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两级压缩对各排气压力及功率的空压机均有大幅

日期:2020/06/11 10:06

  文中结论提炼:

  ❶ 按国标能效标准,某些机型单级压缩几乎“不可能”达到,而只能通过“两级压缩”才有可能达成。

  ❷ 随着机组功率的增加,在目前螺杆空压机设计与制造水平下,某些绝热效率要求在单级压缩空压机中几乎“不可能达到”。

  ❸ 两级压缩中间冷却的空气压缩方式具有明显的能效优势。

  ❹ 2级压缩对各排气压力及机组功率下主机均有大幅改善,相同能效下绝热效率需求降低10%~15%,且效果随着压比提高和机组大型化有增大的趋势。更为重要的是,针对已经很高的绝热效率(如在7bar 和12.5bar 大功率机组中),进一步提高效率难度很大,因此采用两级压缩是提高机组能效的方法。

  ▎引言

  GB 19153-2009 《容积式空气压缩机能效限定值及能效等级》是2009 年12 月1 日起实施的针对容积式空压机的国家标准,该标准对空压机的能效等级、能效限定值、目标能效限定值、节能评价值、试验方法和检验规则进行了具体的规定,对近年来空压机产品的研发和企业的发展方向有指向性的作用。该标准中仅对空压机机组整体的输入功率进行要求,并未对空压机主机、流动损失和换热效果提供指导性建议。同时,其所规定的能效限定值往往无法通过单机压缩达到,需要借由两级压缩完成,但如何判断两级压缩的必要性、级间冷却效果的要求以及两级压比的分配等问题依然没有针对性的理论与实践支持。针对国标中的要求,已有研究进行了相关讨论,如文献[1] 对机械标准中喷油螺杆空压机的能效限定值取值合理性进行了分析,指出部分缺陷;文献[2] 对国标中螺杆空压机机组效率进行了相关分析;文献[3] 对电动机效率对整机的能耗影响进行了分析;文献[4]、[5] 则涉及部分对螺杆压缩机主机实际绝热效率的测试数据。然而,现有研究依然没有提出针对国标能效要求的具体解决方案,即如何达到1 级能效限定值的螺杆空压机设计思路。

  本文针对标准中的能效限定值进行分析,分别对单级压缩和两级压缩机组计算相关的主机绝热效率,并对两级压缩的压比分配和级间冷却效果设计提供可行性的建议,旨在为螺杆空压机产品提供合理的设计指导。

  ▎能效国标限定值概述

  根据国标中的定义,比功率是“在额定工况下,空压机机组的输入功率与空压机实际容积流量之比值,单位为千瓦每立方米[kW/(m3/min)]”,而额定工况根据JB/T6430 所规定的螺杆空压机的标准工况,即:

  吸气压力:0.1 MPa (绝对压力)

  吸气温度:20 ℃

  吸气相对湿度:0%

  国标给出了在4 种不同排气压力下,从2.2 kW到630 kW 功率段螺杆空压机各级能效所需满足的比功率,图1 所示为1 级能效螺杆空压机在不同排气压力与机组功率条件下的比功率限定值。由图1 可以看出,随着排气压力的提高,比功率限定值有明显的提高;而随着机组功率的不断增大,比功率限定值以近乎线性的趋势下降。

  

 

  由此可见,国标能效值对大功率机组有更为苛刻的要求;而由于排气压力的增高必然需求更多的能量消耗,比功率限定值必然会随着压比的增高而增高。

  ▎单级压缩机组主机效率分析上述对国标能效限定值的分析,只能从定性角度看出比功率变化的趋势,无法定量判断其对各个部件的要求,而其中压缩机主机的绝热效率无疑是重要的一项。为了确定达到能效限定值必要的主机效率,需要从比功率中剔除电机效率损耗、传动效率损失、吸气压降损失、排气损失,并与同压比下的绝热压缩过程耗功对比,以百分比的形式确定主机效率。基于常见螺杆空压机的绝热效率经验数据,可以基本判断在一定压比与功率情况下,实现一级能效的可能性。

  3.1 绝热效率计算过程

  3.1.1 电机效率与传动效率的影响

  GB 18613-2012 《中小型三相异步电动机能效限定值及能效等级》中给出了不同转速、不同功率电机各级能效限定值。为提高整体系统效率,此处全部选取1 级能效电机进行计算,并设定4级电机为标准参照。

  对于传动效率,小于45 kW 机组按97%取值,大于或等于55 kW 机组按99%取值。

  3.1.2 吸排气压力损失的影响

  基于对吸排气压力损失的经验数据取值,本文进行如下设定:

  20 kW 以下机型,吸气压力损失600 Pa;20~90 kW 机型,吸气压力损失800 Pa;90 kW 以上机型,吸气压力损失1000 Pa;

  排气压力损失以排气压力的4%计算。

  3.1.3 绝热效率计算

  由压缩机理论,可逆的绝热过程可以如公式(1) 计算绝热压缩功率

  

 

  对于国标限定的螺杆空压机,进气压力为1atm,空气的绝热指数κ=1.4。

  实际压缩过程中,吸排气压力损失将引起空压机压比与工况变化。吸气压损将降低主机进气压力,进而在排气压力确定的情况下增大压缩机压比,消耗更多的轴功率。因此,实际吸气压力需要按标准工况压力减去进气损失引起的压降计算得到。

  同样的,排气压力损失也将引起主机排气压力上升,提高压比,增加功耗,因此在实际排气压力确定中需要考虑4%的排气压力损失,将损失预先扣除来设计主机压比,保证系统出口压力。

  机组理论输入电比功率计算公式:

  

 

  依照如上计算方法,对排气压力分别为7bar、8bar、10bar、12.5bar 的空压机机组进行主机绝热效率计算,进而分析不同排气压力机组绝热效率的需求,以及其随机组功率大小的变化趋势。

  绝热效率计算公式:

  

 

  3.2 结果与分析

  表1列出了1级能效下不同压比与功率空压机机组的绝热效率。

  

 

  图2给出了4种不同压比工况下,1级能效螺杆空压机主机所必须具备的绝热效率。

  

 

  由图中可以看出,各压比机组主机效率随主机功率大小阶梯型上升,与空压机输入功率形成近线性正相关关系。可见在对主机绝热效率的要求上,国标对大功率机组也要更为苛刻。然而,随着机组功率的增加,在目前螺杆空压机设计与制造水平下,某些绝热效率要求在单级压缩空压机中几乎“不可能达到” (如某些绝热效率超过95%的机组),甚至一些中小型机组对主机设计与加工工艺的要求也较难满足,需要从其他角度考虑机组整体效率提升的方法。针对这一问题,可以采用两级压缩中间冷却的方式进行机组设计,从理论上减小主机能耗,提高绝热效率,以求达到相关比功率限定值,提高能效等级。

  ▎两级压缩机组主机效率分析

  两级压缩中间冷却的空气压缩方式具有明显的能效优势。

  其相对一级压缩,能有效降低二级压缩入口温度,降低功耗。同时利用两级压缩低压比、排气温度低等优势,减小泄漏损失,提高容积效率,降低后冷却器及油冷却器压力,都有助于提高系统能效。

  4.1 中间压比的确定在以往的热力学理论及压缩机技术,对于中间压比通常采用“多级均匀分配”的方法,即保证每一级压缩的压比相同。此种分配方法在理论上能够达到低的功耗,提高效率,然而在实际运行过程中存在以下两点不同:

  ①吸气压降与排气压力损失对压比的影响

  由于在压缩机实际工作过程中,必然存在吸、排气压力损失,导致压缩机主机工况与压比与理论设计存在偏差。这不仅增大了其功耗,且在变化工况的情况下,中间压力将产生滑移。②中间冷却效果对中间压力的影响

  在理论分析过程中,往往将中间冷却视为大化效果,即将二级进气温度降至室温,忽略换热器换热温差。但这在实际操作过程中无法达到,这也将很大程度上影响压比分配。

  本文将基于上文提到的吸排气损失以及不完全级间冷却,针对螺杆空压机两级压缩计算压比。

  两级压缩理论总功耗可以通过如下公式计算:

  

  利用式(5)、(6)即可求得两级压缩的中间压力与功耗。考虑到换热温差15℃,此处T1 以20℃、T2 以35 ℃代入计算。

  计算结果表明,各排气压力机组具有近乎相同的1、2 级压比分配比例,即1 级压比与2 级压比之比为1.22。

  4.2 计算结果及分析

  表2 给出了采用2 级压缩的螺杆按上述方法计算得到螺杆空压机主机绝热效率。

  

 

  图3 给出了7bar、8bar、10bar、12.5bar 两级压缩空压机1 级能效主机所需具备的低绝热效率。

  

 

  用2 级压缩设计后的机组主机所需绝热效率大幅减少,均在可达到的范围内。

  4.3 1、2级压缩对比分析

  在螺杆空压机的设计过程中,往往存在一个较难量化的问题,即在何种工况及能效要求下需要用2级压缩代替1级压缩。本文根据以上数据,从主机绝热效率角度,对这两点问题进行探讨,力求提供一定的理论分析基础。

  图4 以7bar 与12.5bar 排气压力为例给出了不同功率单级、两级压缩机组中1 级能效主机所需具有的绝热效率。

  

 

  由图4 可以看出,2 级压缩对各排气压力及机组功率下主机均有大幅改善,相同能效下绝热效率需求降低10%~15%,且效果随着压比提高和机组大型化有增大的趋势。更为重要的是,针对已经很高的绝热效率(如在7bar 和12.5bar 大功率机组中),进一步提高效率难度很大,因此采用两级压缩是提高机组能效的方法。根据国内外关于螺杆空压机性能的实验研究结果,我们不难发现常见主机(7~8bar 排气压力机组中) 绝热效率达到85%已有较大难度。建议在90 kW 以下机组可采用单级压缩,而追求1 级能效的机组则采用2 级压缩,这将有助于提高机组能效,降低成本,提高稳定性。需要说明的是,在上述研究结果下,有两点对计算产生决定性影响的参数需要进行进一步的探讨:中间冷却效果取决于众多因素,如中间冷却器设计结构、流速与换热时间、材料等等,因此针对特定机型中间冷却器的特别设计,结果可能发生改变。另一方面,虽然国标中规定标准进气工况为20℃,然而在较为恶劣的环境温度下进气温度可能高于这个温度,这也将产生很大的影响。

  4.4 中间冷却效果的影响

  表3 给出了从10~20℃换热温差,在20℃进气温度情况下对不同机组计算结果的影响。

  

 

  可以看出,换热温差对绝热效率计算结果的影响较小,保持在1.5%以内,但对中间压力的设计影响较大。这是因为中间冷却效果仅影响第二级压缩,而随着换热温差的增大,二级进气温度提高,能耗增加,需要改变两级压力分配,提高一级压比以优化系统功耗,提高能效。

  因此,当选取不同类型中间冷却结构时,需要根据其效果选择中间压力分配比率。

  4.5 进气温度的影响

  表4 给出了从20℃到40℃进气温度在15K 换热温差下对不同机组计算结果的影响。

  

 

  由表4 可以看出,进气温度的升高对系统功耗有很大的影响,随着进气温度的升高,主机的绝热效率需求提高较大,而中间压力的设定则变化不大。

  ▎结论

  本文通过对国标能效限定值的计算,分析研究喷油螺杆空压机系统主机绝热效率,并对比单级压缩与双级压缩的优劣,得出以下结论:

  ① 从空压机主机绝热效率角度分析,国标对小功率机组要求较低,而对大型机组有很高的要求,甚至某些机型单级压缩需要达到近乎100%的绝热效率才能满足1级能效限定值的要求;② 双级压缩机组的中间压力确定需要考虑吸排气损失与中间冷却效果等的影响,一般采取1.22的1、2级压比比例;③ 采用双级压缩可以将绝热效率要求降低10%~15%,即使低压比大功率机组也可达到1 级能效的要求;建议在90kW 以上1级能效机组采用双级压缩;

  ④ 级间冷却效果对能效的影响较小,但会明显改变中间压力的设计;而进气温度的升高则会明显的提高功耗,降低效率,但中间压力几乎没有变化。