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重庆空压机:浅谈螺杆空压机的能效问题

压缩空气作为生产企业四大动力源之一,早已在机械制造、石油化工、食品医药、电子制造、交通基建等领域得到广泛应用,螺杆空压机成为最为重要的通用设备之一。然而,国内很多空气压缩机用户对空压机的节能概念并不重视,认为只要设备性能稳定可靠即可,其它是次要的,在压力、排气量及气源品质满足要求之后,设备采购成本是优先考虑的要素。

现实情况怎么样呢?我国空压系统电能消耗占工业用电量的8~10%。2020年全国工业用电50297亿度,空压机耗电量取中间值约为4526亿度,其中有效能耗只占66%,其余34%的能量(约1539亿度电)被白白浪费掉,空压系统的节能增效亟待开展。另有统计数据表明,在空压机的整个生命周期中(喷油螺杆空压机一般在8-10年) 设备购置成本仅占5%,维护成本占18%左右,运行电费占到了惊人的77%甚至更高。因此,实施空压机节能降耗措施意义重大。

我国目前针对螺杆空压机的能效标准是2020年7月1日正式实施的GB19153-2019《容积式空气压缩机能效限定值及能效等级》,该标准指出空压机比功率越小,能效水平越高。该标准将空压机的能效分1级、2级、3级三个等级。其中喷油螺杆空压机每两个能效等级之间能效普遍相差10%左右,因不同排气压力、冷却方式和额定功率存在一定的差异。

目前,提高压缩空气系统的主流措施包括进行合适的空压机选型、按实际用气量来配置后外理设备、压缩空气管路合理布置、智能集中管理、防治“跑冒滴漏”、余热回收以及高质量维修保养等。当然,在预算足够的情况下,采用能效等级更高的空压机是最为重要的一个环节。

近年来,喷油双螺杆空压机主机关键技术国产化加快,行业整体发展得以提速。在7.5-355kW功率范围(压力1.3Mpa以下)内基本取代了传统的活塞式空压机而成为市场主流机型,国内市场每年约有50万台上下的销售量,且以10%的速度增长。在此背景下,对螺杆空压机进行整机能效提升具有十分重要的现实意义。

影响螺杆空压机整机能效最为重要的因素是螺杆主机,目前市场上的双螺杆空压机主要分为单级压缩和两级压缩两种。单级压缩是出现时间较长,应用广泛。在实际使用中,一些功率大,产气需求大的空压机组,往往采用两级压缩。近几年,行业内企业都热衷干申报《国家工业节能技术装备推荐目录》和“能效之星”,其中入选的两级压缩机型占比较高。

从两级压缩螺杆空压机的工作原理看,就是将一级压缩转子和二级压缩转子组合在一个机壳内,并分别通过斜齿轮直接传动。自然空气通过空气过滤器进入第一级压缩,在压缩腔与少量润滑油混合,同时将混合气体压缩到级间压力。压缩后的气体进入冷却通道,与大量油雾接触,降低温度。降温后的压缩气体进入第二级转子,进行二次压缩。被压缩到终排气压力,然后通过排气法兰排出空压机,完成整个压缩过程。

相比单级压缩,两级螺杆空压机具有自己独特的优势。

首先,分级压缩,可以节省压缩功。两级螺杆空压机通过两级串联工艺,使得原来单级压缩过程分为两个压缩过程进行。这样可以降低每个单级压缩过程中的压缩比,进而可以有效地大幅降低每一级螺杆转子在啮合、压缩过程中所受的阻力。压缩过程中做功阻力的降低,也就意味着每级轴承的负荷减少,即可以降低每级压缩所需驱动功率。

理想气体压缩过程中,单级压缩所需功率与多级压缩所需功率之和相等。但在实际压缩过程中,由于联轴器传递功率损失、轴承摩擦系数和冷却液黏度等一系列因素都随所受作用力的增大而增大,从而产生超出相同比例的无用功。所以通过降低各级压缩比的方法可以减少实际压缩过程中的无用功,从而使得多级压缩所需功率之和小于单级压缩所需功率。

其次,中间喷油冷却,降低了进入下一级的气体温度。所有的气体压缩过程其实就是气体与运动部件的摩擦并被其压缩的过程。既然存在摩擦,气体就会因摩擦而产生温升,必然存在膨胀趋势,这部分能量在空气压缩这个固定容积内就会以力的形式,通过增加自身压力的途径来得到释放。

气体的温度提高了气体在压缩过程中自身的压力,提高了压缩比,因此必然要付出额外的功率,用来驱动设备将空气压缩至期望的压力值。所以,两级螺杆空压机设置有冷却液喷射装置,通过向经过一级压缩后的空气喷射雾状冷却剂,使压缩空气进入第二级压缩阶段前,就被降低了温度,达到相应的冷却效果,如同为单级空压机降低环境温度或进气温度。这样的冷却装置不仅大大节约了二次压缩所需能量,而且使用冷却剂喷射装置可以省去中间冷却器;冷却剂喷射装置所喷射出的雾状冷却剂在降低气体温度的同时,也有效降低了整个压缩系统的温度,减少了冷却液的挥发,有助于油品长时间保持优良的使用性能,降低维修频次和成本。

近年来,国家压缩机检测中心的数据显示,两级压缩的空压机效率明显高于单级,尤其是110kw以上产品,原来单级压缩的空压机几乎不可能达到1级能效等级,其至很难达到2级能效,而两级压缩技术的应用则可以让大功率空压机较为轻易的达到1级能效。据行业资料显示,不同功率的两级压缩螺杆空压机能效值优于单级压缩能效值10%~20%。

采用不同的压缩方式,单台设备能效提升如此巨大的原因,一个是上面提到的中间冷却液喷射使得压缩过程接近等温压缩之外,另一个重要原因是内泄漏更少,容积效率更高。

空压机能效的提升是一个系统工程,不可能仅靠某一两项改进就能达到最高能效。比如螺杆主机能效提高除了可采用两级压缩形式之外,还可以通过优化转子型线,提高转子加工精度,缩小转子啮合间隙、排气端间随等方式减少内泄漏。当然,并非所有的两级压缩螺杆空压机都是最节能的,有些企业靠单级压缩依然取得了很高的能效利用率。系统性的节能还取决于企业从研发、测试到制造,组装,每一个环节和每一个细节,不断精益求精。

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