任 芳 ，孫曉明 ，駱 嘉 ，耿茂飛 ，張炯焱 ，王泉超 ，張超萍 ，李金祿 ，姜慧君

（1.合肥通用機械研究院有限公司，合肥 230031；2.合肥通用機電產(chǎn)品檢測院有限公司，合肥 230031；3.寧波鮑斯能源裝備股份有限公司，浙江寧波 315504）

0 引言

空氣壓縮機（以下簡稱空壓機）作為國家確定的重點用能設(shè)備，是將電能轉(zhuǎn)換為空氣動力的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備［1-2］，其用電量占全國發(fā)電量的9.4%［3］，其能效指標(biāo)——機組比功率受到特別關(guān)注。機組比功率是空壓機在額定、滿載工作狀態(tài)下的性能參數(shù)，但實際生產(chǎn)時用戶對壓縮空氣的需求是經(jīng)常變化的，運行過程中有一部分時間，空壓機處于空載狀態(tài)，此時依然消耗電能。因此，機組比功率并不能真實對應(yīng)空壓機的實際生產(chǎn)能效。

歐美各企業(yè)較重視空載運行功率對空壓機實際生產(chǎn)能效的影響，多年前就開始了此指標(biāo)的檢測及要求。美國壓縮空氣和壓縮氣體協(xié)會（CAGI）將空載功率作為性能報告項目。美國《空氣壓縮機節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)》（Conservation Standards for Air Compressors）附屬資料也對空壓機負(fù)載進(jìn)行了分析。歐盟依據(jù)“歐洲議會第2009/125/EC號建立能源產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計要求指令”，2016年發(fā)布了《生態(tài)設(shè)計要求 一般用空氣壓縮機》（Possible requirements for compressors for standard air applications DRAFT ECODESIGN REGULATION）明確規(guī)定，空壓機制造商提供的技術(shù)文件中須提供空壓機空載功率參數(shù)。

隨著對空壓機實際用能的重視和國際交流的深入，空載功率越來越受到國內(nèi)行業(yè)的關(guān)注，空壓機綠色設(shè)計產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)將會提出對空載功率的指標(biāo)要求，國內(nèi)企業(yè)必將對空壓機產(chǎn)品的空載功率進(jìn)行研究和改進(jìn)。

本文提出空載功率比作為評價空壓機的空載功率水平的方法，建立空載功率比的熱力學(xué)研究數(shù)學(xué)模型，通過理論分析和試驗驗證研究，確定影響空壓機空載功率的重要參數(shù)為油氣分離器（以下簡稱油分桶）壓力和主機進(jìn)氣壓力，并給出要達(dá)到空載功率比20%的世界先進(jìn)水平的參數(shù)設(shè)置。本文還建立了空載功率比和負(fù)載率對用電單耗影響的數(shù)學(xué)模型，可用于計算用電單耗的量值變化。通過本文的研究，希望能對空載功率的優(yōu)化設(shè)計提供切實可行的方法。

1 空載功率

1.1 空壓機實際運行狀況

在壓縮空氣站建設(shè)時，按照用戶壓縮空氣最大需求配置空壓機。而實際生產(chǎn)中，壓縮空氣需求是變化的，因此空壓機會適應(yīng)負(fù)荷的變化調(diào)節(jié)生產(chǎn)的氣量。工頻空壓機通常采取啟停方式調(diào)節(jié)生產(chǎn)氣量。停止產(chǎn)氣方式有2種：（1）空載運行，此時空壓機停止產(chǎn)氣但保持運轉(zhuǎn)的狀態(tài)，避免頻繁啟動對電網(wǎng)的沖擊并能夠快速恢復(fù)產(chǎn)氣的熱備機方式；（2）停機，空壓機停止運行。

圖1示出某臺噴油螺桿空壓機某段時間的實際運行狀態(tài)，縱坐標(biāo)為空壓機的運行壓力（油分桶壓力）。空壓機負(fù)載運行時，壓力為0.66～0.68 MPa，空載運行時壓力為0.3 MPa。

圖1 空壓機實際運行Fig.1 Actual operation of air compressor

由圖1可見，用戶使用空壓機時，空壓機實際運行過程中包括了滿載、加卸載、空載及停機等工況；空壓機在空載運行也要消耗電能，實際生產(chǎn)過程的真實能效要差于其理想的持續(xù)滿載運行時的能效。

1.2 空載功率概況

以目前生產(chǎn)量和使用量最大的噴油螺桿空壓機為研究機型。

本文將空壓機空載運行、輸出壓縮空氣容積流量為零時機組消耗的全部功率，稱為空載功率?？蛰d功率由空載時壓縮指示功率以及電機電氣、冷卻風(fēng)扇、潤滑油擾動、機械傳動等其他消耗的功率組成。

空壓機空載功率較大，極端情況下甚至?xí)_(dá)到滿載功率的70%?？諌簷C空載運行時，進(jìn)氣閥關(guān)閉，此時若油分桶壓力保持滿載壓力，則空載功率約為滿載功率的70%左右。國內(nèi)空壓機產(chǎn)品現(xiàn)階段雖然普遍降低了空載運行時的油分桶壓力，但設(shè)定比較保守，空載功率依然較大，總體水平約為滿載功率的40%左右。

通過對2018年收集的CAGI報告的統(tǒng)計，多家公司多種型號共85臺空壓機的數(shù)據(jù)顯示，空載功率與其滿載功率的比值最小的為15.7%，最大的為42.2%。按空載功率與其滿載功率的比值，對這些數(shù)據(jù)再進(jìn)行細(xì)分，可知滿足各段數(shù)據(jù)的空壓機數(shù)量占比見表1。為討論方便，將空載功率與滿載功率之比稱為空載功率比，用 δ 表示。

表1 CAGI數(shù)據(jù)統(tǒng)計Tab.1 CAGI data statistics

查詢近年CAGI公布的性能報告，根據(jù)不完全統(tǒng)計，大多數(shù)產(chǎn)品的空載功率比小于30%，可見國外空壓機產(chǎn)品空載功率指標(biāo)水平提升較快，空載功率的國際先進(jìn)水平已降至其滿載功率的20%及以下，因此國產(chǎn)空壓機的空載功率水平相比國際先進(jìn)水平仍有很大的改進(jìn)空間。

2 分析研究

空壓機空載時，為了維持運轉(zhuǎn)，油分桶必須維持一定的壓力以繼續(xù)給主機供油，此時仍需主機壓縮空氣，所以存在壓縮指示功。空壓機在其整個運行過程中，主機壓縮指示功占能耗的主要部分，且隨運行狀態(tài)不同變化較大，而其他耗功的變化則相對較小。本文主要對空載時的壓縮指示功率與油分桶壓力、進(jìn)氣壓力關(guān)系重點研究。

2.1 空載運行

以單級噴油螺桿空壓機為例，其空載運行系統(tǒng)如圖2所示，流程為：空壓機進(jìn)氣減荷閥關(guān)閉進(jìn)氣閥門，油分桶壓力下降，壓縮空氣輸出管路保壓閥關(guān)閉，停止機組向下游供氣。此時主機仍保持運行，輸出少量壓縮空氣使油分桶維持一定的壓力。該部分壓縮空氣通過內(nèi)部循環(huán)回到進(jìn)氣口，進(jìn)氣減荷閥閥門微啟或開小孔維持少量進(jìn)氣，然后進(jìn)入主機循環(huán)。油分桶內(nèi)的壓力提供潤滑油動力，維持其循環(huán)，保證主機持續(xù)運轉(zhuǎn)，處于熱備機狀態(tài)。

圖2 空壓機空載運行系統(tǒng)Fig.2 Idle operation system of air compressor

為降低運行能耗、減少空載功率，空壓機空載運行一般采取2種方法：（1）設(shè)定較低的油分桶壓力，降低主機工作壓力；（2）進(jìn)氣減荷閥關(guān)閉進(jìn)氣閥門，實施進(jìn)氣節(jié)流。

2.2 理論分析

空壓機壓縮指示功率計算公式［4］：

式中 px—— 壓縮初始壓力（絕壓），空壓機滿載運行時，取px為大氣壓p0；

Q ——理論容積流量；

n ——多變過程指數(shù)；

pp—— 壓縮終了壓力（絕壓），空壓機滿載運行時，取pp為額定排氣壓力；空載運行時，取pp為油分桶壓力Pk。

空載壓縮指示功率PK與滿載壓縮指示功率PF之比 θ 計算公式：

對于一臺具體的空壓機，其理論容積流量、滿載壓縮指示功率均為定值。不同運行工況下的多變過程指數(shù)變化較小，影響也很小，為討論方便，本文視為定值。因此從式（2）可知，θ 值的大小主要受壓縮初始壓力、油分桶壓力影響。

依據(jù)式（2），以額定壓力0.8 MPa空壓機為例，取n=1.15，可計算出不同壓縮初始壓力、不同油分桶壓力下的 θ 值。圖 3 示出 θ 隨壓縮初始壓力、油分桶壓力變化的趨勢。

圖3 壓縮初始壓力、油分桶壓力與θ關(guān)系曲線（理論計算）Fig.3 Relationship between initial compression pressure，oil-gas separator pressure and θ （theoretical calculation）

由圖3可以看出，油分桶壓力或壓縮初始壓力增加，θ 均增加。當(dāng)油分桶壓力為0.4 MPa時，θ 最高可達(dá)到27.4%，當(dāng)油分桶壓力降為0.1 MPa時，θ 最大值降為18.8%；當(dāng)壓縮初始壓力為16 kPa（絕壓）時，θ 為18.8%～27.4%，當(dāng)壓縮初始壓力為8 kPa（絕壓）時，θ 為 12.6%～17.3%。

需要說明的是，θ的實際值要大于圖3中的理論值，這是因為空壓機空載運行時，存在較大的過壓縮［5］現(xiàn)象，空載壓縮指示功率實際值大于理論計算值；按圖3計算，油分桶壓力與壓縮初始壓力的比值范圍為12.5～250，高于本例空壓機的額定壓力比為9，但實際壓縮腔的壓比并不會達(dá)到這么大，具體原因見2.3。

2.3 試驗數(shù)據(jù)分析

3臺噴油螺桿空壓機試驗樣機參數(shù)如下：

機器1#：單級，驅(qū)動電動機額定功率22 kW，額定排氣壓力0.8 MPa，公稱容積流量3.3 m3/min；

機器2#：單級，驅(qū)動電動機額定功率110 kW，額定排氣壓力0.8 MPa，公稱容積流量18.9 m3/min；

機器3#：單級，驅(qū)動電動機額定功率132 kW，額定排氣壓力0.8 MPa，公稱容積流量29.2 m3/min。

圖4示出δ隨進(jìn)氣壓力、油分桶壓力變化的趨勢。試驗時進(jìn)氣壓力測點在空壓機進(jìn)氣減荷閥門后、進(jìn)入空壓機主機前。（由于試驗條件所限，測試數(shù)據(jù)尚不夠全面、理想）

圖4 進(jìn)氣壓力、油分桶壓力與 δ 關(guān)系曲線（測試數(shù)據(jù)）Fig.4 Relationship between inlet pressure，oil-gas separator pressure and δ（test data）

由圖4可以看出，油分桶壓力、進(jìn)氣壓力增加，δ 值均增加。

將圖3與4曲線相比較，可以發(fā)現(xiàn)2條曲線的變化趨勢一致。但同時發(fā)現(xiàn)，進(jìn)氣壓力變化對δ 的影響比對 θ 的影響小，即曲線較平緩，主要原因是空載運行時壓縮初始壓力高于進(jìn)氣壓力，因為主機壓縮腔為負(fù)壓，通過泄漏進(jìn)入壓縮腔的空氣較多；負(fù)壓產(chǎn)生大量油蒸汽。所以，壓縮初始壓力沒有進(jìn)氣壓力變化大。

2.4 分析總結(jié)

（1）油分桶壓力對空載功率影響是主要因素。由圖4可見，額定壓力0.8 MPa的空壓機樣機，當(dāng)進(jìn)氣壓力小于10 kPa（絕壓），油分桶壓力設(shè)定在0.2 MPa時，空載功率比基本小于30%；油分桶壓力設(shè)定在0.1 MPa時，3臺空壓機試驗時測得的最小空載功率比分別為19.2%，22.6%，20.2%，因試驗條件所限，只有機器1#的空載功率比降至了20%以下。分析認(rèn)為，若對油分桶壓力、進(jìn)氣壓力做進(jìn)一步參數(shù)調(diào)整和系統(tǒng)優(yōu)化，空載功率比可以降到20%。

（2）進(jìn)氣壓力對空載功率影響較小。在相同油分桶壓力時，進(jìn)氣壓力越大，則空載功率越大。因此，對于相同主機和進(jìn)氣減荷閥的不同空壓機，設(shè)計時應(yīng)根據(jù)機組轉(zhuǎn)速的變化，重新調(diào)節(jié)進(jìn)氣減荷閥的節(jié)流壓力（即調(diào)整進(jìn)氣壓力），從而優(yōu)化空載功率比。

（3）其他消耗大會增加空載功率比。表2可知，在相同的油分桶壓力下，θ小于δ，其原因為空壓機由滿載到空載時，電機、冷卻風(fēng)扇、潤滑油擾動、機械傳動等其他消耗的功變化幅度相對較小，在空載功率中占比加大，因此δ大于θ。以電機損耗為例，查詢試驗機器2#變頻電機的負(fù)載特性曲線，空壓機滿載時電機效率為96.8%，空載時為93.5%～95.3%，電機損耗的變化幅度小于空載指示功變化幅度。

表2 空載壓縮指示功率比與空載功率比對照Tab.2 Comparison table of compression indicated power ratio and idle power ratio

（4）空載功率比并非完全與空壓機額定壓力無關(guān)。按式（1）（2），對于排氣量相同但額定排氣壓力不同的空壓機，只要空載時的進(jìn)氣壓力和油分桶壓力相同，其空載功率就相同，則空載功率比就不同，且受額定排氣壓力影響大。但實際情況并非如此，從CAGI報告的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可看出，不同額定排氣壓力的空壓機的空載功率比水平差異并不大，這是因為與額定排氣壓力相關(guān)的其他因素實際會影響到油分桶壓力和進(jìn)氣壓力參數(shù)值的設(shè)定。因此在設(shè)計空壓機及空載功率時應(yīng)該考慮多方因素，并經(jīng)試驗驗證。

（5）根據(jù)理論計算、試驗結(jié)果分析，認(rèn)為對于額定壓力0.8 MPa空壓機，當(dāng)進(jìn)氣壓力小于10 kPa（絕壓），油分桶壓力小于0.2 MPa時，空載功率比基本可降至30%以下；當(dāng)進(jìn)氣壓力小于10 kPa（絕壓），油分桶壓力小于0.1 MPa時，空載功率比基本可降至20%，達(dá)到國際先進(jìn)水平。

需要注意的是，降低油分桶壓力和主機進(jìn)氣壓力參數(shù)，可能在空壓機組運行、啟停時帶來問題，如：油潤滑不足、啟動瞬時壓縮空氣帶出大量潤滑油到供氣管路等，因此需要綜合考慮整個系統(tǒng)而定。

設(shè)計噴油回轉(zhuǎn)空壓機時，必須對進(jìn)氣閥進(jìn)氣孔徑、壓縮腔內(nèi)壓、氣路布置等諸多因素綜合考慮，設(shè)定空載時的最小壓力閥壓力、進(jìn)氣壓力參數(shù)，并經(jīng)過試驗優(yōu)化及驗證，才能達(dá)到最佳空載功率比。

3 空載功率對空壓機實際能效影響

對空壓機用戶而言，生產(chǎn)壓縮空氣的能效指標(biāo)為空壓機的用電單耗D，即空壓機產(chǎn)出單位立方壓縮空氣所消耗的電能。用電單耗的大小直接決定了空壓機的運行成本。

空載功率對空壓機用電單耗的影響與空載時間比例，即負(fù)載率有關(guān)。負(fù)載率大時，空載功率對用電單耗影響較?。回?fù)載率小時，則空載功率對用電單耗影響較大。下面討論空載功率比與負(fù)載率的大小對空壓機實際生產(chǎn)時用電單耗的影響。

空壓機實際總耗功計算公式：

式中 WF——負(fù)載耗功；

WK——負(fù)載耗功；

WCER——加卸載耗功。

空壓機負(fù)載率η計算公式：

實際用電單耗增加比例計算公式：

空壓機實際運行時的耗功分類如圖5所示。

圖5 空壓機實際運行耗功構(gòu)成Fig.5 Power consumption composition of air compressor in actual operation

由圖6可看出，降低空壓機空載功率、提高運行負(fù)載率，用電單耗就越小，用戶使用時就越節(jié)能，更能降低實際運行成本。以資料中我國平均負(fù)載率約為66%［6-11］計算，若空載功率比由40%降至25%，由圖6可得，用電單耗可降低7.7%。以空載功率比為25%計算，若負(fù)載率由66%提高為90%，用電單耗可降低10.1%。

圖6 空載功率、負(fù)載率對用電單耗的影響Fig.6 Influences of idle power and load rate on power consumption per cubic meter

4 結(jié)論

（1）優(yōu)化空壓機的空載功率，可以提升空壓機在實際使用過程中的能效，實現(xiàn)空壓機節(jié)能。

（2）空載壓縮指示功是影響空壓機空載功率的主要影響因素，其他損耗對空載功率也有一定影響。

（3）油分桶壓力和主機進(jìn)氣壓力是影響空壓機空載功率大小的主要影響參數(shù)，應(yīng)將這兩項參數(shù)的設(shè)定作為降低空壓機空載功率的主要研究方向。

（4）試驗證明，通過優(yōu)化油分桶壓力、主機進(jìn)氣壓力參數(shù)，系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計后可將空載功率比降至20%，達(dá)到世界先進(jìn)水平。