黨修成

（中國船舶重工集團公司第七一一研究所，上海200072）

節(jié)流調節(jié)在螺桿壓縮機節(jié)能中的理論研究

黨修成

（中國船舶重工集團公司第七一一研究所，上海200072）

通過理論推導，分析了吸氣壓力對非固定容積比和固定容積比壓縮機的壓縮功率的影響，并提出了節(jié)流調節(jié)在不同類型壓縮機的適用條件，為節(jié)流調節(jié)在工藝無油螺桿壓縮機的應用提供了理論依據(jù)。

節(jié)流；螺桿壓縮機；內容積比；節(jié)能；調節(jié)

1　引言

螺桿壓縮機的調節(jié)方式主要包括：開停調節(jié)、滑閥調節(jié)、旁路調節(jié)、節(jié)流調節(jié)和變頻調節(jié)［1］。其中開停調節(jié)常見于中小型螺桿壓縮機中，如火炬氣螺桿壓縮機。這種方式容易對滑動軸承、密封組件（尤其是干氣密封）等部件造成損傷，在大型螺桿壓縮機中通常不予采用?；y調節(jié)是噴油螺桿壓縮機獨有的一種調節(jié)方式，能夠實現(xiàn)氣量的無級調節(jié)，通常用于制冷劑和空氣壓縮的場合。工藝無油螺桿壓縮機中，由于氣缸體缺乏必要的潤滑以及考慮雜質顆粒對滑閥的阻塞影響，一般不設置滑閥調節(jié)。旁路調節(jié)是一種耗能的調節(jié)，但由于調節(jié)的可靠性高，在工況穩(wěn)定的工藝中普遍采用。變頻調節(jié)則是一種節(jié)能的調節(jié)方式，波動工況采用較多，可由變頻的汽輪機、燃氣輪機和變頻電機實現(xiàn)。通常情況下，變頻調節(jié)的投資較大，但因其具備良好的操作經(jīng)濟性，在大中型螺桿壓縮機中應用較廣。

節(jié)流調節(jié)是利用閥門等裝置，通過降低壓縮機吸氣壓力，從而實現(xiàn)氣量調節(jié)的一種方式，由于氣體標方量與吸氣壓力成比例，有時也稱為比例調節(jié)。目前，工藝無油螺桿壓縮機的節(jié)流調節(jié)應用并不多，主要基于如下原因：

（1）從安全上考慮，大部分工藝氣為可燃易爆的氣體，在吸氣壓力較低的工況下，節(jié)流容易造成工藝氣負壓，導致空氣通過管道和管件的連接處泄漏至工藝氣中引起燃燒和爆炸危險［2］。

（2）從操作上考慮，某些工況下，節(jié)流會引起閥門等節(jié)流元件產(chǎn)生強烈振動［3］，影響壓縮機的正常運行。

（3）從節(jié)能上考慮，無滑閥的工藝無油螺桿壓縮機為固定內容積比，因此并非在任何工況下入口節(jié)流都可以實現(xiàn)節(jié)能的［4］。相對于非固定內容積比的壓縮機（如往復機）而言，其節(jié)流調節(jié)引起壓縮功率的變化存在較大差異，相關的研究表明，在部分工況下往復壓縮機的效率要高于螺桿壓縮機［5］。

上述前2個原因均可通過技術上的改進得以解決。但節(jié)能問題，需要進行理論的分析研究。本文通過對非固定容積比壓縮機、無油濕式和無油干式螺桿壓縮機在節(jié)流工況下的功率消耗與吸氣壓力的關聯(lián)關系，提出節(jié)流調節(jié)的適用條件。在此基礎上，分析了節(jié)流調節(jié)可能帶來的問題及相應的解決方法，為節(jié)流調節(jié)在工藝螺桿壓縮機的應用提供理論基礎。

2　理論研究

非固定容積比和固定容積比的p-V圖，如圖1所示。其中，圖中白色區(qū)塊加上點填充的總面積為節(jié)流前功耗，而白色區(qū)塊加上斜線填充的總面積為節(jié)流后的功耗。實際所能節(jié)約的功率為點填充面積減去斜線填充面積。無論是非固定容積比，還是固定容積比，點填充的面積與斜線填充的面積的大小關系并非為直觀確定的關系，因此需要進行公式計算才能推導出其中的關系。

圖1　節(jié)流功耗圖

2.1非固定容積比壓縮機的節(jié)流分析

非固定容積比壓縮機（如無余隙容積的往復機）在不考慮氣閥損失、容積損失和余隙容積的影響，其壓縮功率過程可按照絕熱壓縮過程進行計算，如下

式中Pad-r——非固定容積比壓縮機的壓縮功率

k——氣體絕熱指數(shù)

ps——吸氣壓力

Qv——理論容積流量

pd——排氣壓力

為考察功率對吸氣壓力的影響，對吸氣壓力ps進行一階和二階求導。所得結果如下

式中ps-t為非固定容積比壓縮機節(jié)能調節(jié)的分界吸氣壓力，顯然該吸氣壓力與排氣壓力和氣體的絕熱指數(shù)有關。對公式（1）進行二階求導

可知，ps-t為Pad-r的極大值，即吸氣壓力為ps-t值時，壓縮機消耗的功率最大，ps-t將節(jié)流的功率分為2個分界如圖2（a）

圖2　節(jié)流調節(jié)性能圖

（1）當實際的吸氣壓力ps∈（0，ps-t）時，節(jié)流引起吸氣壓力降低能夠起到節(jié)能的效果；

（2）ps∈ps-t，pd時，節(jié)流引起吸氣壓力降低起到耗能的效果。

2.2無油濕式螺桿壓縮機節(jié)流分析

無油螺桿壓縮機為固定容積比，通常稱為內容積比，其大小是由于壓縮機的轉子和氣缸體共同構成。由于未采用滑閥調節(jié)，內容積比的大小在壓縮機的建造時已經(jīng)確定，實際運行時無法進行改變。

無油螺桿壓縮機的壓縮功率計算比較復雜，需要做相應的簡化：（1）所壓縮的工藝氣為理想氣體；（2）壓縮過程為絕熱過程；（3）不考慮壓縮過程的局部阻力損失。實際上，無油噴液螺桿壓縮機中，由于液體很難做到非常精細的霧化，在較高的轉速下，氣液接觸時間短，難于實現(xiàn)充分的傳熱。相關的研究表明，螺桿壓縮機的實際過程更接近于絕熱過程。螺桿壓縮機的壓縮功率如下

式中Pad-s——螺桿壓縮機壓縮功率

pf——壓縮終了壓力

εv——內容積比

其中方程的第一部分為吸氣壓力至內壓縮終了時的絕熱功，第二部分為壓縮終了至排氣壓力時，由于壓力差造成的額外功。

終了壓力與內容積比的關系如下

根據(jù)式（5）和式（6）對壓縮機的吸氣壓力進行求導，結果如下

根據(jù)上述關系，可求得

式中εv-t——可節(jié)流節(jié)能的最小內容積比

顯然εv-t只與氣體的絕熱指數(shù)k有關，而與工況無關。

因此可知，工藝無油螺桿壓縮機的節(jié)流應分以下3種情況圖2（b）。

（1）當εv>εv-t，壓縮功率Pad-s隨吸氣壓力ps的降低，單調遞減，此時節(jié)流可實現(xiàn)壓縮機的節(jié)能操作，并且εv離εv-t越大，節(jié)能效果越明顯；

（2）當εv=εv-t，壓縮功率Pad-s隨吸氣壓力ps的降低，保持不變，此時節(jié)流對壓縮機的功率沒有影響；

（3）當εv<εv-t，壓縮功率Pad-s隨吸氣壓力ps的降低，單調遞增，此時節(jié)流反而引起壓縮機功耗的增加，并且εv離εv-t越小，耗能效果越明顯。

以空氣為例，由于k=1.4，計算相應的εv-t為2.3。則實際內容積比εv>2.3時，則節(jié)流調節(jié)可以實現(xiàn)節(jié)能，反之亦然。這與文獻［4］的結論一致。同時相關文獻［6］的實驗結果也驗證了這一結論，見圖3。根據(jù)氣體絕熱指數(shù)k的范圍，可知εv-t∈［2.2，2.7］區(qū)間范圍內，k越大，相應的εv-t越小。

從圖2可以看出，非固定容積比（如往復壓縮機）和固定容積比（如無油螺桿）壓縮機的節(jié)流調節(jié)性能存在較大差異。

圖3　壓縮功率與吸氣壓力的關系

2.3無油干式螺桿壓縮機節(jié)流分析

無油濕式螺桿可通過控制冷卻液的注入量，實現(xiàn)對排氣溫度的控制。即使節(jié)流造成的效率下降，氣體排氣溫度升高，仍可利用冷卻液保護壓縮機，不會影響壓縮機的正常運行；另一方面，無油干式螺桿壓縮機除了與濕式螺桿壓縮機面臨同樣的節(jié)流節(jié)能問題，本身還面臨效率問題。在缺乏冷卻液的情況下，效率的下降引起排氣溫度的升高，容易造成壓縮機轉子和汽缸體的膨脹而出現(xiàn)咬合和擦缸風險。因此，無油干式螺桿壓縮機的節(jié)流節(jié)能調節(jié)，一方面需滿足容積比大于的條件；另一方面還需防止節(jié)流后氣體的密度下降，導致質量流量變少而排氣溫度變化的風險。為此需要考察排氣溫度與吸氣壓力的關系。假設在這一過程中，容積效率保持不變，則螺桿壓縮機的排氣溫度滿足如下關系式

式中ηv——容積效率

Cp——定壓比熱容

Rg——氣體常數(shù)

經(jīng)過化簡運算后，求得

根據(jù)上式可知排氣溫度隨著吸氣壓力的降低而增加。一般情況下，吸氣壓力下降的情況下，還可造成壓縮機容積效率的下降，二者共同作用，排氣溫度將進一步升高。因此，干式螺桿壓縮機采用節(jié)流調節(jié)，雖然在較大內容積比的情況下可實現(xiàn)節(jié)能調節(jié)的目的，但將引起壓縮機排氣溫度的升高。因此，可調節(jié)的范圍較窄，甚至不可用。

3　節(jié)流調節(jié)可能存在的問題及解決方法

如上所述，節(jié)流調節(jié)主要存在的問題是：（1）導致管路負壓，造成空氣內漏；（2）造成節(jié)流機構振動；（3）引起排氣流量的減少，噴液導致出口柱塞流，而引起振動。

針對上述問題，系統(tǒng)上應做如下改進：（1）為減少空氣內漏風險，節(jié)流機構應盡可能靠近壓縮機的入口，并減少節(jié)流機構與壓縮機之間的連接管件，在某些的情況下，可采取在連接件外做液體或氣體密封夾套的防護措施；（2）為避免節(jié)流機構的振動，可采用多級節(jié)流的防振閥門，控制每一級的節(jié)流壓比在臨界壓比以上，（3）為防止出口出現(xiàn)柱塞流，應采用下排氣的殼體，在氣液分離之前應避免兩相流的爬升。

4　結論

節(jié)流調節(jié)是工藝螺桿壓縮機除變頻調節(jié)方式以外的另一種氣量調節(jié)手段，在滿足一定的條件下，可實現(xiàn)較好的節(jié)能操作。相對于變頻調節(jié)，節(jié)流調節(jié)系統(tǒng)簡單、占地小、投資少。此外，節(jié)流調節(jié)不改變轉子的齒頂速度，在某些條件下甚至能夠保證較高的效率。因此可作為工藝螺桿壓縮機的現(xiàn)有氣量調節(jié)方式的一種補充。

［1］林德.螺桿壓縮機［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1986.

［2］邢子文.螺桿壓縮機——理論、設計及應用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2000.

［3］郁翠菊，徐樹風.噴油螺桿壓縮機的調節(jié)［J］.流體機械，2002，30（5）：43-44.

［4］Sjoholm L.Variable Volume-Ratio and Capacity Control in Twin-Screw Compressors［J］.International Compressor Engineering Conference，1986：494-508.

［5］Brendeng1 E.Reciprocating Compressors or Screw Compressors［J］.International Journal of Refrigeration，1979，2（3）：163-170.

［6］Wennemar J.Dry Screw Compressor Performance And Application Range［C］.Proceedings of The Thirty-Eighth Turbomachinery Symposium.Houston：Turbomachinery Laboratory，2009.

Theoretical Study on the Screw Compressor Energy-saving Control by Throttling

DAND Xiu-cheng
（Shanghai Marine Diesel Engine Research Institute，Shanghai 200072，China）

The effect of suction pressure on the compression power of unbuilt-in and built-in volume ratio of compressor was analyzed through theoretical deducing.The applicable conditions of throttling were pointed out for the energy-saving control of different types of compressors.The result provides a theory base for the application of throttling in the process oil-free screw compressors.

throttling；screw compressor；volume ratio；energy-saving；capacity control

TH455

A

1006-2971（2015）02-0006-04

2014-09-23