关于气源系统中空气压缩机组选型方案的分析

裴一哲，王云龙，刘翔宇

（中国航空规划设计研究总院有限公司，北京 100120）

对于航空发动机或燃气轮机三大部件，除压气机外，在燃烧室和涡轮（透平）的各项试验中，均需要使用一路或者多路压缩空气用于给试验件提供模化或真实的工作环境，获得试验件内部的气动热力特性，验证部件性能是否满足设计需求。压缩空气的供应能力是衡量场所试验能力的一个较为直观的标尺。随着我国航空发动机及燃气轮机两大行业的蓬勃发展，各场所对航空发动机及燃气轮机的试验能力提出了日益严苛的需求，究其根本，便是对气源系统的供气能力提出了大流量、高压力、高温度的需求。

然而，为了供应大流量、高压力的压缩空气，气源系统需要消耗大量的能源，原因主要为以下两个方面：（1）由于压缩机单级的压比低，将大流量的空气压缩至高压需要进行多级压缩，则耗电量大，为兆瓦级别，同时需要消耗大量的循环水冷却压缩机组和级间的压缩空气。（2）受压缩机性能曲线限制，单机流量调节范围约为设计点流量的70%～100%，多机组流量调节范围由并联情况确定，难以满足不同试验器在不同工况下对压缩空气流量的需求。若某个试验工况点处于多机组流量调节范围外，出现压缩空气流量的供需不匹配，则只能通过大流量放气方式匹配用气需求，导致大量能源浪费。因此，在气源系统各型空气压缩机组选型（设计点压力及流量）时，应着重考虑降低气源系统在各试验工况用气需求下的能源消耗。

需要说明的是，压缩空气温度调节的实现方式是在空压机组再行串联后冷器或空气加热器实现，温度调节精度约为±5℃，基本上可以认为是无极调节，同时，加热器内压缩空气压力损失较小，基本不存在能源浪费的情况。因此，本文不对后冷器或空气加热器的选型进行分析，仅针对压缩机组的选型原则进行分析。

1 气源系统压缩机组选型原则

气源系统中空气压缩机组的选型应根据各试验器所需压缩空气压力和流量的范围确定，通过串联或并联不同空压机组的来满足各试验器压缩空气的压力与流量需求。在保证气源系统实用性及可扩展性的基础上，应着重考虑气源系统整体能源消耗，尽可能通过优化空压机组配置实现降低能源消耗。空压机组选型的原则主要可以总结为如下几项：

（1）根据各试验器各工况点的所需压缩空气的压力，空压机组工作压力的选取应保证在大部分工况点下的减压压降尽可能低，并可根据需要分别设置低压压缩机组及增压压缩机组对空气进行二级压缩。

（2）根据各试验器各工况点的所需压缩空气的流量，空压机组工作流量的选取应保证在大部分工况点下的放气流量尽可能小，并可根据实际情况分别设置大流量主流压缩机组以及小流量次流压缩机组。

（3）试验器主流、次流管路分开设置，通过不同的空压机组供应主流次流供气，有利于快速调节所需压缩空气的流量及压力，避免主流次流之间相互影响。

（4）应尽量考虑选择相同规格的空压机组，增强气源系统通用性，降低机组采购成本，同时便于后期维护保养。同规格空压机组数量一般应在3～5台为宜。

（5）由于试验器需求的不确定性，可考虑在供气能力方面预留一定的裕度。

（6）空压机组选型应尽可能保证不同用气工况下压缩机组设备利用率高，减少气源系统设备的占地面积。

2 气源系统压缩机组选型分析案例

现以某燃气轮机试验园区内5台试验器在不同工况下的压缩空气用气需求为例，阐述气源系统中空气压缩机组选型方案的确定。对于每台试验器的所有压缩空气需求点，在每次试验中需求能够从最小工况连续变化到最大工况。图1为各试验台在不同工况点下所需压缩空气的流量及压力分布情况。

图1 各试验器用气工况点压力流量分布

根据图1中各试验器各工况点压缩空气需求的分布情况，可将该园区内试验器的用气需求分为4类，具体如表1所示。

表1 各试验台压缩空气需求分类

（1）空压机组压力等级的确定。根据各试验器用气工况点压力流量的分布，空压机的压力等级确定为1.0MPa低压机组和1.0～4.0MPa增压机组。试验器用气压力小于1MPa时仅低压机组运行，避免由于不必要的增压导致的能耗增加。试验器用气压力大于1MPa时低压机组合增压机组串联运行，可满足最高4MPa的压缩空气需求。

（2）空压机组主流次流机组的确定。考虑到0～25kg/s流量范围内用气点较为密集，将该流量区间划分为次流，试验器E两路压缩空气同时使用时为次流最大公工况，考虑使用3台12kg/s的1.0MPa低压机组并串联3台12kg/s的1.0～4.0MPa增压机组提供次流范围内的压缩空气用气需求。

低压1.0MPa压缩空气用气最大流量在试验器D两路压缩空气同时使用时取到，共计约134kg/s。为提高设备利用率，在现有3台12kg/s的次流低压机组基础上，主流低压机组仍需要提供流量不小于100kg/s的压缩空气，设置4台25kg/s的1.0MPa低压机组。考虑到需要约75kg/s的主流高压压缩空气，设置3台25kg/s的1.0～4.0MPa增压机组，串联在3台低压机组后运行。

综上所述，气源系统压缩机组选型为3台12kg/s 1.0MPa低压机组、3台12kg/s 1.0～4.0MPa增压机组、4台25kg/s 1.0MPa低压机组与3台25kg/s 1.0～4.0MPa增压机组，共计13台空压机。不同流量和压力的空压机通过串并联后向各试验器供气。

3 结语

本文在通过建立试验器各工况用气压力及流量的分布情况，选取放气量和压缩机组利用率作为衡量气源系统机组选型在能源消耗以及投资方面是否经济的依据，对比不同的空压机组选型方案，具有一定的指导意义。下一步工作可进一步梳理各试验器的使用频率及使用时长，将长时间和高频次运行的试验器设计在多机组调节范围内，进一步降低气源系统运行的能源消耗，提高经济性。

表2 各试验器供气策略