1 引言

 

我國是一個(gè)幅員遼闊、環(huán)境多樣、氣候多變的國家，空氣壓縮機(jī)作為石油、化工、鋼鐵、水泥、工程機(jī)械、醫(yī)療等眾多行業(yè)使用的通用機(jī)械，與實(shí)際使用現(xiàn)場(chǎng)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(jī)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(jī)的運(yùn)行條件發(fā)生變化，因此高原壓縮機(jī)與普通壓縮機(jī)有很多的區(qū)別，如果對(duì)其中的變化不了解，使用普通螺桿空壓機(jī)運(yùn)用在高原，或者設(shè)計(jì)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(jī)無法啟動(dòng)、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(jì)階段發(fā)生問題，本文根據(jù)螺桿空壓機(jī)的特點(diǎn)以及高原條件下壓縮機(jī)運(yùn)行工況的變化，對(duì)高原螺桿空壓機(jī)的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，可有效解決普通螺桿空壓機(jī)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(duì)壓縮機(jī)的選型設(shè)計(jì)帶來的變化，深入了解螺桿空壓機(jī)的特點(diǎn)，為設(shè)計(jì)選型提供參考。

 

2 高原的環(huán)境條件

 

在大眾的認(rèn)知中，對(duì)高原環(huán)境一般會(huì)有空氣稀薄、呼吸困難、高原反應(yīng)、食物煮不熟等印象，其實(shí)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(huì)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(jìn)行計(jì)算

利用上式，通過計(jì)算可知常用的海拔高度對(duì)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(dá)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(jī)容積流量的換算

 

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

 

（1） 容積流量qv：壓縮機(jī)標(biāo)準(zhǔn)排氣位置的實(shí)際空氣容積流量，換算到標(biāo)準(zhǔn)吸氣位置的溫度、壓力及組分的狀態(tài)時(shí)的體積流量，單位為m3/min或m3/h。

 

（2） 標(biāo)準(zhǔn)容積流量qn：壓縮機(jī)的容積流量，換算到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)時(shí)的體積流量，單位為Nm3/min或Nm3/h。

 

（3） 質(zhì)量流量qm：壓縮機(jī)的流量按照質(zhì)量進(jìn)行計(jì)算時(shí)的流量，其單位為kg/min或kg/h。

 

在普通螺桿壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)中，根據(jù)容積流量qv就可以確定壓縮機(jī)的基本選型，為高原壓縮機(jī)時(shí)，則應(yīng)詳細(xì)確認(rèn)客戶的實(shí)際需求流量，如果有標(biāo)準(zhǔn)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(jī)的選型設(shè)計(jì)中，由于大氣壓力、大氣溫度對(duì)壓縮機(jī)的流量影響極大，因此需要詳細(xì)確認(rèn)用戶的實(shí)際需求，并根據(jù)公式進(jìn)行計(jì)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(jī)的選型。

 

5 對(duì)螺桿空壓機(jī)主機(jī)的影響

 

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

 

由螺桿空壓機(jī)的工作原理可知，螺桿壓縮機(jī)基本上不會(huì)設(shè)置排氣閥，而是根據(jù)進(jìn)氣壓力、排氣壓力，計(jì)算出壓縮比，此時(shí)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(jí)壓縮螺桿主機(jī)得到廣泛的應(yīng)用。由于兩級(jí)壓縮螺桿主機(jī)和單級(jí)壓縮螺桿主機(jī)工作原理的差異，高原工況對(duì)兩種主機(jī)的影響也有較大的差異。

 

5.1 使用單級(jí)壓縮螺桿主機(jī)

 

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

 

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

 

由圖可知，高原工況和平原工況時(shí)的主要區(qū)別如下：

 

（1） 受海拔高度的影響，大氣壓力降低，進(jìn)氣

外壓縮比較大時(shí)，由于轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)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(huì)一直存在，實(shí)際螺桿主機(jī)的絕熱效率會(huì)低于平原工況。

 

在設(shè)計(jì)單級(jí)壓縮高原壓縮機(jī)時(shí)，可以模擬高原工況并實(shí)測(cè)主機(jī)軸功率，從而獲得較準(zhǔn)確的軸功率數(shù)值。

5.2 使用兩級(jí)壓縮螺桿主機(jī)

兩級(jí)壓縮螺桿壓縮機(jī)是通過2對(duì)轉(zhuǎn)子，采用分兩級(jí)壓縮、級(jí)間冷卻的方式進(jìn)行壓縮，由于每一級(jí)的壓縮比較小，在需要高壓縮比的場(chǎng)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(shí)，兩級(jí)壓縮螺桿壓縮機(jī)具有效率高、噪聲低等優(yōu)勢(shì)。

假設(shè)有一普通的兩級(jí)壓縮主機(jī)，已經(jīng)根據(jù)平原時(shí)的普通工況進(jìn)行排氣孔口的設(shè)計(jì)，當(dāng)用于高原工況時(shí)，其p-V圖如圖2所示：圖2中，a-b-c-d-e-f為兩級(jí)壓縮平原工況，a'-b'-c'-d'-e'-f'-g'為齒輪傳動(dòng)控制兩級(jí)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(jí)轉(zhuǎn)速時(shí)的兩級(jí)壓縮高原工況。

由圖可知，兩級(jí)壓縮螺桿主機(jī)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(jìn)氣絕對(duì)壓力p1h

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

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

（4） 兩級(jí)壓縮螺桿主機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，其一級(jí)外壓縮比主要由一二級(jí)的轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)理論容積、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、一二級(jí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速比、容積效率、級(jí)間溫度等參數(shù)決定。當(dāng)采用齒輪傳動(dòng)控制轉(zhuǎn)子一二級(jí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速時(shí)，一級(jí)外壓縮比基本保持不變，即

根據(jù)式（29） 和（30），高原工況時(shí)，一級(jí)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(jí)軸功率也會(huì)降低，但是由于外壓縮比上升，降低比例會(huì)小于一級(jí)，即C1

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

當(dāng)用戶現(xiàn)場(chǎng)有較穩(wěn)定的使用工況時(shí)，由于兩級(jí)壓縮的各級(jí)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(jìn)一步提升高原壓縮機(jī)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(shí)，可以縮小二級(jí)排氣孔口，使二級(jí)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(shí)，如果需要保持一二級(jí)的壓縮比比值，則需要降低二級(jí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，可以縮小一、二級(jí)的排氣孔口，使各級(jí)的內(nèi)外壓縮比均保持較接近的狀態(tài)，但是由于二級(jí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化較大，會(huì)偏離原有的設(shè)計(jì)值，絕熱效率ηad2會(huì)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(jī)軸功率會(huì)減小，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際工況對(duì)主機(jī)的軸功率進(jìn)行核算，從而確定電機(jī)的輸出功率，避免電機(jī)配置過大，額定功率過高而成本上升和資源浪費(fèi)。高原環(huán)境還對(duì)電機(jī)有如下影響：

（1） 當(dāng)海拔超過1000 m時(shí)，應(yīng)對(duì)電機(jī)按照高原工況進(jìn)行核算。大氣壓力降低時(shí)電機(jī)絕緣強(qiáng)度會(huì)降低，根據(jù)相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)，海拔每升高1000 m，絕緣強(qiáng)度會(huì)降低8%~15%，因此需要重新核算電機(jī)的絕緣強(qiáng)度。

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

（3） 電暈起始電壓降低，要加強(qiáng)防暈措施。

為了解決上述3個(gè)問題，一般采用增大機(jī)座號(hào)，加強(qiáng)絕緣強(qiáng)度，減少電機(jī)發(fā)熱、增大電機(jī)冷卻面積的方式進(jìn)行改善。但是國內(nèi)的一些廠家，在電機(jī)選型時(shí)按照普通壓縮機(jī)所需的軸功率進(jìn)行電機(jī)選型，然后根據(jù)高原電機(jī)的特點(diǎn)再將電機(jī)放大，造成電機(jī)啟動(dòng)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(jī)啟動(dòng)時(shí)啟動(dòng)阻力較大，啟動(dòng)電流嚴(yán)重超標(biāo)，空氣開關(guān)因?yàn)殡娏鬟^大斷開，造成壓縮機(jī)無法正常啟動(dòng)。

因此在設(shè)計(jì)高原螺桿空氣壓縮機(jī)的電氣系統(tǒng)時(shí)要注意以下幾點(diǎn)：

（1） 根據(jù)壓縮機(jī)的實(shí)際使用工況核算電機(jī)功率，避免電機(jī)過大、啟動(dòng)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(jī)的正常工作。

（3） 合理設(shè)置壓縮機(jī)的啟動(dòng)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(jī)啟動(dòng)時(shí)電機(jī)過載或者電機(jī)啟動(dòng)電流過大而無法正常啟動(dòng)?？梢栽黾訚櫥图訜崞?，在啟動(dòng)前對(duì)潤滑油進(jìn)行加熱，提升油溫，降低潤滑油粘度，也可以采用加卸載短時(shí)頻繁切換的斷續(xù)啟動(dòng)方式，待潤滑油溫度升高以后再正常加載運(yùn)行。

（4）控制屏、接觸器、變壓器、電線電纜等部件均會(huì)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(duì)于風(fēng)冷機(jī)而言，由于空氣密度的降低，在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，要特別注意冷卻風(fēng)機(jī)的冷卻風(fēng)量和換熱器的換熱量，根據(jù)使用地的實(shí)際參數(shù)校核冷卻系統(tǒng)，避免在使用現(xiàn)場(chǎng)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(jī)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(jī)軸功率受大氣密度、壓縮比的影響，而換熱器的熱負(fù)荷一般和主機(jī)軸功率成正比關(guān)系；考慮到空氣密度的變化以及主機(jī)軸功率的變化關(guān)系，則有下式

Ct是普通壓縮機(jī)用于高原時(shí)，其換熱能力的增幅，與螺桿壓縮機(jī)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(jì)算確定。

8 結(jié)論

從以上分析可知，高原螺桿空壓機(jī)與普通螺桿壓縮機(jī)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(jī)的進(jìn)氣壓力、進(jìn)氣密度變低，此時(shí)需要詳細(xì)復(fù)核客戶的實(shí)際需求，能提供標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)氣壓力降低，主機(jī)的外壓縮比發(fā)生變化，會(huì)偏離原有的設(shè)計(jì)值并產(chǎn)生較大的欠壓縮現(xiàn)象，采用單級(jí)壓縮主機(jī)時(shí)一般無法有效改善欠壓縮情況，但是兩級(jí)壓縮主機(jī)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(shí)，高原螺桿壓縮機(jī)的軸功率小于平原用普通螺桿壓縮機(jī)，選擇電機(jī)時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際的高原工況核算軸功率，避免選擇過大的電機(jī)。同時(shí)由于高原工況的影響，電機(jī)的換熱能力、絕緣強(qiáng)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(jī)座號(hào)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(shí)，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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