空氣壓縮機(jī)作為四大動(dòng)力源之一的空氣供應(yīng)設(shè)備，在機(jī)械制造、石油化工、食品醫(yī)藥、電子制造、交通基建等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，是最為重要的通用設(shè)備之一。然而，國(guó)內(nèi)很多壓縮機(jī)用戶對(duì)空壓機(jī)的節(jié)能概念并不是很重視，認(rèn)為只要設(shè)備性能穩(wěn)定可靠即可，其它是次要的，在壓力、排氣量達(dá)標(biāo)之后，往往將購(gòu)機(jī)價(jià)格放在優(yōu)先考慮的地位。
其實(shí)實(shí)際情況并非如此，空壓機(jī)作為用電大戶，空壓系統(tǒng)電能消耗占工業(yè)用電量的8~10%左右。2020年全國(guó)工業(yè)用電50297億度，空壓機(jī)耗電量取中間值約為4526億度，其中有效能耗只占66%，其余34%的能量(約1539億度電)被白白浪費(fèi)掉，空壓系統(tǒng)的節(jié)能亟待高效開展。另有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，在空壓機(jī)的整個(gè)生命周期中(噴油螺桿空壓機(jī)一般在8-10年左右)，設(shè)備購(gòu)置成本僅占5%，維護(hù)成本占18%左右，運(yùn)行電費(fèi)占到了驚人的77%甚至更高。因此，實(shí)施空壓機(jī)節(jié)能降耗措施意義重大。
我國(guó)目前針對(duì)螺桿空壓機(jī)的能效標(biāo)準(zhǔn)是2020年7月1日正式實(shí)施的GB19153-2019《容積式空氣壓縮機(jī)能效限定值及能效等級(jí)》，指出比功率越小，能效水平越高。該標(biāo)準(zhǔn)將空壓機(jī)的能效分為1級(jí)、2級(jí)、3級(jí)三個(gè)等級(jí)。其中噴油螺桿空壓機(jī)每?jī)蓚€(gè)能效等級(jí)之間能效普遍相差10%左右，因不同排氣壓力和額定功率有不同的差異。
目前，提高壓縮空氣系統(tǒng)的主流措施包括進(jìn)行合適的空壓機(jī)選型、按實(shí)際用氣量來配置后處理設(shè)備、壓縮空氣管路合理布置、智能集中管理、防治“跑冒滴漏”、余熱回收以及高質(zhì)量維修保養(yǎng)等。當(dāng)然，在預(yù)算足夠的情況下，采用能效等級(jí)更高的空壓機(jī)是最為重要的一種節(jié)能方式。
十多年來，噴油雙螺桿空壓機(jī)由于主機(jī)關(guān)鍵技術(shù)國(guó)產(chǎn)化加快，而得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展。在7.5-355kW功率范圍內(nèi)基本取代了傳統(tǒng)的活塞式空壓機(jī)而成為市場(chǎng)主流機(jī)型，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)每年越有50萬臺(tái)上下的銷售量，且以10%左右的速度在不斷增長(zhǎng)。在此背景下，對(duì)螺桿空壓機(jī)進(jìn)行整機(jī)能效提升具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。
螺桿空壓機(jī)是由眾多部件組合而成，但影響整機(jī)能效最為重要的因素是螺桿主機(jī)，即“機(jī)頭”。目前市場(chǎng)上的雙螺桿空壓機(jī)主要分為單級(jí)壓縮和兩級(jí)壓縮兩種。單級(jí)壓縮是最早出現(xiàn)，應(yīng)用也最廣泛的一種機(jī)型。而在實(shí)際使用中，一些功率大、產(chǎn)氣需求大的空壓機(jī)組，往往采用兩級(jí)壓縮，也是近年來除了永磁變頻螺桿空壓機(jī)之外的另一大熱門機(jī)型。近幾年，行業(yè)內(nèi)企業(yè)都熱衷于申報(bào)《國(guó)家工業(yè)節(jié)能技術(shù)裝備推薦目錄》和“能效之星”，實(shí)際上，其中入選的高能效空壓機(jī)很多都是兩級(jí)壓縮機(jī)型。
從兩級(jí)壓縮螺桿空壓機(jī)的工作原理看，就是將一級(jí)壓縮轉(zhuǎn)子和二級(jí)壓縮轉(zhuǎn)子組合在一個(gè)機(jī)殼內(nèi)，并分別通過斜齒輪直接傳動(dòng)。自然空氣通過空氣過濾器進(jìn)入第一級(jí)壓縮，在壓縮腔與少量潤(rùn)滑油混合，同時(shí)將混合氣體壓縮到級(jí)間壓力。壓縮后的氣體進(jìn)入冷卻通道，與大量油霧接觸，從而大大降低溫度。降溫后的壓縮氣體進(jìn)入第二級(jí)轉(zhuǎn)子，進(jìn)行二次壓縮。被壓縮到終排氣壓力，然后通過排氣法蘭排出空壓機(jī)，完成整個(gè)壓縮過程。
相比單級(jí)壓縮，兩級(jí)螺桿空壓機(jī)具有自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。
首先，分級(jí)壓縮，可以節(jié)省壓縮功。兩級(jí)螺桿空壓機(jī)通過兩級(jí)串聯(lián)工藝，使得原來單級(jí)壓縮過程分為兩個(gè)壓縮過程進(jìn)行。這樣的工藝設(shè)置可以降低每個(gè)單級(jí)壓縮過程中的壓縮比，進(jìn)而可以有效地大幅降低每一級(jí)螺桿轉(zhuǎn)子在嚙合、壓縮過程中所受的阻力。壓縮過程中做功阻力的降低，也就意味著每級(jí)軸承的負(fù)荷減少，即可以降低每級(jí)壓縮所需驅(qū)動(dòng)功率。
理想氣體壓縮過程中，單級(jí)壓縮所需功率與多級(jí)壓縮所需功率之和相等。但在實(shí)際壓縮過程中，由于聯(lián)軸器傳遞功率損失、軸承摩擦系數(shù)和冷卻液黏度等一系列因素都隨所受作用力的增大而增大，從而產(chǎn)生超出相同比例的無用功。所以通過降低各級(jí)壓縮比的方法可以減少實(shí)際壓縮過程中的無用功，從而使得多級(jí)壓縮所需功率之和小于單級(jí)壓縮所需功率。
其次，中間噴油冷卻，降低了進(jìn)入下一級(jí)的氣體溫度。所有的氣體壓縮過程其實(shí)就是氣體與運(yùn)動(dòng)部件的摩擦并被其壓縮的過程。既然存在摩擦，氣體就會(huì)因摩擦而產(chǎn)生溫升，必然存在膨脹趨勢(shì)，這部分能量在空氣壓縮這個(gè)固定容積內(nèi)就會(huì)以力的形式，通過增加自身壓力的途徑來得到釋放。
氣體的溫度提高了氣體在壓縮過程中自身的壓力，提高了壓縮比，因此必然要付出額外的功率，用來驅(qū)動(dòng)設(shè)備將空氣壓縮至期望的壓力值。所以，兩級(jí)螺桿空壓機(jī)設(shè)置有冷卻液噴射裝置，通過向經(jīng)過一級(jí)壓縮后的空氣噴射霧狀冷卻劑，使壓縮空氣進(jìn)入第二級(jí)壓縮階段前，就被降低了溫度，達(dá)到相應(yīng)的冷卻效果，如同為單級(jí)空壓機(jī)降低環(huán)境溫度或進(jìn)氣溫度。這樣的冷卻裝置不僅大大節(jié)約了二次壓縮所需能量，而且使用冷卻劑噴射裝置可以省去中間冷卻器;冷卻劑噴射裝置所噴射出的霧狀冷卻劑在降低氣體溫度的同時(shí)，也有效降低了整個(gè)壓縮系統(tǒng)的溫度，減少了冷卻液的揮發(fā)，有助于油品長(zhǎng)時(shí)間保持優(yōu)良的使用性能，降低維修頻次和成本。
近年來，國(guó)家壓縮機(jī)檢測(cè)中心的數(shù)據(jù)顯示，兩級(jí)壓縮的空壓機(jī)效率明顯高于單級(jí)，尤其是110kW以上，原來單級(jí)壓縮的空壓機(jī)幾乎不可能達(dá)到1級(jí)能效等級(jí)，甚至很難達(dá)到2級(jí)能效，而兩級(jí)壓縮技術(shù)的應(yīng)用則可以讓大功率空壓機(jī)較為輕易的達(dá)到1級(jí)能效。據(jù)行業(yè)資料顯示，不同功率的兩級(jí)壓縮螺桿空壓機(jī)能效值均由于單級(jí)壓縮能效值10%以上，平均高15%左右，有的甚至接近20%。
采用不同的壓縮方式，單臺(tái)設(shè)備能效提升如此巨大的原因，一個(gè)是上面提到的中間冷卻液噴射使得壓縮過程接近等溫壓縮之外，另一個(gè)重要原因是內(nèi)泄漏更少，容積效率更高。
小結(jié)
空壓機(jī)能效的提升是一個(gè)系統(tǒng)工程，不可能僅靠某一兩項(xiàng)改進(jìn)就能達(dá)到最高能效。比如螺桿主機(jī)能效提高除了可采用兩級(jí)壓縮形式之外，還可以通過優(yōu)化轉(zhuǎn)子型線，提高轉(zhuǎn)子加工精度，縮小轉(zhuǎn)子嚙合間隙、排氣端間隙等方式減少內(nèi)泄漏。當(dāng)然，并非所有的兩級(jí)壓縮螺桿空壓機(jī)都是最節(jié)能的，有些企業(yè)靠單級(jí)壓縮依然取得了很高的能效利用率。系統(tǒng)性的節(jié)能還取決于企業(yè)從研發(fā)、測(cè)試到制造、組裝，每一個(gè)環(huán)節(jié)和每一個(gè)細(xì)節(jié)，不斷精益求精的態(tài)度。
