空压机空载功率研究及其对耗能的影响

2022-03-24孙晓明耿茂飞张炯焱王泉超张超萍李金禄姜慧君

流体机械 2022年2期

任芳，孙晓明，骆嘉，耿茂飞，张炯焱，王泉超，张超萍，李金禄，姜慧君

（1.合肥通用机械研究院有限公司，合肥 230031；2.合肥通用机电产品检测院有限公司，合肥 230031；3.宁波鲍斯能源装备股份有限公司，浙江宁波 315504）

0 引言

空气压缩机（以下简称空压机）作为国家确定的重点用能设备，是将电能转换为空气动力的能量转换设备［1-2］，其用电量占全国发电量的9.4%［3］，其能效指标——机组比功率受到特别关注。机组比功率是空压机在额定、满载工作状态下的性能参数，但实际生产时用户对压缩空气的需求是经常变化的，运行过程中有一部分时间，空压机处于空载状态，此时依然消耗电能。因此，机组比功率并不能真实对应空压机的实际生产能效。

欧美各企业较重视空载运行功率对空压机实际生产能效的影响，多年前就开始了此指标的检测及要求。美国压缩空气和压缩气体协会（CAGI）将空载功率作为性能报告项目。美国《空气压缩机节能标准》（Conservation Standards for Air Compressors）附属资料也对空压机负载进行了分析。欧盟依据“欧洲议会第2009/125/EC号建立能源产品生态设计要求指令”，2016年发布了《生态设计要求一般用空气压缩机》（Possible requirements for compressors for standard air applications DRAFT ECODESIGN REGULATION）明确规定，空压机制造商提供的技术文件中须提供空压机空载功率参数。

随着对空压机实际用能的重视和国际交流的深入，空载功率越来越受到国内行业的关注，空压机绿色设计产品标准将会提出对空载功率的指标要求，国内企业必将对空压机产品的空载功率进行研究和改进。

本文提出空载功率比作为评价空压机的空载功率水平的方法，建立空载功率比的热力学研究数学模型，通过理论分析和试验验证研究，确定影响空压机空载功率的重要参数为油气分离器（以下简称油分桶）压力和主机进气压力，并给出要达到空载功率比20%的世界先进水平的参数设置。本文还建立了空载功率比和负载率对用电单耗影响的数学模型，可用于计算用电单耗的量值变化。通过本文的研究，希望能对空载功率的优化设计提供切实可行的方法。

1 空载功率

1.1 空压机实际运行状况

在压缩空气站建设时，按照用户压缩空气最大需求配置空压机。而实际生产中，压缩空气需求是变化的，因此空压机会适应负荷的变化调节生产的气量。工频空压机通常采取启停方式调节生产气量。停止产气方式有2种：（1）空载运行，此时空压机停止产气但保持运转的状态，避免频繁启动对电网的冲击并能够快速恢复产气的热备机方式；（2）停机，空压机停止运行。

图1示出某台喷油螺杆空压机某段时间的实际运行状态，纵坐标为空压机的运行压力（油分桶压力）。空压机负载运行时，压力为0.66～0.68 MPa，空载运行时压力为0.3 MPa。

图1 空压机实际运行Fig.1 Actual operation of air compressor

由图1可见，用户使用空压机时，空压机实际运行过程中包括了满载、加卸载、空载及停机等工况；空压机在空载运行也要消耗电能，实际生产过程的真实能效要差于其理想的持续满载运行时的能效。

1.2 空载功率概况

以目前生产量和使用量最大的喷油螺杆空压机为研究机型。

本文将空压机空载运行、输出压缩空气容积流量为零时机组消耗的全部功率，称为空载功率。空载功率由空载时压缩指示功率以及电机电气、冷却风扇、润滑油扰动、机械传动等其他消耗的功率组成。

空压机空载功率较大，极端情况下甚至会达到满载功率的70%。空压机空载运行时，进气阀关闭，此时若油分桶压力保持满载压力，则空载功率约为满载功率的70%左右。国内空压机产品现阶段虽然普遍降低了空载运行时的油分桶压力，但设定比较保守，空载功率依然较大，总体水平约为满载功率的40%左右。

通过对2018年收集的CAGI报告的统计，多家公司多种型号共85台空压机的数据显示，空载功率与其满载功率的比值最小的为15.7%，最大的为42.2%。按空载功率与其满载功率的比值，对这些数据再进行细分，可知满足各段数据的空压机数量占比见表1。为讨论方便，将空载功率与满载功率之比称为空载功率比，用 δ 表示。

表1 CAGI数据统计Tab.1 CAGI data statistics

查询近年CAGI公布的性能报告，根据不完全统计，大多数产品的空载功率比小于30%，可见国外空压机产品空载功率指标水平提升较快，空载功率的国际先进水平已降至其满载功率的20%及以下，因此国产空压机的空载功率水平相比国际先进水平仍有很大的改进空间。

2 分析研究

空压机空载时，为了维持运转，油分桶必须维持一定的压力以继续给主机供油，此时仍需主机压缩空气，所以存在压缩指示功。空压机在其整个运行过程中，主机压缩指示功占能耗的主要部分，且随运行状态不同变化较大，而其他耗功的变化则相对较小。本文主要对空载时的压缩指示功率与油分桶压力、进气压力关系重点研究。

2.1 空载运行

以单级喷油螺杆空压机为例，其空载运行系统如图2所示，流程为：空压机进气减荷阀关闭进气阀门，油分桶压力下降，压缩空气输出管路保压阀关闭，停止机组向下游供气。此时主机仍保持运行，输出少量压缩空气使油分桶维持一定的压力。该部分压缩空气通过内部循环回到进气口，进气减荷阀阀门微启或开小孔维持少量进气，然后进入主机循环。油分桶内的压力提供润滑油动力，维持其循环，保证主机持续运转，处于热备机状态。

图2 空压机空载运行系统Fig.2 Idle operation system of air compressor

为降低运行能耗、减少空载功率，空压机空载运行一般采取2种方法：（1）设定较低的油分桶压力，降低主机工作压力；（2）进气减荷阀关闭进气阀门，实施进气节流。

2.2 理论分析

空压机压缩指示功率计算公式［4］：

式中 px—— 压缩初始压力（绝压），空压机满载运行时，取px为大气压p0；

Q ——理论容积流量；

n ——多变过程指数；

pp—— 压缩终了压力（绝压），空压机满载运行时，取pp为额定排气压力；空载运行时，取pp为油分桶压力Pk。

空载压缩指示功率PK与满载压缩指示功率PF之比 θ 计算公式：

对于一台具体的空压机，其理论容积流量、满载压缩指示功率均为定值。不同运行工况下的多变过程指数变化较小，影响也很小，为讨论方便，本文视为定值。因此从式（2）可知，θ 值的大小主要受压缩初始压力、油分桶压力影响。

依据式（2），以额定压力0.8 MPa空压机为例，取n=1.15，可计算出不同压缩初始压力、不同油分桶压力下的 θ 值。图 3 示出 θ 随压缩初始压力、油分桶压力变化的趋势。

图3 压缩初始压力、油分桶压力与θ关系曲线（理论计算）Fig.3 Relationship between initial compression pressure，oil-gas separator pressure and θ （theoretical calculation）

由图3可以看出，油分桶压力或压缩初始压力增加，θ 均增加。当油分桶压力为0.4 MPa时，θ 最高可达到27.4%，当油分桶压力降为0.1 MPa时，θ 最大值降为18.8%；当压缩初始压力为16 kPa（绝压）时，θ 为18.8%～27.4%，当压缩初始压力为8 kPa（绝压）时，θ 为 12.6%～17.3%。

需要说明的是，θ的实际值要大于图3中的理论值，这是因为空压机空载运行时，存在较大的过压缩［5］现象，空载压缩指示功率实际值大于理论计算值；按图3计算，油分桶压力与压缩初始压力的比值范围为12.5～250，高于本例空压机的额定压力比为9，但实际压缩腔的压比并不会达到这么大，具体原因见2.3。

2.3 试验数据分析

3台喷油螺杆空压机试验样机参数如下：

机器1#：单级，驱动电动机额定功率22 kW，额定排气压力0.8 MPa，公称容积流量3.3 m3/min；

机器2#：单级，驱动电动机额定功率110 kW，额定排气压力0.8 MPa，公称容积流量18.9 m3/min；

机器3#：单级，驱动电动机额定功率132 kW，额定排气压力0.8 MPa，公称容积流量29.2 m3/min。

图4示出δ随进气压力、油分桶压力变化的趋势。试验时进气压力测点在空压机进气减荷阀门后、进入空压机主机前。（由于试验条件所限，测试数据尚不够全面、理想）

图4 进气压力、油分桶压力与 δ 关系曲线（测试数据）Fig.4 Relationship between inlet pressure，oil-gas separator pressure and δ（test data）

由图4可以看出，油分桶压力、进气压力增加，δ 值均增加。

将图3与4曲线相比较，可以发现2条曲线的变化趋势一致。但同时发现，进气压力变化对δ 的影响比对 θ 的影响小，即曲线较平缓，主要原因是空载运行时压缩初始压力高于进气压力，因为主机压缩腔为负压，通过泄漏进入压缩腔的空气较多；负压产生大量油蒸汽。所以，压缩初始压力没有进气压力变化大。

2.4 分析总结

（1）油分桶压力对空载功率影响是主要因素。由图4可见，额定压力0.8 MPa的空压机样机，当进气压力小于10 kPa（绝压），油分桶压力设定在0.2 MPa时，空载功率比基本小于30%；油分桶压力设定在0.1 MPa时，3台空压机试验时测得的最小空载功率比分别为19.2%，22.6%，20.2%，因试验条件所限，只有机器1#的空载功率比降至了20%以下。分析认为，若对油分桶压力、进气压力做进一步参数调整和系统优化，空载功率比可以降到20%。

（2）进气压力对空载功率影响较小。在相同油分桶压力时，进气压力越大，则空载功率越大。因此，对于相同主机和进气减荷阀的不同空压机，设计时应根据机组转速的变化，重新调节进气减荷阀的节流压力（即调整进气压力），从而优化空载功率比。

（3）其他消耗大会增加空载功率比。表2可知，在相同的油分桶压力下，θ小于δ，其原因为空压机由满载到空载时，电机、冷却风扇、润滑油扰动、机械传动等其他消耗的功变化幅度相对较小，在空载功率中占比加大，因此δ大于θ。以电机损耗为例，查询试验机器2#变频电机的负载特性曲线，空压机满载时电机效率为96.8%，空载时为93.5%～95.3%，电机损耗的变化幅度小于空载指示功变化幅度。

表2 空载压缩指示功率比与空载功率比对照Tab.2 Comparison table of compression indicated power ratio and idle power ratio

（4）空载功率比并非完全与空压机额定压力无关。按式（1）（2），对于排气量相同但额定排气压力不同的空压机，只要空载时的进气压力和油分桶压力相同，其空载功率就相同，则空载功率比就不同，且受额定排气压力影响大。但实际情况并非如此，从CAGI报告的统计数据可看出，不同额定排气压力的空压机的空载功率比水平差异并不大，这是因为与额定排气压力相关的其他因素实际会影响到油分桶压力和进气压力参数值的设定。因此在设计空压机及空载功率时应该考虑多方因素，并经试验验证。

（5）根据理论计算、试验结果分析，认为对于额定压力0.8 MPa空压机，当进气压力小于10 kPa（绝压），油分桶压力小于0.2 MPa时，空载功率比基本可降至30%以下；当进气压力小于10 kPa（绝压），油分桶压力小于0.1 MPa时，空载功率比基本可降至20%，达到国际先进水平。

需要注意的是，降低油分桶压力和主机进气压力参数，可能在空压机组运行、启停时带来问题，如：油润滑不足、启动瞬时压缩空气带出大量润滑油到供气管路等，因此需要综合考虑整个系统而定。

设计喷油回转空压机时，必须对进气阀进气孔径、压缩腔内压、气路布置等诸多因素综合考虑，设定空载时的最小压力阀压力、进气压力参数，并经过试验优化及验证，才能达到最佳空载功率比。

3 空载功率对空压机实际能效影响

对空压机用户而言，生产压缩空气的能效指标为空压机的用电单耗D，即空压机产出单位立方压缩空气所消耗的电能。用电单耗的大小直接决定了空压机的运行成本。

空载功率对空压机用电单耗的影响与空载时间比例，即负载率有关。负载率大时，空载功率对用电单耗影响较小；负载率小时，则空载功率对用电单耗影响较大。下面讨论空载功率比与负载率的大小对空压机实际生产时用电单耗的影响。

空压机实际总耗功计算公式：

式中 WF——负载耗功；

WK——负载耗功；

WCER——加卸载耗功。

空压机负载率η计算公式：

实际用电单耗增加比例计算公式：

空压机实际运行时的耗功分类如图5所示。

图5 空压机实际运行耗功构成Fig.5 Power consumption composition of air compressor in actual operation

由图6可看出，降低空压机空载功率、提高运行负载率，用电单耗就越小，用户使用时就越节能，更能降低实际运行成本。以资料中我国平均负载率约为66%［6-11］计算，若空载功率比由40%降至25%，由图6可得，用电单耗可降低7.7%。以空载功率比为25%计算，若负载率由66%提高为90%，用电单耗可降低10.1%。