两级压缩可以取代单级压缩吗？

本文主要从喷油螺杆空压机对1级能效限定值的绝热效率需求值去分析主机对空压机节能的影响，并运用绝热效率来揭示单级压缩和两级压缩节能的秘密。

 

 

一、空气压缩机的绝热效率

 

什么是空压机的绝热效率呢？

 

1.首先我们需要了解压缩空气工作原理

 

空气具有可压缩性，经空气压缩机做功使其体积缩小、压力提高后获得压缩空气。

 

根据热力学第一定律，一个封闭系统的总能量总是守恒的，空气压缩机通过外力作用把机械能或热能转换为压缩空气的压力势能。

 

对于气体，在微观上个别分子运动规律很难观察其规律，但宏观上大量分子集体效应的物理量，如：气体的体积、温度、压强等等则可以研究其状态变化而获取其规律。于是我们在压缩空气理论计算时引入“气体状态方程”。该状态方程表示压力、容积与温度之间的相互关系。在一个密闭环境中，当一个参数变化时，至少会导致其他两个参数中的一个参数发生变化。（见公式(1)）。

我们通常使用P-V图来描述空气压缩机工作过程。如果我们有日常生活用打气筒给自行车轮充气经历，就很容易理解空气的压缩有四个过程：等容过程（容积不变）、等压过程（压力不变）、多变过程（容积、压力、温度变化），（见图1）。

 

 

图1的2-1过程就是空压机压缩的过程，通常分为：等温压缩（温度不变）、绝热压缩（与周围没有热交换）、 多变压缩（与周围产生热交换）。（见图2）

 

 

从图2中我们知道，1-2-3-4为空压机工作的四个过程，其围成的面积就是其消耗的能量（作功）。其中等温压缩作功最小（1-2’-3-4），绝热压缩作功最大（1-2”-3-4），多变压缩均处于两者之间（1-2-3-4）。但是在实际压缩过程中，由于空压机运行既不可能做等温压缩（进气温度-压缩温度-排气温度不变），也不可能做到绝热压缩（空气与周围没有热交换）, 因此介于两者之间的多变压缩过程就是最常见的喷油螺杆压缩机的压缩过程（干式无油螺杆为绝热压缩）。

 

由于螺杆空压机主机内部在压缩过程中会产生热量，气体的温度会上升很快，而主机受到喷油量的限制及热交换的不充分，空气往往在排气口才能与油温中和，所以在理论上研究主机压缩时向绝热压缩靠拢比等温压缩更准确。在空压机主机轴功率计算时一定是先用绝热压缩理论来进行推导，然后再通过实验手段论证其绝热效率值，从而获得满意的空压机比功率值。

 

2.绝热效率

 

绝热效率ηad就是等熵绝热所需要的主机轴功率Pad与空压机实际轴功率P轴的比值，计算公式见公式（2）：

 

ηad = Pad/ P轴       ——公式（2）

 

我们先了解绝热效率的含义：

 

①由于空压机压缩耗能主要在主机，所以研究绝热效率就是研究主机的性能；

②绝热效率可以理解为空压机中空气被压缩后与前所含能量的比值，体现空压机压缩前后能量利用的完善程度;

③比值（绝热效率）越接近（比值为1）说明该空压机的性能越好，反之则空压机的性能较次；

④压缩比增高必然需要更多地能量消耗，比值（绝热效率）必然会随着压比的增高而增高，同时容积效率降低，比值（绝热效率）也会增大；

⑤另外，当比值（绝热效率）越大，空压机越难实现。反之，就越容易制造。

 

 

3.绝热效率对喷油螺杆空压机节能影响

 

相同的机头型线和加工精度，单级压缩和2级压缩结果有什么不一样的表现呢？我们可以从绝热效率的理论分析：

 

同样排气压力为7bar，单级压缩主机压比为8：1；两级压缩主机头压比为2.8：1。从容积效率来看，压比增大，绝热效率值下降。（见图4）

 

 

我们可以通过绝热压缩理论计算来看。

等熵绝热压缩主机轴功率计算：

 

 

Pad-压缩机主机的等熵绝热功率

Ps-压缩机的吸气压力（MPa）

Pd-压缩机的排气压力（MPa）

qv-压缩机的实际容积流量（m3/min）

k-被压缩气体的等熵指数（空气=1.4）

空气压缩机主机绝热效率计算：

 

ηad = Pad/ P轴         ——公式(4)

通过公式（3）和（4）计算方法，我们按GB 19153—2019《容积式空气压缩机能效限定值及能效等级》中1级能效限定值来计算出单级压缩和两级压缩时主机所需的绝热效率需求值并比较分析（见表1）。

 

 

③从表1可以看出：

a)大容积流量比小容积流量需要更高的绝热效率需求值，比如：22kW单级为73.96%，两级为63.06%；75kW单级为80.23%，两级为68.4%；

b)在1级能效限定值下，两级压缩绝热效率需求值比单级压缩绝热效率需求值小，这意味着，达到1级能效，两级压缩比单级压缩更容易实现。比如：250kW单级为86.06%，两级为73.37%。

 

 

二、单级压缩与两级压缩

通常来说，低压力比，大中容积流量的空压机绝热效率ηad=0.75～0.85；高压力比，小容积流量的空压机绝热效率ηad=0.65～0.75。在目前螺杆空压机设计与制造水平下，主机绝热效率ηad>0.85几乎不可能。因此，在某些1级能效限定值对应的单级压缩绝热效率需求值在单级压缩螺杆空压机中几乎“不可能达到”（90kW以上绝热效率需求值都超过85%以上）。而在这些1级能效限定值对应的两级压缩绝热效率需求值却很低（绝热效率不超过75%），反而容易达到设计与制造。这就是从绝热效率的角度解释为什么两级压缩比单级压缩节能的原因。

 

 

从图5可以看到：90kW就是单级压缩的分水岭，大于90kW单级压缩螺杆空压机要达到1级能效非常困难。这就是为什么在市场上绝大多数品牌的空压机在单级压缩90kW以上的工频机很少能达到1级能效。这与现有的技术条件下主机的设计和制造有相当大的关系。

 

 

然后，再看图6所示，1级能效两级压缩绝热效率需求值比单级压缩绝热效率需求值低13%左右，且都低于85%，在目前螺杆空压机设计与制造水平下，非常容易实现。但是现实中大多数情况差距并没有这么大，是由于对于二次进气温度控制受到机头连接方式限制，大多数两级压缩是一级压缩后直接进入二级压缩，只是在中间喷油冷却，使得二级进气温度不够低（露点和容积效率限制），把两级压缩变成两段压缩，绝热效率值打了折扣。

 

在现有的技术和制造水平，相同排气压力及机组功率下，由于两级压缩主机在压缩比﹑二级进气温度（大多数两级压缩主机通过中间喷油冷却，使得二级进气温度=1级排气温度-8℃）、容积效率比单级压缩更优，绝热效率需求值降低10%左右是不难的事情，从而更容易达到1级能效限定值。

 

因此针对单级压缩已经很高的绝热效率（如在大功率或高压力机组中），进一步提高绝热效率难度很大，因此采用两级压缩是提高机组能效是最佳方法，特别是在国内主机的技术和制造水平不占优势的情况下实现弯道超车，也是当今市场普遍的操作。

 

 

三、两级压缩可以取代单级压缩吗？

 

在GB19153-2019《容积式空气压缩机能效限定值及能效等级》中能效限定值要求进一步降低，市场中200kW以下的两级压缩比功率值已经接近标准值了，优势不是那么明显的情况下，两级压缩主机可以通过系统设计，把“伪”两级（两段）压缩变成正真的两级压缩应该是下一阶段的技术变革。

 

在市场中为什么在大单、高利润、优质客户面前盲目推销两级压缩不一定好使呢？

 

 

首先要了解客户对螺杆空压机真正需求，客户购买空压机是为了赚钱，而不是省钱。选择单级或两级压缩，要根据客户的需求。片面强调两级压缩节能效果而牺牲可靠性，稳定性，耽误比节能更多时，可能省下来的不如赔的多。

 

从经济和节能综合考虑，建议在90kW 以下机组可采用单级压缩，而追求1级能效的90 kW以上机组则可以采用两级压缩。这将有助于提高机组能效，降低成本，提高稳定性。但是前提是帮助客户先开源，然后才是节流。不能把顺序搞反了。

 

 

笔者一直推崇：压缩空气系统节能才是真正的节能，单一推销永磁变频、两级压缩、工业物联，都是“同质化销售”的误区，与95%的竞争对手的销售方法雷同，无法脱身价格战。

 

因此深入了解“绝热效率对喷油螺杆空压机节能影响”不仅能在理论上支持我们空压机设计制造为什么节能，如何做节能及挖掘节能的潜力，而且还可以在激烈的市场竞争中占得先机。学习理论，领先同行！