兩級(jí)壓縮螺桿機(jī)級(jí)間壓力優(yōu)化分析

林思橋

（廈門(mén)東亞機(jī)械工業(yè)股份有限公司，福建 廈門(mén) 361100）

0 引言

目前國(guó)家正在加大推動(dòng)碳中和、碳達(dá)標(biāo)相關(guān)政策的落實(shí)。GB19153—2019《容積式空氣壓縮機(jī)能效限定值及能效等級(jí)》在2019 年12 月31 日發(fā)布，2020 年7 月1 日實(shí)施。該版本為2009 版的修訂版，和2009 版相比，提高了部分產(chǎn)品的能效指標(biāo)，增加了變轉(zhuǎn)速回轉(zhuǎn)空氣壓縮機(jī)的能效限定值及能效等級(jí)等，在空壓機(jī)產(chǎn)品在節(jié)能方面的研發(fā)提出了更高的要求和指導(dǎo)，特別是對(duì)變轉(zhuǎn)速壓縮機(jī)的研發(fā)提出了更高指標(biāo)。該文僅針對(duì)兩級(jí)壓縮變轉(zhuǎn)速螺桿機(jī)級(jí)間壓力對(duì)機(jī)組能效的影響進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)。

1 變轉(zhuǎn)速?lài)娪突剞D(zhuǎn)空氣壓縮機(jī)的機(jī)組比功率計(jì)算公式

GB19153—2019 標(biāo)準(zhǔn)中一般用變轉(zhuǎn)速?lài)娪突剞D(zhuǎn)空氣壓縮機(jī)的機(jī)組比功率的計(jì)算如公式（1）所示。

將公式（1）轉(zhuǎn)換為最終計(jì)算式，如公式（2）所示。

式中：evc—變轉(zhuǎn)速?lài)娪突剞D(zhuǎn)空氣壓縮機(jī)機(jī)組比功率，單位為kW·min/m3；evc100%、evc70%、evc40%—在規(guī)定工況下，變轉(zhuǎn)速?lài)娪突剞D(zhuǎn)空氣壓縮機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)容積流量為100%、70%和40%時(shí)的機(jī)組比功率，單位是kW·min/m3；TX—空氣壓縮機(jī)實(shí)測(cè)吸氣溫度，單位為開(kāi)爾文（K）；Pcorr100%、Pcorr70%、Pcorr40%—在規(guī)定工況下，變轉(zhuǎn)速?lài)娪突剞D(zhuǎn)空氣壓縮機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)容積流量為100%、70%和40%時(shí)按GB/T3853 測(cè)量、修正計(jì)算的機(jī)組功率，單位為kW；qvccorr100%、qvcorr70%、qvcorr40%—在規(guī)定工況下，變轉(zhuǎn)速?lài)娪突剞D(zhuǎn)空氣壓縮機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)按GB/T3853 測(cè)量、修正計(jì)算的100%、70%和40%的容積流量，單位為m3·min-1。

根據(jù)公式（2）可知，影響機(jī)組比功率的主要因素為實(shí)測(cè)吸氣溫度、3 個(gè)狀態(tài)下的機(jī)組功率和容積流量。因測(cè)試環(huán)境確定后，實(shí)測(cè)吸氣溫度就是一個(gè)相對(duì)固定的環(huán)境因數(shù)，所以該文接下來(lái)主要針對(duì)級(jí)間壓力對(duì)機(jī)組功率和容積流量的影響進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)，以使機(jī)組比功率能夠達(dá)到甚至超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的一級(jí)能效限定值。

2 理論最優(yōu)級(jí)間壓力

上述影響機(jī)組比功率的主要因素為3 個(gè)狀態(tài)下的機(jī)組功率和容積流量，而影響機(jī)組功率和容積流量的也有很多因素，如電機(jī)效率、控制系統(tǒng)損耗、主機(jī)效率、整機(jī)系統(tǒng)壓力損失和吸排氣損失等，該文僅對(duì)級(jí)間壓力對(duì)主機(jī)效率的影響進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)，其他值默認(rèn)不變。

兩級(jí)壓縮主機(jī)總絕熱功率可以按照公式（3）計(jì)算[1-3]。

式中：P—兩級(jí)壓縮主機(jī)總絕熱功率；T1—第一級(jí)主機(jī)吸氣溫度；T2—第二級(jí)主機(jī)吸氣溫度；p—級(jí)間壓力。

對(duì)公式（3）求最小值，得到p的最佳取值，如公式（4）所示。

3 試驗(yàn)論證

根據(jù)以上分析，該文選用22kW 兩級(jí)壓縮空壓機(jī)。該設(shè)備采用2 臺(tái)額定功率相同、額定轉(zhuǎn)速不同的永磁同步變頻電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)一、二級(jí)主機(jī)，2 級(jí)主機(jī)的轉(zhuǎn)速均可獨(dú)立控制。因此可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)一、二級(jí)轉(zhuǎn)速比，從而達(dá)到準(zhǔn)確控制級(jí)間壓力的目的。

3.1 試驗(yàn)要求

該文試驗(yàn)主要選定空壓機(jī)整機(jī)在表壓為0.7MPa 和0.6MPa 的2 個(gè)機(jī)組排氣壓力下和40%、70%、100%對(duì)應(yīng)的1200r/min、2200r/min、3100r/min 這3 個(gè)轉(zhuǎn)速下進(jìn)行不同級(jí)間壓力的性能測(cè)試，同時(shí)假定第一級(jí)吸氣溫度為20℃，第二級(jí)吸氣溫度為35℃。

將以上條件代入公式（4），計(jì)算得到表壓為0.7MPa 和0.6MPa 的2 個(gè)機(jī)組排氣壓力下的理論最優(yōu)級(jí)間壓力位，即0.2MPa 和0.18MPa。

3.2 級(jí)間壓力對(duì)機(jī)組功率、容積流量和機(jī)組比功率的影響

空壓機(jī)在0.7MPa 和0.6MPa 排氣壓力下級(jí)間壓力p對(duì)機(jī)組功率P、電機(jī)總功率Pe，tot的影響如圖1 所示，其中電機(jī)總功率定義為2 個(gè)電機(jī)功率之和，即Pe，tot=Pe1+Pe2。在任一排氣壓力和轉(zhuǎn)速下，隨著級(jí)間壓力的上升，機(jī)組功率均呈先變小、后增大的趨勢(shì)，即存在某一級(jí)間壓力值使機(jī)組功率達(dá)到最小值。在0.7MPa 下，1200r/min、2200r/min 和3100r/min 下的最小機(jī)組功率分別在0.18MPa、0.22MPa和0.22MPa下取得，與機(jī)組功率最大值相比，機(jī)組功率降低比例分別為0.46%、2.26%和2.38%；在0.6MPa 下，1200r/min、2200r/min 和3100r/min下的最小機(jī)組功率分別在0.16MPa、0.18MPa 和0.18MPa 下取得，與機(jī)組功率最大值相比，機(jī)組功率降低比例分別為1.57%、3.99%和2.12%。電機(jī)總功率隨級(jí)間壓力的變化趨勢(shì)與機(jī)組功率基本一致。

圖1 不同轉(zhuǎn)速、排氣壓力下級(jí)間壓力對(duì)機(jī)組和電機(jī)總功率的影響

空壓機(jī)在0.7MPa 和0.6MPa 排氣壓力下級(jí)間壓力p對(duì)機(jī)組容積流量qv的影響如圖2 所示。從圖2 可以看出，在任一排氣壓力和轉(zhuǎn)速下，容積流量基本呈隨級(jí)間壓力增大而逐漸變小的趨勢(shì)。但在所測(cè)級(jí)間壓力范圍內(nèi)容積流量變化幅度極小，極大、極小值之間相差的比例均在0.65%以下，變化的幅度在流量測(cè)量的誤差范圍內(nèi)。根據(jù)上述分析，該文認(rèn)為在雙級(jí)壓縮空壓機(jī)級(jí)間壓力的調(diào)整范圍內(nèi)，級(jí)間壓力是影響機(jī)組功率的主要因素，是影響容積流量的次要因素。

圖2 不同轉(zhuǎn)速、排氣壓力下級(jí)間壓力對(duì)機(jī)組容積流量的影響

空壓機(jī)在0.7MPa 和0.6MPa 排氣壓力下級(jí)間壓力p對(duì)機(jī)組比功率ev的影響如圖3 所示。從圖3 可以看出，在任一排氣壓力和轉(zhuǎn)速下，空壓機(jī)機(jī)組比功率均隨級(jí)間壓力升高呈先變小、后增大的趨勢(shì)，即存在最優(yōu)級(jí)間壓力使空壓機(jī)的機(jī)組比功率達(dá)到最小值。在0.7MPa 下，1200r/min、2200r/min和3100r/min 下的使機(jī)組比功率最小的最優(yōu)級(jí)間壓力分別在0.18MPa、0.20MPa 和0.22MPa 下取得，最優(yōu)級(jí)間壓力下獲得的機(jī)組比功率最大下降比例分別為0.77%、1.66%和2.28%；在0.6MPa 下，1200r/min、2200r/min 和3100r/min 下的使機(jī)組比功率最小的最優(yōu)級(jí)間壓力分別在0.16MPa、0.18MPa 和0.18MPa 下取得，最優(yōu)級(jí)間壓力下獲得的機(jī)組比功率最大下降比例分別為1.40%、3.65%和2.01%?；谏鲜龇治?，根據(jù)不同雙級(jí)壓縮空壓機(jī)運(yùn)行工況來(lái)調(diào)整其級(jí)間壓力對(duì)降低空壓機(jī)機(jī)組比功率是有意義的。目前，測(cè)試機(jī)器在高轉(zhuǎn)速下（2200r/min、3100r/min）的默認(rèn)級(jí)間壓力與實(shí)測(cè)最優(yōu)級(jí)間壓力基本一致。而在低轉(zhuǎn)速下（1200r/min），將0.7MPa 和0.6MPa下級(jí)間壓力由默認(rèn)值（0.20MPa、0.18MPa）調(diào)整至實(shí)測(cè)最優(yōu)值（0.18MPa、0.16MPa）可以使對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速下的機(jī)組比功率分別降低0.64%和0.86%。

圖3 不同轉(zhuǎn)速、排氣壓力下級(jí)間壓力對(duì)機(jī)組比功率的影響

3.3 級(jí)間壓力對(duì)主機(jī)效率的影響

空壓機(jī)在0.7MPa 和0.6MPa 排氣壓力下級(jí)間壓力p 對(duì)各級(jí)主機(jī)容積效率ηv1、ηv2的影響如圖4 所示。從圖4 可以看出，在任一排氣壓力和轉(zhuǎn)速下，并在級(jí)間壓力調(diào)整范圍內(nèi)，一級(jí)容積效率ηv1隨級(jí)間壓力變化基本保持不變，容積效率變化值在0.5%以?xún)?nèi)。由此可以認(rèn)為，由于在可調(diào)范圍內(nèi)級(jí)間壓力變化較小，因此級(jí)間壓力對(duì)一級(jí)主機(jī)泄漏的影響極小，與上述對(duì)機(jī)組容積流量的分析一致。而二級(jí)主機(jī)容積效率隨級(jí)間壓力增大呈逐漸降低的趨勢(shì)，且在低轉(zhuǎn)速下變化更明顯。在0.7MPa 排氣壓力下，1200r/min、2200r/min 和3100r/min 下的二級(jí)主機(jī)容積效率隨級(jí)間壓力的變化幅值分別為7.19%、3.35%和1.79%。二級(jí)主機(jī)容積效率ηv2隨級(jí)間壓力的變化表明級(jí)間壓力越高，二級(jí)主機(jī)泄漏越嚴(yán)重。因?yàn)橐患?jí)轉(zhuǎn)速越低、級(jí)間壓力越高對(duì)應(yīng)二級(jí)轉(zhuǎn)速越低，氣體通過(guò)間隙的泄漏時(shí)間越長(zhǎng)，進(jìn)而產(chǎn)生的泄漏越多。并且二級(jí)主機(jī)的泄漏主要影響二級(jí)功率和機(jī)組功率，對(duì)機(jī)組容積流量影響不大，與上述分析相符。上述結(jié)論也同樣表明，空壓機(jī)在低轉(zhuǎn)速下，二級(jí)主機(jī)的泄漏對(duì)機(jī)組性能影響較大，因此要將級(jí)間壓力設(shè)置得較低，才能保證二級(jí)主機(jī)泄漏較少、機(jī)組比功率較低。

圖4 不同轉(zhuǎn)速、排氣壓力下級(jí)間壓力對(duì)各級(jí)主機(jī)容積效率的影響

空壓機(jī)在0.7MPa 和0.6MPa 排氣壓力下級(jí)間壓力p 對(duì)主機(jī)絕熱效率ηad 的影響如圖5 所示。從圖5 可以看出，與機(jī)組比功率的變化趨勢(shì)類(lèi)似，在任一排氣壓力和轉(zhuǎn)速下，主機(jī)絕熱效率均隨級(jí)間壓力升高呈先增加、后降低的趨勢(shì)，存在最優(yōu)級(jí)間壓力使主機(jī)絕熱效率達(dá)到最大值。在0.7MPa 下，1200r/min、2200r/min 和3100r/min 下的最高主機(jī)絕熱效率分別在級(jí)間壓力0.18MPa、0.18MPa 和0.20MPa 下取得；在0.6MPa 下，1200r/min、2200r/min 和3100r/min 下的最高主機(jī)絕熱效率分別在級(jí)間壓力0.16MPa、0.18MPa 和0.18MPa 下取得。最高主機(jī)絕熱效率和最低機(jī)組比功率對(duì)應(yīng)的最優(yōu)級(jí)間壓力基本一致，而在0.7MPa 的高轉(zhuǎn)速下略有不同，考慮實(shí)際0.22MPa 和0.20MPa 下絕熱效率在0.2%以?xún)?nèi)，數(shù)值相差極小，可以認(rèn)為是測(cè)試誤差導(dǎo)致的。

圖5 不同轉(zhuǎn)速、排氣壓力下級(jí)間壓力對(duì)主機(jī)絕熱效率的影響

4 結(jié)論

通過(guò)試驗(yàn)，該文得出最優(yōu)級(jí)間壓力的選取需要同時(shí)考慮排氣壓力和轉(zhuǎn)速2 個(gè)因素的結(jié)論。在低轉(zhuǎn)速下，二級(jí)主機(jī)的泄漏是影響機(jī)組性能的主要因素，級(jí)間壓力應(yīng)取較小值，才能保證二級(jí)主機(jī)轉(zhuǎn)速較高、泄漏較少。在高轉(zhuǎn)速下，級(jí)間壓力最優(yōu)值與理論計(jì)算值一致，可以按照理論值設(shè)定。在兩級(jí)壓縮變轉(zhuǎn)速螺桿機(jī)的控制設(shè)計(jì)上，該文建議針對(duì)級(jí)間壓力進(jìn)行分段控制，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)級(jí)間壓力，最后降低壓縮機(jī)機(jī)組比功率，以實(shí)現(xiàn)更高的效率。