關于氣源系統中空氣壓縮機組選型方案的分析

裴一哲，王云龍，劉翔宇

（中國航空規劃設計研究總院有限公司，北京 100120）

對于航空發動機或燃氣輪機三大部件，除壓氣機外，在燃燒室和渦輪（透平）的各項試驗中，均需要使用一路或者多路壓縮空氣用于給試驗件提供模化或真實的工作環境，獲得試驗件內部的氣動熱力特性，驗證部件性能是否滿足設計需求。壓縮空氣的供應能力是衡量場所試驗能力的一個較為直觀的標尺。隨著我國航空發動機及燃氣輪機兩大行業的蓬勃發展，各場所對航空發動機及燃氣輪機的試驗能力提出了日益嚴苛的需求，究其根本，便是對氣源系統的供氣能力提出了大流量、高壓力、高溫度的需求。

然而，為了供應大流量、高壓力的壓縮空氣，氣源系統需要消耗大量的能源，原因主要為以下兩個方面：（1）由于壓縮機單級的壓比低，將大流量的空氣壓縮至高壓需要進行多級壓縮，則耗電量大，為兆瓦級別，同時需要消耗大量的循環水冷卻壓縮機組和級間的壓縮空氣。（2）受壓縮機性能曲線限制，單機流量調節范圍約為設計點流量的70%～100%，多機組流量調節范圍由并聯情況確定，難以滿足不同試驗器在不同工況下對壓縮空氣流量的需求。若某個試驗工況點處于多機組流量調節范圍外，出現壓縮空氣流量的供需不匹配，則只能通過大流量放氣方式匹配用氣需求，導致大量能源浪費。因此，在氣源系統各型空氣壓縮機組選型（設計點壓力及流量）時，應著重考慮降低氣源系統在各試驗工況用氣需求下的能源消耗。

需要說明的是，壓縮空氣溫度調節的實現方式是在空壓機組再行串聯后冷器或空氣加熱器實現，溫度調節精度約為±5℃，基本上可以認為是無極調節，同時，加熱器內壓縮空氣壓力損失較小，基本不存在能源浪費的情況。因此，本文不對后冷器或空氣加熱器的選型進行分析，僅針對壓縮機組的選型原則進行分析。

1 氣源系統壓縮機組選型原則

氣源系統中空氣壓縮機組的選型應根據各試驗器所需壓縮空氣壓力和流量的范圍確定，通過串聯或并聯不同空壓機組的來滿足各試驗器壓縮空氣的壓力與流量需求。在保證氣源系統實用性及可擴展性的基礎上，應著重考慮氣源系統整體能源消耗，盡可能通過優化空壓機組配置實現降低能源消耗。空壓機組選型的原則主要可以總結為如下幾項：

（1）根據各試驗器各工況點的所需壓縮空氣的壓力，空壓機組工作壓力的選取應保證在大部分工況點下的減壓壓降盡可能低，并可根據需要分別設置低壓壓縮機組及增壓壓縮機組對空氣進行二級壓縮。

（2）根據各試驗器各工況點的所需壓縮空氣的流量，空壓機組工作流量的選取應保證在大部分工況點下的放氣流量盡可能小，并可根據實際情況分別設置大流量主流壓縮機組以及小流量次流壓縮機組。

（3）試驗器主流、次流管路分開設置，通過不同的空壓機組供應主流次流供氣，有利于快速調節所需壓縮空氣的流量及壓力，避免主流次流之間相互影響。

（4）應盡量考慮選擇相同規格的空壓機組，增強氣源系統通用性，降低機組采購成本，同時便于后期維護保養。同規格空壓機組數量一般應在3～5臺為宜。

（5）由于試驗器需求的不確定性，可考慮在供氣能力方面預留一定的裕度。

（6）空壓機組選型應盡可能保證不同用氣工況下壓縮機組設備利用率高，減少氣源系統設備的占地面積。

2 氣源系統壓縮機組選型分析案例

現以某燃氣輪機試驗園區內5臺試驗器在不同工況下的壓縮空氣用氣需求為例，闡述氣源系統中空氣壓縮機組選型方案的確定。對于每臺試驗器的所有壓縮空氣需求點，在每次試驗中需求能夠從最小工況連續變化到最大工況。圖1為各試驗臺在不同工況點下所需壓縮空氣的流量及壓力分布情況。

圖1 各試驗器用氣工況點壓力流量分布

根據圖1中各試驗器各工況點壓縮空氣需求的分布情況，可將該園區內試驗器的用氣需求分為4類，具體如表1所示。

表1 各試驗臺壓縮空氣需求分類

（1）空壓機組壓力等級的確定。根據各試驗器用氣工況點壓力流量的分布，空壓機的壓力等級確定為1.0MPa低壓機組和1.0～4.0MPa增壓機組。試驗器用氣壓力小于1MPa時僅低壓機組運行，避免由于不必要的增壓導致的能耗增加。試驗器用氣壓力大于1MPa時低壓機組合增壓機組串聯運行，可滿足最高4MPa的壓縮空氣需求。

（2）空壓機組主流次流機組的確定。考慮到0～25kg/s流量范圍內用氣點較為密集，將該流量區間劃分為次流，試驗器E兩路壓縮空氣同時使用時為次流最大公工況，考慮使用3臺12kg/s的1.0MPa低壓機組并串聯3臺12kg/s的1.0～4.0MPa增壓機組提供次流范圍內的壓縮空氣用氣需求。

低壓1.0MPa壓縮空氣用氣最大流量在試驗器D兩路壓縮空氣同時使用時取到，共計約134kg/s。為提高設備利用率，在現有3臺12kg/s的次流低壓機組基礎上，主流低壓機組仍需要提供流量不小于100kg/s的壓縮空氣，設置4臺25kg/s的1.0MPa低壓機組。考慮到需要約75kg/s的主流高壓壓縮空氣，設置3臺25kg/s的1.0～4.0MPa增壓機組，串聯在3臺低壓機組后運行。

綜上所述，氣源系統壓縮機組選型為3臺12kg/s 1.0MPa低壓機組、3臺12kg/s 1.0～4.0MPa增壓機組、4臺25kg/s 1.0MPa低壓機組與3臺25kg/s 1.0～4.0MPa增壓機組，共計13臺空壓機。不同流量和壓力的空壓機通過串并聯后向各試驗器供氣。

3 結語

本文在通過建立試驗器各工況用氣壓力及流量的分布情況，選取放氣量和壓縮機組利用率作為衡量氣源系統機組選型在能源消耗以及投資方面是否經濟的依據，對比不同的空壓機組選型方案，具有一定的指導意義。下一步工作可進一步梳理各試驗器的使用頻率及使用時長，將長時間和高頻次運行的試驗器設計在多機組調節范圍內，進一步降低氣源系統運行的能源消耗，提高經濟性。

表2 各試驗器供氣策略