中小流量无油空气压缩机选型分析

[打印] [关闭] 发布时间:[2016-08-29 16:17]

  中小流量无油空气压缩机选型分析

  压缩机是用来提高气体压力和输送气体的机械,属于将原动机的动力能转变为气体压力能的工作机。它的种类多、用途广,有“通用机械”之称。目前,除了活塞式压缩机,其他各类压缩机机型,如离心式、双螺杆式、滚动转子式和涡旋式等均被有效地开发和利用,为用户在机型的选择上提供了更多的可能性。随着经济的高速发展,国内用户对空压机的要求也越来越高,不再只迷信品牌或关注价格,而是更多的关注压缩空气的气体品质、使用能耗及可靠性等。

  近年来,国内无油空气压缩机的应用越来越广泛,其无油的空气品质、简单的系统设计和便捷的维护保养,获得了用户的一致认可。目前,市场上的无油空气压缩机主要有这几种类型:滑片(涡旋)、旋齿、螺杆和离心。每种类型的空压机都有自己独特的特点和优势,其适用范围也不同。如图1所示,一般情况下我们可以根据不同的流量范围,简单选取最优性能的机型。但在实际选型过程中,当遇到过渡区的机型选择时我们会有疑惑,不知道选取哪一款更合适。其中,实际遇到最多、最难区分的应该就是在中小流量范围(80~100m3/min)时的选型,两款机型各有优势,用户经常会犹豫选螺杆机还是离心机。

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  一、机型简介

  (一)离心式空气压缩机原理:

  如图2所示,离心式空压机是由叶轮带动气体做高速旋转,使气体产生离心力,由气体在叶轮里的扩压流动,从而使气体通过叶轮后的流速和压力得到提高,连续地生产出压缩空气。离心式空气压缩机属于速度式压缩机,在用气负荷稳定时,离心式空气压缩机工作稳定、可靠。

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  离心式压机的优点:

  ⑴ 排气量大,排气均匀,气流无脉冲;

  ⑵ 转速高;

  ⑶ 机内不需要润滑;

  ⑷ 密封效果好,泄露现象少;

  ⑸ 有平坦的性能曲线,操作范围较广;

  ⑹ 易于实现自动化和大型化;

  ⑺ 易损件少、维修量少、运转周期长。

  离心式压机的缺点:

  ⑴ 操作的适应性差,气体的性质对操作性能有较大影响。在机组开车、停车、运行中,负荷变化大;

  ⑵ 气流速度大,流道内的零部件有较大的摩擦损失;

  ⑶ 有喘振现象,对机器的危害极大。

  (二)无油螺杆式空气压缩机原理:

  如图3所示,无油螺杆空压机是容积式空压机中的一种,空气的压缩是靠装置于机壳内互相平行啮合的阴阳转子的齿槽之容积变化而达到。转子在与它精密配合的机壳内转动使转子齿槽之间的气体不断地产生周期性的容积变化而沿着转子轴线,由吸入侧推向排出侧,完成吸入、压缩、排气三个工作过程。

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  无油螺杆空压机的优点:

  ⑴ 可靠性高。螺杆空压机零部件少,没有易损件,因而它运转可靠,寿命长;

  ⑵ 操作维护方便。螺杆空压机自动化程度高,操作人员不必经过长时间的专业培训,可实现无人值守运转;

  ⑶ 动力平衡好。螺杆空压机没有不平衡惯性力,机器可平稳地高速工作,可实现无基础运转,特别适合作移动式空压机,体积小、重量轻、占地面积少;

  ⑷ 适应性强。螺杆空压机具有强制输气的特点,容积流量几乎不受排气压力的影响,在宽阔的范围内能保持较高效率,在空压机结构不作任何改变的情况下,适用于多种工况。

  无油螺杆空压机的缺点:

  ⑴ 造价高。由于螺杆空压机的转子齿面是一空间曲面,需利用特制的刀具在昂贵的专用设备上进行加工。并且转子表面需要特殊涂层处理;

  ⑵ 不能适用于高压场合。由于受到转子刚度和轴承寿命的限制,螺杆空压机只能适用于中、低压范围,排气压力一般不超过3MPa;

  ⑶ 不适用于小排气量场合。螺杆式空压机依靠间隙密封气体,目前一般只有容积流量大于0.2m3/min时,螺杆空压机才具有优越的性能。

  二、结构对比

  如图4所示,离心式空压机的压缩过程分两步完成,分别在转子及定子两大组件中完成。转子及定子两大组件结构如图1所示。转子包括转轴,固定在轴上的叶轮、轴套、平衡盘、推力盘及联轴节等零部件。定子则有气缸,定位于缸体上的各种隔板以及轴承等零部件。在转子与定子之间需要密封气体之处还设有密封元件。

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  如图5所示,无油螺杆式空压机的压缩过程全部在机头内完成,机头由机壳和螺杆转子组成。机壳由转子冷却夹套、润滑油油腔和压缩腔组成,同时由于机壳的结构复杂、制造精度要求高,通常采用消失模铸造工艺制造。转子由一对带涂层的阴阳螺杆组成,由一套同步齿轮带动阴阳螺杆的同步转动,以保持转子之间很小的间隙。转子两侧均有空气密封和油密封,保证转子的运行可靠。

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  三、性能对比

  通常,我们用比功率来判断一台空压机的能效等级,空压机比功率是指在相同排气压力下压缩相同气体时,评价空压机性能的一种指标。

  比功率可以直观、有效地反映出一台空压机的单位能耗。压缩机比功率越小,说明压缩机能量利用的效率就越高,单位功耗越低。

  ·比功率 = 输入功率 ÷ 容积流量

  ·空压机比功率:比功率是指压缩机压缩单位容积流量气体所消耗的功率

  ·空压机轴功率:空压机在额定工况下,压缩气体所需的功率

  ·空压机容积流量:空压机在额定工况下,单位时间内的压缩的气体

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  由于离心式空压机和无油螺杆式空压机在工作原理和设计标准上存在不同,并且两者采用的测试方法和标准也不同,最终两者给出的性能参数有一定的区别。如图6所示,离心式空压机流量测试标准为ASME PTC-10,其流量参数为吸入流量,经过入口节流、级间压缩泄漏和水分离器的损失等,其最终实际的排气流量和厂家给出的流量参数相比会有6~10%的损耗。而无油螺杆式空压机则采用ISO 1217,其流量参数为实际排气流量。由此可见,如果使用不同的标准,实际流量和厂家给出的流量参数存在一定的差别。

  同时,环境工况的变化对离心式空压机的排气量和轴功率也有较大的影响。入口压力、入口温度、相对湿度和空气密度等变化,均会影响离心式空压机的排气量和轴功率。如图7所示,当环境温度发生变化时,在排气压力和其它入口条件保持不变的情况下,其排气量会随环境温度的上升而下降。所以,离心式空压机在不同季节下的排气量是不同的,仅从不同厂家给出的流量参数,无法对这两种不同机型进行有效对比。

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  阿特拉斯·科普柯是现在空压机业内公认的行业领导者,是现在所有生产厂家中拥有最全的产品线,也是唯一一家可以同时提供大无油螺杆空压机(80~100m3/min)和离心式空压机的厂家。其所有机型的设计标准均按国际通用标准,并且设备优异的运行效率和可靠性也获得了用户的认可。我们用阿特拉斯·科普柯~80m3/min的无油螺杆空压机(ZR500-8.6)和离心式空压机(ZH500-8)在统一标准(排气压力8barG,流量均为出口FAD流量)下进行性能对比,可以更加公正、客观的了解两种机型的性能。

  表2为两种机型在不同的环境温度下的性能参数和效率。正如上文所述,离心式空压机受环境条件的影响较大,环境温度对离心式空压机的流量和轴功率均有较大影响,比功率SER变化比较明显。而无油螺杆空压机整体性能比较温度,受环境条件的影响较小,比功率SER变化较小。从比功率SER的数值对比来看,两种机型的效率基本一致,没有太大的区别。

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  四、调节对比

  能量消耗中约80%的生命循环要用于压缩空气,首先在选型时就应该考虑用气量和机型的匹配性。虽然考虑到压缩机类型或制造商,压缩机的性能存在显着差异,但在理想的情况下,压缩机全负荷能力应与空气消耗精确的匹配。其次,对于用气量存在波动现象的情况,需要根据系统的用气特性选择合理的调节方式。通常,现场应用要求压缩空气系统压力保持恒定。根据压缩机的类型、可接受的压力变化、空气消耗量的变化和可接受的能量损失,现在有很多流量调节方法。并且很多设备都是可以自我调节,即上升的压力使流速变大,结果产生了稳定的系统。每种调节方法对应的调节效率又不同,这就意味着选型时必须要认真作出选择,保证系统的调节效率最佳。

  由于两种空压机的压缩工作方式不同,导致其调节特性也不同。如图八所示,离心式空压机的压力/流量曲线与容积式(无油螺杆)空压机的相应曲线有很大不同。离心式空压机具有变流量、恒压力的特性。相反,容积式空压机则具有恒定流量、可变压力的特点。容积式空压机甚至可以在低速时达到较高的压缩比,离心式空压机则是为大流量而设计。

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  离心式空压机的调节方式通常由进口导叶(IGV)和放空阀(BOV)组成。如图9所示,一般情况下,当排气量在70%~100%范围内波动时,仅需通过调节进口导叶(IGV)的开度就可以满足气量波动的调节,此时机组的效率会有小幅下降。当排气量小于70%时,为避免机组发生喘振现象,需要通过放空阀(BOV)将多余的气体排空进行调节,此时机组的效率会有大幅下降。由此可见,在小幅范围内波动时,进口导叶(IGV)可以很好的调节气量,同时保证离心式空压机的调节和效率。

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  无油螺杆空压机常规的调节方式为加/卸载,通过入口进气阀的开/关调节空压机的排气量。无油螺杆空压机的控制器会有一组加卸载压力的设定值,使机组在一定的压力范围内运行,保证压缩空气管网的运行压力。所以,无油螺杆空压机的运行压力会比要求的管网压力高一些。同时,对于频繁加卸载的运行工况,无油螺杆空压机还可以选择变频的调节方式,可以更优的调节管网用气量,并提高机组的运行效率,这是离心式空压机所不具备的特性。

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  五、维护对比

  正如所有的设备一样,空压机设备需要一定的保养维修。精心策划的空压机维修计划,不仅可以延长机器的使用寿命,并且修复小故障的成本也会降低,故障停机时间也会缩短。对于不同类型的空压机,所需的保养要求和技术要求也不同。

  离心式空压机是一种高转速、高精密度、高可靠性的机械,其操作要求比较。不仅操作人员需要经过专业培训,服务人员必须经过专业培训才能胜任现场的维修、定检工作。就客户而言,其一般性日常保养的工作量比较小,定期的保养和故障维修都只能通过厂家完成。叶轮和转子发生故障时,需要返厂修理,费用和时间成本较高。

  无油螺杆空压机可靠性高,零部件少,没有易损件,运转可靠,寿命长,大修间隔时间长。操作维护方便,操作人员不必长时间专业训练,可实现无人值守运转。定期的更换空滤、油滤、润滑油这些常规工作,用户自己就可以完成。但其机头属于商业机密,不允许、不授权任何人维修、定检机头,任何机头部分的异常就必须退运国外修复或更新、费用和时间成本较高。

  由表5可见,离心式空压机的维护点比无油螺杆空压机要多一些。

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  六、大流量系统优化方案

  由于离心式空压机在满负荷的状态下,有着效率和稳定性高的特点,一般在大流量的系统选型时,离行式空压机都会是首选。但在实际的生产运行过程中,气量不会一直保持在设计的理想范围/满负荷工况,用气量会随着产量的变化发生大幅波动。此时,全离心机的方案就无法有效、合理的调节气量,合理控制生产运行成本和支出;并且在一些波动比较频繁的工况下,离心机的稳定性和可靠性也会受到一定的影响。

  针对离心空气压缩机组在低于额定工况运行时,效率会有下降,且容易进入喘振区间,新版GB50029《压缩空气站设计规范》中也提出了明确的规定“离心空气压缩机各单机运行时,其容积流量不宜低于额定容积流量的70%”。

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  如图10所示,由于离心式空压机的调节范围有限,在流量波动较大的系统中,全离心式空压机的系统需要放空调节配合,就会存在一定的放空区间(红柱范围)。此时,系统的能耗将远远高于设计值。并且,频繁的调节可能导致离心式空压机故障率升高,单机运行效率下降。

  如图11所示,对于波动范围的气量,可以选用无油螺杆空压机替代部分离心式空压机,通过螺杆机优良的调节性能和适应性弥补离心机的缺点。“离心式空压机+无油螺杆(变频)空压机”的组合方案,可以更加合理、有效的调节气量,优化运行方式,节省运行成本,使整个系统处于高效、稳定的运行状态。正如现在流行的混合动力汽车,在既满足长途驾驶的前提下,又同时保证了汽车的最低能耗。“离心式空压机+无油螺杆(变频)空压机”的组合方案,在负荷波动的情况下可以更优化的调节气量,目前是大流量系统解决负荷波动的最佳选择。

  并且,“离心式空压机+无油螺杆(变频)空压机”的组合方案也是一种成熟、可靠的解决方案,国内外已经拥有无数成功案例。如汽车行业,“离心式空压机+无油螺杆(变频)空压机”的组合方案已经在国内外广泛的应用,是大众、通用、宝马等工厂的必选方案。深圳某大型知名电子生产企业,在使用一台900kW变频无油螺杆替代一台原有的离心机后,年节约电费达500万人民币,取得了显著的节能效果。其可靠、节能的应用已经获得广泛的案例证明。

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  七、结论

  由上综述,两种机型在中小流量范围内的效率差别不大,但各自优势和特点的差别就比较明显。不能简单的仅凭效率对比作出区分或选择,因为对于整个空压系统而言,不同行业、不同工况的用气需求是不同的。没有最好的机型,只有合适的机型。在新建或扩建空压机系统时,只有详细了解系统的应用和工况特性,并分析使用、维护和投资成本。最后进行综合考虑,根据实际的情况进行合理的选择和方案,才能发挥出每种机型的特点和优势,实现性能最优、调节最好、稳定性最高的空压系统。



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