馮一波 馬強 王雷 王建海 林日億

（1.中國石化西北油田分公司石油工程技術(shù)研究院；2.中國石油大學(xué)（華東）儲運與建筑工程學(xué)院）

引言

壓縮機以其種類多樣、用途廣泛被稱為“通用機械”，廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金以及國防工業(yè)中，如何高效運行空氣壓縮機是研究者共同的目標；為此，國內(nèi)外很多專家學(xué)者對此進行研究。Apera等[1]通過檢測、分析變速壓縮機電流頻率并對其有效能、能量消耗以及經(jīng)濟性進行評價及優(yōu)化，進而確定了壓縮機最佳工況。Faezaneh-Gord等[2]，根據(jù)能量守恒方程、理想氣體狀態(tài)方程及熱力學(xué)第一定律建立了數(shù)學(xué)模型，對往復(fù)式壓縮機的性能進行了研究并優(yōu)化了設(shè)計參數(shù)。Castaing等[3]通過往復(fù)式壓縮機的容積、等熵及實際效率建立分析模型，指出容積效率受相對余隙的影響較大，而等熵效率和實際效率主要受壓縮機機械摩擦的影響。Choe和Kim等[4]采用描述函數(shù)法分析了直線壓縮機氣體受力的非線性特性，并對設(shè)計過程中可能出現(xiàn)的跳躍現(xiàn)象進行了分析。劉錄、趙杰等[5-6]利用ANSYS軟件模擬并改進了往復(fù)式壓縮機的振動問題，使其振幅減小76.8%，減幅效果良好，為振動問題的解決提供了依據(jù)。郭丹等[7]對CNG站壓縮機氣缸直徑進行了改造，使壓縮機改造后生產(chǎn)能力較之前增加了42%，節(jié)能率高達31.5%。

從調(diào)研來看，大多研究者只針對空氣壓縮機自身設(shè)計進行優(yōu)化，并沒考慮外界環(huán)境對空氣壓縮機效率的影響。因此，基于熱力學(xué)第一定律，建立了空氣壓縮機能耗模型，研究空氣濕度及溫度對空氣壓縮機能耗的影響，旨在探究外界因素對空氣壓縮機能耗的影響程度。

1 空氣壓縮機能耗模型建立

為分析干、濕空氣對空氣壓縮機能耗的影響，假設(shè)[8]：

◇空氣壓縮機壓縮前后沒有相態(tài)的改變；

◇壓縮過程極短；

◇空氣壓縮機在壓縮過程中不與外界換熱，絕熱壓縮。

基于以上假設(shè)，空氣壓縮機壓縮空氣時可視為壓縮理想氣體。若干、濕空氣具有相同的初始狀態(tài)，并且在相同大氣壓、增壓比不變的情況下，有理想氣體狀態(tài)方程[9]，即

式中：P為空氣的進口壓力，MPa；vs、va分別為濕空氣和干空氣的比容，m3/kg；Rs、Ra分別為濕空氣和干空氣的氣體常數(shù)，J/(kg?K)；T為干、濕空氣的進口溫度，K。

2 能耗計算

絕熱體系不與外界發(fā)生能量交換。按理想氣體且依定值熱容考慮，可得過程功

式中：w為過程功，kJ/kg；k為絕熱指數(shù)，空氣絕熱指數(shù)為1.4；Rg為氣體常數(shù)，J/(kg·K)；T1為空氣壓縮機進口溫度，K；p1、p2分別為空氣壓縮機進、出口壓力，Pa。

又由于理想氣體技術(shù)功是過程功的k倍，因此技術(shù)功為

空氣壓縮機能耗功率為

式中：Qm為壓縮氣體的質(zhì)量流量，kg/h。

當空氣初、終狀態(tài)溫度的變化范圍在大氣溫度到600 K之間時，則

式中：v1、v2分別為空氣壓縮機進、出口比容，m3/kg；T2為空氣壓縮機出口溫度，K。

由于濕空氣的含濕量不同，因此濕空氣的比體積為

式中：v為濕空氣的比體積，m3/kg；d為濕蒸汽的含濕量，kg（水蒸氣）/kg（干空氣）；Rg,s為濕空氣的氣體常數(shù)，J/(kg?K)。

3 實例分析

3.1 空氣濕度對空氣壓縮機能耗影響

基于壓縮前后無相態(tài)變化，壓縮過程極短等假設(shè)，此時干、濕空氣可認為是理想氣體。當初始溫度、壓力相同時，濕空氣氣體常數(shù)較干空氣大，因此濕空氣的比熱容較干空氣小。此時，初始狀態(tài)相同，相等質(zhì)量和壓縮比的干濕狀態(tài)，絕熱壓縮過程如圖1所示。

由圖1可知，在既定的條件下，濕空氣比干空氣多耗Δw的功。干、濕空氣單位耗功計算見公式（4）。

在實際工程中，空氣壓縮機大多直接吸入大氣中的空氣很少做除濕前處理；因此，空氣壓縮機吸入的空氣為濕空氣?，F(xiàn)以塔河油田某空氣壓縮機為例，比較空氣壓縮機吸氣前除濕和不除濕兩種狀態(tài)下單位能耗。根據(jù)文獻[10]方法計算，計算結(jié)果見表1?？諝鈮嚎s機流量Q=2298 m3/h，大氣壓力Pd=0.1 MPa，大氣溫度t=29℃，空氣含濕量d=60%，空氣壓縮機壓縮比P2/P1=8.3。

圖1 等容量干、濕空氣P-v圖

表1 干、濕空氣對空氣壓縮機能耗影響

由表1可知，相同條件下濕空氣（相對濕度為60%）比干空氣每小時多耗能1.23 kWh。每天按24 h運行，1年假設(shè)運行300天，可知干空氣比濕空氣（相對濕度60%）每年少耗能15 225 kWh，比濕空氣（相對濕度70%）每年少耗能25 995 kWh，比濕空氣（相對濕度90%）每年少耗能15 551 kWh，節(jié)能效果非常明顯。

通過進一步分析可知，空氣的濕度進一步增大，空氣壓縮機的單位能耗也將進一步增大。但從圖2可以看出∶相對濕度在10%～50%之間，能耗隨相對濕度增大幾乎呈線性關(guān)系，增長速率較為均勻；相對濕度在50%～60%之間，能耗隨相對濕度的增大驟然增大；在相對濕度大于60%時，隨著相對濕度的增大，能耗變化趨勢有所變緩。

圖2 空氣濕度對能耗影響

3.2 進口溫度對空氣壓縮機能耗影響

在出口溫度及壓力不變的情況下，即增壓比以及出口溫度不變時，-40℃較40℃每小時多耗能高達66.49 kWh，通過對比可以看出進口溫度對空氣壓縮機的能耗影響更加明顯（表2）。

表2 不同進口溫度對空氣壓縮機能耗影響

當空氣壓縮機的出口溫度不變以及壓縮比不變的情況下，空氣壓縮機的能耗隨進口溫度的增加急劇減小，幾乎呈線性狀態(tài)（圖3）。由此可以得出結(jié)論，提高空氣壓縮機的進口溫度有利于空氣壓縮機的節(jié)能運行。

圖3 進口溫度對空氣壓縮機能耗影響

4 結(jié)論

1）空氣壓縮機運行時，在相同條件下干空氣較濕空氣節(jié)能；在出口溫度以及增壓比不變的情況下，提高空氣壓縮機的進口溫度有利于空氣壓縮機經(jīng)濟運行。因此，建議在空氣壓縮機進口處加裝空氣干燥裝置以及空氣預(yù)熱裝置，以降低空氣的相對濕度提高進口溫度保證空氣壓縮機經(jīng)濟運行。

2）由以上分析可知，空氣壓縮機實際運行的經(jīng)濟性不僅和自身設(shè)計密切相關(guān)，還和大氣的相對濕度以及溫度有很大關(guān)系；因此，在評價空氣壓縮機經(jīng)濟性時要綜合考慮各因素對空氣壓縮機的影響系數(shù)。