风冷螺杆空压机测试系统及环境参数对性能影响研究

周浩然，张 良，杨玉麒，叶方平

（1.上海理工大学 上海市动力工程多相流动与传热重点实验室，上海 200093；2.浙江新劲空调设备有限公司，浙江龙泉 323799）

0 引言

空气压缩机（简称空压机）作为压缩空气的生产设备，起到了将电能转化为空气压能的作用［1］。在工业生产中，压缩机的用电量占到了全国发电量的9%以上［2］，其性能直接关系到能源的转换效率，对碳排放量起到了较大影响，成为我国能否如期达到“双碳”目标的重要影响因素。研究空压机设备性能影响因素，并对设备进行准确有效的性能测试就显得尤为重要。

对于风冷螺杆空压机，因其可靠性高，螺杆压缩机零部件少，没有易损件，安装环境的适应力强，冷却系统简单可靠，设备可拆卸、方便维修移动等优点，越来越受到市场的欢迎［3-4］。随着市场规模的扩大，空压机逐步由传统的中小型向大型化发展。在设备实际使用中，空压机仅有约为15%的电能用来压缩空气，剩余85%的能量以热量的形式散失到周围的环境中［5］。对于大型空压机，散失的热量总量大，会使得设备周围空气温度、湿度状态迅速变化，对空压机进口空气状态造成较大影响，从而影响压缩机的工作效率［6］。为了满足大功率空压机的散热要求，防止环境温度波动对空压机性能的影响，测试和安装环境的空调系统和气流组织就显得尤为重要［7］。

张志恒等［8］通过对3.5 m3/min 的小型螺杆空压机进行变工况试验，分析了影响空压机性能的多种因素，发现空压机系统性能不仅与主机相关，辅助设备的选择、系统的装配也很关键，并给出了进口空气速度的合适范围（吸气控制阀进气口的流速应控制在10～20 m/s 范围内，油气分离器进口气体流速应控制在15 m/s 左右）；梁昌水等［9］依托于空压机台架试验，研究取气口位置对设备性能的影响，对3 种典型的取气位置进行比较分析，给出了不同工况下的最佳取气位置；郝佳楠［3］以常用螺杆空气压缩机为研究对象，建立了能耗数学模型，量化分析了设备运行时间、空压机流量、压缩空气对系统机能的影响，从设备结构和整体系统两方面入手，通过改造阀门结构，达到节能的效果；王凯等［10］采用计算机配合数据采集卡与LabVIEW 软件编程组成小型空压机性能的测试系统，为测试环境系统的软件编程提供了参考。

上述文献对空压机性能测试系统的整体性研究相对较少［11-14］，只关注小型空压机性能的影响因素、装置的节能和测试系统的软件选择与编程，且缺少对大型空压机测试环境的研究。本文结合实际应用，设计研究了一种局部排风的大型空压机性能测试系统，并探究环境参数变化对空压机容积流量和比功率的影响（文中将额定功率为9～37 kW 的空压机定义为中小型空压机，额定功率为37～250 kW 的空压机定义为大型空压机）。

1 空压机性能测试系统设计

针对空压机测试系统的设计主要分为3 个部分：空压机性能测试装置、测试房间空气处理系统、数据采集与软件测试系统等。系统的整体框图如图1 所示。

图1 测试系统的整体框图Fig.1 Overall block diagram of test system

本文研究的空压机测试环境，房间尺寸为13.8 m×6.3 m×5.2 m。东墙内侧存在尺寸为2.24 m×2.15 m×5.2 m 的测试系统控制机房。为了简化计算，将控制机房排除在空压机测试环境之外。针对空调系统的不同运行模式、不同运行阶段，分别计算了环境热湿负荷。设计了全空气的二次回风和全新风混合的定风量的空气处理系统，并采用上送上回的送风方式，利用双层百叶窗结合多叶调节阀对送风角度和风量进行控制，以确保环境温度、湿度的稳定性。针对大型空压机散热量大的特点，采用局部排风罩对测试环境的排风进行控制。测试房间内布置9 个送风口，每个送风口尺寸为1.2 m×0.5 m，设置在空压机两侧，距地面3.7 m。空压机上方的散热气流为热射流，依据空压机上方的冷凝器出风口和排风罩的相对高度（H=1.3 m），通过虚拟极点修正法可求得排风罩的尺寸［15-17］。测试环境的空调系统布置如图2所示。

图2 测试环境的空调系统布置Fig.2 Air conditioning system layout of test environment

利用LabVIEW 软件编程，通过DAQ 模块实现空压机测试系统测试数据的采集和系统硬件的控制。

2 空压机性能测试装置及参数计算

本文研究的重点为风冷螺杆空压机，其性能参数的测量普遍为气流流量测量，依据GB/T 15487—2015《容积式压缩机流量测量方法》和GB/T 3853—2017《容积式压缩机验收实验》，通过对比分析不同气体流量测量的优缺点，结合实际情况，最终选择临界文丘里喷嘴测试方式。

2.1 临界文丘里喷嘴测试装置

临界文丘里喷嘴的风冷螺杆空压机容积流量测试装置原理如图3 所示。对于该流量测试装置，存在内外双气源。外部气源由工厂提供，作为气动阀门的动力源，保证系统的运行。

图3 容积流量测试装置原理Fig.3 Schematic diagram of volumetric flow test device

测试开始时，由被测空压机输送的压缩空气作为内部气源，经压缩空气进气手阀的选择进入测试系统，经过缓冲罐（用于保证空气压力的稳定和测试气体的连续性）。通过改变气动调节阀的阀门开度，调节空压机的排气压力。通过对不同支路气动球阀的选择，使得被测压缩空气经过整流器后进入不同尺寸的临界文丘里喷嘴（12.7，19.05，25.4，31.75 mm），并由测试传感器测得空气状态。最终压缩空气经过消音器处理，降低分贝后排入环境。

2.2 空压机性能参数的计算

对于临界文丘里喷嘴，喷嘴状态下质量流量由式（1）（2）获得。容积流量由式（3）～（8）获得，最终将喷嘴处的容积流量（实际容积流量）根据气体状态方程换算为标准入口状态条件下空气的容积流量（标准容积流量）。GB 19153—2019《容积式空气压缩机能效限定值及能效等级》中规定，空压机测试吸入口空气温度为20 ℃，压力为0.1 MPa，相对湿度为0。

临界流系数的计算式：

式中，C*为临界流系数；t1为喷嘴上游气体温度，℃；p1为喷嘴上游气体压力，MPa。

临界文丘里喷嘴的实际质量流量qm的计算式：

式中，qm为流经喷嘴的气体质量流量，kg/s；d为喷嘴直径，mm；C为喷嘴流出系数，根据试验数据及规定精度取C=0.988 8；R为气体常数，J/（kg·K）；T1为喷嘴上游气体温度，K。

干空气的压力Pdry的计算式：

式中，Pdry为干空气的压力，MPa；Pat为测试环境压力，MPa；φ为环境相对湿度；Pqb为饱和状态下水蒸气的分压力，MPa。

0~200 ℃饱和水蒸气的分压力Pqb的计算式：式中，C8=-5.800 220 6×103；Ti为空压机进口空气温度，K；C9=1.391 499 3；C10=-4.864 023 9×10-2；C11=4.176 476 8×10-5；C12=-1.445 209 3×10-8；C13=6.545 967 3。

干空气密度ρ的计算式：

式中，ρ为干空气密度，kg/m3；Rm为干空气的气体常数，J/（kg·K），Rm=287.1 J/（kg·K）。

实际容积流量qv的计算式：

式中，qv为喷嘴工况条件下的容积流量（实际容积流量），m/min3；K1为转速修正系数；K13为冷凝液修正系数，对于测试过程中有冷凝液析出的需进行此项修正。

转速修正系数K1的计算式：

式中，Ned为空压机额定转速；Nsd为空压机测试设定转速。

冷凝液修正系数K13的计算式：

式中，Pi为空压机进口压力，MPa；Pqb为饱和状态下水蒸气的分压力，MPa。

定频空压机比功率计算式：

式中，e为空气压缩机机组比功率，kW/（m3/min）；K14为机组比功率吸气温度修正系数。

吸气温度修正系数K14的计算式：

式中，Ti为空压机进口温度实测值，K。

变转速喷油回转空气压缩机机组比功率，由满负荷机组容积流量的100%，70%和40%时的机组比功率按下式加权计算为：

式中，eVC为变转速喷油回转空气压缩机机组比功率，kW/（m3/min）；eVC，a为规定工况下，变转速喷油回转空气压缩机满负荷运转时，容积流量为a对应的空气压缩机机组比功率，kW/（m3/min）；fa为权重系数，按表1 选取；a为对应变转速喷油回转空气压缩机满负荷运转时100%，70%，40%容积流量的工况。

表1 变转速喷油回转空气压缩机机组比功率计算权重系数Tab.1 Weighting coefficient for specific power calculation of variable speed oil injection rotary air compressor unit %

2.3 测试装置和不确定性分析

2.3.1 测试装置

试验中测试装置的相关参数见表2。

表2 测试装置Tab.2 Test Devices

2.3.2 不确定度分析

以质量流量qm为例，如果用于流量qm计算的各独立量为X1，X2，X3，…，Xn，流量可以用函数表示为：

且X1，X2，X3，…，Xn对应的不确定度为δ X1，δ X2，δ X3，…，δ Xn，则流量的不确定度：

即：

式中，C为流出系数；ε为膨胀系数；d为喷嘴直径；Δp为气体流经节流元件时的压力差；ρ为测量位置气体密度。

依据上述公式可求得质量流量的不确定度为2.46%。同样的，容积流量和比功率的不确定度也可求得，分别为2.51%和2.62%。

3 试验研究及结果分析

本文试验的重点分成2 个部分：（1）通过试验确保测试环境的稳定性；（2）探究环境参数变化对空压机容积流量和比功率的影响。

3.1 测试环境温度场稳定性验证

空压机测试环境的稳定性主要在于温度场的稳定，取决于2 个方面，一方面是空压机上方排风罩附近的温度场稳定性，另一方面是空压机进气口附近的温度场稳定性。注重这2 个方面的意义在于，防止空压机产生的废热没有被排风罩捕集，逸散到测试环境中，如果大量废热被空压机进气口吸入，不仅会影响空压机性能，还会影响空压机的冷凝散热效率，使空压机内部产生高温，长时间运行甚至会大幅减小空压机的使用寿命。

3.1.1 局部排风罩捕集性能验证

本文综合考虑各项因素，通过虚拟极点修正法确定了局部排风罩结构尺寸，有效地提高了排风罩的整体性能。

表3 列出不同测试环境温度下，距离排风罩四周0.1 m 处，沿高度Z方向的实测温度值。通过采集测试结果发现4 种温度工况下，由于热量外逸导致的最大温升为0.40 ℃，相比于小排风罩四周温度升高的现象，大排风罩周围的环境温升更小，原因在于，排风罩捕集效果跟相对高度密切相关，但由于房间设计要求，小排风罩相对空压机上方冷凝器出风口高度最低为1.3 m，暂未达到最佳相对高度，而大排风罩相对高度已经达到最佳。排风罩附近最大温升仅为0.40 ℃，满足测试环境温度均匀性为0.5 ℃的设计要求，认为空压机排出的热量大部分被局部排风罩捕集并带离测试环境。

表3 不同测试环境温度下排风罩四周最大采集温度Tab.3 Maximum collected temperature around the exhaust hood under different test ambient temperatures ℃

3.1.2 空压机进气口温度场稳定性

图4 示出在20 ℃的测试环境温度下，房间温度场稳定后，某一时刻大空压机（X=2.9 m）和小空压机（X=4.2 m）在空压机进气口中心位置（小空压机Z=1.0 m，大空压机Z=1.1 m）的温度分布。从图中可以看出，测量温度在Y方向有所波动，主要原因是在实际测试过程中，测试环境内其他设备对温度场产生干扰，以及空调送风温度存在波动。但分析发现最大温差仅为0.20 ℃，且最高温度小于20.25 ℃。

图4 20 ℃温度场空压机进气口采集温度Fig.4 20℃ temperature field air compressor inlet acquisition temperature

表4 列出不同测试环境温度下，房间温度场稳定后，30 min 内的温度最大值和最小值。分别测试了18，20，22，24 ℃共4 种工况条件下空压机进气口在X方向的温度均匀性。分析结果表明，18 ℃相比于24 ℃工况，均匀性数值相差较大。主要原因是厂房初始温度为26 ℃，测试环境温度越低，经空调系统处理后，空气的前后温差越大，使得房间内温度均匀性有所下降，但由于设计空调系统风量较大，送风温差较小，使得测试环境内温度均匀性可以满足测试要求。

表4 不同测试环境温度下空压机进气口采集温度Tab.4 Air compressor inlet acquisition temperature under different test ambient temperatures ℃

3.2 测试环境参数对空压机性能的影响

影响风冷螺杆空压机性能的因素多种多样，如阴阳转子的几何参数、空压机转速、循环润滑油量、机组的阻力特性等。而本文通过测试，记录大排风罩下不同测试环境参数（环境温度、环境相对湿度）下被测机组的性能变化趋势，探究这2个因素对风冷螺杆空压机能效的影响。

针对企业研发的风冷螺杆空压机进行性能测试，探究其在排气压力为0.7 MPa，不同环境温度（18～30 ℃）和相对湿度（50%～90%）下，空压机容积流量和比功率的变化。对每一工况进行试验并记录结果。

3.2.1 测试环境参数对空压机容积流量的影响

在测试环境温度场稳定的基础上，改变环境温度和相对湿度，探究机组容积流量的变化。空压机容积流量随温度和相对湿度的变化趋势如图5 所示。

图5 空压机修正后容积流量的变化Fig.5 Change of volume flow of air compressor after correction

从图中可以看出，在测试温度一定的情况下，随着相对湿度的增加，机组的容积流量不断增加，在测试温度为30 ℃时容积流量变化最大，相对湿度在50%～90%的变化过程中，容积流量增加了1.89%。通过理论分析可知，随着相对湿度的不断增加，空气密度下降，空气中水蒸气分压力不断上升，干空气的分压力下降，使得进口干空气的密度逐渐下降，吸气压力降低，冷凝液修正系数增大，虽然空压机质量流量有所波动，但最终导致空压机容积流量的上升。

随着测试环境温度的升高，容积流量在相对湿度小于75%时，趋势并不明显；当相对湿度大于75%时，测试环境温度越高，容积流量越大。原因在于，空压机容积流量的变化，主要受空气质量流量和密度的双重影响。

当测试环境温度升高且处于低环境湿度时，空气质量流量下降，空气密度受到干空气分压力和空气温度的影响，使密度整体也呈下降的趋势，但此时质量流量的下降带来的影响更大，表现为在相对湿度为50%时，在30 ℃工况下容积流量最小。但随着相对湿度的增加，空气密度变化的影响不断增加，最终导致在高相对湿度区，由于水蒸气分压力不断增加，致使干空气的分压力不断减小，在干空气分压力下降与温度升高的双重影响下，空气密度下降趋势大于质量流量的下降趋势，空压机的容积流量也随之增加。在相对湿度为90%时变化最大，环境温度在18～30 ℃的变化过程中，容积流量增加0.90%。

3.2.2 测试环境参数对空压机比功率的影响

图6 示出了各工况点下空压机的比功率，从图中可以看出，随着测试环境温度和相对湿度的增加，空压机的比功率均增大，虽然相对湿度变化时，比功率有所波动，但是整体趋势依旧变大。在环境温度一定的情况下，湿度在50%～90%的变化过程中，比功率最大增加1.03%。在相对湿度一定的情况下，环境温度在18～30 ℃的变化过程中，比功率最大增加3.02%。

图6 空压机修正后比功率随温度的变化Fig.6 Change of specific power of air compressor with temperature after correction

主要原因是由于在温度升高时，空压机质量流量减小，但单位质量的气体压缩功耗增加，最终表现为空压机整体功耗增加。同时，在压力相同的情况下，相比于干空气，湿空气的密度较小，所需要的压缩功更多，也使得空压机能耗增加。虽然随着吸气口空气温度和相对湿度的升高，空压机系统的容积流量升高，但对于比功率而言，依旧有增大的趋势。

图7，8 分别示出不同型号空压机在相对湿度50%下，比功率随着环境温度的变化；在环境温度为20 ℃的情况下，比功率随相对湿度的变化，变化规律与前文描述一致。

图7 不同型号空压机比功率随环境温度的变化Fig.8 Change of specific power of different types of air compressor with ambient temperature

图8 不同型号空压机比功率随相对湿度的变化Fig.8 Change of specific power of different air compressors with relative humidity

综上所述，通过实际测试将测试值转换为标准工况下空压机吸入口空气状态，探究了空压机比功率随环境温度和相对湿度的变化规律。与此同时，由于环境温度过低，会使得螺杆机空压内部润滑油黏度上升，增加系统阻力，增大压缩过程耗功，因此选择合适的空压机运行温度范围就显得尤为重要，既避免温度过高带来的压缩空压产生的能耗增加，又避免温度过低带来的润滑油阻力增大造成的能耗增加，使系统处于高效的运行范围。同时，尽可能地减小空压机使用环境的空气相对湿度，也有利于空压机运行能效的提高。

4 结论

（1）采用局部排风的空压机测试环境温度均匀性能达到0.5 ℃以内，空压机进气口温度波动度在±0.3 ℃以内，确保了测试环境的稳定性。

（2）空压机的容积流量受环境温度和湿度的耦合影响。当测试环境处于低环境湿度时，测试环境的湿度相比温度对容积流量的影响更大，表现在相对湿度为50%时，30 ℃工况下容积流量最小。在高相对湿度区，测试环境湿度的影响更小，表现为在相对湿度为90%时，30 ℃工况下容积流量最大。在相对湿度一定的情况下，环境温度在18～30 ℃的变化过程中，容积流量最大增加0.90%。在测试温度一定的情况下，相对湿度在50%～90%的变化过程中，容积流量最大增加1.89%。

（3）随着测试环境温度和相对湿度的增加，空压机的比功率均增大，相比温度，环境湿度的变化对比功率的影响更小。在环境温度一定、湿度在50%～90%的变化过程中，比功率最大增加1.03%。在相对湿度一定、环境温度在18～30 ℃的变化过程中，比功率最大增加3.02%。

（4）空压机在测试环境（相对湿度50%～90%、温度18～30 ℃范围内）相对湿度为50%，温度为20 ℃时，容积流量较小，比功率最小，性能最好。在实际工程中，通过适当降低环境温度和相对湿度，能有效地降低空压机能耗。