常见空气压缩机工作原理及适用场景研究

2022-03-07陆君君LUJunjun王永健WANGYongjian

价值工程 2022年8期

陆君君 LU Jun-jun；王永健 WANG Yong-jian

（杭州辰睿空分设备制造有限公司，杭州 311400）

0 引言

当前经济快速发展，空压机的需求广泛，但其类型不止一种。为防止设备选购失当，要提前对其特性进行了解。本文旨在通过精简的介绍使得相关人员快速了解空压机的工作原理、最适宜工作场景等，以此来节约企业的前期准备时间，少走弯路，减少企业运营成本，提高经济效益。

1 空气压缩机工作原理

1.1 空气压缩机的工艺流程

空气压缩机系统的主要设备有空气过滤器、空气压缩机组、油箱、冷却器等。[1]其工艺流程如图1所示。目前，应用得最为广泛的是离心式压缩机。在该系统中，空气压缩机工作流程如图1。

图1 空压机压缩工艺流程

①因为在空气中存在颗粒、灰尘及其它杂质，这些物质如果进入空压机会将其损坏，所以要先经过过滤器，过滤之后达到清洁度要求，方可进入空压机内部。这样处理之后，在导流管与叶片之间的磨损就不会因异物进入而加剧磨损，水冷器的表面也不会被杂质污染，导热系数也不会被破坏。

在空分装置中，过滤器一般有湿式、干式两类。在实际运行过程中，通常将湿式、干式两种过滤器进行串联之后再使用。这样可明显将过滤效果提升。需要注意的是湿式过滤器在前，干式过滤在再后，效果更好。

②通过过滤器处理的干净空气最后进入空压机，机器的叶轮会高速旋转，叶轮周边空气被它带动，之后气体的速度提升，压力提升。

③经过压缩之后的高压气体之后会进入扩压器，在这里，气体的速率降低，压力升高。在空分系统中所使用的离心压缩机在通常情况下是使用多个叶轮的，经过多个叶轮的逐级压缩，最终将气体压力提高至预定值。

在空气压缩的过程中，不仅仅是提高压力，其温度也随之攀升。这个过程必然会与外界产生热交换，交换的过程中一部分能量会被浪费，那么压缩机的整体工作效率也会被拉低。为解决这个问题，引入水冷器设备。水冷器对于降低气体温度十分有效，对提升空压机的效率很有帮助。在系统工作过程中离不开润滑油的作用，油箱会一致提供。经过多次压缩处理的空气最终会被送入氮气预冷器，在这里经过冷却之后，即可输出到下一设备使用。[2]

1.2 空压机系统参数及工作原理

1.2.1 空气压缩机控制方法

在正常工作时，空压机系统控制部分主要由2部分组成：出口压力的恒流控制或恒压控制、空压机启/停控制。

恒流控制/恒压控制：控制系统在正常工作时，遇到压缩机压力或流量出现波动的情况，进行空压机出口处压力或流量的稳定工作。采取的措施主要由：进出口流量调节、变转速调节。

①进口流量调节是有固定转速的离心压缩机所采用的常用调节方法，该种方式的操作相对简单，调节范围也较广，花费亦不算太大。

②变转速调节有点是调节范围最大，花费最低。它的缺点是不确定性较大，对于要求较高的应用环境并不适用。

在具体的应用环境中，使用恒流控制或恒压控制一定要根据所处的工况来进行选择，选取与工况相匹配的方式。控制的首要目标是入口导叶片的开度，这是无论哪种控制方法都必须遵循的。不同的是，在恒流控制中，空压机出口处压差的大小决定入口导叶片的开度，但在恒压控制中，空压机出口压力决定入口导叶片的开度。在大型的空分系统中，通常会选择恒压控制。

在空压机工作系统的控制部分，除了上述两种主要控制外，还有其他类型的控制，比如空压机正常启动时或发生事故时的保护控制，空压机电机电流过载保护控制，自动加载、卸载的控制等。这些控制的存在，都为机组的正常运行增加了助力。

1.2.2 空气压缩机参数

当前市场上，空压机的主要性能一般是：排气压力、流量、工作效率、工作转速功率等。这些工作参数详情如下：

①流量。容积流量和质量流量是常用的两种流量表示方法。在固定式压缩机中，较多使用容积流量，在移动式压缩机中较多使用质量流量。压缩机的通流能力大小通常用进气容积流量表示，单位为m3/min。在石油、化工、空分等相关行业中，使用的则是容积流量（标准状况下），其单位为m3/h。在不同的应用领域，需要使用不同的压缩机。由于供气量所需大小不同，在实际工作过程中，还要根据工艺的需求来进行适宜的调节。

②转速。该参数的单位为r/min，所指的是空压机中转子旋转速度。空压机的能耗会受到转子转速的很大影响。

③出口压力。通常情况下，出口压力指的是空压机设备的排气压力。在空分系统中，该压力的单位一般为MPa。出口压力是空压机中尤其重要的一个参数。所需排气压力越大，那么对于设备的选择也愈加苛刻，设备中的各零部件都要质量过硬，强度与刚度都要符合一定要求，如此一来，购置成本也会大幅上升。

④功率。该参数的单位为kW，指的是驱动压缩机时，驱动机、轴的功率等。

⑤效率。该参数是指空压机的输出气体有效功率数值跟压缩机轴耗功率数值相比，而得出的数据。

在压缩机的铭牌上，上述这些参数都会明示标出，而且空压机的工作压力、工作温度、相对湿度等相关参数的进气条件以及气体介质等也要标明。空压机的出口处压力是其压力控制部分系统的重要参数，该参数对空压机的效率、工作性能影响十分重大，直接决定空压机出口处压力控制性能的优劣。

1.2.3 空气压缩机工作原理

空压机系统流程在实际生产中一般是二级压缩过程，其压缩指数介于1-1.5之间。多级空压机对空气进行压缩后，从理论上看，其排气温度是非常高的。但在通常情况下，机器的最终排气温度不得超过额定值，即不大于155℃-175℃，所以，在工作过程中，会在各级之间使用冷却器进行降温，等温度降下来之后，气体才可送往下一级进行进一步的压缩。两级之间的出口压力差值决定着压缩温度的高低，该差值与温度成正比，即差值越大，温度越高。温度又影响空压机的容积效率，因此，中间冷却器在空压机系统流程中的应用必不可少。

综上所述，使用多级空压机，从第一级开始，往高级输送的气体被逐级压缩，在两级之间装设冷却装置进行降温，以避免过高温度的气体流向下一层，如此一来，可将机器的运行环境进行改善，可将气体的比容缩小。

如图2所示，将排气、吸气的过程都假设在恒压控制之下，把曲线图分成3部分来进行详细分析。曲线123455’61为第一部分，曲线123456’’1为第二部分，12345’P31为第三部分。第一部分是中间冷却过程，是空压机的二级压缩。第二部分是空压机的单机压缩。第三部分是空压机的定温压缩。

图2 空压机两级压缩原理图

在低压吸气过程中，低压缸进气阀门会打开，此时的气源处于平稳不变的状态，随着活塞的向右运动，气体的体积慢慢变大，在图2中用3-4线段表示低压吸气过程。

在低压气缸压缩气体的过程中，进出阀门都是处于关闭状态的。此时的活塞会向左发生移动，气体的体积随之缩小，其压力随之变大。在图2中用4-5线段表示低压气缸中气体的压缩过程。

在低压气缸向中间冷却器排气过程中，由于低压缸已达到预定压力值，出口阀门则被打开，此时的气压保持不变。气体的体积随着排气动作而慢慢变小，在图2中用5-2线段表示该过程。

气体在压缩冷却设备中的冷却过程用5-5’表示，在该阶段，其压力也是不变的。

将中间冷却器的排气过程与高压缸的吸气过程中间产生的能量损失忽略不计后，两条线重合，在图2中用2-5’表示。[3]

在中间设置有冷却器的情况下，气体在高压气缸中被压缩时，高压缸的进出口阀门处于关闭状态，此时状态与低压缸相近。当活塞向左移动，气体的体积缩小，压力变大，在图2中用5-6’表示。

在中间设置冷却器的情况下，气体从高压气缸被排出时，高压缸的出口阀门处于打开状态，当活塞向左移动，此时压力保持恒定，随着气体被排出，其体积会慢慢变小。

在空气压缩机中使用多级压缩流程，在每级之间使用热交换器等装置进行降温，其优点如下：

①最终排出的气体温度较低。因为使用一级压缩的话，虽然其空压机成本低、结构简单，但自出口排出的气体温度偏高，使用了多级压缩流程后，经过中间冷却的环节，使得最后排出的气体产品温度适宜。

②能量消耗较低。由图2空压机两级压缩原理图可推断出，如果压缩机采用的压缩方式为单级压缩，那么123456’’1曲线所围成的面积即为它消耗的功。如果压缩机采用的压缩方式为两级压缩，中间冷却的方式，那么23452区域、125’61区域的面积之和则为其所消耗的功。等温压缩所耗的功为12345’P31的面积。两者相比，等温压缩所耗的功较小。等温压缩只是一种理想状态，在实际工作中，只要气体被压缩，热量必然会产生。边压缩边控制为恒温的状态很难达到，成本太高并不适用于生产实际。因此，多级压缩，中间冷却的方式为当前生产实际所能达到的最佳方式。

从图2中可得知，空压机级数与中间冷却器数量成正比。经过数次压缩升温之后又冷却的过程，所节省的功亦越多。而且会将压缩过程变为无限趋于定温工作状态压缩。

2 空气压缩机的分类

空气压缩机是一种机械装置，它作为空分装置的关键组成部分，承担着将空气压缩之后输送给别的设备的任务。没有空气压缩机的参与，空分设备无法接受原料空气，没有空气压缩机，制冷装置、降温设备也无法正常使用。[4]

2.1 按使用用途分类

在我国国民经济的诸多领域中，如电力、矿山、化工、制冷等部门，空压机早已被大面积应用。空压机是高压气体制造的核心装备，按用途可分为以下四类：

①便于运输：空压机可将气体压缩，使得气体便于运输，节省成本。经过空压机的处理，气体被压缩为高压气体，体积大大减少，从而能装入便于运输的容器中，大大节约运输空间，十分方便。

②用作传力介质：气体可传递相当巨大的力来做功，所以空压机压缩的空气可用作传力介质，这是气压的传动原理。

③利于化学反应：空压机可为诸多化学反应提供压缩的高压气源作为实验原料。因为其可助于某些化学反应能进行得更好，气体中存在的离子能更好地重组为分子。

④用于空分装备：作为空分装置不可或缺的组成部分，空压机对于空分工作十分重要。在空气中，主要成分是氮气、氧气。其中氧气含量高达20%。在工业制氧中，可利用空分系统对其进行液化分离。

2.2 按设备类型分类

在空分设备中，当前最常见的空压机有三类，分布为活塞式空气压缩机、透平式空气压缩机、螺杆式空气压缩机。

2.2.1 活塞式空压机

活塞式空压机的应用环境为流量不大，但所需压力很高的情况。在制冷行业，活塞式空压机应用广泛。在使用过程中，活塞式空压机的电机运转会在定子中产生交流电，交变电流会产生磁场而带动转子进行旋转。转子、曲轴采取过盈配合的方式。曲轴会在转子转动的带动下也进行运动。这是通过曲轴连杆机构活塞在气缸中便能实现往复运动。在这一系列动作后，气缸的气体也随之被压缩，最终空压机的排气压力增加。

2.2.2 透平式空压机

透平式压缩机的应用环境为流量大，但相对压力要求不高的情况。该类机型在工作中利用的是机械旋转。在叶轮高速旋转过程中，产生离心力，在它作用下，气体从叶轮中心处吸入，之后顺着叶片与叶片中间的通道移动，并最后流向叶轮的边缘处。[5]气体在叶轮边缘的速度在变快，气压力也增大，此时在气体通道中高速流出，之后它进入扩压器通道，处于该位置的气体速度变小，压力变大，此时的动能会转化为压力能。最终扩压器中出来的气体会进入到蜗室输出。[6]

透平式空压机也是一种常见机型，因为性质、运动结构的不同，该机型还细分为轴流式空压机、离心式空压机两类。

①轴流式空压机的流量很大，效率也高，但缺点是易磨损、消耗较大。该机型在工作过程中，叶片高速旋转，此时轴向流入的气体便被导流至导叶中而进行扩压。该机型的工作适用范围不大，因为它的排气压力并不太稳定，难以控制。事实上，在国内一般都较少用到该机型，除非压缩气体消耗大户，否则不会想到安装该类型的空压机。

②离心式空压机所产生的压缩空气质量好，对于市面上绝大部分的大型空分装备都适用，所以该类型的空压机应用最为广泛。它的叶轮进气管、蜗室等部件是重要组成部分。扛起经过引流作用，进入其进气管后会逐渐进入叶轮。叶轮在工作过程中是高速旋转的，旋转产生离心力，气体在离心力作用下被甩出。位于叶轮边缘的气体速度会提升，然后进入蜗壳。在蜗壳内，之前进入的高速气体会转化为高压气体，最终被空压机排出进入下一环节。

2.2.3 螺杆式空压机

螺杆式空压机的应用环境为低压层面。该种类型的空压机流量介于活塞式空压机与透平式空压机之间。螺杆式空压机本质上是一种容积式的空气压缩机，主要组成部分有：机体、一对同步齿轮、主动转子以及从动转子（可互相啮合）。在实际运行过程中，啮合齿轮在持续运转，空气也在持续被压缩，被排出，整个过程不中断、是连贯的，因此最终产出的压缩气体也是连贯的。