低压喷油螺杆压缩机排气含油量过高的原因分析及如何降低排气含油量

低压喷油螺杆压缩机排气含油量过高的原因分析及如何降低排气含油量

冉 鹏，罗吉荣，司 超

（陕西汉机精密机械股份有限公司，陕西汉中７２３０００）

［摘 要］：针对喷油螺杆压缩机在低压应用中排气含油量过高的问题，通过对比试验对喷油双螺杆压缩机排气含油量过高的原因进行分析，从油气分离桶，油气分离滤芯配置方面着手，找出原因并找出解决方案。以及改进喷油螺杆压缩机油气分离系统的配置，加强油气分离效果，获得含油量更低、更洁净的高品质压缩空气。

［关键词］：低压压缩机；微油螺杆压缩机；油气分离

中图分类号：ＴＨ４５５ 文献标志码：Ａ

文章编号：１００６－２９７１（２０２２）０４－００３７－０５

１　引言

　　随着我国国民经济建设的持续增长，各类压缩机的需求量不断增大，同时也对压缩空气的质量进一步提高，如何获得含油量低、洁净的高品质压缩空气，是压缩机行业和用户十分关注的一个课题。

喷油螺杆压缩机作为一种压缩空气制造设备，具有高效节能、绿色环保、故障率低、噪声小、操作简便等优良特点。但是在低压（排气压力＜３ｂａｒ）环境下，压缩空气中混入的润滑油气体微粒很难被有效的分离出来，这就造成油气分离不彻

底，压缩空气含油量过高。在一些对于压缩空气含油量有严格要求应用领域，喷油螺杆压缩机也就被拒之门外，而且润滑油流失过快也会缩短压缩机的保养周期，提高压缩机的使用成本。

２　油气分离系统简介

　　按分离机理的不同，喷油螺杆压缩机机组中采用两种不同的油气分离方法：①机械碰撞法，即依靠油滴自身重力的作用，从气体中分离较大的油滴。实测表明，对直径大于１μｍ的油滴，都可采用机械碰撞法被有效地分离出来。②亲和聚结法，既通过特殊材料制成的元件，使直径在１μｍ以下的油滴，先聚结为直径更大的油滴，然后再分离出来。

现在常见的油气分离系统通常都有油气分离桶，油气分离滤芯和回油管路组成，并且使用最小压力阀来保证油气分离桶内的压力。一般情况下，需要将压缩空气在进入油气分离桶之前的流速控制在１５～２５ｍ／ｓ之间，压缩空气进入油气分离桶内部之后，速度会进一步下降，然后通过内桶与外桶不停地碰撞，将压缩空气中较大的油滴分离出来，这些油滴会沿着油气分离桶内壁滑落到油气分离桶底部的润滑油油池中。喷油螺杆压缩机排气温度通常在８０℃以上，所以经过一次油气分离的压缩空气中依然含有很多微小的油粒和油蒸汽，这种状态下的润滑油分离难度更大，所以这不仅对油气分离滤芯的材质有特殊要求，压缩空气通过油气分离滤芯的速度也必须控制在＜０.７ｍ／ｓ才行，因为经过一次油气分离的压缩空气中所含的润滑油颗粒都非常微小，在这种情况下压缩空气流速越低，分离效果越好。

３　低压喷油螺杆压缩机排气含油量过高的原因分析及解决方案

　　很多厂家制造低压喷油螺杆压缩机时发现，相对于常压（排气压力８ｂａｒ） 喷油螺杆压缩机，采用相同的油气分离系统时低压（排气压力＜３ｂａｒ）喷油螺杆压缩机制备出的压缩空气往往含油量远大于常压机型。为找出排气压力对压缩空气含油量的影响，特设置以下实验，根据实验结果进行分析，找出低压喷油螺杆压缩机压缩空气含油量过高的原因。

普通喷油螺杆压缩机大多用于对压缩空气没有特殊要求的工矿企业，对于压缩空气含油量没有明确的要求，所以大多数喷油螺杆压缩机厂家都是按照固定时间内的耗油量或者以压缩空气总含油量＜５ｍｇ／ｍ３为合格标准。根据最终计算结果显示，这两种合格标准最终的压缩空气含油量相近，所以本文中所有试验都以压缩空气总含油量＜５ｍｇ／ｍ３合格标准。但是根据国家标准要求，这种质量的压缩

空气在很多应用领域是无法使用的。所以我们本次实验不仅要找出低压喷油螺杆压缩机压缩空气含油量过高的原因，而且要找出进一步降低压缩空气含油量的方法。

３.１　不同排气压力下压缩空气含油量测试

本次试验的目的是找出在油气分离系统配置相同的情况下，排气压力对压缩空气含油量的影响。根据实验目的， 我们选取一台容积流量为１０ｍ３／ｍｉｎ喷油螺杆压缩机，并采用常压（８ｂａｒ）配置的油气分离系统，该系统由油气分离桶，油气分离滤芯和回油管路组成。

首先，我们需要根据油气分离设计经验值，选取合理的油气分离桶与油细分离器。本次实验中选取的油气分离桶进气口管径为ＤＮ５０，进气口截面积为１.９６×１０－３ ｍ３，油气分离滤芯中滤纸展开面积约为０.２８ ｍ２。本次试验的测试仪器采用ＤＵＳＴＴＲＡＫ－Ⅱ气溶胶监测仪，并且在每个试验状态下取５组数据求平均值，以保证试验数据的可靠性。

第一步，把排气压力设置为８ｂａｒ，用仪器检测显示５次测试的压缩空气平均含油量为仅为０.６３１ｍｇ／ｍ３，见表１，此时的压缩空气含油量达到大多数厂家的合格标准。

第二步，把排气压力设置为５ｂａｒ，此时用仪器检测显示５次测试的压缩空气平均含油量为１.３９ｍｇ／ｍ３，见表２。可以看出，此时的压缩空气含油量也满足大多数厂家的合格标准，但是相对于排气压力为８ｂａｒ时增加了约１倍。

第三步，把排气压力设置为２.５ｂａｒ，此时用仪器检测显示５次测试的压缩空气平均含油量为８.４４ｍｇ／ｍ３，见表３。此时的压缩空气含油量已经超出了大多数厂家的合格标准。

３.２　实验结果分析

通常来说，造成压缩空气含油量主要原因有：油气分离系统中油气分离元件的损坏，润滑油变质等。但是根据上述实验第一步、第二步可以排除以上这些原因，因为在此实验中影响压缩空气含油量的因素只有排气压力，其余配置均相同。那么，我们就必须根据以上的试验参数，通过计算去找出低压环境下压缩空气含油量超标的原因。

螺杆压缩机的内压比εｉ，是指齿间容积的内压缩终了压力与吸气压力之比。通常压缩机主机在设计的时候内压缩终了压力会略小于排气压力，但是为方便计算，我们在设计试验过程中让内压缩终了压力等于排气压力。

排气压力不同会造成的容积效率、喷油量、内泄漏等因素的变化，但是这些因素对于计算结果影响不大且计算过于复杂，因此在计算时不考虑这些因素，同时在假设在试验中这３种排气压力下压缩机的容积效率均为为９０％。根据经验值，压缩空气在进入油气分离桶之前的流速要求是１５～２５ｍ／ｓ之间，压缩空气进入油气分离滤芯的速度应＜０.７ｍ／ｓ。

由式（１） 计算得出，当排气压力为８ｂａｒ时，εｖ＝４.４２，则此时排气口容积流量为２.０３ｍ３／ｍｉｎ，可以得出此时压缩空气进入油分桶的流速约为

１７.２ｍ／ｓ，通过油气分离滤芯时流速约为０.１２ｍ／ｓ。

当排气压力为５ｂａｒ时，εｖ＝３.１６，则此时排气口容积流量为２.８４ｍ３／ｍｉｎ，可以得出此时压缩空气进入油分桶的流速约为２４.１ｍ／ｓ，通过油气分离滤芯时流速约为０.１７ｍ／ｓ。

当排气压力为２.５ｂａｒ时，εｖ＝１.９２，则此时排气口容积流量为５.２１ｍ３／ｍｉｎ，可以得出此时压缩空气进入油分桶的流速约为３９.８ｍ／ｓ，通过油气分离滤芯时流速约为０.３１ｍ／ｓ。

通过对比以上计算结果可以看出，当使用相同的油气分离系统时，排气压力越低，压缩空气进入油气分离桶的速度会增加，压缩空气进入油气分离桶的速度越高，最终产出的压缩空气含油量也越高，当压力低到一定程度时，就会导致压缩空气进入油气分离桶的速度超过其使用要求，最终造成压缩空气含油量超标。

由此我们可以得出：在同等容积流量下，采用相同的油气分离系统，排气压力越低，压缩空气中含油量越高。想要解决这个问题，只需要通过计算压缩空气进入油气分离桶的速度，选用合适型号的油气分离桶就可以有效降低压缩空气含油量。

在此次的试验中，压缩空气的流速都满足油气分离滤芯的使用要求，且压缩空气进入油分桶的速度也不是固定值，所以在此次实验中暂时无法看出油气分离滤芯对压缩空气含油量影响有多大。

３.３　低压喷油螺杆压缩机含油量解决方案

针对以上试验以及结果分析，我们虽然找出了低压油螺杆压缩机排气含油量过高的主要原因，但是无法判断压缩空气通过油气分离滤芯的速度对压缩空气含油量有什么影响，所以我们需要进一步试验。在相同容积流量下，选用更大型号的油气分离

桶和滤纸展开面积不同的的油气分离滤芯进行试验，验证前面的观点是否正确，同时找出压缩空气通过油气分离滤芯的速度对含油量的影响。

这次试验，我们依然使用上面试验中使用的容积流量为１０ｍ３／ｍｉｎ喷油螺杆压缩机，综合考虑到空压机机箱尺寸以及经济效益，我们将油气分离桶更换为进气口管径为ＤＮ６５的油气分离桶，进气口截面积为１.９６×１０－３ ｍ３，同时分别选用滤纸展开面积约为０.４１ｍ２的油气分离滤芯和第一次试验使用的展开面积约为０.２８ｍ２的滤纸。因为在上面实验中，排压为８ｂａｒ、５ｂａｒ时，压缩空气含油量均达到了合格标准，为简化流程所以以下试验仅针对排压２.５ｂａｒ进行。

在试验之前，先计算以上配置是否合理，由式（１） 计算得出，当排气压力为２.５ｂａｒ时，εｖ ＝１.９２，则此时排气口容积流量为５.２１ｍ３／ｍｉｎ，可

以得出此时压缩空气进入油分桶的流速约为２３.４ｍ／ｓ，此流速满足油气分离桶的要求，说明该配置较为合理，可以进行试验。

试验开始：把排气压力设置为２.５ｂａｒ，首先使用滤纸展开面积约为０.２８ｍ２的油气分离滤芯，通过计算可以的得出通过油气分离滤芯时流速约为０.２８ｍ／ｓ，使用仪器检测显示５次测试的压缩空气平均含油量为３.６８ｍｇ／ｍ３，见表４。此时的压缩空气含油量满足大多数厂家的合格标准。

把排气压力设置为２.５ｂａｒ，首先使用滤纸展开面积约为０.４１ｍ２的油气分离滤芯，通过计算可以的得出通过油气分离滤芯时流速约为０.２１ｍ／ｓ，使用仪器检测显示５次测试的压缩空气平均含油量为２.３６ｍｇ／ｍ３，见表５。此时的压缩空气含油量相对使用滤纸展开面积约为０.２８ｍ２的油气分离滤芯时有明显的下降。

本次实验的结果不仅验证了第一次试验得出的结论是正确性，在低压应用的环境中，只要将压缩空气进入油气分离桶的速度控制在合理的范围内，就可以有效降低压缩空气的含油量。同时，通过试验对比我们可以看出：在同等条件下，油气分离滤芯的展开面积越小，压缩空气通过油气分离滤芯的流速越高，则最终得到的压缩空气中含油量越高。

４　降低喷油螺杆压缩机排气含油量

　　在前面的试验中，我们通过改变油气分离系统的配置来解决压缩空气含油量过高的问题，可以保证喷油螺杆压缩机无论在高压还是低压使用环境中都能保证满足出厂标准。但是在一些对于压缩空气含油量有严格要求应用领域，喷油螺杆压缩机的排气含油量依然达不到国家标准要求。为了达到更好的过滤效果，获得含油量更低、更洁净的高品质压缩空气。我们将通过分析，合理改进油气分离系统进行试验，找出降低压缩空气含油量的方法。

４.１　油气分离系统配置

想要进一步降低压缩空气含油量，首先必须分析压缩空气中所含的润滑油的物理状态，针对润滑油的物理状态进行合理配置，将润滑油分离出来。常规喷油螺杆压缩机最终排出压缩空气中所含的油都是直径１μｍ以下的微小油滴，以及气态的油蒸

汽，这种状态下的润滑油只有使用油气分离滤芯才能将其从压缩空气中分离出来。所以我们只需要在常规配置的油气分离系统内部再增加一层油气分离滤芯和回油管路，这样可以对压缩空气再进行一次过滤，可以有效降低压缩空气的含油量。

新配置的油气分离系统是一种三层过滤油气分离系统，该油气分离系统结构如图１所示。虽然在理论上来说，油气分离滤芯过滤层数越多，则最终过滤效果越好，但是过滤层数越多零件的加工制造难度也会增加很多，并且更多的油气分离滤芯在油

气分离桶内的空间也无法排布。多以使用双层油气分离滤芯是目前较为合理的一种选择。

为了验证以上理论的正确性以及实际油气分离效果如何，我们需要进行第３次试验，本次试验依然采用容积流量为１０ｍ３／ｍｉｎ的喷油螺杆压缩机，并且将排气压力设置为２.５ｂａｒ，因为前面试验已经得出：在同等配置下，排气压力越低则压缩空气含油量越高，所以只需要针对低压进行试验，就可以看出三层过滤油气分离系统的油气分离能力。

试验开始，将排气压力设置为２.５ｂａｒ，为保证数据准确性，本次试验取５组数据，见表６。可以看出，使用三层过滤油气分离系统之后，５次测试压缩空气平均含油量为０.０３８ｍｇ／ｍ３，最高含油量为０.０５８ｍｇ／ｍ３。

根据国家标准ＧＢ／Ｔ１３２７７－９１，本次试验当压缩空气的含油量小于０１ｍｇ／ｍ３，已经达到国家标准中含油量等级２级要求，这个等级的压缩空气除

了食品饮料加工，喷漆等极少的行业之外，其余大部分应用环境下都是可以使用的。

通过以上试验可以看出，增加一层油气分离滤芯可以有效降低压缩空气含油量。虽然在油气分离桶内部增加油气分离滤芯会遇到装配空间不足、装配难度过大等问题，但是考虑增加外部过滤系统这样也可以进一步降低压缩空气含油量。本次试验的目的是找出怎么改进现有油气分离系统可以降低压缩空气含油量，上面的试验已经可以得出结论，所以就不再进行进一步降低压缩空气含油量的试验。

５　结论

　　综合以上所有试验可以看出：

（１）使用同等配置的油气分离系统，喷油螺杆压缩机排压越低，则压缩空气的含油量越高。

（２）同等容积流量的压缩机在配置油气分离系统时，随着排气压力的变化，需要根据计算选用合理的油气分离桶。

（３）合理增加油气分离系统中油气分离滤芯的层数可以有效降低压缩空气的含油量。

参考文献：

［１］　邢子文．螺杆压缩机—理论、设计及应用［Ｍ］．西安：西安交通大学教材，２０１８．

［２］　李蔚蔚，高相家，秦滨．螺杆压缩机油气分离系统的设计与应用

［Ｊ］．合肥：合肥通用机械研究院，２００９．

［３］　项慧芬．喷油螺杆压缩机油气分离系统的改进［Ｊ］．压缩机技术，２０００．

［４］　褚晓东．螺杆压缩机油气分离器油气机理分析［Ｊ］．压缩机，２００７．

作者简介：冉鹏（１９８８－），男，陕西汉中人，助理工程师，本科，主要从事机械设计