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兩級壓縮對各排氣壓力及功率的空壓機均有大幅改善,尤其大功率空壓機采用兩級壓縮是提高能效的最佳方法

2021-08-09     來源:
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文中結論提煉:

❶ 按國標能效標準,某些機型單級壓縮幾乎“不可能”達到,而只能通過“兩級壓縮”才有可能達成。

❷ 隨著機組功率的增加,在目前螺桿空壓機設計與制造水平下,某些絕熱效率要求在單級壓縮空壓機中幾乎“不可能達到”。

❸ 兩級壓縮中間冷卻的空氣壓縮方式具有明顯的能效優勢。

❹ 2級壓縮對各排氣壓力及機組功率下主機均有大幅改善,相同能效下絕熱效率需求降低10%~15%,且效果隨著壓比提高和機組大型化有增大的趨勢。更為重要的是,針對已經很高的絕熱效率(如在7bar 和12.5bar 大功率機組中),進一步提高效率難度很大,因此采用兩級壓縮是提高機組能效的最佳方法。

基于噴油螺桿空壓機國標能效限定值的兩級壓縮性能分析

作者:趙兆瑞、陳文卿、唐昊、邢子文

(西安交通大學、西安交通大學蘇州研究院)

摘要:GB19153-2009規定的一級能效限定值進行分析,計算空壓機主機絕熱效率,尋找其變化趨勢,并對比單級壓縮與雙級壓縮的計算結果,給出機組功率與單、雙級選擇的判定依據。同時,文中還對進氣溫度與級間冷卻效果對計算的影響,以及雙級壓縮中間壓力的實際確定進行數據分析。

▎引言

 GB 19153-2009 《容積式空氣壓縮機能效限定值及能效等級》是2009 年12 月1 日起實施的針對容積式空壓機的國家標準,該標準對空壓機的能效等級、能效限定值、目標能效限定值、節能評價值、試驗方法和檢驗規則進行了具體的規定,對近年來空壓機產品的研發和企業的發展方向有指向性的作用。

該標準中僅對空壓機機組整體的輸入功率進行要求,并未對空壓機主機、流動損失和換熱效果提供指導性建議。同時,其所規定的能效限定值往往無法通過單機壓縮達到,需要借由兩級壓縮完成,但如何判斷兩級壓縮的必要性、級間冷卻效果的要求以及兩級壓比的分配等問題依然沒有針對性的理論與實踐支持。

針對國標中的要求,已有研究進行了相關討論,如文獻[1] 對機械標準中噴油螺桿空壓機的能效限定值取值合理性進行了分析,指出部分缺陷;文獻[2] 對國標中螺桿空壓機機組效率進行了相關分析;文獻[3] 對電動機效率對整機的能耗影響進行了分析;文獻[4]、[5] 則涉及部分對螺桿壓縮機主機實際絕熱效率的測試數據。

然而,現有研究依然沒有提出針對國標能效要求的具體解決方案,即如何達到1 級能效限定值的螺桿空壓機設計思路。

本文針對標準中的能效限定值進行分析,分別對單級壓縮和兩級壓縮機組計算相關的主機絕熱效率,并對兩級壓縮的壓比分配和級間冷卻效果設計提供可行性的建議,旨在為螺桿空壓機產品提供合理的設計指導。 

▎能效國標限定值概述

根據國標中的定義,比功率是“在額定工況下,空壓機機組的輸入功率與空壓機實際容積流量之比值,單位為千瓦每立方米[kW/(m3/min)]”,而額定工況根據JB/T6430 所規定的螺桿空壓機的標準工況,即: 

吸氣壓力:0.1 MPa (絕對壓力)

 吸氣溫度:20 ℃ 

吸氣相對濕度:0% 

國標給出了在4 種不同排氣壓力下,從2.2 kW到630 kW 功率段螺桿空壓機各級能效所需滿足的最大比功率,圖1 所示為1 級能效螺桿空壓機在不同排氣壓力與機組功率條件下的比功率限定值。

由圖1 可以看出,隨著排氣壓力的提高,比功率限定值有明顯的提高;而隨著機組功率的不斷增大,比功率限定值以近乎線性的趨勢下降。

由此可見,國標能效值對大功率機組有更為苛刻的要求;而由于排氣壓力的增高必然需求更多的能量消耗,比功率限定值必然會隨著壓比的增高而增高。

▎單級壓縮機組主機效率分析

上述對國標能效限定值的分析,只能從定性角度看出比功率變化的趨勢,無法定量判斷其對各個部件的要求,而其中壓縮機主機的絕熱效率無疑是最為重要的一項。

為了確定達到能效限定值必要的主機效率,需要從比功率中剔除電機效率損耗、傳動效率損失、吸氣壓降損失、排氣損失,并與同壓比下的絕熱壓縮過程耗功對比,以百分比的形式確定主機效率。基于常見螺桿空壓機的絕熱效率經驗數據,可以基本判斷在一定壓比與功率情況下,實現一級能效的可能性。

3.1 絕熱效率計算過程

3.1.1 電機效率與傳動效率的影響

GB 18613-2012 《中小型三相異步電動機能效限定值及能效等級》中給出了不同轉速、不同功率電機各級能效限定值。為提高整體系統效率,此處全部選取1 級能效電機進行計算,并設定4級電機為標準參照。

 

對于傳動效率,小于45 kW 機組按97%取值,大于或等于55 kW 機組按99%取值。

3.1.2 吸排氣壓力損失的影響

 

基于對吸排氣壓力損失的經驗數據取值,本文進行如下設定:

 

20 kW 以下機型,吸氣壓力損失600 Pa;

20~90 kW 機型,吸氣壓力損失800 Pa;

90 kW 以上機型,吸氣壓力損失1000 Pa;

排氣壓力損失以排氣壓力的4%計算。

 

3.1.3 絕熱效率計算

 

由壓縮機理論,可逆的絕熱過程可以如公式

(1)       計算絕熱壓縮功率

對于國標限定的螺桿空壓機,進氣壓力為1atm,空氣的絕熱指數κ=1.4。

實際壓縮過程中,吸排氣壓力損失將引起空壓機壓比與工況變化。吸氣壓損將降低主機進氣壓力,進而在排氣壓力確定的情況下增大壓縮機壓比,消耗更多的軸功率。因此,實際吸氣壓力需要按標準工況壓力減去進氣損失引起的壓降計算得到。

同樣的,排氣壓力損失也將引起主機排氣壓力上升,提高壓比,增加功耗,因此在實際排氣壓力確定中需要考慮4%的排氣壓力損失,將損失預先扣除來設計主機壓比,保證系統出口壓力。

 

機組理論輸入電比功率計算公式:

 

 

依照如上計算方法,對排氣壓力分別為7bar、8bar、10bar、12.5bar 的空壓機機組進行主機絕熱效率計算,進而分析不同排氣壓力機組絕熱效率的需求,以及其隨機組功率大小的變化趨勢。

絕熱效率計算公式:

 3.2 結果與分析

 

表1列出了1級能效下不同壓比與功率空壓機機組的絕熱效率。

 

圖2給出了4種不同壓比工況下,1級能效螺桿空壓機主機所必須具備的絕熱效率。

 

由圖中可以看出,各壓比機組主機效率隨主機功率大小階梯型上升,與空壓機輸入功率形成近線性正相關關系。可見在對主機絕熱效率的要求上,國標對大功率機組也要更為苛刻。

然而,隨著機組功率的增加,在目前螺桿空壓機設計與制造水平下,某些絕熱效率要求在單級壓縮空壓機中幾乎“不可能達到” (如某些絕熱效率超過95%的機組),甚至一些中小型機組對主機設計與加工工藝的要求也較難滿足,需要從其他角度考慮機組整體效率提升的方法。

針對這一問題,可以采用兩級壓縮中間冷卻的方式進行機組設計,從理論上減小主機能耗,提高絕熱效率,以求達到相關比功率限定值,提高能效等級。

 

▎兩級壓縮機組主機效率分析

 

兩級壓縮中間冷卻的空氣壓縮方式具有明顯的能效優勢。

 

其相對一級壓縮,能有效降低二級壓縮入口溫度,降低功耗。同時利用兩級壓縮低壓比、排氣溫度低等優勢,減小泄漏損失,提高容積效率,降低后冷卻器及油冷卻器壓力,都有助于提高系統能效。

 

4.1 中間壓比的確定

在以往的熱力學理論及壓縮機技術,對于中間壓比通常采用“多級均勻分配”的方法,即保證每一級壓縮的壓比相同。此種分配方法在理論上能夠達到最低的功耗,提高效率,然而在實際運行過程中存在以下兩點不同:

①吸氣壓降與排氣壓力損失對壓比的影響

 

由于在壓縮機實際工作過程中,必然存在吸、排氣壓力損失,導致壓縮機主機工況與壓比與理論設計存在偏差。這不僅增大了其功耗,且在變化工況的情況下,最優中間壓力將產生滑移。

②中間冷卻效果對中間壓力的影響

在理論分析過程中,往往將中間冷卻視為最大化效果,即將二級進氣溫度降至室溫,忽略換熱器換熱溫差。但這在實際操作過程中無法達到,這也將很大程度上影響最優壓比分配。

 

本文將基于上文提到的吸排氣損失以及不完全級間冷卻,針對螺桿空壓機兩級壓縮計算最佳壓比。

 

兩級壓縮理論總功耗可以通過如下公式計算:

利用式(5)、(6)即可求得兩級壓縮的最佳中間壓力與功耗。考慮到換熱溫差15℃,此處T1 以20℃、T2 以35 ℃代入計算。

計算結果表明,各排氣壓力機組具有近乎相同的1、2 級壓比分配比例,即1 級壓比與2 級壓比之比為1.22。

 

4.2 計算結果及分析

 

表2 給出了采用2 級壓縮的螺桿按上述方法計算得到螺桿空壓機主機絕熱效率。

 

 

 

圖3 給出了7bar、8bar、10bar、12.5bar 兩級壓縮空壓機1 級能效主機所需具備的最低絕熱效率。

 

可以看出采用2 級壓縮設計后的機組主機所需絕熱效率大幅減少,均在可達到的范圍內。

4.3 1、2級壓縮對比分析

 

在螺桿空壓機的設計過程中,往往存在一個較難量化的問題,即在何種工況及能效要求下需要用2級壓縮代替1級壓縮。本文根據以上數據,從主機絕熱效率角度,對這兩點問題進行探討,力求提供一定的理論分析基礎。

圖4 以7bar 與12.5bar 排氣壓力為例給出了不同功率單級、兩級壓縮機組中1 級能效主機所需具有的絕熱效率。

 

 

由圖4 可以看出,2 級壓縮對各排氣壓力及機組功率下主機均有大幅改善,相同能效下絕熱效率需求降低10%~15%,且效果隨著壓比提高和機組大型化有增大的趨勢。

更為重要的是,針對已經很高的絕熱效率(如在7bar 和12.5bar 大功率機組中),進一步提高效率難度很大,因此采用兩級壓縮是提高機組能效的最佳方法。

根據國內外關于螺桿空壓機性能的實驗研究結果,我們不難發現常見主機(7~8bar 排氣壓力機組中) 絕熱效率達到85%已有較大難度。建議在90 kW 以下機組可采用單級壓縮,而追求1 級能效的機組則采用2 級壓縮,這將有助于提高機組能效,降低成本,提高穩定性。

需要說明的是,在上述研究結果下,有兩點對計算產生決定性影響的參數需要進行進一步的探討:中間冷卻效果取決于眾多因素,如中間冷卻器設計結構、流速與換熱時間、材料等等,因此針對特定機型中間冷卻器的特別設計,結果可能發生改變。

另一方面,雖然國標中規定標準進氣工況為20℃,然而在較為惡劣的環境溫度下進氣溫度可能高于這個溫度,這也將產生很大的影響。

4.4 中間冷卻效果的影響

 

表3 給出了從10~20℃換熱溫差,在20℃進氣溫度情況下對不同機組計算結果的影響。

 

 

可以看出,換熱溫差對絕熱效率計算結果的影響較小,保持在1.5%以內,但對中間壓力的設計影響較大。這是因為中間冷卻效果僅影響第二級壓縮,而隨著換熱溫差的增大,二級進氣溫度提高,能耗增加,需要改變兩級壓力分配,提高一級壓比以最優化系統功耗,提高能效。

 

因此,當選取不同類型中間冷卻結構時,需要根據其效果選擇最佳中間壓力分配比率。

 4.5 進氣溫度的影響

表4 給出了從20℃到40℃進氣溫度在15K 換熱溫差下對不同機組計算結果的影響。

 由表4 可以看出,進氣溫度的升高對系統功耗有很大的影響,隨著進氣溫度的升高,主機的絕熱效率需求提高較大,而中間壓力的設定則變化不大。

 ▎結論

 本文通過對國標能效限定值的計算,分析研究噴油螺桿空壓機系統主機絕熱效率,并對比單級壓縮與雙級壓縮的優劣,得出以下結論:

 

① 從空壓機主機絕熱效率角度分析,國標對小功率機組要求較低,而對大型機組有很高的要求,甚至某些機型單級壓縮需要達到近乎100%的絕熱效率才能滿足1級能效限定值的要求;

② 雙級壓縮機組的中間壓力確定需要考慮吸排氣損失與中間冷卻效果等的影響,一般采取1.22的1、2級壓比比例;

③ 采用雙級壓縮可以將絕熱效率要求降低10%~15%,即使低壓比大功率機組也可達到1 級能效的要求;建議在90kW 以上1級能效機組采用雙級壓縮;

④ 級間冷卻效果對能效的影響較小,但會明顯改變最佳中間壓力的設計;而進氣溫度的升高則會明顯的提高功耗,降低效率,但最佳中間壓力幾乎沒有變化。

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