螺桿式空壓機在隧道供風中的應用

韓麗淑

（中交一公局第二工程有限公司， 江蘇 蘇州 215011）

近幾年來，隨著中國經濟的飛速增長，公路、鐵路建設蓬勃發展。新開高速公路和快速軌道工程有更多的隧道。鉆孔爆破施工在當前隧道施工中占主導地位。空氣壓縮機提供壓縮風，人工使用氣動鑿巖機是當前鉆井與隧道施工不可缺少的施工方法。而正確配置壓縮機是實現高效節能的關鍵。

在隧道施工中，需要使用風壓的設備包括鑿巖臺車、鑿巖機、混凝土噴射機等。為了保證設備的正常運行，應對壓縮空氣供應充足，并有足夠的風量和風壓供應各種氣動工具，還應該盡量減少管線運輸過程中損失的壓縮空氣，以達到既能正常運行氣動設備，又能降低消耗、節約能源、降低成本、保證施工質量的目標。對此，本文主要圍繞螺桿式空壓機在隧道供風中的應用展開了詳細的研究。

1 空壓機的分類

空氣壓縮機的種類十分繁多、形式多樣。例如，按動力源區分有電機驅動與內燃驅動；按潤滑方式分有有油式和無油式；按地基基礎分有移動式和固定式；按結構型式分有活塞式、回轉式等多種分類形式。其中，螺桿式因其占地面積小、供風效率高等特點，目前被大面積應用在隧道施工過程中。

2 空壓機在選型過程中主要參數及工作方式

2.1 排氣壓力確定

確定壓縮機的排氣壓力是非常重要的。壓力越大，消耗的電就越多。如果氣壓太低，則不能驅動氣動工具。一般壓力是管道損失引起的壓降，使用壓力是最大壓力的下限。

長輸管道壓縮氣體壓降的計算公式如下所示：

式中：△P 為壓力降，bai；I 為從壓縮機到用氣機具的管道管長，m；QC為容積流量，L/s；d 為輸氣管徑，mm；P 為管道進口壓力（絕對壓力），bar。

目前，隧道施工中常用的氣動鑿巖機的工作壓力為0.4~0.63MPa，假定管道長度為2000m，風道內徑為300mm，絕對壓力為10bar，風量為30m3/min，原油壓降為零。那么根據上述計算公式計算，最終結果為0.05MPa。因此，0.7MPa 適用于隧道施工安裝空氣壓縮機的排氣壓力。

2.2 排氣量的確定

壓縮機的壓力應該與所需的排氣量相匹配，留下10%的余量。確定總排量的一般方法是與排量較小的空壓機并聯以獲得較大的排量，并隨著耗氣量的增加逐一啟動。這不僅有利于電網穩定運行，而且可以節約能源。在隧道施工中，通常采用20m3/min 流量壓縮機并聯。

2.3 驅動方式、安裝方式的確定

在選擇驅動方式和安裝方式的過程中，需要根據施工的具體情況來確定。如果在施工過程中沒有電源，則選擇內燃式空氣壓縮機，如果功率更為方便，那么可以選擇電動空壓機。在隧道施工中，由于通風量有限，通常采用電動空氣壓縮機供電。在安裝方式中，如果改變燃氣距離，則應選擇移動空壓機以減少損失。

2.4 冷卻方式的確定

空壓機冷卻方式為水冷式和空冷式。通常水冷模式良好，但是水冷模式也有自身的缺陷，例如上水系統和下水系統必須分開安裝，成本比較高；水冷卻影響到設備壽命；使用水循環，寒冷地區使用易凍壞氣缸；浪費大量的水資源。

2.5 高原選型中的有關事項

隨著海拔高度的增加，空氣變薄，空氣壓縮機的壓力降低，體積效率降低。為了保證與海平面相同的使用性能，在選擇設備時應考慮內燃機或電動機的功耗，并應選擇較大的壓縮機體積。如果海平面的校正因子為1.0，則對于海拔每增加300m，校正因子一般增加0.03。

3 螺桿式與活塞式壓縮機性能比較

長期以來，國內從事隧道施工的工程單位一直采用活塞式壓縮機來生產壓縮空氣。活塞式發動機噪聲高，故障頻繁，維修不便，成本高。而螺桿壓縮機在效率和可靠性方面有很大的不同。

3.1 理論對比

活塞式壓縮機與螺桿式空壓機在構成、供氣質量等方面的對比具體如下：

（1）活塞式壓縮機有多個進排氣閥、活塞、活塞環、連桿等，具有較高的更換頻率。它不僅影響施工，而且影響成本。而相比較之下，螺桿式空壓機成本較低。

（2）供氣質量差，耗油量大。由于活塞式壓縮機活塞環易磨損，活塞上雖然有刮環，但潤滑油仍隨壓縮氣體的排出而進入氣缸，大大增加了燃料消耗，污染環境。螺桿機具有高油氣分離系統和過濾設備，無磨損部件，油耗最小[1]。

（3）優質供氣。活塞式空壓機效率低，經濟性差。活塞式空壓機的零部件是易損件。零件的磨損會使壓縮氣體的泄漏量增大，大大降低壓縮氣體的效率。螺桿壓縮機中不存在影響機器效率的易損件。一對壓縮轉子由于其自身的結構特點而具有壓縮和耐磨性。因此，長期連續運行的經濟性遠遠優于活塞機械。

（4）活塞式發動機是往復式間歇供氣裝置。運行時，氣流脈動大，螺桿轉速高，傳動平穩，無脈動。

（5）活塞式空氣壓縮機是一種往復慣性力結構，其振動和噪聲大，無法消除。大型活塞機需要安裝專用固定座，螺桿壓縮機可以旋轉運動，平衡性好，振動和噪聲低，不需要安裝座。

（6）螺桿機械具有自動控制和保護系統。具有防過載、斷相、相錯位、低壓系統漏電保護、風機過載、高排氣溫度、空氣濾清器堵塞、油濾器堵塞、油氣分離器堵塞等自動報警功能。設備維護管理方便，活塞機無與倫比。

3.2 施工成本效益分析

平均每進尺1m，螺桿式空壓機耗電量為529 度；相鄰標段隧道（杭紹臺6 標高湖頭隧道）采用活塞式空壓機，目前上臺階累計進尺1136m，空壓機耗電量697095 度，平均每進尺1m 耗電613 度；活塞式空壓機較螺桿式空壓機每米耗電量增加15.8%。

通過對項目隧道截至目前螺桿式空壓機用電量統計可發現，較傳統活塞式空壓機，螺桿式空壓機在隧道鉆爆過程中米消耗電量減少84 度，根據標段隧道長度可計算出本工程采用螺桿式空壓機較活塞式空壓機可節約成本64.9 萬元。

而且，隨著使用壽命的增加，活塞機的維護成本也增加了一倍。因此，螺桿機在性價比方面優于活塞機。

3.3 移動式螺桿空壓機

之所以選擇移動式空氣壓縮機，是因為移動式螺桿空氣壓縮機在隧道施工中長期使用，并且空氣壓縮機隨著隧道向前延伸，或者由于線路損耗的浪費，施工單位使用活塞式空氣壓縮機。20m3/min 固定機（活塞＞20m3/min）。由于結構原因，空壓機沒有活動式，并且由于移動不便，通常在隧道開挖后移動2~3km。移動式空氣壓縮機每公里可運行一次，然后根據1km 管道的差值進行計算。如果使用直徑150mm、長度6m 的高壓空氣管，需要的成本是：1000m/6m×442 元/根=73666元。

也就是說，在隧道中使用固定活塞機的成本比在隧道中使用移動螺桿機高73666 元。上述所有費用都不涉及勞動成本。

綜上所述，利用移動式螺桿空氣壓縮機的優越性能，消除目前使用的活塞式空氣壓縮機，建設先進經濟的空氣壓縮機站，可以降低成本，提高經濟效益，便于管理，改善工作環境，在一定程度上可以提高工程的整體質量。

4 結束語

隧道施工中空壓機結構的選擇比較復雜，特別是在長大隧道施工中，應根據施工組織設計的變化而變化。在相應的基本參數條件下，低成本、高效率、先進的空壓站配置將始終是設備研究和管理的追求和目標。