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　　中小流量無油空氣壓縮機(jī)選型分析

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

　　近年來，國內(nèi)無油空氣壓縮機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛，其無油的空氣品質(zhì)、簡單的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和便捷的維護(hù)保養(yǎng)，獲得了用戶的一致認(rèn)可。目前，市場上的無油空氣壓縮機(jī)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(jī)都有自己獨(dú)特的特點(diǎn)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(jī)型。但在實(shí)際選型過程中，當(dāng)遇到過渡區(qū)的機(jī)型選擇時(shí)我們會(huì)有疑惑，不知道選取哪一款更合適。其中，實(shí)際遇到最多、最難區(qū)分的應(yīng)該就是在中小流量范圍(80~100m3/min)時(shí)的選型，兩款機(jī)型各有優(yōu)勢，用戶經(jīng)常會(huì)猶豫選螺桿機(jī)還是離心機(jī)。

　　一、機(jī)型簡介

　　(一)離心式空氣壓縮機(jī)原理：

　　如圖2所示，離心式空壓機(jī)是由葉輪帶動(dòng)氣體做高速旋轉(zhuǎn)，使氣體產(chǎn)生離心力，由氣體在葉輪里的擴(kuò)壓流動(dòng)，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(jī)屬于速度式壓縮機(jī)，在用氣負(fù)荷穩(wěn)定時(shí)，離心式空氣壓縮機(jī)工作穩(wěn)定、可靠。

　　離心式壓機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：

　　⑴ 排氣量大，排氣均勻，氣流無脈沖;

　?、?轉(zhuǎn)速高;

　?、?機(jī)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和大型化;

　?、?易損件少、維修量少、運(yùn)轉(zhuǎn)周期長。

　　離心式壓機(jī)的缺點(diǎn)：

　?、?操作的適應(yīng)性差，氣體的性質(zhì)對(duì)操作性能有較大影響。在機(jī)組開車、停車、運(yùn)行中，負(fù)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;

　　⑶ 有喘振現(xiàn)象，對(duì)機(jī)器的危害極大。

　　(二)無油螺桿式空氣壓縮機(jī)原理：

　　如圖3所示，無油螺桿空壓機(jī)是容積式空壓機(jī)中的一種，空氣的壓縮是靠裝置于機(jī)殼內(nèi)互相平行嚙合的陰陽轉(zhuǎn)子的齒槽之容積變化而達(dá)到。轉(zhuǎn)子在與它精密配合的機(jī)殼內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)使轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子軸線，由吸入側(cè)推向排出側(cè),完成吸入、壓縮、排氣三個(gè)工作過程。

　　無油螺桿空壓機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：

　?、?可靠性高。螺桿空壓機(jī)零部件少，沒有易損件，因而它運(yùn)轉(zhuǎn)可靠，壽命長;

　?、?操作維護(hù)方便。螺桿空壓機(jī)自動(dòng)化程度高，操作人員不必經(jīng)過長時(shí)間的專業(yè)培訓(xùn)，可實(shí)現(xiàn)無人值守運(yùn)轉(zhuǎn);

　?、?動(dòng)力平衡好。螺桿空壓機(jī)沒有不平衡慣性力，機(jī)器可平穩(wěn)地高速工作，可實(shí)現(xiàn)無基礎(chǔ)運(yùn)轉(zhuǎn)，特別適合作移動(dòng)式空壓機(jī)，體積小、重量輕、占地面積少;

　?、?適應(yīng)性強(qiáng)。螺桿空壓機(jī)具有強(qiáng)制輸氣的特點(diǎn)，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(jī)結(jié)構(gòu)不作任何改變的情況下，適用于多種工況。

　　無油螺桿空壓機(jī)的缺點(diǎn)：

　　⑴ 造價(jià)高。由于螺桿空壓機(jī)的轉(zhuǎn)子齒面是一空間曲面，需利用特制的刀具在昂貴的專用設(shè)備上進(jìn)行加工。并且轉(zhuǎn)子表面需要特殊涂層處理;

　　⑵ 不能適用于高壓場合。由于受到轉(zhuǎn)子剛度和軸承壽命的限制，螺桿空壓機(jī)只能適用于中、低壓范圍，排氣壓力一般不超過3MPa;

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

　　二、結(jié)構(gòu)對(duì)比

　　如圖4所示，離心式空壓機(jī)的壓縮過程分兩步完成，分別在轉(zhuǎn)子及定子兩大組件中完成。轉(zhuǎn)子及定子兩大組件結(jié)構(gòu)如圖1所示。轉(zhuǎn)子包括轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子與定子之間需要密封氣體之處還設(shè)有密封元件。

　　如圖5所示，無油螺桿式空壓機(jī)的壓縮過程全部在機(jī)頭內(nèi)完成，機(jī)頭由機(jī)殼和螺桿轉(zhuǎn)子組成。機(jī)殼由轉(zhuǎn)子冷卻夾套、潤滑油油腔和壓縮腔組成，同時(shí)由于機(jī)殼的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造精度要求高，通常采用消失模鑄造工藝制造。轉(zhuǎn)子由一對(duì)帶涂層的陰陽螺桿組成，由一套同步齒輪帶動(dòng)陰陽螺桿的同步轉(zhuǎn)動(dòng)，以保持轉(zhuǎn)子之間很小的間隙。轉(zhuǎn)子兩側(cè)均有空氣密封和油密封，保證轉(zhuǎn)子的運(yùn)行可靠。

　　三、性能對(duì)比

　　通常，我們用比功率來判斷一臺(tái)空壓機(jī)的能效等級(jí)，空壓機(jī)比功率是指在相同排氣壓力下壓縮相同氣體時(shí)，評(píng)價(jià)空壓機(jī)性能的一種指標(biāo)。

　　比功率可以直觀、有效地反映出一臺(tái)空壓機(jī)的單位能耗。壓縮機(jī)比功率越小，說明壓縮機(jī)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(jī)比功率：比功率是指壓縮機(jī)壓縮單位容積流量氣體所消耗的功率

　　·空壓機(jī)軸功率：空壓機(jī)在額定工況下，壓縮氣體所需的功率

　　·空壓機(jī)容積流量：空壓機(jī)在額定工況下，單位時(shí)間內(nèi)的壓縮的氣體

　　由于離心式空壓機(jī)和無油螺桿式空壓機(jī)在工作原理和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)上存在不同，并且兩者采用的測試方法和標(biāo)準(zhǔn)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(jī)流量測試標(biāo)準(zhǔn)為ASME PTC-10，其流量參數(shù)為吸入流量，經(jīng)過入口節(jié)流、級(jí)間壓縮泄漏和水分離器的損失等，其最終實(shí)際的排氣流量和廠家給出的流量參數(shù)相比會(huì)有6~10%的損耗。而無油螺桿式空壓機(jī)則采用ISO 1217，其流量參數(shù)為實(shí)際排氣流量。由此可見，如果使用不同的標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際流量和廠家給出的流量參數(shù)存在一定的差別。

　　同時(shí)，環(huán)境工況的變化對(duì)離心式空壓機(jī)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(duì)濕度和空氣密度等變化，均會(huì)影響離心式空壓機(jī)的排氣量和軸功率。如圖7所示，當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，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(huì)隨環(huán)境溫度的上升而下降。所以，離心式空壓機(jī)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(duì)這兩種不同機(jī)型進(jìn)行有效對(duì)比。

　　阿特拉斯·科普柯是現(xiàn)在空壓機(jī)業(yè)內(nèi)公認(rèn)的行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)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(shí)提供大無油螺桿空壓機(jī)(80~100m3/min)和離心式空壓機(jī)的廠家。其所有機(jī)型的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)均按國際通用標(biāo)準(zhǔn)，并且設(shè)備優(yōu)異的運(yùn)行效率和可靠性也獲得了用戶的認(rèn)可。我們用阿特拉斯·科普柯~80m3/min的無油螺桿空壓機(jī)(ZR500-8.6)和離心式空壓機(jī)(ZH500-8)在統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)(排氣壓力8barG，流量均為出口FAD流量)下進(jìn)行性能對(duì)比，可以更加公正、客觀的了解兩種機(jī)型的性能。

　　表2為兩種機(jī)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(jī)受環(huán)境條件的影響較大，環(huán)境溫度對(duì)離心式空壓機(jī)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(jī)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(duì)比來看，兩種機(jī)型的效率基本一致，沒有太大的區(qū)別。

　　四、調(diào)節(jié)對(duì)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(shí)就應(yīng)該考慮用氣量和機(jī)型的匹配性。雖然考慮到壓縮機(jī)類型或制造商，壓縮機(jī)的性能存在顯著差異，但在理想的情況下，壓縮機(jī)全負(fù)荷能力應(yīng)與空氣消耗精確的匹配。其次，對(duì)于用氣量存在波動(dòng)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(diào)節(jié)方式。通常，現(xiàn)場應(yīng)用要求壓縮空氣系統(tǒng)壓力保持恒定。根據(jù)壓縮機(jī)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(diào)節(jié)方法。并且很多設(shè)備都是可以自我調(diào)節(jié)，即上升的壓力使流速變大，結(jié)果產(chǎn)生了穩(wěn)定的系統(tǒng)。每種調(diào)節(jié)方法對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)效率又不同，這就意味著選型時(shí)必須要認(rèn)真作出選擇，保證系統(tǒng)的調(diào)節(jié)效率最佳。

　　由于兩種空壓機(jī)的壓縮工作方式不同，導(dǎo)致其調(diào)節(jié)特性也不同。如圖八所示，離心式空壓機(jī)的壓力/流量曲線與容積式(無油螺桿)空壓機(jī)的相應(yīng)曲線有很大不同。離心式空壓機(jī)具有變流量、恒壓力的特性。相反，容積式空壓機(jī)則具有恒定流量、可變壓力的特點(diǎn)。容積式空壓機(jī)甚至可以在低速時(shí)達(dá)到較高的壓縮比，離心式空壓機(jī)則是為大流量而設(shè)計(jì)。

　　離心式空壓機(jī)的調(diào)節(jié)方式通常由進(jìn)口導(dǎo)葉(IGV)和放空閥(BOV)組成。如圖9所示，一般情況下，當(dāng)排氣量在70%~100%范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，僅需通過調(diào)節(jié)進(jìn)口導(dǎo)葉(IGV)的開度就可以滿足氣量波動(dòng)的調(diào)節(jié)，此時(shí)機(jī)組的效率會(huì)有小幅下降。當(dāng)排氣量小于70%時(shí)，為避免機(jī)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(jìn)行調(diào)節(jié)，此時(shí)機(jī)組的效率會(huì)有大幅下降。由此可見，在小幅范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，進(jìn)口導(dǎo)葉(IGV)可以很好的調(diào)節(jié)氣量，同時(shí)保證離心式空壓機(jī)的調(diào)節(jié)和效率。

　　無油螺桿空壓機(jī)常規(guī)的調(diào)節(jié)方式為加/卸載，通過入口進(jìn)氣閥的開/關(guān)調(diào)節(jié)空壓機(jī)的排氣量。無油螺桿空壓機(jī)的控制器會(huì)有一組加卸載壓力的設(shè)定值，使機(jī)組在一定的壓力范圍內(nèi)運(yùn)行，保證壓縮空氣管網(wǎng)的運(yùn)行壓力。所以，無油螺桿空壓機(jī)的運(yùn)行壓力會(huì)比要求的管網(wǎng)壓力高一些。同時(shí)，對(duì)于頻繁加卸載的運(yùn)行工況，無油螺桿空壓機(jī)還可以選擇變頻的調(diào)節(jié)方式，可以更優(yōu)的調(diào)節(jié)管網(wǎng)用氣量，并提高機(jī)組的運(yùn)行效率，這是離心式空壓機(jī)所不具備的特性。

　　五、維護(hù)對(duì)比

　　正如所有的設(shè)備一樣，空壓機(jī)設(shè)備需要一定的保養(yǎng)維修。精心策劃的空壓機(jī)維修計(jì)劃，不僅可以延長機(jī)器的使用壽命，并且修復(fù)小故障的成本也會(huì)降低，故障停機(jī)時(shí)間也會(huì)縮短。對(duì)于不同類型的空壓機(jī)，所需的保養(yǎng)要求和技術(shù)要求也不同。

　　離心式空壓機(jī)是一種高轉(zhuǎn)速、高精密度、高可靠性的機(jī)械，其操作要求比較。不僅操作人員需要經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)，服務(wù)人員必須經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)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(zhuǎn)子發(fā)生故障時(shí)，需要返廠修理，費(fèi)用和時(shí)間成本較高。

　　無油螺桿空壓機(jī)可靠性高，零部件少，沒有易損件，運(yùn)轉(zhuǎn)可靠，壽命長，大修間隔時(shí)間長。操作維護(hù)方便，操作人員不必長時(shí)間專業(yè)訓(xùn)練，可實(shí)現(xiàn)無人值守運(yùn)轉(zhuǎn)。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(jī)頭屬于商業(yè)機(jī)密，不允許、不授權(quán)任何人維修、定檢機(jī)頭，任何機(jī)頭部分的異常就必須退運(yùn)國外修復(fù)或更新、費(fèi)用和時(shí)間成本較高。

　　由表5可見，離心式空壓機(jī)的維護(hù)點(diǎn)比無油螺桿空壓機(jī)要多一些。

　　六、大流量系統(tǒng)優(yōu)化方案

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

　　針對(duì)離心空氣壓縮機(jī)組在低于額定工況運(yùn)行時(shí)，效率會(huì)有下降，且容易進(jìn)入喘振區(qū)間，新版GB50029《壓縮空氣站設(shè)計(jì)規(guī)范》中也提出了明確的規(guī)定“離心空氣壓縮機(jī)各單機(jī)運(yùn)行時(shí)，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(jī)的調(diào)節(jié)范圍有限，在流量波動(dòng)較大的系統(tǒng)中，全離心式空壓機(jī)的系統(tǒng)需要放空調(diào)節(jié)配合，就會(huì)存在一定的放空區(qū)間(紅柱范圍)。此時(shí)，系統(tǒng)的能耗將遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)值。并且，頻繁的調(diào)節(jié)可能導(dǎo)致離心式空壓機(jī)故障率升高，單機(jī)運(yùn)行效率下降。

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

　　并且，“離心式空壓機(jī)+無油螺桿(變頻)空壓機(jī)”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(jī)+無油螺桿(變頻)空壓機(jī)”的組合方案已經(jīng)在國內(nèi)外廣泛的應(yīng)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(tái)900kW變頻無油螺桿替代一臺(tái)原有的離心機(jī)后，年節(jié)約電費(fèi)達(dá)500萬人民幣，取得了顯著的節(jié)能效果。其可靠、節(jié)能的應(yīng)用已經(jīng)獲得廣泛的案例證明。

　　七、結(jié)論

　　由上綜述，兩種機(jī)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(diǎn)的差別就比較明顯。不能簡單的僅憑效率對(duì)比作出區(qū)分或選擇，因?yàn)閷?duì)于整個(gè)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(jī)型，只有合適的機(jī)型。在新建或擴(kuò)建空壓機(jī)系統(tǒng)時(shí)，只有詳細(xì)了解系統(tǒng)的應(yīng)用和工況特性，并分析使用、維護(hù)和投資成本。最后進(jìn)行綜合考慮，根據(jù)實(shí)際的情況進(jìn)行合理的選擇和方案，才能發(fā)揮出每種機(jī)型的特點(diǎn)和優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)性能最優(yōu)、調(diào)節(jié)最好、穩(wěn)定性最高的空壓系統(tǒng)。