陸君君 LU Jun-jun；王永健 WANG Yong-jian

（杭州辰?？辗衷O(shè)備制造有限公司，杭州 311400）

0 引言

當前經(jīng)濟快速發(fā)展，空壓機的需求廣泛，但其類型不止一種。為防止設(shè)備選購失當，要提前對其特性進行了解。本文旨在通過精簡的介紹使得相關(guān)人員快速了解空壓機的工作原理、最適宜工作場景等，以此來節(jié)約企業(yè)的前期準備時間，少走彎路，減少企業(yè)運營成本，提高經(jīng)濟效益。

1 空氣壓縮機工作原理

1.1 空氣壓縮機的工藝流程

空氣壓縮機系統(tǒng)的主要設(shè)備有空氣過濾器、空氣壓縮機組、油箱、冷卻器等。[1]其工藝流程如圖1所示。目前，應(yīng)用得最為廣泛的是離心式壓縮機。在該系統(tǒng)中，空氣壓縮機工作流程如圖1。

圖1 空壓機壓縮工藝流程

①因為在空氣中存在顆粒、灰塵及其它雜質(zhì)，這些物質(zhì)如果進入空壓機會將其損壞，所以要先經(jīng)過過濾器，過濾之后達到清潔度要求，方可進入空壓機內(nèi)部。這樣處理之后，在導(dǎo)流管與葉片之間的磨損就不會因異物進入而加劇磨損，水冷器的表面也不會被雜質(zhì)污染，導(dǎo)熱系數(shù)也不會被破壞。

在空分裝置中，過濾器一般有濕式、干式兩類。在實際運行過程中，通常將濕式、干式兩種過濾器進行串聯(lián)之后再使用。這樣可明顯將過濾效果提升。需要注意的是濕式過濾器在前，干式過濾在再后，效果更好。

②通過過濾器處理的干凈空氣最后進入空壓機，機器的葉輪會高速旋轉(zhuǎn)，葉輪周邊空氣被它帶動，之后氣體的速度提升，壓力提升。

③經(jīng)過壓縮之后的高壓氣體之后會進入擴壓器，在這里，氣體的速率降低，壓力升高。在空分系統(tǒng)中所使用的離心壓縮機在通常情況下是使用多個葉輪的，經(jīng)過多個葉輪的逐級壓縮，最終將氣體壓力提高至預(yù)定值。

在空氣壓縮的過程中，不僅僅是提高壓力，其溫度也隨之攀升。這個過程必然會與外界產(chǎn)生熱交換，交換的過程中一部分能量會被浪費，那么壓縮機的整體工作效率也會被拉低。為解決這個問題，引入水冷器設(shè)備。水冷器對于降低氣體溫度十分有效，對提升空壓機的效率很有幫助。在系統(tǒng)工作過程中離不開潤滑油的作用，油箱會一致提供。經(jīng)過多次壓縮處理的空氣最終會被送入氮氣預(yù)冷器，在這里經(jīng)過冷卻之后，即可輸出到下一設(shè)備使用。[2]

1.2 空壓機系統(tǒng)參數(shù)及工作原理

1.2.1 空氣壓縮機控制方法

在正常工作時，空壓機系統(tǒng)控制部分主要由2部分組成：出口壓力的恒流控制或恒壓控制、空壓機啟/停控制。

恒流控制/恒壓控制：控制系統(tǒng)在正常工作時，遇到壓縮機壓力或流量出現(xiàn)波動的情況，進行空壓機出口處壓力或流量的穩(wěn)定工作。采取的措施主要由：進出口流量調(diào)節(jié)、變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。

①進口流量調(diào)節(jié)是有固定轉(zhuǎn)速的離心壓縮機所采用的常用調(diào)節(jié)方法，該種方式的操作相對簡單，調(diào)節(jié)范圍也較廣，花費亦不算太大。

②變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)有點是調(diào)節(jié)范圍最大，花費最低。它的缺點是不確定性較大，對于要求較高的應(yīng)用環(huán)境并不適用。

在具體的應(yīng)用環(huán)境中，使用恒流控制或恒壓控制一定要根據(jù)所處的工況來進行選擇，選取與工況相匹配的方式?？刂频氖滓繕耸侨肟趯?dǎo)葉片的開度，這是無論哪種控制方法都必須遵循的。不同的是，在恒流控制中，空壓機出口處壓差的大小決定入口導(dǎo)葉片的開度，但在恒壓控制中，空壓機出口壓力決定入口導(dǎo)葉片的開度。在大型的空分系統(tǒng)中，通常會選擇恒壓控制。

在空壓機工作系統(tǒng)的控制部分，除了上述兩種主要控制外，還有其他類型的控制，比如空壓機正常啟動時或發(fā)生事故時的保護控制，空壓機電機電流過載保護控制，自動加載、卸載的控制等。這些控制的存在，都為機組的正常運行增加了助力。

1.2.2 空氣壓縮機參數(shù)

當前市場上，空壓機的主要性能一般是：排氣壓力、流量、工作效率、工作轉(zhuǎn)速功率等。這些工作參數(shù)詳情如下：

①流量。容積流量和質(zhì)量流量是常用的兩種流量表示方法。在固定式壓縮機中，較多使用容積流量，在移動式壓縮機中較多使用質(zhì)量流量。壓縮機的通流能力大小通常用進氣容積流量表示，單位為m3/min。在石油、化工、空分等相關(guān)行業(yè)中，使用的則是容積流量（標準狀況下），其單位為m3/h。在不同的應(yīng)用領(lǐng)域，需要使用不同的壓縮機。由于供氣量所需大小不同，在實際工作過程中，還要根據(jù)工藝的需求來進行適宜的調(diào)節(jié)。

②轉(zhuǎn)速。該參數(shù)的單位為r/min，所指的是空壓機中轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度?？諌簷C的能耗會受到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的很大影響。

③出口壓力。通常情況下，出口壓力指的是空壓機設(shè)備的排氣壓力。在空分系統(tǒng)中，該壓力的單位一般為MPa。出口壓力是空壓機中尤其重要的一個參數(shù)。所需排氣壓力越大，那么對于設(shè)備的選擇也愈加苛刻，設(shè)備中的各零部件都要質(zhì)量過硬，強度與剛度都要符合一定要求，如此一來，購置成本也會大幅上升。

④功率。該參數(shù)的單位為kW，指的是驅(qū)動壓縮機時，驅(qū)動機、軸的功率等。

⑤效率。該參數(shù)是指空壓機的輸出氣體有效功率數(shù)值跟壓縮機軸耗功率數(shù)值相比，而得出的數(shù)據(jù)。

在壓縮機的銘牌上，上述這些參數(shù)都會明示標出，而且空壓機的工作壓力、工作溫度、相對濕度等相關(guān)參數(shù)的進氣條件以及氣體介質(zhì)等也要標明?？諌簷C的出口處壓力是其壓力控制部分系統(tǒng)的重要參數(shù)，該參數(shù)對空壓機的效率、工作性能影響十分重大，直接決定空壓機出口處壓力控制性能的優(yōu)劣。

1.2.3 空氣壓縮機工作原理

空壓機系統(tǒng)流程在實際生產(chǎn)中一般是二級壓縮過程，其壓縮指數(shù)介于1-1.5之間。多級空壓機對空氣進行壓縮后，從理論上看，其排氣溫度是非常高的。但在通常情況下，機器的最終排氣溫度不得超過額定值，即不大于155℃-175℃，所以，在工作過程中，會在各級之間使用冷卻器進行降溫，等溫度降下來之后，氣體才可送往下一級進行進一步的壓縮。兩級之間的出口壓力差值決定著壓縮溫度的高低，該差值與溫度成正比，即差值越大，溫度越高。溫度又影響空壓機的容積效率，因此，中間冷卻器在空壓機系統(tǒng)流程中的應(yīng)用必不可少。

綜上所述，使用多級空壓機，從第一級開始，往高級輸送的氣體被逐級壓縮，在兩級之間裝設(shè)冷卻裝置進行降溫，以避免過高溫度的氣體流向下一層，如此一來，可將機器的運行環(huán)境進行改善，可將氣體的比容縮小。

如圖2所示，將排氣、吸氣的過程都假設(shè)在恒壓控制之下，把曲線圖分成3部分來進行詳細分析。曲線123455’61為第一部分，曲線123456’’1為第二部分，12345’P31為第三部分。第一部分是中間冷卻過程，是空壓機的二級壓縮。第二部分是空壓機的單機壓縮。第三部分是空壓機的定溫壓縮。

圖2 空壓機兩級壓縮原理圖

在低壓吸氣過程中，低壓缸進氣閥門會打開，此時的氣源處于平穩(wěn)不變的狀態(tài)，隨著活塞的向右運動，氣體的體積慢慢變大，在圖2中用3-4線段表示低壓吸氣過程。

在低壓氣缸壓縮氣體的過程中，進出閥門都是處于關(guān)閉狀態(tài)的。此時的活塞會向左發(fā)生移動，氣體的體積隨之縮小，其壓力隨之變大。在圖2中用4-5線段表示低壓氣缸中氣體的壓縮過程。

在低壓氣缸向中間冷卻器排氣過程中，由于低壓缸已達到預(yù)定壓力值，出口閥門則被打開，此時的氣壓保持不變。氣體的體積隨著排氣動作而慢慢變小，在圖2中用5-2線段表示該過程。

氣體在壓縮冷卻設(shè)備中的冷卻過程用5-5’表示，在該階段，其壓力也是不變的。

將中間冷卻器的排氣過程與高壓缸的吸氣過程中間產(chǎn)生的能量損失忽略不計后，兩條線重合，在圖2中用2-5’表示。[3]

在中間設(shè)置有冷卻器的情況下，氣體在高壓氣缸中被壓縮時，高壓缸的進出口閥門處于關(guān)閉狀態(tài)，此時狀態(tài)與低壓缸相近。當活塞向左移動，氣體的體積縮小，壓力變大，在圖2中用5-6’表示。

在中間設(shè)置冷卻器的情況下，氣體從高壓氣缸被排出時，高壓缸的出口閥門處于打開狀態(tài)，當活塞向左移動，此時壓力保持恒定，隨著氣體被排出，其體積會慢慢變小。

在空氣壓縮機中使用多級壓縮流程，在每級之間使用熱交換器等裝置進行降溫，其優(yōu)點如下：

①最終排出的氣體溫度較低。因為使用一級壓縮的話，雖然其空壓機成本低、結(jié)構(gòu)簡單，但自出口排出的氣體溫度偏高，使用了多級壓縮流程后，經(jīng)過中間冷卻的環(huán)節(jié)，使得最后排出的氣體產(chǎn)品溫度適宜。

②能量消耗較低。由圖2空壓機兩級壓縮原理圖可推斷出，如果壓縮機采用的壓縮方式為單級壓縮，那么123456’’1曲線所圍成的面積即為它消耗的功。如果壓縮機采用的壓縮方式為兩級壓縮，中間冷卻的方式，那么23452區(qū)域、125’61區(qū)域的面積之和則為其所消耗的功。等溫壓縮所耗的功為12345’P31的面積。兩者相比，等溫壓縮所耗的功較小。等溫壓縮只是一種理想狀態(tài)，在實際工作中，只要氣體被壓縮，熱量必然會產(chǎn)生。邊壓縮邊控制為恒溫的狀態(tài)很難達到，成本太高并不適用于生產(chǎn)實際。因此，多級壓縮，中間冷卻的方式為當前生產(chǎn)實際所能達到的最佳方式。

從圖2中可得知，空壓機級數(shù)與中間冷卻器數(shù)量成正比。經(jīng)過數(shù)次壓縮升溫之后又冷卻的過程，所節(jié)省的功亦越多。而且會將壓縮過程變?yōu)闊o限趨于定溫工作狀態(tài)壓縮。

2 空氣壓縮機的分類

空氣壓縮機是一種機械裝置，它作為空分裝置的關(guān)鍵組成部分，承擔(dān)著將空氣壓縮之后輸送給別的設(shè)備的任務(wù)。沒有空氣壓縮機的參與，空分設(shè)備無法接受原料空氣，沒有空氣壓縮機，制冷裝置、降溫設(shè)備也無法正常使用。[4]

2.1 按使用用途分類

在我國國民經(jīng)濟的諸多領(lǐng)域中，如電力、礦山、化工、制冷等部門，空壓機早已被大面積應(yīng)用?？諌簷C是高壓氣體制造的核心裝備，按用途可分為以下四類：

①便于運輸：空壓機可將氣體壓縮，使得氣體便于運輸，節(jié)省成本。經(jīng)過空壓機的處理，氣體被壓縮為高壓氣體，體積大大減少，從而能裝入便于運輸?shù)娜萜髦?，大大?jié)約運輸空間，十分方便。

②用作傳力介質(zhì)：氣體可傳遞相當巨大的力來做功，所以空壓機壓縮的空氣可用作傳力介質(zhì)，這是氣壓的傳動原理。

③利于化學(xué)反應(yīng)：空壓機可為諸多化學(xué)反應(yīng)提供壓縮的高壓氣源作為實驗原料。因為其可助于某些化學(xué)反應(yīng)能進行得更好，氣體中存在的離子能更好地重組為分子。

④用于空分裝備：作為空分裝置不可或缺的組成部分，空壓機對于空分工作十分重要。在空氣中，主要成分是氮氣、氧氣。其中氧氣含量高達20%。在工業(yè)制氧中，可利用空分系統(tǒng)對其進行液化分離。

2.2 按設(shè)備類型分類

在空分設(shè)備中，當前最常見的空壓機有三類，分布為活塞式空氣壓縮機、透平式空氣壓縮機、螺桿式空氣壓縮機。

2.2.1 活塞式空壓機

活塞式空壓機的應(yīng)用環(huán)境為流量不大，但所需壓力很高的情況。在制冷行業(yè)，活塞式空壓機應(yīng)用廣泛。在使用過程中，活塞式空壓機的電機運轉(zhuǎn)會在定子中產(chǎn)生交流電，交變電流會產(chǎn)生磁場而帶動轉(zhuǎn)子進行旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子、曲軸采取過盈配合的方式。曲軸會在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的帶動下也進行運動。這是通過曲軸連桿機構(gòu)活塞在氣缸中便能實現(xiàn)往復(fù)運動。在這一系列動作后，氣缸的氣體也隨之被壓縮，最終空壓機的排氣壓力增加。

2.2.2 透平式空壓機

透平式壓縮機的應(yīng)用環(huán)境為流量大，但相對壓力要求不高的情況。該類機型在工作中利用的是機械旋轉(zhuǎn)。在葉輪高速旋轉(zhuǎn)過程中，產(chǎn)生離心力，在它作用下，氣體從葉輪中心處吸入，之后順著葉片與葉片中間的通道移動，并最后流向葉輪的邊緣處。[5]氣體在葉輪邊緣的速度在變快，氣壓力也增大，此時在氣體通道中高速流出，之后它進入擴壓器通道，處于該位置的氣體速度變小，壓力變大，此時的動能會轉(zhuǎn)化為壓力能。最終擴壓器中出來的氣體會進入到蝸室輸出。[6]

透平式空壓機也是一種常見機型，因為性質(zhì)、運動結(jié)構(gòu)的不同，該機型還細分為軸流式空壓機、離心式空壓機兩類。

①軸流式空壓機的流量很大，效率也高，但缺點是易磨損、消耗較大。該機型在工作過程中，葉片高速旋轉(zhuǎn)，此時軸向流入的氣體便被導(dǎo)流至導(dǎo)葉中而進行擴壓。該機型的工作適用范圍不大，因為它的排氣壓力并不太穩(wěn)定，難以控制。事實上，在國內(nèi)一般都較少用到該機型，除非壓縮氣體消耗大戶，否則不會想到安裝該類型的空壓機。

②離心式空壓機所產(chǎn)生的壓縮空氣質(zhì)量好，對于市面上絕大部分的大型空分裝備都適用，所以該類型的空壓機應(yīng)用最為廣泛。它的葉輪進氣管、蝸室等部件是重要組成部分。扛起經(jīng)過引流作用，進入其進氣管后會逐漸進入葉輪。葉輪在工作過程中是高速旋轉(zhuǎn)的，旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力，氣體在離心力作用下被甩出。位于葉輪邊緣的氣體速度會提升，然后進入蝸殼。在蝸殼內(nèi)，之前進入的高速氣體會轉(zhuǎn)化為高壓氣體，最終被空壓機排出進入下一環(huán)節(jié)。

2.2.3 螺桿式空壓機

螺桿式空壓機的應(yīng)用環(huán)境為低壓層面。該種類型的空壓機流量介于活塞式空壓機與透平式空壓機之間。螺桿式空壓機本質(zhì)上是一種容積式的空氣壓縮機，主要組成部分有：機體、一對同步齒輪、主動轉(zhuǎn)子以及從動轉(zhuǎn)子（可互相嚙合）。在實際運行過程中，嚙合齒輪在持續(xù)運轉(zhuǎn)，空氣也在持續(xù)被壓縮，被排出，整個過程不中斷、是連貫的，因此最終產(chǎn)出的壓縮氣體也是連貫的。

3 結(jié)束語

綜上所述，本文對空氣壓縮機工藝流程、參數(shù)、工作原理逐一進行了闡述與分析，指出不同類型空壓機的最適宜場景，希望對相關(guān)行業(yè)人員加強空壓機方面的了解、設(shè)備的選購及使用等方面有所幫助。