空氣壓縮機特性

1、http:/不同壓縮機的特性http:/在20世紀30年代，壓縮空氣或氣體的用戶只有兩種主要選擇：往復式和離心式往復式往復式屬于正位移（容積式）壓縮機，熱力學性能穩(wěn)定，效率高，但是 他們需要昂貴的地基和安裝費用 他們需要大量的維護工作，維護費高，停機時間長 隨著使用時間的推移流量逐步下降 他們不適合壓縮較臟的氣體離心式離心式 只需要很少的維護，但是 他們需要昂貴的地基和安裝費用 他們的熱力學性能不穩(wěn)定 操作范圍受到喘振的限制 他們對灰塵非常敏感，完全不適合壓縮較臟的氣體 即使在葉輪上黏附了幾微米的灰塵性能也會顯著下降 螺桿壓縮機的起源螺桿壓縮機的起源http:/瑞典皇家科學院的 Lysholm

2、 教授在以下假設(shè)的基礎(chǔ)上為發(fā)現(xiàn)一種理想的壓縮系統(tǒng)而做了大量研究： 為了克服往復式壓縮機的弱點，他理想中的壓縮機必須是一種沒有金屬接觸的旋轉(zhuǎn)式壓縮機； 為了克服離心式壓縮機的弱點，它必須是一種正位移（容積式）壓縮機；于是一種旋轉(zhuǎn)容積式壓縮機誕生了，這種壓縮機有穩(wěn)定的熱力學性能，穩(wěn)定的操作性和低的功耗。 可靠可靠性性極極高高螺桿壓縮機的起源螺桿壓縮機的起源http:/Atlas Copco 最先采用了這一基本原理，經(jīng)過大量研究后于1957年推出了U-系列無油螺桿壓縮機. 許多機器至今仍在世界各地使用。在1970年代，Atlas Copco研究中心, 位于日內(nèi)瓦的Cerac研究所, 設(shè)計出革命性的非

3、對稱螺桿型線并獲得專利。在1980年代 Atlas Copco推出了聞名于世的，性能更優(yōu)異的X型線。在1990年代 Atlas Copco又推出了改進型 SAP型線。現(xiàn)在在世界上生產(chǎn)和銷售的壓縮機10臺中有9臺是螺桿式壓縮機螺桿式壓縮機螺桿壓縮機的起源螺桿壓縮機的起源http:/壓縮機特性壓縮機特性流量正位移(容積式)壓縮機動力式壓縮機壓力動力式和容積式壓縮機的性能曲線動力式壓縮機的軟特性：壓力與流量相關(guān)容積式壓縮機的硬特性：壓力與流量無關(guān)http:/離心和螺桿式壓縮機的性能曲線 6082A100O在 35C 0.97 bar(a)壓力功率D喘振控制線在 25C 1 bar(a)無油螺桿B75

4、喘振線放空區(qū)流量無油螺桿流量壓縮機特性壓縮機特性動力式壓縮機的軟特性：性能與環(huán)境溫度密切相關(guān)容積式壓縮機的硬特性：性能與環(huán)境溫度無關(guān)http:/排氣壓力100 %輸入功率100 %吸入流量 (質(zhì)量) 100 %進氣壓力下降將使流量下降，反之亦然。進氣壓力下降將使輸入功率下降， 反之亦然。壓縮機特性壓縮機特性離心式壓縮機軟特性http:/進氣溫度下降將使流量上升進氣溫度下降將使輸入功率上升進氣溫度上升將使流量下降進氣溫度上升將使輸入功率下降喘振線設(shè)計點壓縮機特性壓縮機特性離心式壓縮機軟特性排氣壓力100 %輸入功率100 %吸入流量 (質(zhì)量) 100 %http:/Surge line壓縮機特性

5、壓縮機特性離心式壓縮機軟特性排氣壓力100 %輸入功率100 %冷卻水溫度下降將使流量上升冷卻水溫度下降將使輸入功率上升冷卻水溫度上升將使流量下降冷卻水溫度上升將使輸入功率下降吸入流量 (質(zhì)量) 100 %http:/喘振點滯止點流量壓力喘振由過高的背壓引起的流量中斷(流量波動)滯止 (堵塞)在某一轉(zhuǎn)速下壓縮機所能輸出的最大流量只能在喘振點和滯止點之間運行壓縮機特性壓縮機特性動力式壓縮機http:/進口空氣溫度和質(zhì)量流量(密度)的變化對容積式壓縮機的功耗沒有影響其中:P :功率P1:進口壓力V1: 進口體積n:絕熱指數(shù)P2/P1: 壓比影響壓縮機功率的參數(shù):P1:進口壓力V1:容積流量 (不是

6、質(zhì)量流量!)P2/P1:壓比影響壓縮機性能的參數(shù)正位移(容積)式壓縮機Power P = P1 . V1 . ( ) -1 n n -1P2P1n -1n壓縮機特性壓縮機特性http:/其中: Hp : 壓力頭m : 質(zhì)量流量h: 等溫效率影響壓縮機功率的參數(shù):T :進口溫度M :質(zhì)量流量P2/P1 : 壓比Power P = H p . mh在冬天質(zhì)量流量上升，動力式壓縮機功耗也上升動力式壓縮機壓縮機特性壓縮機特性影響壓縮機性能的參數(shù)http:/葉輪速度的下降 將導致壓力下降 所以如果頻率下降 3% 每一級的出口壓力將減少 6%，三級的壓縮機將總計下降18%。P 2 S動力式壓縮機建立起的壓

7、力與速度的平方成正比。即：壓縮機特性壓縮機特性動力式壓縮機速度的影響http:/不穩(wěn)定的熱力學性能可表述為:壓力升高則流量下降進口空氣溫度降低- 容積流量基本不變，軸功率卻上升- 質(zhì)量流量將會上升- 可以產(chǎn)生更高的排氣壓力減少轉(zhuǎn)速將使排氣壓力迅速下降壓縮機只能在一個相對狹窄的范圍內(nèi)運行 (在喘振和滯止點之間)排氣壓力升高使壓縮機更接近喘振區(qū)壓縮機特性壓縮機特性動力式壓縮機不穩(wěn)定的熱力學性能http:/活塞式壓縮機（兩級壓縮）活塞式壓縮機（兩級壓縮）V型驅(qū)動皮帶 (6根)曲軸主軸承 (2個)連桿大端軸承(2)連桿 (2)連桿小端軸承(2)十字頭 (2)支承環(huán) (2 組)活塞 (2)活塞環(huán) (8)

8、氣缸 (2)氣閥 (進口/出口) (20)離心式壓縮機（三級壓縮）離心式壓縮機（三級壓縮）大齒輪高速軸承 (4)低速軸承 (2)小齒輪 (2) 活塞壓縮機零部件的磨損使排氣量每年下降5-6% 而壓縮機的功耗卻不變。 大量的易損件增加了維護費用、維護人力和停機時間對于一臺典型的兩級活塞式壓縮機有 53個維護點壓縮機特性壓縮機特性動力式壓縮機與活塞式壓縮機的機械運轉(zhuǎn)維護點比較對于一臺典型的三級離心式壓縮機有 11個維護點http:/僅僅是力平衡的對置平衡式活塞壓縮機僅僅是力平衡的對置平衡式活塞壓縮機水平力 F1 可平衡垂直力 F2 導致氣缸頂部和底部的磨損程度不同(氣缸偏磨)F2 力產(chǎn)生的不平衡力

9、矩使壓縮機需要厚重的基礎(chǔ)F1F2F2FFF1壓縮機特性壓縮機特性http:/余隙容積的存在，降低了活塞式壓縮機的容積效率，使其比功率增大活塞壓縮機螺桿壓縮機吸入容積行程容積余隙容積流量流量吸入容積吸氣排氣排氣壓縮壓縮膨脹膨脹吸氣壓力壓力壓縮機特性壓縮機特性PV圖的比較http:/氣閥波動導致不必要的額外功耗活塞壓縮機的氣閥顫動氣閥顫動壓縮機特性壓縮機特性壓力流量顫動是由空氣在閥片磨損產(chǎn)生的微小間隙中的泄漏引起的。顫動發(fā)生時閥片開始振動，就像單簧管的發(fā)音簧片那樣。這種現(xiàn)象在壓縮機使用很短的一段時間后就會發(fā)生。http:/即使在更換了新的活塞環(huán)后，氣缸偏磨也使壓縮機的排氣量無法恢復氣缸活塞壓縮機特

10、性壓縮機特性活塞壓縮機的氣缸偏磨http:/如果有幾個因素的組合，離心式壓縮機會是理想的選擇。例如：單臺的排氣量較大，達到 6000 m3/hr以上需要質(zhì)量流量的流程例如空分。在冬天低溫下多費的功耗將會被多得到的質(zhì)量流量所補償流量的波動不是很大，壓縮機經(jīng)常在滿載或可調(diào)范圍內(nèi)運行排氣壓力一般不超過 80 bar，可以用6級或更多壓縮級數(shù)來達到高的排氣壓力。壓縮機特性壓縮機特性離心式壓縮機的適用范圍http:/離心式螺桿式旋齒式流量 (l/s)比功率 (J/L)針對不同的場合應(yīng)用不同的壓縮機技術(shù)壓縮機特性壓縮機特性http:/控制系統(tǒng)http:/壓縮機的控制壓縮機的控制大多數(shù)工業(yè)流程對壓縮空氣流量

11、的需求是變化的，變化的原因多種多樣: 裝置的生產(chǎn)周期- 每天中的變化或每周的變化 - 裝置的產(chǎn)量變化 系統(tǒng)中有瞬間或間歇性的大氣量需求(如氣錘，燒焦，除灰等) 基于質(zhì)量流量的應(yīng)用如空分 或僅僅是設(shè)計時高估了壓縮空氣需要量這樣壓縮機就需要一個 控制系統(tǒng) 來調(diào)節(jié)壓縮機的排氣量以符合實際的需求http:/MONDAYTUESDAYWEDNESDAYTHURSDAYFRIDAYSATURDAYSUNDAY小時壓縮空氣需要量壓縮機的控制壓縮機的控制典型的壓縮空氣需求模式http:/在節(jié)流控制方式中，壓縮機的進口蝶閥會調(diào)節(jié)進氣量 滿載時 蝶閥全開，壓縮機滿負荷運行 壓縮機工作在正常的壓縮比下部分載荷時 減

12、少進氣 (真空) 出口壓力不變壓比 = 8壓比 = 16 * Figures are used for concept demonstration only進口 1 bar(a)出口 8 bar(a)真空狀態(tài)進口 0.5 bar(a) *出口 8 bar(a)螺桿壓縮機的控制節(jié)流控制螺桿轉(zhuǎn)子壓縮機的控制壓縮機的控制http:/ 在加卸載控制下壓縮機要么滿載要么卸載。 在加載時，進口閥全開，壓縮機在正常壓比下工作。 在卸載時，進口閥全關(guān)， 壓縮機與空氣管網(wǎng)隔離。 在卸載狀態(tài)時壓縮機功耗極小，壓縮機保持整個運行的高效率。壓縮機的控制壓縮機的控制螺桿壓縮機的控制加卸載控制http:/在變頻控制中壓縮

13、機的轉(zhuǎn)速隨著空氣需要量的變化而連續(xù)變化 壓力電流變送器將測到的壓力轉(zhuǎn)換成 4-20 mA 的電流信號。 這一電流信號被用于變頻器，調(diào)整向電機輸出電源的頻率。 電機的轉(zhuǎn)速隨著頻率的變化而改變。 變頻控制是效率最高的壓縮機控制方式。壓力電流變送器變頻器電機C壓縮機出口示意圖:壓縮機的控制壓縮機的控制螺桿壓縮機的控制變頻控制http:/變頻控制可再多節(jié)約的能量% 功率功率加卸載控制節(jié)約的能量的節(jié)流控制加卸載控制變頻控制100806040200255075100載荷載荷 %壓縮機的控制壓縮機的控制螺桿壓縮機控制方式的比較http:/喘振控制線以下的調(diào)節(jié)喘振控制線以上的調(diào)節(jié)2 種情況壓力流量喘振線喘振控

14、制線 60 75 100壓縮機的控制壓縮機的控制離心式壓縮機的控制http:/進口蝶閥進口調(diào)節(jié)導葉壓縮機的控制壓縮機的控制離心式壓縮機的控制 喘振控制線以上的調(diào)節(jié)http:/需氣量進口蝶閥調(diào)節(jié)線進口導葉調(diào)節(jié)線節(jié)省的功氣量%壓力 %功率 %60708090100 110708090100150100在調(diào)節(jié)時，進口調(diào)節(jié)導葉使進入的氣體產(chǎn)生預(yù)旋，減小進口沖角和渦流損失，使氣流平順流動。它不會像蝶閥那樣引起紊流。在最大調(diào)節(jié)點省功 9%離心式壓縮機的控制 喘振控制線以上的調(diào)節(jié)壓縮機的控制壓縮機的控制http:/采用卸載和再加載的方式。為了保證排氣壓力不致急劇下跌，必須有相當大的緩沖容積。并避免頻繁加卸載

15、。使用放空閥調(diào)節(jié)放空量保持排氣壓力的恒定。浪費大量能源壓縮機的控制壓縮機的控制離心式壓縮機的控制 喘振控制線以下的調(diào)節(jié)容積流量壓力自動雙模式控制恒壓控制模式容積流量壓力http:/傳動系統(tǒng)http:/壓縮機的轉(zhuǎn)速壓縮機的轉(zhuǎn)速對于螺桿壓縮機來說，即使轉(zhuǎn)速較高的無油螺桿式壓縮機，其螺桿線速度也僅在60100 m/s之間，一般在每分鐘600010000轉(zhuǎn)運行。由于螺桿軸相當粗壯，此轉(zhuǎn)速遠遠低于臨界轉(zhuǎn)速， 所以壓縮機軸屬剛性軸。動力式壓縮機螺桿式壓縮機動力式壓縮機葉輪線速度可達400500 m/s，一般在每分鐘20000到80000轉(zhuǎn)的極高轉(zhuǎn)速下運行。這種轉(zhuǎn)速往往在1階到2階或者2階到3階臨界轉(zhuǎn)速之間，所以壓縮機軸屬撓性軸。每次開停機均要穿越臨界轉(zhuǎn)速。http:/壓縮機的軸承壓縮機的軸承動力壓縮機在極高的轉(zhuǎn)速下運行，正常運行轉(zhuǎn)速往往在臨界轉(zhuǎn)速以上，所以只能使用由油膜來承托轉(zhuǎn)軸的滑動軸承。開機，停機，頻繁的載荷變化，振動都會使軸承中的油膜變薄 (膜離散)。 可傾瓦軸承可自動調(diào)節(jié)瓦塊與軸的角度，有更好的耐振性，可有效減小這些現(xiàn)象的影響。固定幾何形狀的軸承就沒有這種特性了。動力式壓縮機固定幾何形狀的軸承可改變幾何形狀的軸承固定瓦軸承靜液壓縮膜軸承可傾瓦軸承http:/ 典型的設(shè)計壽命B10-100,000 小