空氣狀態(tài)對(duì)空氣壓縮機(jī)能耗影響分析

馮一波 馬強(qiáng) 王雷 王建海 林日億

（1.中國(guó)石化西北油田分公司石油工程技術(shù)研究院；2.中國(guó)石油大學(xué)（華東）儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院）

引言

壓縮機(jī)以其種類多樣、用途廣泛被稱為“通用機(jī)械”，廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金以及國(guó)防工業(yè)中，如何高效運(yùn)行空氣壓縮機(jī)是研究者共同的目標(biāo)；為此，國(guó)內(nèi)外很多專家學(xué)者對(duì)此進(jìn)行研究。Apera等[1]通過(guò)檢測(cè)、分析變速壓縮機(jī)電流頻率并對(duì)其有效能、能量消耗以及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評(píng)價(jià)及優(yōu)化，進(jìn)而確定了壓縮機(jī)最佳工況。Faezaneh-Gord等[2]，根據(jù)能量守恒方程、理想氣體狀態(tài)方程及熱力學(xué)第一定律建立了數(shù)學(xué)模型，對(duì)往復(fù)式壓縮機(jī)的性能進(jìn)行了研究并優(yōu)化了設(shè)計(jì)參數(shù)。Castaing等[3]通過(guò)往復(fù)式壓縮機(jī)的容積、等熵及實(shí)際效率建立分析模型，指出容積效率受相對(duì)余隙的影響較大，而等熵效率和實(shí)際效率主要受壓縮機(jī)機(jī)械摩擦的影響。Choe和Kim等[4]采用描述函數(shù)法分析了直線壓縮機(jī)氣體受力的非線性特性，并對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程中可能出現(xiàn)的跳躍現(xiàn)象進(jìn)行了分析。劉錄、趙杰等[5-6]利用ANSYS軟件模擬并改進(jìn)了往復(fù)式壓縮機(jī)的振動(dòng)問(wèn)題，使其振幅減小76.8%，減幅效果良好，為振動(dòng)問(wèn)題的解決提供了依據(jù)。郭丹等[7]對(duì)CNG站壓縮機(jī)氣缸直徑進(jìn)行了改造，使壓縮機(jī)改造后生產(chǎn)能力較之前增加了42%，節(jié)能率高達(dá)31.5%。

從調(diào)研來(lái)看，大多研究者只針對(duì)空氣壓縮機(jī)自身設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，并沒(méi)考慮外界環(huán)境對(duì)空氣壓縮機(jī)效率的影響。因此，基于熱力學(xué)第一定律，建立了空氣壓縮機(jī)能耗模型，研究空氣濕度及溫度對(duì)空氣壓縮機(jī)能耗的影響，旨在探究外界因素對(duì)空氣壓縮機(jī)能耗的影響程度。

1 空氣壓縮機(jī)能耗模型建立

為分析干、濕空氣對(duì)空氣壓縮機(jī)能耗的影響，假設(shè)[8]：

◇空氣壓縮機(jī)壓縮前后沒(méi)有相態(tài)的改變；

◇壓縮過(guò)程極短；

◇空氣壓縮機(jī)在壓縮過(guò)程中不與外界換熱，絕熱壓縮。

基于以上假設(shè)，空氣壓縮機(jī)壓縮空氣時(shí)可視為壓縮理想氣體。若干、濕空氣具有相同的初始狀態(tài)，并且在相同大氣壓、增壓比不變的情況下，有理想氣體狀態(tài)方程[9]，即

式中：P為空氣的進(jìn)口壓力，MPa；vs、va分別為濕空氣和干空氣的比容，m3/kg；Rs、Ra分別為濕空氣和干空氣的氣體常數(shù)，J/(kg?K)；T為干、濕空氣的進(jìn)口溫度，K。

2 能耗計(jì)算

絕熱體系不與外界發(fā)生能量交換。按理想氣體且依定值熱容考慮，可得過(guò)程功

式中：w為過(guò)程功，kJ/kg；k為絕熱指數(shù)，空氣絕熱指數(shù)為1.4；Rg為氣體常數(shù)，J/(kg·K)；T1為空氣壓縮機(jī)進(jìn)口溫度，K；p1、p2分別為空氣壓縮機(jī)進(jìn)、出口壓力，Pa。

又由于理想氣體技術(shù)功是過(guò)程功的k倍，因此技術(shù)功為

空氣壓縮機(jī)能耗功率為

式中：Qm為壓縮氣體的質(zhì)量流量，kg/h。

當(dāng)空氣初、終狀態(tài)溫度的變化范圍在大氣溫度到600 K之間時(shí)，則

式中：v1、v2分別為空氣壓縮機(jī)進(jìn)、出口比容，m3/kg；T2為空氣壓縮機(jī)出口溫度，K。

由于濕空氣的含濕量不同，因此濕空氣的比體積為

式中：v為濕空氣的比體積，m3/kg；d為濕蒸汽的含濕量，kg（水蒸氣）/kg（干空氣）；Rg,s為濕空氣的氣體常數(shù)，J/(kg?K)。

3 實(shí)例分析

3.1 空氣濕度對(duì)空氣壓縮機(jī)能耗影響

基于壓縮前后無(wú)相態(tài)變化，壓縮過(guò)程極短等假設(shè)，此時(shí)干、濕空氣可認(rèn)為是理想氣體。當(dāng)初始溫度、壓力相同時(shí)，濕空氣氣體常數(shù)較干空氣大，因此濕空氣的比熱容較干空氣小。此時(shí)，初始狀態(tài)相同，相等質(zhì)量和壓縮比的干濕狀態(tài)，絕熱壓縮過(guò)程如圖1所示。

由圖1可知，在既定的條件下，濕空氣比干空氣多耗Δw的功。干、濕空氣單位耗功計(jì)算見(jiàn)公式（4）。

在實(shí)際工程中，空氣壓縮機(jī)大多直接吸入大氣中的空氣很少做除濕前處理；因此，空氣壓縮機(jī)吸入的空氣為濕空氣。現(xiàn)以塔河油田某空氣壓縮機(jī)為例，比較空氣壓縮機(jī)吸氣前除濕和不除濕兩種狀態(tài)下單位能耗。根據(jù)文獻(xiàn)[10]方法計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1?？諝鈮嚎s機(jī)流量Q=2298 m3/h，大氣壓力Pd=0.1 MPa，大氣溫度t=29℃，空氣含濕量d=60%，空氣壓縮機(jī)壓縮比P2/P1=8.3。

圖1 等容量干、濕空氣P-v圖

表1 干、濕空氣對(duì)空氣壓縮機(jī)能耗影響

由表1可知，相同條件下濕空氣（相對(duì)濕度為60%）比干空氣每小時(shí)多耗能1.23 kWh。每天按24 h運(yùn)行，1年假設(shè)運(yùn)行300天，可知干空氣比濕空氣（相對(duì)濕度60%）每年少耗能15 225 kWh，比濕空氣（相對(duì)濕度70%）每年少耗能25 995 kWh，比濕空氣（相對(duì)濕度90%）每年少耗能15 551 kWh，節(jié)能效果非常明顯。

通過(guò)進(jìn)一步分析可知，空氣的濕度進(jìn)一步增大，空氣壓縮機(jī)的單位能耗也將進(jìn)一步增大。但從圖2可以看出∶相對(duì)濕度在10%～50%之間，能耗隨相對(duì)濕度增大幾乎呈線性關(guān)系，增長(zhǎng)速率較為均勻；相對(duì)濕度在50%～60%之間，能耗隨相對(duì)濕度的增大驟然增大；在相對(duì)濕度大于60%時(shí)，隨著相對(duì)濕度的增大，能耗變化趨勢(shì)有所變緩。

圖2 空氣濕度對(duì)能耗影響

3.2 進(jìn)口溫度對(duì)空氣壓縮機(jī)能耗影響

在出口溫度及壓力不變的情況下，即增壓比以及出口溫度不變時(shí)，-40℃較40℃每小時(shí)多耗能高達(dá)66.49 kWh，通過(guò)對(duì)比可以看出進(jìn)口溫度對(duì)空氣壓縮機(jī)的能耗影響更加明顯（表2）。

表2 不同進(jìn)口溫度對(duì)空氣壓縮機(jī)能耗影響

當(dāng)空氣壓縮機(jī)的出口溫度不變以及壓縮比不變的情況下，空氣壓縮機(jī)的能耗隨進(jìn)口溫度的增加急劇減小，幾乎呈線性狀態(tài)（圖3）。由此可以得出結(jié)論，提高空氣壓縮機(jī)的進(jìn)口溫度有利于空氣壓縮機(jī)的節(jié)能運(yùn)行。

圖3 進(jìn)口溫度對(duì)空氣壓縮機(jī)能耗影響

4 結(jié)論

1）空氣壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)，在相同條件下干空氣較濕空氣節(jié)能；在出口溫度以及增壓比不變的情況下，提高空氣壓縮機(jī)的進(jìn)口溫度有利于空氣壓縮機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。因此，建議在空氣壓縮機(jī)進(jìn)口處加裝空氣干燥裝置以及空氣預(yù)熱裝置，以降低空氣的相對(duì)濕度提高進(jìn)口溫度保證空氣壓縮機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

2）由以上分析可知，空氣壓縮機(jī)實(shí)際運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性不僅和自身設(shè)計(jì)密切相關(guān)，還和大氣的相對(duì)濕度以及溫度有很大關(guān)系；因此，在評(píng)價(jià)空氣壓縮機(jī)經(jīng)濟(jì)性時(shí)要綜合考慮各因素對(duì)空氣壓縮機(jī)的影響系數(shù)。