[打印] [關閉] 發(fā)布時間：[2016-08-29 16:15]

　　中小流量無油空氣壓縮機選型分析

　　壓縮機是用來提高氣體壓力和輸送氣體的機械，屬于將原動機的動力能轉變?yōu)闅怏w壓力能的工作機。它的種類多、用途廣，有“通用機械”之稱。目前，除了活塞式壓縮機，其他各類壓縮機機型，如離心式、雙螺桿式、滾動轉子式和渦旋式等均被有效地開發(fā)和利用，為用戶在機型的選擇上提供了更多的可能性。隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，國內(nèi)用戶對空壓機的要求也越來越高，不再只迷信品牌或關注價格，而是更多的關注壓縮空氣的氣體品質、使用能耗及可靠性等。

　　近年來，國內(nèi)無油空氣壓縮機的應用越來越廣泛，其無油的空氣品質、簡單的系統(tǒng)設計和便捷的維護保養(yǎng)，獲得了用戶的一致認可。目前，市場上的無油空氣壓縮機主要有這幾種類型：滑片(渦旋)、旋齒、螺桿和離心。每種類型的空壓機都有自己獨特的特點和優(yōu)勢，其適用范圍也不同。如圖1所示，一般情況下我們可以根據(jù)不同的流量范圍，簡單選取最優(yōu)性能的機型。但在實際選型過程中，當遇到過渡區(qū)的機型選擇時我們會有疑惑，不知道選取哪一款更合適。其中，實際遇到最多、最難區(qū)分的應該就是在中小流量范圍(80~100m3/min)時的選型，兩款機型各有優(yōu)勢，用戶經(jīng)常會猶豫選螺桿機還是離心機。

　　一、機型簡介

　　(一)離心式空氣壓縮機原理：

　　如圖2所示，離心式空壓機是由葉輪帶動氣體做高速旋轉，使氣體產(chǎn)生離心力，由氣體在葉輪里的擴壓流動，從而使氣體通過葉輪后的流速和壓力得到提高，連續(xù)地生產(chǎn)出壓縮空氣。離心式空氣壓縮機屬于速度式壓縮機，在用氣負荷穩(wěn)定時，離心式空氣壓縮機工作穩(wěn)定、可靠。

　　離心式壓機的優(yōu)點：

　　⑴ 排氣量大，排氣均勻，氣流無脈沖;

　?、?轉速高;

　?、?機內(nèi)不需要潤滑;

　?、?密封效果好，泄露現(xiàn)象少;

　?、?有平坦的性能曲線，操作范圍較廣;

　?、?易于實現(xiàn)自動化和大型化;

　　⑺ 易損件少、維修量少、運轉周期長。

　　離心式壓機的缺點：

　　⑴ 操作的適應性差，氣體的性質對操作性能有較大影響。在機組開車、停車、運行中，負荷變化大;

　?、?氣流速度大，流道內(nèi)的零部件有較大的摩擦損失;

　?、?有喘振現(xiàn)象，對機器的危害極大。

　　(二)無油螺桿式空氣壓縮機原理：

　　如圖3所示，無油螺桿空壓機是容積式空壓機中的一種，空氣的壓縮是靠裝置于機殼內(nèi)互相平行嚙合的陰陽轉子的齒槽之容積變化而達到。轉子在與它精密配合的機殼內(nèi)轉動使轉子齒槽之間的氣體不斷地產(chǎn)生周期性的容積變化而沿著轉子軸線，由吸入側推向排出側,完成吸入、壓縮、排氣三個工作過程。

　　無油螺桿空壓機的優(yōu)點：

　　⑴ 可靠性高。螺桿空壓機零部件少，沒有易損件，因而它運轉可靠，壽命長;

　?、?操作維護方便。螺桿空壓機自動化程度高，操作人員不必經(jīng)過長時間的專業(yè)培訓，可實現(xiàn)無人值守運轉;

　?、?動力平衡好。螺桿空壓機沒有不平衡慣性力，機器可平穩(wěn)地高速工作，可實現(xiàn)無基礎運轉，特別適合作移動式空壓機，體積小、重量輕、占地面積少;

　?、?適應性強。螺桿空壓機具有強制輸氣的特點，容積流量幾乎不受排氣壓力的影響，在寬闊的范圍內(nèi)能保持較高效率，在空壓機結構不作任何改變的情況下，適用于多種工況。

　　無油螺桿空壓機的缺點：

　?、?造價高。由于螺桿空壓機的轉子齒面是一空間曲面，需利用特制的刀具在昂貴的專用設備上進行加工。并且轉子表面需要特殊涂層處理;

　?、?不能適用于高壓場合。由于受到轉子剛度和軸承壽命的限制，螺桿空壓機只能適用于中、低壓范圍，排氣壓力一般不超過3MPa;

　　⑶ 不適用于小排氣量場合。螺桿式空壓機依靠間隙密封氣體，目前一般只有容積流量大于0.2m3/min時，螺桿空壓機才具有優(yōu)越的性能。

　　二、結構對比

　　如圖4所示，離心式空壓機的壓縮過程分兩步完成，分別在轉子及定子兩大組件中完成。轉子及定子兩大組件結構如圖1所示。轉子包括轉軸，固定在軸上的葉輪、軸套、平衡盤、推力盤及聯(lián)軸節(jié)等零部件。定子則有氣缸，定位于缸體上的各種隔板以及軸承等零部件。在轉子與定子之間需要密封氣體之處還設有密封元件。

　　如圖5所示，無油螺桿式空壓機的壓縮過程全部在機頭內(nèi)完成，機頭由機殼和螺桿轉子組成。機殼由轉子冷卻夾套、潤滑油油腔和壓縮腔組成，同時由于機殼的結構復雜、制造精度要求高，通常采用消失模鑄造工藝制造。轉子由一對帶涂層的陰陽螺桿組成，由一套同步齒輪帶動陰陽螺桿的同步轉動，以保持轉子之間很小的間隙。轉子兩側均有空氣密封和油密封，保證轉子的運行可靠。

　　三、性能對比

　　通常，我們用比功率來判斷一臺空壓機的能效等級，空壓機比功率是指在相同排氣壓力下壓縮相同氣體時，評價空壓機性能的一種指標。

　　比功率可以直觀、有效地反映出一臺空壓機的單位能耗。壓縮機比功率越小，說明壓縮機能量利用的效率就越高，單位功耗越低。

　　·比功率 = 輸入功率 ÷ 容積流量

　　·空壓機比功率：比功率是指壓縮機壓縮單位容積流量氣體所消耗的功率

　　·空壓機軸功率：空壓機在額定工況下，壓縮氣體所需的功率

　　·空壓機容積流量：空壓機在額定工況下，單位時間內(nèi)的壓縮的氣體

　　由于離心式空壓機和無油螺桿式空壓機在工作原理和設計標準上存在不同，并且兩者采用的測試方法和標準也不同，最終兩者給出的性能參數(shù)有一定的區(qū)別。如圖6所示，離心式空壓機流量測試標準為ASME PTC-10，其流量參數(shù)為吸入流量，經(jīng)過入口節(jié)流、級間壓縮泄漏和水分離器的損失等，其最終實際的排氣流量和廠家給出的流量參數(shù)相比會有6~10%的損耗。而無油螺桿式空壓機則采用ISO 1217，其流量參數(shù)為實際排氣流量。由此可見，如果使用不同的標準，實際流量和廠家給出的流量參數(shù)存在一定的差別。

　　同時，環(huán)境工況的變化對離心式空壓機的排氣量和軸功率也有較大的影響。入口壓力、入口溫度、相對濕度和空氣密度等變化，均會影響離心式空壓機的排氣量和軸功率。如圖7所示，當環(huán)境溫度發(fā)生變化時，在排氣壓力和其它入口條件保持不變的情況下，其排氣量會隨環(huán)境溫度的上升而下降。所以，離心式空壓機在不同季節(jié)下的排氣量是不同的，僅從不同廠家給出的流量參數(shù)，無法對這兩種不同機型進行有效對比。

　　阿特拉斯·科普柯是現(xiàn)在空壓機業(yè)內(nèi)公認的行業(yè)領導者，是現(xiàn)在所有生產(chǎn)廠家中擁有最全的產(chǎn)品線，也是唯一一家可以同時提供大無油螺桿空壓機(80~100m3/min)和離心式空壓機的廠家。其所有機型的設計標準均按國際通用標準，并且設備優(yōu)異的運行效率和可靠性也獲得了用戶的認可。我們用阿特拉斯·科普柯~80m3/min的無油螺桿空壓機(ZR500-8.6)和離心式空壓機(ZH500-8)在統(tǒng)一標準(排氣壓力8barG，流量均為出口FAD流量)下進行性能對比，可以更加公正、客觀的了解兩種機型的性能。

　　表2為兩種機型在不同的環(huán)境溫度下的性能參數(shù)和效率。正如上文所述，離心式空壓機受環(huán)境條件的影響較大，環(huán)境溫度對離心式空壓機的流量和軸功率均有較大影響，比功率SER變化比較明顯。而無油螺桿空壓機整體性能比較溫度，受環(huán)境條件的影響較小，比功率SER變化較小。從比功率SER的數(shù)值對比來看，兩種機型的效率基本一致，沒有太大的區(qū)別。

　　四、調節(jié)對比

　　能量消耗中約80%的生命循環(huán)要用于壓縮空氣，首先在選型時就應該考慮用氣量和機型的匹配性。雖然考慮到壓縮機類型或制造商，壓縮機的性能存在顯著差異，但在理想的情況下，壓縮機全負荷能力應與空氣消耗精確的匹配。其次，對于用氣量存在波動現(xiàn)象的情況，需要根據(jù)系統(tǒng)的用氣特性選擇合理的調節(jié)方式。通常，現(xiàn)場應用要求壓縮空氣系統(tǒng)壓力保持恒定。根據(jù)壓縮機的類型、可接受的壓力變化、空氣消耗量的變化和可接受的能量損失，現(xiàn)在有很多流量調節(jié)方法。并且很多設備都是可以自我調節(jié)，即上升的壓力使流速變大，結果產(chǎn)生了穩(wěn)定的系統(tǒng)。每種調節(jié)方法對應的調節(jié)效率又不同，這就意味著選型時必須要認真作出選擇，保證系統(tǒng)的調節(jié)效率最佳。

　　由于兩種空壓機的壓縮工作方式不同，導致其調節(jié)特性也不同。如圖八所示，離心式空壓機的壓力/流量曲線與容積式(無油螺桿)空壓機的相應曲線有很大不同。離心式空壓機具有變流量、恒壓力的特性。相反，容積式空壓機則具有恒定流量、可變壓力的特點。容積式空壓機甚至可以在低速時達到較高的壓縮比，離心式空壓機則是為大流量而設計。

　　離心式空壓機的調節(jié)方式通常由進口導葉(IGV)和放空閥(BOV)組成。如圖9所示，一般情況下，當排氣量在70%~100%范圍內(nèi)波動時，僅需通過調節(jié)進口導葉(IGV)的開度就可以滿足氣量波動的調節(jié)，此時機組的效率會有小幅下降。當排氣量小于70%時，為避免機組發(fā)生喘振現(xiàn)象，需要通過放空閥(BOV)將多余的氣體排空進行調節(jié)，此時機組的效率會有大幅下降。由此可見，在小幅范圍內(nèi)波動時，進口導葉(IGV)可以很好的調節(jié)氣量，同時保證離心式空壓機的調節(jié)和效率。

　　無油螺桿空壓機常規(guī)的調節(jié)方式為加/卸載，通過入口進氣閥的開/關調節(jié)空壓機的排氣量。無油螺桿空壓機的控制器會有一組加卸載壓力的設定值，使機組在一定的壓力范圍內(nèi)運行，保證壓縮空氣管網(wǎng)的運行壓力。所以，無油螺桿空壓機的運行壓力會比要求的管網(wǎng)壓力高一些。同時，對于頻繁加卸載的運行工況，無油螺桿空壓機還可以選擇變頻的調節(jié)方式，可以更優(yōu)的調節(jié)管網(wǎng)用氣量，并提高機組的運行效率，這是離心式空壓機所不具備的特性。

　　五、維護對比

　　正如所有的設備一樣，空壓機設備需要一定的保養(yǎng)維修。精心策劃的空壓機維修計劃，不僅可以延長機器的使用壽命，并且修復小故障的成本也會降低，故障停機時間也會縮短。對于不同類型的空壓機，所需的保養(yǎng)要求和技術要求也不同。

　　離心式空壓機是一種高轉速、高精密度、高可靠性的機械，其操作要求比較。不僅操作人員需要經(jīng)過專業(yè)培訓，服務人員必須經(jīng)過專業(yè)培訓才能勝任現(xiàn)場的維修、定檢工作。就客戶而言，其一般性日常保養(yǎng)的工作量比較小，定期的保養(yǎng)和故障維修都只能通過廠家完成。葉輪和轉子發(fā)生故障時，需要返廠修理，費用和時間成本較高。

　　無油螺桿空壓機可靠性高，零部件少，沒有易損件，運轉可靠，壽命長，大修間隔時間長。操作維護方便，操作人員不必長時間專業(yè)訓練，可實現(xiàn)無人值守運轉。定期的更換空濾、油濾、潤滑油這些常規(guī)工作，用戶自己就可以完成。但其機頭屬于商業(yè)機密，不允許、不授權任何人維修、定檢機頭，任何機頭部分的異常就必須退運國外修復或更新、費用和時間成本較高。

　　由表5可見，離心式空壓機的維護點比無油螺桿空壓機要多一些。

　　六、大流量系統(tǒng)優(yōu)化方案

　　由于離心式空壓機在滿負荷的狀態(tài)下，有著效率和穩(wěn)定性高的特點，一般在大流量的系統(tǒng)選型時，離行式空壓機都會是首選。但在實際的生產(chǎn)運行過程中，氣量不會一直保持在設計的理想范圍/滿負荷工況，用氣量會隨著產(chǎn)量的變化發(fā)生大幅波動。此時，全離心機的方案就無法有效、合理的調節(jié)氣量，合理控制生產(chǎn)運行成本和支出;并且在一些波動比較頻繁的工況下，離心機的穩(wěn)定性和可靠性也會受到一定的影響。

　　針對離心空氣壓縮機組在低于額定工況運行時，效率會有下降，且容易進入喘振區(qū)間，新版GB50029《壓縮空氣站設計規(guī)范》中也提出了明確的規(guī)定“離心空氣壓縮機各單機運行時，其容積流量不宜低于額定容積流量的70%”。

　　如圖10所示，由于離心式空壓機的調節(jié)范圍有限，在流量波動較大的系統(tǒng)中，全離心式空壓機的系統(tǒng)需要放空調節(jié)配合，就會存在一定的放空區(qū)間(紅柱范圍)。此時，系統(tǒng)的能耗將遠遠高于設計值。并且，頻繁的調節(jié)可能導致離心式空壓機故障率升高，單機運行效率下降。

　　如圖11所示，對于波動范圍的氣量，可以選用無油螺桿空壓機替代部分離心式空壓機，通過螺桿機優(yōu)良的調節(jié)性能和適應性彌補離心機的缺點。“離心式空壓機+無油螺桿(變頻)空壓機”的組合方案，可以更加合理、有效的調節(jié)氣量，優(yōu)化運行方式，節(jié)省運行成本，使整個系統(tǒng)處于高效、穩(wěn)定的運行狀態(tài)。正如現(xiàn)在流行的混合動力汽車，在既滿足長途駕駛的前提下，又同時保證了汽車的最低能耗。“離心式空壓機+無油螺桿(變頻)空壓機”的組合方案，在負荷波動的情況下可以更優(yōu)化的調節(jié)氣量，目前是大流量系統(tǒng)解決負荷波動的最佳選擇。

　　并且，“離心式空壓機+無油螺桿(變頻)空壓機”的組合方案也是一種成熟、可靠的解決方案，國內(nèi)外已經(jīng)擁有無數(shù)成功案例。如汽車行業(yè)，“離心式空壓機+無油螺桿(變頻)空壓機”的組合方案已經(jīng)在國內(nèi)外廣泛的應用，是大眾、通用、寶馬等工廠的必選方案。深圳某大型知名電子生產(chǎn)企業(yè)，在使用一臺900kW變頻無油螺桿替代一臺原有的離心機后，年節(jié)約電費達500萬人民幣，取得了顯著的節(jié)能效果。其可靠、節(jié)能的應用已經(jīng)獲得廣泛的案例證明。

　　七、結論

　　由上綜述，兩種機型在中小流量范圍內(nèi)的效率差別不大，但各自優(yōu)勢和特點的差別就比較明顯。不能簡單的僅憑效率對比作出區(qū)分或選擇，因為對于整個空壓系統(tǒng)而言，不同行業(yè)、不同工況的用氣需求是不同的。沒有最好的機型，只有合適的機型。在新建或擴建空壓機系統(tǒng)時，只有詳細了解系統(tǒng)的應用和工況特性，并分析使用、維護和投資成本。最后進行綜合考慮，根據(jù)實際的情況進行合理的選擇和方案，才能發(fā)揮出每種機型的特點和優(yōu)勢，實現(xiàn)性能最優(yōu)、調節(jié)最好、穩(wěn)定性最高的空壓系統(tǒng)。

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