1 引言

 

我國是一個幅員遼闊、環(huán)境多樣、氣候多變的國家，空氣壓縮機作為石油、化工、鋼鐵、水泥、工程機械、醫(yī)療等眾多行業(yè)使用的通用機械，與實際使用現(xiàn)場的環(huán)境條件、用戶要求有著密切的關(guān)系。隨著西藏、青海、云南、貴州等地發(fā)展，高原螺桿空氣壓縮機的需求越來越大。由于高原地區(qū)大氣壓力一般比沿海地區(qū)低，空氣稀薄，造成壓縮機的運行條件發(fā)生變化，因此高原壓縮機與普通壓縮機有很多的區(qū)別，如果對其中的變化不了解，使用普通螺桿空壓機運用在高原，或者設(shè)計選型過程中出現(xiàn)問題，到高原環(huán)境之后有可能發(fā)生壓縮機無法啟動、燒毀、高溫、流量不足等情況發(fā)生，給用戶帶來極大的困擾。為了解決高原環(huán)境變化帶來的問題，防止在選型設(shè)計階段發(fā)生問題，本文根據(jù)螺桿空壓機的特點以及高原條件下壓縮機運行工況的變化，對高原螺桿空壓機的設(shè)計進行分析，可有效解決普通螺桿空壓機在高原條件下出現(xiàn)的問題。通過本文也可了解不同的環(huán)境條件對壓縮機的選型設(shè)計帶來的變化，深入了解螺桿空壓機的特點，為設(shè)計選型提供參考。

 

2 高原的環(huán)境條件

 

在大眾的認知中，對高原環(huán)境一般會有空氣稀薄、呼吸困難、高原反應(yīng)、食物煮不熟等印象，其實這些問題的發(fā)生，主要是由于空氣的可壓縮性以及在地球引力的影響下，大氣壓力會隨著海拔高度的升高而降低。使用地的大氣壓力一般可以根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍庀髷?shù)據(jù)得知，也可以根據(jù)海拔高度，通過下式進行計算

利用上式，通過計算可知常用的海拔高度對應(yīng)的大氣壓力如表1所示。

 

在高原環(huán)境中，一般還有天氣變化頻繁，溫度較低等情況，青藏高原平均海拔高度達到4000 m，而且氣候多變，冬季溫度較低，有可能出現(xiàn)-30 ℃的低溫，需要根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍v年氣候數(shù)據(jù)來確定。

4 壓縮機容積流量的換算

 

客戶在提出螺桿空壓機需求時，通常會根據(jù)后端用氣設(shè)備的需求提供壓縮機需要滿足的流量，一般有3種情況

 

（1） 容積流量qv：壓縮機標準排氣位置的實際空氣容積流量，換算到標準吸氣位置的溫度、壓力及組分的狀態(tài)時的體積流量，單位為m3/min或m3/h。

 

（2） 標準容積流量qn：壓縮機的容積流量，換算到標準狀態(tài)時的體積流量，單位為Nm3/min或Nm3/h。

 

（3） 質(zhì)量流量qm：壓縮機的流量按照質(zhì)量進行計算時的流量，其單位為kg/min或kg/h。

 

在普通螺桿壓縮機的設(shè)計中，根據(jù)容積流量qv就可以確定壓縮機的基本選型，為高原壓縮機時，則應(yīng)詳細確認客戶的實際需求流量，如果有標準容積流量或者質(zhì)量流量的要求則更佳。

在高原螺桿空壓機的選型設(shè)計中，由于大氣壓力、大氣溫度對壓縮機的流量影響極大，因此需要詳細確認用戶的實際需求，并根據(jù)公式進行計算，然后考慮當(dāng)?shù)丨h(huán)境的變化造成的影響和用戶末端可能的需求變化，給出一定的安全系數(shù)之后，來確定壓縮機的選型。

 

5 對螺桿空壓機主機的影響

 

高原情況下，由于環(huán)境大氣壓力變低，螺桿空壓機的吸氣壓力p1變低，而排氣相對壓力保持不變，會使螺桿空壓機主機的工作狀態(tài)發(fā)生較大的變化。

 

由螺桿空壓機的工作原理可知，螺桿壓縮機基本上不會設(shè)置排氣閥，而是根據(jù)進氣壓力、排氣壓力，計算出壓縮比，此時壓縮比為外壓縮比。

 

近年來，在節(jié)能減排的要求下，高效的兩級壓縮螺桿主機得到廣泛的應(yīng)用。由于兩級壓縮螺桿主機和單級壓縮螺桿主機工作原理的差異，高原工況對兩種主機的影響也有較大的差異。

 

5.1 使用單級壓縮螺桿主機

 

假設(shè)在某一款單級壓縮螺桿主機的設(shè)計過程中，根據(jù)普通壓縮機的工況已經(jīng)設(shè)計排氣孔口，當(dāng)此螺桿主機用于高原工況時，其p-V圖如圖1所示：

 

圖1中，a-b-c-d-a為單級壓縮平原工況，a'-b'-c'-c"-d'-a'為單級壓縮高原工況。

 

由圖可知，高原工況和平原工況時的主要區(qū)別如下：

 

（1） 受海拔高度的影響，大氣壓力降低，進氣

外壓縮比較大時，由于轉(zhuǎn)子設(shè)計的影響，無法通過調(diào)整排氣孔口來改變內(nèi)壓縮比，因此欠壓縮情況會一直存在，實際螺桿主機的絕熱效率會低于平原工況。

 

在設(shè)計單級壓縮高原壓縮機時，可以模擬高原工況并實測主機軸功率，從而獲得較準確的軸功率數(shù)值。

5.2 使用兩級壓縮螺桿主機

兩級壓縮螺桿壓縮機是通過2對轉(zhuǎn)子，采用分兩級壓縮、級間冷卻的方式進行壓縮，由于每一級的壓縮比較小，在需要高壓縮比的場合，排氣孔口也可以合理設(shè)置。一般情況下，當(dāng)壓縮比大于5、吸氣壓力0.1 MPa，排氣壓力大于0.4 MPa時，兩級壓縮螺桿壓縮機具有效率高、噪聲低等優(yōu)勢。

假設(shè)有一普通的兩級壓縮主機，已經(jīng)根據(jù)平原時的普通工況進行排氣孔口的設(shè)計，當(dāng)用于高原工況時，其p-V圖如圖2所示：圖2中，a-b-c-d-e-f為兩級壓縮平原工況，a'-b'-c'-d'-e'-f'-g'為齒輪傳動控制兩級壓縮的高原工況，a'-b'-c'-c"-d"-e“-f"-g'為雙變頻控制并降低二級轉(zhuǎn)速時的兩級壓縮高原工況。

由圖可知，兩級壓縮螺桿主機在高原工況和平原工況下的主要區(qū)別如下：

（1） 受海拔高度的影響，大氣壓力降低，進氣絕對壓力p1h

（2） 在二級排氣相對壓力p2G保持不變的情況下，由于大氣壓力的降低，排氣絕對壓力p2h

（3） 進氣壓力p1h降低、排氣壓力p2G不變，則一二級的總外壓縮比上升，且式（19） 依然成立；

（4） 兩級壓縮螺桿主機設(shè)計時，其一級外壓縮比主要由一二級的轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)理論容積、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、一二級轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速比、容積效率、級間溫度等參數(shù)決定。當(dāng)采用齒輪傳動控制轉(zhuǎn)子一二級轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速時，一級外壓縮比基本保持不變，即

根據(jù)式（29） 和（30），高原工況時，一級軸功率隨著吸氣壓力的降低而降低，基本成正比關(guān)系；二級軸功率也會降低，但是由于外壓縮比上升，降低比例會小于一級，即C1

當(dāng)主機采用雙變頻控制時，為了使一、二級壓縮比總是成一定的比例關(guān)系，在高原工況下，會采用降低二級轉(zhuǎn)速的方式使一級壓縮比升高，級間壓力高于齒輪式兩級壓縮螺桿主機，而且一、二級均會產(chǎn)生欠壓縮情況。

當(dāng)用戶現(xiàn)場有較穩(wěn)定的使用工況時，由于兩級壓縮的各級內(nèi)壓縮比均較小，排氣孔口較大，為了避免過大的欠壓縮造成效率降低，或者為了進一步提升高原壓縮機的效率，可以通過縮小排氣孔口的方式來匹配內(nèi)外壓縮比。

當(dāng)采用齒輪控制時，可以縮小二級排氣孔口，使二級內(nèi)外壓縮比保持較接近的狀態(tài)。

當(dāng)采用雙變頻的方式控制時，如果需要保持一二級的壓縮比比值，則需要降低二級轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，可以縮小一、二級的排氣孔口，使各級的內(nèi)外壓縮比均保持較接近的狀態(tài)，但是由于二級轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化較大，會偏離原有的設(shè)計值，絕熱效率ηad2會降低。

6 電氣系統(tǒng)的影響

由上文可知，在高原工況下螺桿主機軸功率會減小，應(yīng)該根據(jù)實際工況對主機的軸功率進行核算，從而確定電機的輸出功率，避免電機配置過大，額定功率過高而成本上升和資源浪費。高原環(huán)境還對電機有如下影響：

（1） 當(dāng)海拔超過1000 m時，應(yīng)對電機按照高原工況進行核算。大氣壓力降低時電機絕緣強度會降低，根據(jù)相關(guān)的經(jīng)驗，海拔每升高1000 m，絕緣強度會降低8%~15%，因此需要重新核算電機的絕緣強度。

（2）高原工況下冷卻空氣密度下降，電機冷卻效果會變差。對于內(nèi)部采用循環(huán)風(fēng)冷的電機，冷卻空氣的工作能力變差，電機溫升會升高；外部采用強制風(fēng)冷時，通過電機外殼帶走的熱量也會減少，冷卻效果變差。

（3） 電暈起始電壓降低，要加強防暈措施。

為了解決上述3個問題，一般采用增大機座號，加強絕緣強度，減少電機發(fā)熱、增大電機冷卻面積的方式進行改善。但是國內(nèi)的一些廠家，在電機選型時按照普通壓縮機所需的軸功率進行電機選型，然后根據(jù)高原電機的特點再將電機放大，造成電機啟動電流過大。特別是高原環(huán)境溫度可能較低，潤滑油粘度高，冷機啟動時啟動阻力較大，啟動電流嚴重超標，空氣開關(guān)因為電流過大斷開，造成壓縮機無法正常啟動。

因此在設(shè)計高原螺桿空氣壓縮機的電氣系統(tǒng)時要注意以下幾點：

（1） 根據(jù)壓縮機的實際使用工況核算電機功率，避免電機過大、啟動電流大和成本過高。

（2） 選擇合適的空氣開關(guān)，避免空開過小而頻繁斷開，影響壓縮機的正常工作。

（3） 合理設(shè)置壓縮機的啟動方法或增加潤滑油加熱器。在高原工況下，如果環(huán)境溫度低于10 ℃，潤滑油溫度低，粘度高，潤滑油阻力大，冷機啟動時電機過載或者電機啟動電流過大而無法正常啟動。可以增加潤滑油加熱器，在啟動前對潤滑油進行加熱，提升油溫，降低潤滑油粘度，也可以采用加卸載短時頻繁切換的斷續(xù)啟動方式，待潤滑油溫度升高以后再正常加載運行。

（4）控制屏、接觸器、變壓器、電線電纜等部件均會受到高原環(huán)境的影響，散熱能力變差，應(yīng)選擇適合高原環(huán)境的電氣部件。

7 換熱器的變化

對于風(fēng)冷機而言，由于空氣密度的降低，在設(shè)計計算時，要特別注意冷卻風(fēng)機的冷卻風(fēng)量和換熱器的換熱量，根據(jù)使用地的實際參數(shù)校核冷卻系統(tǒng)，避免在使用現(xiàn)場出現(xiàn)系統(tǒng)高溫。

如果不考慮高原環(huán)境溫度，大氣密度與大氣壓力成正比關(guān)系，即

                  ρh/ρf=p1h/p1f                                            （32）

螺桿空壓機使用的風(fēng)冷換熱器一般為板翅式換熱器，其冷卻能力主要受空氣體積流量、空氣密度、空氣溫度、換熱面積的影響，空氣密度和冷卻器的換熱能力成正比關(guān)系。由上文可知，螺桿主機軸功率受大氣密度、壓縮比的影響，而換熱器的熱負荷一般和主機軸功率成正比關(guān)系；考慮到空氣密度的變化以及主機軸功率的變化關(guān)系，則有下式

Ct是普通壓縮機用于高原時，其換熱能力的增幅，與螺桿壓縮機的在不同工況下的壓縮比有關(guān)系。

通過式（33） 可知，在高原工況下壓縮比提升，Ct>0，因此需要提升換熱器的換熱能力，可以增大換熱器面積或者增加冷卻空氣流量。如果環(huán)境溫度較低，冷卻介質(zhì)溫差較大，換熱量上升，可能無需增大換熱系統(tǒng)就滿足要求，需要通過精確計算確定。

8 結(jié)論

從以上分析可知，高原螺桿空壓機與普通螺桿壓縮機有較大的區(qū)別。

首先，由于海拔高度的影響，環(huán)境壓力較低，螺桿壓縮機的進氣壓力、進氣密度變低，此時需要詳細復(fù)核客戶的實際需求，能提供標準容積流量或者質(zhì)量流量更佳，避免容積流量無法滿足客戶要求。

其次，由于進氣壓力降低，主機的外壓縮比發(fā)生變化，會偏離原有的設(shè)計值并產(chǎn)生較大的欠壓縮現(xiàn)象，采用單級壓縮主機時一般無法有效改善欠壓縮情況，但是兩級壓縮主機可以通過修改排氣孔口，改變內(nèi)壓縮比來有效改善。

再次，在相同容積流量時，高原螺桿壓縮機的軸功率小于平原用普通螺桿壓縮機，選擇電機時應(yīng)根據(jù)實際的高原工況核算軸功率，避免選擇過大的電機。同時由于高原工況的影響，電機的換熱能力、絕緣強度、防電暈電壓等均降低，需要提升相應(yīng)的能力，可以通過增大機座號等方式來解決。

最后，電氣系統(tǒng)、換熱器等使用于高原環(huán)境時，應(yīng)注意換熱能力的變化，重新校核，以免換熱能力不足發(fā)生故障。

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