一臺空壓機節能降耗23萬元
——招金礦業河東金礦雙級壓縮螺桿空壓機研究應用成效顯著

特約撰稿人：劉連國 遲建龍 劉利波

螺桿空壓機情況介紹

螺桿空壓機具有結構簡單、工作可靠及操作方便等一系列優點，因而自誕生之日起就受到工業界的廣泛關注。在歐、美、日等經濟發達國家經過多年的發展，螺桿空壓機在1～60m3/min 的流量和≤16kg/cm2的壓力范圍內，幾乎完全取代了活塞空壓機，而其中99%以上是雙螺桿空壓機。

螺桿空壓機有單螺桿與雙螺桿兩種，設計上雙螺桿式空壓機更趨合理、先進。雙螺桿空壓機克服了單螺桿空壓機不平衡、軸承易損的缺點，具有壽命長，噪音低，更加節能等優點。八十年代技術成熟后，其應用范圍日漸擴大。螺桿式(即雙螺桿) 壓縮機具有一對互相嚙合、相反旋向的螺旋形齒的轉子。就目前的技術發展看，雙螺桿空壓機不但在技術上是先進的，而且在實際應用中已經完全成熟，得到了廣泛的應用。單螺桿空壓機雖然在原理上有獨特之處，但由于在一些決定性的因素上存在不足之處，其產品仍有待進一步完善。

單螺桿空壓機起源于20 世紀60 年代，從名字上看，該種壓縮機的特征是只有一個螺桿轉子。但實際上，單螺桿空壓機卻有三根旋轉軸，即由一個螺桿轉子和兩個與螺桿轉子垂直的行星齒輪組成。單螺桿空壓機在工作原理上有自己的特點，既有良好的動力平衡性能，但其也存在一些難題，主要是星輪過早磨損，加上變形不均勻引起的嚙合精度難以保證，造成整機排氣量下降，機械穩定性降低，因而故障率高，壽命短，應用的經濟性能差。

雙螺桿空壓機誕生于20 世紀30 年代，它是由一對平行布置相互嚙合的轉子和機殼組成。工作時，一個轉子按順時針轉動，一個轉子按逆時針轉動，在相互嚙合的過程中，空氣被壓縮到所需要的壓力，依靠運轉時容積的變化來吸入、壓縮和排出空氣，具有極簡單的機械結構，極高的機械可靠性和優良的動力平衡性，操作和維護也十分方便。

單螺桿和雙螺桿空壓機的優缺點對比

1.力平衡方面

單螺桿空壓機：螺桿承受的徑向和軸向氣體力可以自動平衡，星輪齒承受氣體力，要求星輪齒具有足夠的強度和剛度。

雙螺桿空壓機：螺桿轉子承受較大的徑向和軸向氣體力，要求螺桿具有足夠的強度和剛度。

2.制造成本方面

單螺桿空壓機：螺桿和星輪軸承可選用普通軸承，制造成本較低。

雙螺桿空壓機：由于兩螺桿轉子負荷較大，要求選用精度較高的軸承，制造成本較高。

3.可靠性和運行成本方面

單螺桿空壓機：單螺桿空壓機星輪是易損部件，除對星輪材料有較高要求外，星輪還需定期更換，運行成本高。

雙螺桿空壓機：雙螺桿空壓機中沒有易損件，無故障運行時間可達4～8 萬小時，運行成本低。采用角接觸球軸承而沒有使用圓錐滾子軸承，提高了機器的可靠性。

4.效率方面

在新機狀態下，單螺桿和雙螺桿空壓機效率基本相同，但隨著運行時間增加，單螺桿壓縮機的星輪磨損將導致氣量減少和效率下降。

5.噪音和振動方面

雙螺桿空壓機的噪音和振動較單螺桿空壓機要小，采用兩級壓縮，降低了每次壓縮的壓縮比，大大降低了噪聲，特別是卸載噪聲。

6.加工設備方面

單螺桿空壓機：沒有成熟的專用加工設備，導致產品的性能不是很穩定。

雙螺桿空壓機：已有成熟的螺桿專用銑床和磨床，可確保產品性能穩定。

7.操作和維護方面

單螺桿和雙螺桿的操作幾乎相同，但是維護方面雙螺桿空壓機工作量較少，采用兩級壓縮，降低了每次壓縮的壓縮比，大大降低了每一級軸承的軸向負荷，提高了軸承壽命，延長了主機壽命。

8.適用性方面

單螺桿空壓機：適合用于高排氣壓力的場合。

雙螺桿空壓機：由于受到轉子剛度和軸承負荷方面的限制，只能用于中、低壓范圍，排氣壓力一般不能超過4.5Mpa。

技術指標分析

空氣壓縮機能效考慮的三個技術指標：排氣量、主電機服務系數和比功率

排氣量的定義：吸氣狀態的體積流量，立方米/分（m3/min）。

主電機的服務系數：電機允許連續運行的輸出軸功率與銘牌上的名義輸出軸功率之比。

比功率的定義：壓縮機機組的輸入功率除以壓縮機的排氣量，kw/m3/min，排氣量1 立方米/ 分所需要的機組的輸入功率。

判斷一臺螺桿式空壓機是否節能的重要標準就是“比功率”，即單位時間內生產一立方壓縮空氣所需要的能耗，常用單位為：kw/m3/min。因而，雙級壓縮的螺桿式空壓機主要節能原理也是在如何降低比功率上進行技術革新。

常規的單級壓縮螺桿機轉子。單級壓縮機：進氣端進氣壓力為常規大氣壓力(以0 海拔為例) 約1bar，經轉子壓縮至出口壓力(轉子排氣端)8bar，該壓縮過程的壓縮比為：8:1=8;即單級壓縮機的壓縮比(出口壓力為8bar) 機器為8。

雙級壓縮螺桿機轉子。雙級壓縮機：進氣端進氣壓力約為常規大氣壓力(以0 海拔為例)1bar，經一級轉子壓縮至出口壓力(一級轉子排氣端)3.15bar(該壓力為二級轉子的入口壓力)。一級轉子壓縮過的壓縮空氣再進入二級轉子提升壓力至所需要的8bar 出口壓力(二級轉子端的排氣壓力)。一級低壓轉子的壓縮比為：3.15:1=3.15;二級高壓轉子端的壓縮比為：8:3.15 ≌ 2.54 即二級端的壓縮比(出口壓力為8bar) 大約為2.54。雙級壓縮轉子系統的最高壓縮比(8bar 機器為例) 為3.15。

由此得出，同單級壓縮螺桿機相比，出口壓力同樣為8bar 的機器，雙級壓縮螺桿機的壓縮比不到單級壓縮螺桿機的50%。

如同其它流體一樣，壓縮空氣一樣遵循從高壓端向低壓端的自然回流，壓縮比越高，回流泄露量越大。與同功率，同等排氣壓力的單級壓縮螺桿機相比，雙級壓縮螺桿機的壓縮比低，這就確保大大降低了回流泄露量，排氣流量大大提高，意味著效率提升，即比功率的降低。這就是雙級壓縮螺桿機的節能原理核心所在。

在同等裝機功率，同等排氣壓力的情況下，相比于單級壓縮螺桿機，雙級壓縮螺桿機的節能比例在7%～13% 左右，即最低節能保證在7% 以上。該系列機器已為國內眾多大型用戶使用并驗證。

雙級壓縮螺桿空壓機節能效果顯著的原因

等溫壓縮。 由于一級壓縮時的壓縮過程的冷卻不完善性，雙級常壓有完善的級間冷卻設計和二級壓縮過程的冷卻的完善性。相比于單級壓縮，兩級壓縮趨近于最省功的等溫壓縮，從原理上，兩級壓縮比單級壓縮節能5%～8%。

a.曲線12′ 3′為等溫壓縮過程，與縱坐標形成的面積613′ 4 為等溫壓縮的指示功。

b.曲線123″為一級實際壓縮過程，與縱與縱坐標形成的面積613″ 4 為一級壓縮的指示功。

c.曲線12、22′、2′ 3 為兩級實際壓縮過程，與縱坐標形成的面積 6125 和 52′ 34 之和（6122′ 34）為兩級壓縮的指示功。

d.由圖示可以看出，等溫壓縮過程613′4 面積（指示功）最小，但在壓縮機實際壓縮過程中無法做到等溫壓縮。

e.一級壓縮比等溫壓縮多出了13′3″1 面積的功率，而兩級壓縮則比一級壓縮節省了22′ 33″面積的功率。

相關工藝參數優化。

a.第一級、第二級的吸、排氣孔口均經過優化（6bar、7bar、8bar、10bar、13bar 的主機均不相同）。

b.潤滑油總噴射量經過優化。

c.噴入各處的油量分配經過優化。

d.機體回油經過優化，齒輪箱潤滑油回至一級機頭第一個轉子嚙合密封槽內，提高了機組的容積效率，降低了機組的軸功率。

高效的螺桿轉子型線。世界最高效率的型線：一級轉子型線：Y-1 二級轉子型線：Y-2。

1級節能+2級節能=節能的平方

兩級壓縮降低了每一級的軸承載荷，使用角接觸球軸承而沒有使用圓錐滾子軸承。

一級及二級螺桿轉子均運行在最佳齒頂速度。

兩級壓縮過程的冷卻設計非常完善。經過一級壓縮后，冷卻劑會通過機體上的多個噴射孔，形成霧狀噴射簾，對熱的壓縮空氣進行近乎完美的冷卻，大大降低了進入二級壓縮階段前的壓縮空氣溫度，級間長通道冷卻，充分霧化,起到趨近等溫壓縮過程、節約壓縮所需能量的效果。

實施方案

測試現場選在河東金礦采礦一車間空壓機房，該空壓機房配備同型號的SAC132 空壓機4 臺，用電計量為全新的江蘇林洋多功能電度表，互感器變比相同，變比均為400/5。

將在用1#空壓機換為開山JN 雙級壓縮空壓機，與4#單級壓縮空壓機作對比。在兩條排氣管路上安裝渦街流量傳感器（LUGB-2048），兩臺空壓機的加載壓力設定到0.65Mpa，卸載壓力設定到0.72 Mpa，同時記錄排氣量和耗電量，計算出排氣單耗，便于對兩種空壓機之間的節能性做出公平、合理的評價。

1.兩種空壓機具體參數對比。

(1)4#空壓機主要參數：型號：SAC132，電機功率：132KW，銘牌排氣量：22 立方/min，額定排氣壓力：0.85Mpa，設備出廠時間：2005 年5 月；

(2)1#空壓機主要參數：型號：JN90-20，電機功率：90KW，銘牌排氣量：19.5 立方/min，額定排氣壓力：0.8Mpa，設備出廠時間：2014 年10 月。

2.具體測量時間為：2014 年12 月1 日至12 月5 日，共計5 天。

3.具體測量數據如下：

河東金礦采一車間1 號4 號空壓機對比情況如下：

4.兩種空壓機耗電量計算：

1#空壓機耗電量：（60.37-10.65）×80=49.72×80=3977.6KWh

4#空壓機耗電量：（7 7.5 8-6.4 4）×80=71.14×80=5691.2 KWh

5.兩種空壓機排氣量計算：

1#空壓機排氣量：129824-86287=43537m3

4#空壓機排氣量：92790-51970=40820m3

6.兩種空壓機排氣單耗計算：

1#空壓機排氣單耗：3977.6÷43537=0.09134KWh/m3

4#空壓機排氣單耗：5691.2÷40820=0.13942 KWh/m3

7.排氣電費計算（電單價按照0.66 元/kwh）。

1#空壓機排氣電費：0.09134 ×0.66=0.06028 元/m3

4#空壓機排氣電費：0.13942×0.66=0.09202 元/m3

8.綜合節能效果對比。

節電量：0.13942-0.09134=0.04808 KWh/m3

節電費：0.09202-0.06028=0.03174 元/m3

節電率：0.04808÷0.13942 ≈0.3448×100%=34.48%

9.最終結果。

雙級壓縮空壓機比單級壓縮空壓機每產生1m3壓縮空氣節約電量0.04808 KWh，節約電費0.03174 元，節電率達34.48%，節能效果顯著，極具推廣價值。

實施后的效果：一臺空壓機年節電23 萬元

由于礦山企業在用的空壓機使用數量多，因此全面使用節能性能高的雙螺桿空壓機極具推廣價值，一臺空壓機可節電23.12 萬元，全部更換雙螺桿壓縮空壓機我礦年可節省電費支出近300 多萬元，節能效果顯著，符合當前國家在節能減排方面的方針政策。雙級壓縮螺桿空壓機不論在性能可靠性、維護量、節能方面都擁有無可比擬的優勢，在工業用電量占比達75%的社會總用電量，做好工礦企業的節能工作就顯得尤為重要。另外空壓機在重、輕工業 、礦山、水電、海港、工程建設、油氣田、鐵路、交通、船舶制造、能源、軍工等行業也有大量使用，因此對雙級壓縮螺桿空壓機的研究和應用具有很大的價值。

無論是從政府對企業的要求，還是企業自身發展的需要，節能降耗已經是企業必走之路，是企業的生存之本，招金礦業作為山東省千家重點用能企業，樹立一種“點點滴滴降成本，分分秒秒增效益”的節能意識，多年來公司一直重視科技創新，節能降耗工作，通過采用技術改造、四新技術等措施來實現節能效益的最大化，用技術革新、科技進步、時代發展的手段更新淘汰舊的、高耗能的設備，達到節能的目的，實現資源利用效率最大限度提高。技術進步與創新是建設節約環保型企業的動力源泉，開發和建立“節約環保型”企業的關鍵是技術體系，不斷提高資源利用效率，以創新促發展，能夠將技術創新、節能減排、企業效益結合起來，達到經濟、社會的協調發展。