缩机大，但是轴比功率却更小。所以我们需要通过试验中取得压缩机主机的轴功率等试验数据来计算压缩机主机的绝热效率，从绝热效率的角度来分析双级螺杆压缩机为什么比单级螺杆压缩机更加节能。

压缩机的轴功率P可以按下式计算

P=Pad/ηad

(1)

式中Pad——压缩机的等熵绝热功率

ηad——压缩机的绝热效率

螺杆压缩机的绝热效率ηad反映了压缩机能量利用的完善程度，其数值依机型和工况的不同有明显的差别。通过式(1)可以看出，在同等条件下压缩等量的压缩空气即等熵绝热功率Pad相同的情况下，绝热效率ηad越高，则压缩机的最终轴功率P越小。

4.1 单级螺杆压缩机主机绝热效率计算

如果被压缩的气体可以看做理想气体来处理，则压缩机的等熵绝热功率Pad可以按下式计算[2]

(2)

式中ps——压缩机的吸气压力

pd——压缩机的排气压力

k——被压缩气体的等熵指数

qv——压缩机的实际容积流量

根据压缩机的使用工况来看，可以将本次实验的压缩空气看做理想气体，由式(2)可得出单级螺杆压缩机主机的等熵绝热功率

所以，由式(1)得出单级螺杆压缩机主机的绝热效率

ηad=Pad/P=104.93/132.31×100%=79.31%

4.2 双级螺杆压缩机主机绝热效率计算

本次试验用的双级螺杆压缩机可以看做由2个单级螺杆压缩机主机串联，所以双级螺杆压缩机主机的等熵绝热功率也就等于每一级压缩的等熵绝热功率相加。试验用双级螺杆压缩机使用的传动齿轮为5级精度的圆柱斜齿轮，在后面的计算中我们假设其传动效率为98%。

首先，由式(2)可得出一级压缩的等熵绝热功率

要计算二级压缩的等熵绝热功率首先需要算出二级压缩的实际容积流量，现在已知一级压缩的内压比εi=3，一级压缩的实际容积流量为22.32 m3/min，则一级压缩排出气体的容积流量可以通过式(3)计算[2]

(3)

式中qv——一级压缩机实际容积流量

qv1——一级压缩终了时压缩机的容积流量

k——被压缩气体的等熵指数

εV——压缩机的内容积比

由式(3)可得出一级压缩排出气体的容积流量

上面的计算用的压缩机主机的实际容积流量，而且在压缩机主机的2个压缩级之间没有其他泄漏点，所以一级压缩排出气体的容积流量就可以看做是二级压缩的实际容积流量。

由式(2)可得出二级压缩的等熵绝热功率

双级螺杆压缩机主机总的等熵绝热功率

Pad=Pad1+Pad2=113.08 kW

因为容积流量的不同，压缩机主机的绝热效率也会不同。在同等条件下容积流量越大，则压缩机主机的绝热效率也越高。本次试验的目的在于比较两种螺杆压缩机主机的绝热效率，所以我们就通过双级螺杆压缩机主机总的等熵绝热功率来计算双级螺杆压缩机主机的绝热效率，不再分别计算每一个压缩级的绝热效率：

所以，由式(1)得出双级螺杆压缩机主机的绝热效率

ηad=Pad/P=113.08/(134.42×0.98)×100%=85.84%

4.3 计算结果分析

通过计算的结果可以看出，双级螺杆压缩机主机的绝热效率要比单级螺杆压缩机主机高大约6.5%，这也就是双级螺杆压缩机主机更加节能的主要原因。

5 结论

通过对比试验以及后面的计算分析可以看出以下几点结论：

以一台轴功率132 kW的螺杆压缩机为例(在同等条件下)。

(1)双级螺杆压缩机主机容积效率更高，实际容积流量更高，双级螺杆压缩机主机要比单级螺杆压缩机主机实际容积流量高约4.5%；

(2)双级螺杆压缩机主机的轴比功率优于单级螺杆压缩机主机。制造等量的压缩空气，双级螺杆压缩机要比单级螺杆压缩机节能约4.5%，即同样加载运行1 h双级螺杆压缩机要比单级螺杆压缩机节省约6.6 kW·h；

(3)双级螺杆压缩机主机之所以比单级螺杆压缩机节能是因为其绝热效率更高。