雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)節(jié)能效果及其原理分析

１引言在２００５年，我國(guó)的“十一五”規(guī)劃綱要中就提出要節(jié)能減排，隨著我國(guó)持續(xù)采取節(jié)能減排的政策，我國(guó)單位ＧＤＰ的碳排放量呈現(xiàn)進(jìn)一步下降的趨勢(shì)，２０２０年我國(guó)單位ＧＤＰ的碳排放量約為０．６５３千克／美元，僅為２００５年的四分之一左右。國(guó)家主席習(xí)近平同志在２０２０年９月份的第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論上表示，中國(guó)將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，力爭(zhēng)２０３０年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，２０６０年前實(shí)現(xiàn)碳中和。至此節(jié)能減排，綠色發(fā)展也必將走上一個(gè)新的高度。２螺桿壓縮機(jī)簡(jiǎn)介隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的持續(xù)增長(zhǎng)，各類壓縮機(jī)的需求量不斷增大，螺桿壓縮機(jī)憑借各種優(yōu)勢(shì)，市場(chǎng)占比也呈現(xiàn)出持續(xù)上漲的趨勢(shì)。螺桿壓縮機(jī)作為“用電大戶”，如何降低其能耗提升產(chǎn)品的性能，制造出更加綠色節(jié)能的螺桿壓縮機(jī)也成為各大壓縮機(jī)廠家的頭等大事。當(dāng)下國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的螺桿壓縮機(jī)主要是指雙螺桿壓縮機(jī)，根據(jù)運(yùn)行方式不同主要可分為干式螺桿壓縮機(jī)和噴液螺桿壓縮機(jī)，其中噴油螺桿壓縮機(jī)因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高等優(yōu)良特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于礦山、化工、冶金等很多領(lǐng)域。影響螺桿機(jī)壓縮機(jī)性能的因素有很多，但是螺桿壓縮機(jī)主機(jī)作為螺桿壓縮機(jī)的核心，其性能的優(yōu)劣是螺桿壓縮機(jī)節(jié)能的關(guān)鍵，而軸比功率的大小就是評(píng)價(jià)一臺(tái)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)性能優(yōu)劣的一個(gè)重要指標(biāo)。軸比功率是指標(biāo)準(zhǔn)工況下壓縮機(jī)主機(jī)的實(shí)際容積流量ｑｖ與壓縮機(jī)軸功率Ｐ的比值，即在同等條件下，軸比功率的數(shù)值越小，則壓縮機(jī)主機(jī)的性能越好。由式（１）可以看出，壓縮機(jī)主機(jī)性能的優(yōu)化主要有兩個(gè)方向，即提高實(shí)際容積流量ｑｖ或降低壓縮機(jī)軸功率Ｐ。由于受到轉(zhuǎn)子型線等一些技術(shù)的限制，目前國(guó)內(nèi)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)制造技術(shù)基本已經(jīng)到了一個(gè)瓶頸，很難有較大的提升。當(dāng)前國(guó)內(nèi)一些廠家為了達(dá)到節(jié)能的目的，在優(yōu)化空壓機(jī)整體配置的同時(shí)，使用了雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)代替原來(lái)的單級(jí)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)。這樣做雖然提高了制造成本，但是其后期使用成本卻大幅度下降，綜合來(lái)看也可以達(dá)到為客戶省錢的目的。３雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)與單級(jí)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)性能對(duì)比試驗(yàn)國(guó)產(chǎn)的雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)進(jìn)入市場(chǎng)已經(jīng)有幾年的時(shí)間了，結(jié)合廠家宣傳和用戶體驗(yàn)來(lái)看，它的確比單級(jí)螺桿壓縮機(jī)更加節(jié)能。壓縮機(jī)終端用戶對(duì)于雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)的實(shí)際節(jié)能效果的認(rèn)知，都來(lái)源于廠家的宣傳數(shù)據(jù)。所以我們需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)，對(duì)比在同等條件下雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)和單級(jí)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)的主要參數(shù)，根據(jù)測(cè)試的結(jié)果來(lái)看看雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)的實(shí)際節(jié)能效果。３.１雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)節(jié)能簡(jiǎn)介雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)與單級(jí)螺桿壓縮機(jī)在運(yùn)行方式上主要區(qū)別有兩點(diǎn)：（１）就是空氣從壓縮機(jī)主機(jī)的進(jìn)氣口到排氣口，需要經(jīng)過(guò)兩次壓縮才能達(dá)到最終所需的壓力，同時(shí)每一次壓縮的壓縮比相對(duì)于單級(jí)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)要低很多，內(nèi)壓比越小壓縮機(jī)的運(yùn)行也就更加穩(wěn)定，內(nèi)泄漏也會(huì)減?。唬ǎ玻╇p級(jí)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)在兩個(gè)壓縮級(jí)之間增加了噴油冷卻，降低壓縮氣體的溫度。在壓縮過(guò)程的所有可選擇的路徑中，以定溫過(guò)程所耗的功最小，定熵過(guò)程所耗的功最大，“多級(jí)壓縮、中間冷卻”是減少壓縮機(jī)耗功的有效方法之一［１］。增加噴油冷卻雖然不能達(dá)到定溫壓縮的效果，但是只要給氣體降溫，就可以降低壓縮耗功。從理論分析的角度來(lái)說(shuō)，在同等條件下雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)的確要比單級(jí)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)的軸功率更低，但是其具體效果還是需要試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。３.２螺桿壓縮機(jī)主機(jī)性能測(cè)試雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)的主體結(jié)構(gòu)可以看做將兩個(gè)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)串聯(lián)在一起，其驅(qū)動(dòng)方式主要有兩種，一種是采用雙電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)每一級(jí)壓縮機(jī)，另一種是使用單電機(jī)帶動(dòng)齒輪箱將動(dòng)力傳遞到每一級(jí)壓縮機(jī)。本次測(cè)試用的雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)結(jié)構(gòu)如圖１所示。根據(jù)等增壓比分配原則，即當(dāng)各單級(jí)增壓比相等或者說(shuō)按照幾何平均均勻分配總增比時(shí)，壓縮機(jī)的耗功最小［１］。所以需要在設(shè)計(jì)的過(guò)程中將雙級(jí)壓縮機(jī)主機(jī)的每一級(jí)壓縮的內(nèi)壓比εｉ設(shè)置為３。本次實(shí)驗(yàn)的目的是找出在同等條件下，兩種螺桿壓縮機(jī)主機(jī)的實(shí)際容積流量ｑｖ和壓縮機(jī)軸功率Ｐ有何變化。為了使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更加精確，減小其他因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的干擾。雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)的一級(jí)壓縮使用和單級(jí)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)相同的螺桿轉(zhuǎn)子和輸入轉(zhuǎn)速，兩種螺桿壓縮機(jī)主機(jī)的理論容積流量同為２３.７ｍ３／ｍｉｎ，排氣壓力０.８ＭＰａ。兩種螺桿壓縮機(jī)主機(jī)在同一測(cè)試臺(tái)上面進(jìn)行測(cè)試，都采用電機(jī)直連驅(qū)動(dòng)的方式連接，實(shí)驗(yàn)所用測(cè)試臺(tái)由合肥通用機(jī)械研究院建造。為了數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，分別制造２種螺桿壓縮機(jī)主機(jī)各５臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，并且在每一臺(tái)壓縮機(jī)主機(jī)開(kāi)機(jī)測(cè)試約１ｈ的時(shí)候取一組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)結(jié)果如表１所示。３.３實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析根據(jù)以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，在同等條件下雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：容積效率更高，排氣量更大，軸比功率更小。以試驗(yàn)中使用的２種螺桿壓縮機(jī)主機(jī)為例，雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)的排氣量要比單級(jí)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)多１.２６ｍ３／ｍｉｎ，同時(shí)雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)的軸功率也比單級(jí)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)大２.１１ｋＷ。但是雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)的軸比功率為６.０７，單級(jí)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)的軸比功率為６.３４，即在壓縮機(jī)其他配置相同的情況下每制造１ｍ３的壓縮空氣，雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)要比單級(jí)螺桿壓縮機(jī)耗能少約０.２７ｋＷ。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，不僅證明了雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)的確要比單級(jí)螺桿壓縮機(jī)更加節(jié)能，也驗(yàn)證了前文中提出的理論。但是雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)具體是如何節(jié)能的，其節(jié)能的原理是什么依舊需要我們通過(guò)計(jì)算來(lái)進(jìn)一步分析。４壓縮機(jī)軸功率計(jì)算與節(jié)能原理分析由于螺桿壓縮機(jī)的壓縮耗能主要在主機(jī)，所以研究絕熱效率就是研究螺桿壓縮機(jī)主機(jī)的性能。絕熱效率可以理解為空壓機(jī)中空氣被壓縮后與前所含能量的比值，體現(xiàn)空壓機(jī)壓縮前后能量利用的完善程度。絕熱效率越接近１，說(shuō)明該空壓機(jī)主機(jī)的性能越好，反之則空壓機(jī)主機(jī)的性能較次［３］。通過(guò)上面的試驗(yàn)可以看出雖然雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)的軸功率和實(shí)際容積流量都要比單級(jí)螺桿壓縮機(jī)大，但是軸比功率卻更小。所以我們需要通過(guò)試驗(yàn)中取得壓縮機(jī)主機(jī)的軸功率等試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算壓縮機(jī)主機(jī)的絕熱效率，從絕熱效率的角度來(lái)分析雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)為什么比單級(jí)螺桿壓縮機(jī)更加節(jié)能。壓縮機(jī)的軸功率Ｐ可以按下式計(jì)算Ｐ＝Ｐａｄ／ηａｄ（１）式中Ｐａｄ———壓縮機(jī)的等熵絕熱功率

ηａｄ———壓縮機(jī)的絕熱效率螺桿壓縮機(jī)的絕熱效率ηａｄ反映了壓縮機(jī)能量利用的完善程度，其數(shù)值依機(jī)型和工況的不同有明顯的差別。通過(guò)式（１）可以看出，在同等條件下壓縮等量的壓縮空氣即等熵絕熱功率Ｐａｄ相同的情況下，絕熱效率ηａｄ越高，則壓縮機(jī)的最終軸功率Ｐ越小。４.１單級(jí)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)絕熱效率計(jì)算如果被壓縮的氣體可以看做理想氣體來(lái)處理，則壓縮機(jī)的等熵絕熱功率Ｐａｄ可以按下式計(jì)算［２］式中ｐｓ———壓縮機(jī)的吸氣壓力

ｐｄ———壓縮機(jī)的排氣壓力

ｋ———被壓縮氣體的等熵指數(shù)

ｑｖ———壓縮機(jī)的實(shí)際容積流量根據(jù)壓縮機(jī)的使用工況來(lái)看，可以將本次實(shí)驗(yàn)的壓縮空氣看做理想氣體，由式（２）可得出單級(jí)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)的等熵絕熱功率所以，由式（１）得出單級(jí)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)的絕熱效率ηａｄ＝Ｐａｄ／Ｐ＝１０４.９３／１３２.３１×１００％＝７９.３１％４.２雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)絕熱效率計(jì)算本次試驗(yàn)用的雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)可以看做由２個(gè)單級(jí)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)串聯(lián)，所以雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)的等熵絕熱功率也就等于每一級(jí)壓縮的等熵絕熱功率相加。試驗(yàn)用雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)使用的傳動(dòng)齒輪為５級(jí)精度的圓柱斜齒輪，在后面的計(jì)算中我們假設(shè)其傳動(dòng)效率為９８％。首先，由式（２）可得出一級(jí)壓縮的等熵絕熱功率要計(jì)算二級(jí)壓縮的等熵絕熱功率首先需要算出二級(jí)壓縮的實(shí)際容積流量，現(xiàn)在已知一級(jí)壓縮的內(nèi)壓比εｉ＝３，一級(jí)壓縮的實(shí)際容積流量為２２.３２ｍ３／ｍｉｎ，則一級(jí)壓縮排出氣體的容積流量可以通過(guò)式（３）計(jì)算［２］式中ｑｖ———一級(jí)壓縮機(jī)實(shí)際容積流量

ｑｖ１———一級(jí)壓縮終了時(shí)壓縮機(jī)的容積流量

ｋ———被壓縮氣體的等熵指數(shù)

εＶ———壓縮機(jī)的內(nèi)容積比由式（３）可得出一級(jí)壓縮排出氣體的容積流量上面的計(jì)算用的壓縮機(jī)主機(jī)的實(shí)際容積流量，而且在壓縮機(jī)主機(jī)的２個(gè)壓縮級(jí)之間沒(méi)有其他泄漏點(diǎn)，所以一級(jí)壓縮排出氣體的容積流量就可以看做是二級(jí)壓縮的實(shí)際容積流量。由式（２）可得出二級(jí)壓縮的等熵絕熱功率雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)總的等熵絕熱功率Ｐａｄ＝Ｐａｄ１＋Ｐａｄ２＝１１３.０８ｋＷ因?yàn)槿莘e流量的不同，壓縮機(jī)主機(jī)的絕熱效率也會(huì)不同。在同等條件下容積流量越大，則壓縮機(jī)主機(jī)的絕熱效率也越高。本次試驗(yàn)的目的在于比較兩種螺桿壓縮機(jī)主機(jī)的絕熱效率，所以我們就通過(guò)雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)總的等熵絕熱功率來(lái)計(jì)算雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)的絕熱效率，不再分別計(jì)算每一個(gè)壓縮級(jí)的絕熱效率：所以，由式（１）得出雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)的絕熱效率ηａｄ＝Ｐａｄ／Ｐ＝１１３.０８／（１３４.４２×０.９８）×１００％＝８５.８４％４.３計(jì)算結(jié)果分析通過(guò)計(jì)算的結(jié)果可以看出，雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)的絕熱效率要比單級(jí)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)高大約６.５％，這也就是雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)主機(jī)更加節(jié)能的主要原因。５結(jié)論通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)以及后面的計(jì)算分析可以看出以下幾點(diǎn)結(jié)論：以一臺(tái)軸功率１３２ｋＷ的螺桿壓縮機(jī)為例（在同等條件