常見空氣壓縮機工作原理及適用場景研究

陸君君 LU Jun-jun；王永健 WANG Yong-jian

（杭州辰睿空分設備制造有限公司，杭州 311400）

0 引言

當前經濟快速發展，空壓機的需求廣泛，但其類型不止一種。為防止設備選購失當，要提前對其特性進行了解。本文旨在通過精簡的介紹使得相關人員快速了解空壓機的工作原理、最適宜工作場景等，以此來節約企業的前期準備時間，少走彎路，減少企業運營成本，提高經濟效益。

1 空氣壓縮機工作原理

1.1 空氣壓縮機的工藝流程

空氣壓縮機系統的主要設備有空氣過濾器、空氣壓縮機組、油箱、冷卻器等。[1]其工藝流程如圖1所示。目前，應用得最為廣泛的是離心式壓縮機。在該系統中，空氣壓縮機工作流程如圖1。

圖1 空壓機壓縮工藝流程

①因為在空氣中存在顆粒、灰塵及其它雜質，這些物質如果進入空壓機會將其損壞，所以要先經過過濾器，過濾之后達到清潔度要求，方可進入空壓機內部。這樣處理之后，在導流管與葉片之間的磨損就不會因異物進入而加劇磨損，水冷器的表面也不會被雜質污染，導熱系數也不會被破壞。

在空分裝置中，過濾器一般有濕式、干式兩類。在實際運行過程中，通常將濕式、干式兩種過濾器進行串聯之后再使用。這樣可明顯將過濾效果提升。需要注意的是濕式過濾器在前，干式過濾在再后，效果更好。

②通過過濾器處理的干凈空氣最后進入空壓機，機器的葉輪會高速旋轉，葉輪周邊空氣被它帶動，之后氣體的速度提升，壓力提升。

③經過壓縮之后的高壓氣體之后會進入擴壓器，在這里，氣體的速率降低，壓力升高。在空分系統中所使用的離心壓縮機在通常情況下是使用多個葉輪的，經過多個葉輪的逐級壓縮，最終將氣體壓力提高至預定值。

在空氣壓縮的過程中，不僅僅是提高壓力，其溫度也隨之攀升。這個過程必然會與外界產生熱交換，交換的過程中一部分能量會被浪費，那么壓縮機的整體工作效率也會被拉低。為解決這個問題，引入水冷器設備。水冷器對于降低氣體溫度十分有效，對提升空壓機的效率很有幫助。在系統工作過程中離不開潤滑油的作用，油箱會一致提供。經過多次壓縮處理的空氣最終會被送入氮氣預冷器，在這里經過冷卻之后，即可輸出到下一設備使用。[2]

1.2 空壓機系統參數及工作原理

1.2.1 空氣壓縮機控制方法

在正常工作時，空壓機系統控制部分主要由2部分組成：出口壓力的恒流控制或恒壓控制、空壓機啟/停控制。

恒流控制/恒壓控制：控制系統在正常工作時，遇到壓縮機壓力或流量出現波動的情況，進行空壓機出口處壓力或流量的穩定工作。采取的措施主要由：進出口流量調節、變轉速調節。

①進口流量調節是有固定轉速的離心壓縮機所采用的常用調節方法，該種方式的操作相對簡單，調節范圍也較廣，花費亦不算太大。

②變轉速調節有點是調節范圍最大，花費最低。它的缺點是不確定性較大，對于要求較高的應用環境并不適用。

在具體的應用環境中，使用恒流控制或恒壓控制一定要根據所處的工況來進行選擇，選取與工況相匹配的方式。控制的首要目標是入口導葉片的開度，這是無論哪種控制方法都必須遵循的。不同的是，在恒流控制中，空壓機出口處壓差的大小決定入口導葉片的開度，但在恒壓控制中，空壓機出口壓力決定入口導葉片的開度。在大型的空分系統中，通常會選擇恒壓控制。

在空壓機工作系統的控制部分，除了上述兩種主要控制外，還有其他類型的控制，比如空壓機正常啟動時或發生事故時的保護控制，空壓機電機電流過載保護控制，自動加載、卸載的控制等。這些控制的存在，都為機組的正常運行增加了助力。

1.2.2 空氣壓縮機參數

當前市場上，空壓機的主要性能一般是：排氣壓力、流量、工作效率、工作轉速功率等。這些工作參數詳情如下：

①流量。容積流量和質量流量是常用的兩種流量表示方法。在固定式壓縮機中，較多使用容積流量，在移動式壓縮機中較多使用質量流量。壓縮機的通流能力大小通常用進氣容積流量表示，單位為m3/min。在石油、化工、空分等相關行業中，使用的則是容積流量（標準狀況下），其單位為m3/h。在不同的應用領域，需要使用不同的壓縮機。由于供氣量所需大小不同，在實際工作過程中，還要根據工藝的需求來進行適宜的調節。

②轉速。該參數的單位為r/min，所指的是空壓機中轉子旋轉速度。空壓機的能耗會受到轉子轉速的很大影響。

③出口壓力。通常情況下，出口壓力指的是空壓機設備的排氣壓力。在空分系統中，該壓力的單位一般為MPa。出口壓力是空壓機中尤其重要的一個參數。所需排氣壓力越大，那么對于設備的選擇也愈加苛刻，設備中的各零部件都要質量過硬，強度與剛度都要符合一定要求，如此一來，購置成本也會大幅上升。

④功率。該參數的單位為kW，指的是驅動壓縮機時，驅動機、軸的功率等。

⑤效率。該參數是指空壓機的輸出氣體有效功率數值跟壓縮機軸耗功率數值相比，而得出的數據。

在壓縮機的銘牌上，上述這些參數都會明示標出，而且空壓機的工作壓力、工作溫度、相對濕度等相關參數的進氣條件以及氣體介質等也要標明。空壓機的出口處壓力是其壓力控制部分系統的重要參數，該參數對空壓機的效率、工作性能影響十分重大，直接決定空壓機出口處壓力控制性能的優劣。

1.2.3 空氣壓縮機工作原理

空壓機系統流程在實際生產中一般是二級壓縮過程，其壓縮指數介于1-1.5之間。多級空壓機對空氣進行壓縮后，從理論上看，其排氣溫度是非常高的。但在通常情況下，機器的最終排氣溫度不得超過額定值，即不大于155℃-175℃，所以，在工作過程中，會在各級之間使用冷卻器進行降溫，等溫度降下來之后，氣體才可送往下一級進行進一步的壓縮。兩級之間的出口壓力差值決定著壓縮溫度的高低，該差值與溫度成正比，即差值越大，溫度越高。溫度又影響空壓機的容積效率，因此，中間冷卻器在空壓機系統流程中的應用必不可少。

綜上所述，使用多級空壓機，從第一級開始，往高級輸送的氣體被逐級壓縮，在兩級之間裝設冷卻裝置進行降溫，以避免過高溫度的氣體流向下一層，如此一來，可將機器的運行環境進行改善，可將氣體的比容縮小。

如圖2所示，將排氣、吸氣的過程都假設在恒壓控制之下，把曲線圖分成3部分來進行詳細分析。曲線123455’61為第一部分，曲線123456’’1為第二部分，12345’P31為第三部分。第一部分是中間冷卻過程，是空壓機的二級壓縮。第二部分是空壓機的單機壓縮。第三部分是空壓機的定溫壓縮。

圖2 空壓機兩級壓縮原理圖

在低壓吸氣過程中，低壓缸進氣閥門會打開，此時的氣源處于平穩不變的狀態，隨著活塞的向右運動，氣體的體積慢慢變大，在圖2中用3-4線段表示低壓吸氣過程。

在低壓氣缸壓縮氣體的過程中，進出閥門都是處于關閉狀態的。此時的活塞會向左發生移動，氣體的體積隨之縮小，其壓力隨之變大。在圖2中用4-5線段表示低壓氣缸中氣體的壓縮過程。

在低壓氣缸向中間冷卻器排氣過程中，由于低壓缸已達到預定壓力值，出口閥門則被打開，此時的氣壓保持不變。氣體的體積隨著排氣動作而慢慢變小，在圖2中用5-2線段表示該過程。

氣體在壓縮冷卻設備中的冷卻過程用5-5’表示，在該階段，其壓力也是不變的。

將中間冷卻器的排氣過程與高壓缸的吸氣過程中間產生的能量損失忽略不計后，兩條線重合，在圖2中用2-5’表示。[3]

在中間設置有冷卻器的情況下，氣體在高壓氣缸中被壓縮時，高壓缸的進出口閥門處于關閉狀態，此時狀態與低壓缸相近。當活塞向左移動，氣體的體積縮小，壓力變大，在圖2中用5-6’表示。

在中間設置冷卻器的情況下，氣體從高壓氣缸被排出時，高壓缸的出口閥門處于打開狀態，當活塞向左移動，此時壓力保持恒定，隨著氣體被排出，其體積會慢慢變小。

在空氣壓縮機中使用多級壓縮流程，在每級之間使用熱交換器等裝置進行降溫，其優點如下：

①最終排出的氣體溫度較低。因為使用一級壓縮的話，雖然其空壓機成本低、結構簡單，但自出口排出的氣體溫度偏高，使用了多級壓縮流程后，經過中間冷卻的環節，使得最后排出的氣體產品溫度適宜。

②能量消耗較低。由圖2空壓機兩級壓縮原理圖可推斷出，如果壓縮機采用的壓縮方式為單級壓縮，那么123456’’1曲線所圍成的面積即為它消耗的功。如果壓縮機采用的壓縮方式為兩級壓縮，中間冷卻的方式，那么23452區域、125’61區域的面積之和則為其所消耗的功。等溫壓縮所耗的功為12345’P31的面積。兩者相比，等溫壓縮所耗的功較小。等溫壓縮只是一種理想狀態，在實際工作中，只要氣體被壓縮，熱量必然會產生。邊壓縮邊控制為恒溫的狀態很難達到，成本太高并不適用于生產實際。因此，多級壓縮，中間冷卻的方式為當前生產實際所能達到的最佳方式。

從圖2中可得知，空壓機級數與中間冷卻器數量成正比。經過數次壓縮升溫之后又冷卻的過程，所節省的功亦越多。而且會將壓縮過程變為無限趨于定溫工作狀態壓縮。

2 空氣壓縮機的分類

空氣壓縮機是一種機械裝置，它作為空分裝置的關鍵組成部分，承擔著將空氣壓縮之后輸送給別的設備的任務。沒有空氣壓縮機的參與，空分設備無法接受原料空氣，沒有空氣壓縮機，制冷裝置、降溫設備也無法正常使用。[4]

2.1 按使用用途分類

在我國國民經濟的諸多領域中，如電力、礦山、化工、制冷等部門，空壓機早已被大面積應用。空壓機是高壓氣體制造的核心裝備，按用途可分為以下四類：

①便于運輸：空壓機可將氣體壓縮，使得氣體便于運輸，節省成本。經過空壓機的處理，氣體被壓縮為高壓氣體，體積大大減少，從而能裝入便于運輸的容器中，大大節約運輸空間，十分方便。

②用作傳力介質：氣體可傳遞相當巨大的力來做功，所以空壓機壓縮的空氣可用作傳力介質，這是氣壓的傳動原理。

③利于化學反應：空壓機可為諸多化學反應提供壓縮的高壓氣源作為實驗原料。因為其可助于某些化學反應能進行得更好，氣體中存在的離子能更好地重組為分子。

④用于空分裝備：作為空分裝置不可或缺的組成部分，空壓機對于空分工作十分重要。在空氣中，主要成分是氮氣、氧氣。其中氧氣含量高達20%。在工業制氧中，可利用空分系統對其進行液化分離。

2.2 按設備類型分類

在空分設備中，當前最常見的空壓機有三類，分布為活塞式空氣壓縮機、透平式空氣壓縮機、螺桿式空氣壓縮機。

2.2.1 活塞式空壓機

活塞式空壓機的應用環境為流量不大，但所需壓力很高的情況。在制冷行業，活塞式空壓機應用廣泛。在使用過程中，活塞式空壓機的電機運轉會在定子中產生交流電，交變電流會產生磁場而帶動轉子進行旋轉。轉子、曲軸采取過盈配合的方式。曲軸會在轉子轉動的帶動下也進行運動。這是通過曲軸連桿機構活塞在氣缸中便能實現往復運動。在這一系列動作后，氣缸的氣體也隨之被壓縮，最終空壓機的排氣壓力增加。

2.2.2 透平式空壓機

透平式壓縮機的應用環境為流量大，但相對壓力要求不高的情況。該類機型在工作中利用的是機械旋轉。在葉輪高速旋轉過程中，產生離心力，在它作用下，氣體從葉輪中心處吸入，之后順著葉片與葉片中間的通道移動，并最后流向葉輪的邊緣處。[5]氣體在葉輪邊緣的速度在變快，氣壓力也增大，此時在氣體通道中高速流出，之后它進入擴壓器通道，處于該位置的氣體速度變小，壓力變大，此時的動能會轉化為壓力能。最終擴壓器中出來的氣體會進入到蝸室輸出。[6]

透平式空壓機也是一種常見機型，因為性質、運動結構的不同，該機型還細分為軸流式空壓機、離心式空壓機兩類。

①軸流式空壓機的流量很大，效率也高，但缺點是易磨損、消耗較大。該機型在工作過程中，葉片高速旋轉，此時軸向流入的氣體便被導流至導葉中而進行擴壓。該機型的工作適用范圍不大，因為它的排氣壓力并不太穩定，難以控制。事實上，在國內一般都較少用到該機型，除非壓縮氣體消耗大戶，否則不會想到安裝該類型的空壓機。

②離心式空壓機所產生的壓縮空氣質量好，對于市面上絕大部分的大型空分裝備都適用，所以該類型的空壓機應用最為廣泛。它的葉輪進氣管、蝸室等部件是重要組成部分。扛起經過引流作用，進入其進氣管后會逐漸進入葉輪。葉輪在工作過程中是高速旋轉的，旋轉產生離心力，氣體在離心力作用下被甩出。位于葉輪邊緣的氣體速度會提升，然后進入蝸殼。在蝸殼內，之前進入的高速氣體會轉化為高壓氣體，最終被空壓機排出進入下一環節。

2.2.3 螺桿式空壓機

螺桿式空壓機的應用環境為低壓層面。該種類型的空壓機流量介于活塞式空壓機與透平式空壓機之間。螺桿式空壓機本質上是一種容積式的空氣壓縮機，主要組成部分有：機體、一對同步齒輪、主動轉子以及從動轉子（可互相嚙合）。在實際運行過程中，嚙合齒輪在持續運轉，空氣也在持續被壓縮，被排出，整個過程不中斷、是連貫的，因此最終產出的壓縮氣體也是連貫的。

3 結束語

綜上所述，本文對空氣壓縮機工藝流程、參數、工作原理逐一進行了闡述與分析，指出不同類型空壓機的最適宜場景，希望對相關行業人員加強空壓機方面的了解、設備的選購及使用等方面有所幫助。