【壓縮機網(wǎng)】隨著(zhù)我國工業(yè)的不斷發(fā)展，企業(yè)本身不僅面臨市場(chǎng)的激烈競爭，同時(shí)對自己的生產(chǎn)運營(yíng)成本也提出了嚴苛的要求。“節流”即“開(kāi)源”，離心式空氣壓縮機（以下簡(jiǎn)稱(chēng)離心機）作為通用的空氣壓縮設備，憑借其壓縮空氣無(wú)油、運行效率高的特點(diǎn)，越來(lái)越得到用戶(hù)的青睞。
但是，大部分用戶(hù)只是對“離心機非常節能”有一個(gè)概念上的認識，知道離心機比無(wú)油螺桿壓縮機等其他壓縮形式更節能，但沒(méi)有系統的從產(chǎn)品本身到實(shí)際使用綜合考慮這個(gè)問(wèn)題。
本文將從常用壓縮形式比較、市場(chǎng)上各品牌離心機差異、離心機空壓站設計、日常維護保養四個(gè)角度，簡(jiǎn)單闡述這四個(gè)因素對“離心機是否節能”的影響。
一、不同壓縮形式的比較
無(wú)油壓縮空氣市場(chǎng)中，主要有螺桿機、離心機兩大類(lèi)，氣量大致范圍如表1.
由表1看出，無(wú)油螺桿機主要滿(mǎn)足小氣量需求，目前無(wú)油螺桿市場(chǎng)上各個(gè)品牌的競爭主要集中在75kW～315kW。
離心機最小也可以做到25m3/min, 那么，當需求氣量在50～70m3/min時(shí)，究竟是選擇多臺無(wú)油螺桿，還是選擇離心機更合適。
1）從空氣壓縮原理角度分析
不考慮各個(gè)品牌螺桿轉子型線(xiàn)設計、內壓比設計等因素，螺桿機轉子間隙是影響效率的關(guān)鍵因素，轉子直徑和間隙的比例越高，則壓縮效率越高。同樣，離心機葉輪直徑和葉輪與蝸殼間隙比例越大，則壓縮效率越高。
2）兩種壓縮方式效率比較
以某68m3/min、8barg用氣需求為例，離心機與螺桿機方案的功耗比較，見(jiàn)表2。
由表2可知：
a.68m3/min需求時(shí)，離心機效率比螺桿機高。
b.根據壓縮間隙對效率的影響可以判斷：螺桿機直徑越大，則效率越高；離心機氣量越小，葉輪直徑越小，則間隙占比越大，效率呈逐步下降趨勢。
c.由表3也可以看出，離心機與螺桿機在不同工況下，基本保持同樣的變化水平。
3）理論結合實(shí)際的綜合效率比較
單純的機器效率比較并不能反映實(shí)際使用的結果，從實(shí)際使用角度考慮，80%的用戶(hù)實(shí)際用氣都存在波動(dòng)，見(jiàn)表4典型的用戶(hù)用氣需求波動(dòng)示意圖。但離心機的安全調節范圍只有70%～100%，當用氣量超過(guò)調節范圍時(shí)，會(huì )出現大量放空，放空即是能源的浪費，則這臺離心機的綜合效率就不高。
如果用戶(hù)充分了解自己的用氣波動(dòng)情況，多臺螺桿機的搭配，尤其采用N+1、即N臺定頻螺桿+1臺變頻機的方案，用多少氣產(chǎn)多少氣，變頻螺桿實(shí)時(shí)調節氣量的產(chǎn)出，則綜合效率反而比離心機高。
因此，離心機到底節不節能，不能單純從設備角度出發(fā)，要充分考慮實(shí)際用氣的波動(dòng)。如果想采用50～70m3/min離心機，則需要保證用氣波動(dòng)在15～21m3/min的波動(dòng)范圍，即盡量保證離心機不放空。如果用戶(hù)預判自己的用氣波動(dòng)超過(guò)21m3/min , 則采用螺桿機方案會(huì )更節能。
二、離心機的不同配置
離心機市場(chǎng)主要由幾大國際品牌占據，如瑞典阿特拉斯?科普柯、日本IHI-Sullair、美國英格索蘭等。據筆者了解，各個(gè)品牌基本只生產(chǎn)擁有核心技術(shù)的離心機葉輪部分，其他零部件采用全球供應商采購模式，因此，零部件的品質(zhì)也對整機效率有重要的影響。
1）驅動(dòng)離心機機頭的高壓電機
電機效率對離心機的整體效率影響非常大，配置不同效率的電機，整機輸入功率計算差別見(jiàn)表3。
由表5可知，高效電機在離心機長(cháng)期使用中，能有效保證整機輸入功率最低，進(jìn)而提高整機的運行效率。
國家標準委員會(huì )頒布的GB 30254-2013《高壓三相籠型異步電動(dòng)機能效限定值及能效等級》中，對各個(gè)電機等級做了詳細的劃分。其中大于等于2級能效以上的電機，定義為節能電機，相信隨著(zhù)該標準的不斷完善和推廣，電機會(huì )作為離心機是否節能的重要判斷標準。
2）傳動(dòng)機構—聯(lián)軸器和齒輪箱
離心機葉輪采用齒輪增速驅動(dòng)，因此，連軸器的傳動(dòng)效率，高、低速齒輪系統的傳動(dòng)效率、軸承的形式等因素，都會(huì )進(jìn)一步影響離心機的效率。但這些零部件的設計參數都被作為各個(gè)廠(chǎng)家的保密數據不對外公開(kāi)，因此，只能從實(shí)際使用過(guò)程中做簡(jiǎn)單判斷。
a.連軸器：從長(cháng)期運行角度考慮，干式疊片連軸器比齒式連軸器的傳動(dòng)效率高，齒式聯(lián)軸器傳動(dòng)效率下降快。
b.齒輪增速系統：傳動(dòng)效率下降，則機器噪音高、振動(dòng)高，葉輪的振動(dòng)值短時(shí)間內增高，傳動(dòng)效率下降。
c.軸承：采用多片式滑動(dòng)軸承，可有效保護帶動(dòng)葉輪的高速軸油膜穩定，啟停機時(shí)不會(huì )對軸瓦造成磨損。
3）冷卻系統
離心機每一級葉輪壓縮后都需要進(jìn)行冷卻，再進(jìn)入下一級進(jìn)行壓縮。
a.冷卻：冷卻器的設計應充分考慮不同季節進(jìn)氣溫度、冷卻水溫度對冷卻效果的影響。
b.壓降：氣體經(jīng)過(guò)冷卻器時(shí)，要盡量減少氣體壓降。
c.析出冷凝水：冷卻過(guò)程中冷凝水析出越多，下一級葉輪對氣體做功比例越多，則氣體壓縮效率越高。
d.排出冷凝水：將冷凝水快速排出冷卻器，同時(shí)不產(chǎn)生壓縮空氣泄露。
卻器的冷卻效果對整機效率影響非常大，同時(shí)也考驗每一個(gè)離心機廠(chǎng)家的技術(shù)實(shí)力。
4）其他影響離心機效率的因素
b.級間管道：設計緊湊的級間管道系統，可以有效降低壓縮過(guò)程的壓損。
c.調節范圍：更寬的調節范圍意味著(zhù)更少的放空風(fēng)險，也是檢驗一臺離心機是否具備節能能力的重要判讀指標。
d.內表面涂層：離心機每級壓縮的排氣溫度90～110℃，內部良好的耐溫涂層也是保證長(cháng)期高效運行的保障。
三、空壓站設計階段
離心式空壓站的系統設計目前還處在比較粗放的階段，主要體現在：
1）產(chǎn)氣量與需求量不匹配
一個(gè)空壓站的氣量，在設計階段時(shí)會(huì )統計用氣點(diǎn)、乘以同時(shí)使用系數等數據，已經(jīng)留有充足的余量。但實(shí)際采購時(shí)要滿(mǎn)足最大、最不利工況這一指標，加上離心機選型的因素。因此從實(shí)際結果看，實(shí)際用氣大多小于采購的壓縮機產(chǎn)氣量，再加實(shí)際用氣波動(dòng)、各品牌離心機調節能力的差別，離心機會(huì )發(fā)生階段性放空。
2）排氣壓力與用氣壓力不匹配
很多離心機空壓站都只有1～2個(gè)壓力管網(wǎng)，以滿(mǎn)足最高壓力點(diǎn)為基準選擇離心機，但實(shí)際上，最高壓力點(diǎn)氣量需求占比很小，或者有更多低壓力的用氣點(diǎn)，需要通過(guò)下游減壓閥來(lái)降壓使用。根據權威數據，離心機每降低1barg排氣壓力，總運行能耗可降低8%。
3）壓力不匹配對機器的影響
離心機只有運行在設計點(diǎn)時(shí)效率才最高，舉例來(lái)說(shuō)，設計排氣壓力8barg的機器，實(shí)際排氣壓力在5.5barg, 則要參考6.5barg的實(shí)際運行功耗。
4）空壓站管理不到位
用戶(hù)認為只要是穩定供氣保證生產(chǎn)，其他都可以先放一放，以上提到的問(wèn)題或者說(shuō)節能點(diǎn)，都會(huì )被忽略。那么，實(shí)際運行的能耗就會(huì )遠高于理想狀態(tài)，而這種理想狀態(tài)，原本可以通過(guò)前期更細致的計算，對實(shí)際用氣波動(dòng)的模擬，更詳細的氣量、壓力劃分、更準確的選型搭配去實(shí)現。
四、日常維護保養對效率的影響
日常維護保養也對離心機是否能高效運行起著(zhù)及其重要的作用，除了機械設備常規的三濾一油、閥門(mén)閥體密封件的更換，離心機還需要注意以下幾點(diǎn)：
1）空氣中粉塵顆粒
氣體經(jīng)進(jìn)氣過(guò)濾器過(guò)濾后，還是會(huì )有細小粉塵進(jìn)入，長(cháng)時(shí)間后會(huì )沉積在葉輪、擴壓器、冷卻器翅片上，影響吸氣量，進(jìn)而影響整機效率。
2）壓縮過(guò)程中氣體特性
壓縮過(guò)程中，氣體處于過(guò)飽和、高溫高濕狀態(tài)，壓縮空氣中的液態(tài)水會(huì )與空氣中酸性氣體結合，對氣體內壁、葉輪、擴壓器等產(chǎn)生腐蝕，影響進(jìn)氣量，也會(huì )降低效率。
3）冷卻水的品質(zhì)
冷卻水中碳酸鹽硬度、總懸粒子物濃度的不同，導致冷卻器水側結污結垢，影響換熱效率，進(jìn)而影響整個(gè)機器的運行效率。
【結語(yǔ)】
離心機是目前市場(chǎng)上效率最高的空氣壓縮機種類(lèi)，在實(shí)際使用中，要想真正達到“物盡其用、盡享其效”，不僅需要離心機廠(chǎng)家不斷研發(fā)更高效的產(chǎn)品；同時(shí)，更準確的選型方案，更貼近實(shí)際的用氣需求，達到“用多少氣產(chǎn)多少氣、用多高壓力產(chǎn)多高壓力”也顯得尤其重要。此外，加強對離心機的維護保養，也是離心機長(cháng)期穩定高效運行的可靠保障。
據權威數據統計，壓縮空氣的耗電占整個(gè)工業(yè)用電的10%，隨著(zhù)離心機使用越來(lái)越廣泛，相信越來(lái)越多的用戶(hù)不僅知道“離心機非常節能”，同時(shí)也會(huì )從整個(gè)系統的設計、運行維護保養的角度去達到節能的目標，提高企業(yè)自身的競爭力，為減少碳排放，維護綠色地球做出自己的貢獻！
但是，大部分用戶(hù)只是對“離心機非常節能”有一個(gè)概念上的認識，知道離心機比無(wú)油螺桿壓縮機等其他壓縮形式更節能，但沒(méi)有系統的從產(chǎn)品本身到實(shí)際使用綜合考慮這個(gè)問(wèn)題。
本文將從常用壓縮形式比較、市場(chǎng)上各品牌離心機差異、離心機空壓站設計、日常維護保養四個(gè)角度，簡(jiǎn)單闡述這四個(gè)因素對“離心機是否節能”的影響。
一、不同壓縮形式的比較
無(wú)油壓縮空氣市場(chǎng)中，主要有螺桿機、離心機兩大類(lèi)，氣量大致范圍如表1.
由表1看出，無(wú)油螺桿機主要滿(mǎn)足小氣量需求，目前無(wú)油螺桿市場(chǎng)上各個(gè)品牌的競爭主要集中在75kW～315kW。
離心機最小也可以做到25m3/min, 那么，當需求氣量在50～70m3/min時(shí)，究竟是選擇多臺無(wú)油螺桿，還是選擇離心機更合適。
1）從空氣壓縮原理角度分析
不考慮各個(gè)品牌螺桿轉子型線(xiàn)設計、內壓比設計等因素，螺桿機轉子間隙是影響效率的關(guān)鍵因素，轉子直徑和間隙的比例越高，則壓縮效率越高。同樣，離心機葉輪直徑和葉輪與蝸殼間隙比例越大，則壓縮效率越高。
2）兩種壓縮方式效率比較
以某68m3/min、8barg用氣需求為例，離心機與螺桿機方案的功耗比較，見(jiàn)表2。
由表2可知：
a.68m3/min需求時(shí)，離心機效率比螺桿機高。
b.根據壓縮間隙對效率的影響可以判斷：螺桿機直徑越大，則效率越高；離心機氣量越小，葉輪直徑越小，則間隙占比越大，效率呈逐步下降趨勢。
c.由表3也可以看出，離心機與螺桿機在不同工況下，基本保持同樣的變化水平。
3）理論結合實(shí)際的綜合效率比較
單純的機器效率比較并不能反映實(shí)際使用的結果，從實(shí)際使用角度考慮，80%的用戶(hù)實(shí)際用氣都存在波動(dòng)，見(jiàn)表4典型的用戶(hù)用氣需求波動(dòng)示意圖。但離心機的安全調節范圍只有70%～100%，當用氣量超過(guò)調節范圍時(shí)，會(huì )出現大量放空，放空即是能源的浪費，則這臺離心機的綜合效率就不高。
如果用戶(hù)充分了解自己的用氣波動(dòng)情況，多臺螺桿機的搭配，尤其采用N+1、即N臺定頻螺桿+1臺變頻機的方案，用多少氣產(chǎn)多少氣，變頻螺桿實(shí)時(shí)調節氣量的產(chǎn)出，則綜合效率反而比離心機高。
因此，離心機到底節不節能，不能單純從設備角度出發(fā)，要充分考慮實(shí)際用氣的波動(dòng)。如果想采用50～70m3/min離心機，則需要保證用氣波動(dòng)在15～21m3/min的波動(dòng)范圍，即盡量保證離心機不放空。如果用戶(hù)預判自己的用氣波動(dòng)超過(guò)21m3/min , 則采用螺桿機方案會(huì )更節能。
二、離心機的不同配置
離心機市場(chǎng)主要由幾大國際品牌占據，如瑞典阿特拉斯?科普柯、日本IHI-Sullair、美國英格索蘭等。據筆者了解，各個(gè)品牌基本只生產(chǎn)擁有核心技術(shù)的離心機葉輪部分，其他零部件采用全球供應商采購模式，因此，零部件的品質(zhì)也對整機效率有重要的影響。
1）驅動(dòng)離心機機頭的高壓電機
電機效率對離心機的整體效率影響非常大，配置不同效率的電機，整機輸入功率計算差別見(jiàn)表3。
由表5可知，高效電機在離心機長(cháng)期使用中，能有效保證整機輸入功率最低，進(jìn)而提高整機的運行效率。
國家標準委員會(huì )頒布的GB 30254-2013《高壓三相籠型異步電動(dòng)機能效限定值及能效等級》中，對各個(gè)電機等級做了詳細的劃分。其中大于等于2級能效以上的電機，定義為節能電機，相信隨著(zhù)該標準的不斷完善和推廣，電機會(huì )作為離心機是否節能的重要判斷標準。
2）傳動(dòng)機構—聯(lián)軸器和齒輪箱
離心機葉輪采用齒輪增速驅動(dòng)，因此，連軸器的傳動(dòng)效率，高、低速齒輪系統的傳動(dòng)效率、軸承的形式等因素，都會(huì )進(jìn)一步影響離心機的效率。但這些零部件的設計參數都被作為各個(gè)廠(chǎng)家的保密數據不對外公開(kāi)，因此，只能從實(shí)際使用過(guò)程中做簡(jiǎn)單判斷。
a.連軸器：從長(cháng)期運行角度考慮，干式疊片連軸器比齒式連軸器的傳動(dòng)效率高，齒式聯(lián)軸器傳動(dòng)效率下降快。
b.齒輪增速系統：傳動(dòng)效率下降，則機器噪音高、振動(dòng)高，葉輪的振動(dòng)值短時(shí)間內增高，傳動(dòng)效率下降。
c.軸承：采用多片式滑動(dòng)軸承，可有效保護帶動(dòng)葉輪的高速軸油膜穩定，啟停機時(shí)不會(huì )對軸瓦造成磨損。
3）冷卻系統
離心機每一級葉輪壓縮后都需要進(jìn)行冷卻，再進(jìn)入下一級進(jìn)行壓縮。
a.冷卻：冷卻器的設計應充分考慮不同季節進(jìn)氣溫度、冷卻水溫度對冷卻效果的影響。
b.壓降：氣體經(jīng)過(guò)冷卻器時(shí)，要盡量減少氣體壓降。
c.析出冷凝水：冷卻過(guò)程中冷凝水析出越多，下一級葉輪對氣體做功比例越多，則氣體壓縮效率越高。
d.排出冷凝水：將冷凝水快速排出冷卻器，同時(shí)不產(chǎn)生壓縮空氣泄露。
卻器的冷卻效果對整機效率影響非常大，同時(shí)也考驗每一個(gè)離心機廠(chǎng)家的技術(shù)實(shí)力。
4）其他影響離心機效率的因素
b.級間管道：設計緊湊的級間管道系統，可以有效降低壓縮過(guò)程的壓損。
c.調節范圍：更寬的調節范圍意味著(zhù)更少的放空風(fēng)險，也是檢驗一臺離心機是否具備節能能力的重要判讀指標。
d.內表面涂層：離心機每級壓縮的排氣溫度90～110℃，內部良好的耐溫涂層也是保證長(cháng)期高效運行的保障。
三、空壓站設計階段
離心式空壓站的系統設計目前還處在比較粗放的階段，主要體現在：
1）產(chǎn)氣量與需求量不匹配
一個(gè)空壓站的氣量，在設計階段時(shí)會(huì )統計用氣點(diǎn)、乘以同時(shí)使用系數等數據，已經(jīng)留有充足的余量。但實(shí)際采購時(shí)要滿(mǎn)足最大、最不利工況這一指標，加上離心機選型的因素。因此從實(shí)際結果看，實(shí)際用氣大多小于采購的壓縮機產(chǎn)氣量，再加實(shí)際用氣波動(dòng)、各品牌離心機調節能力的差別，離心機會(huì )發(fā)生階段性放空。
2）排氣壓力與用氣壓力不匹配
很多離心機空壓站都只有1～2個(gè)壓力管網(wǎng)，以滿(mǎn)足最高壓力點(diǎn)為基準選擇離心機，但實(shí)際上，最高壓力點(diǎn)氣量需求占比很小，或者有更多低壓力的用氣點(diǎn)，需要通過(guò)下游減壓閥來(lái)降壓使用。根據權威數據，離心機每降低1barg排氣壓力，總運行能耗可降低8%。
3）壓力不匹配對機器的影響
離心機只有運行在設計點(diǎn)時(shí)效率才最高，舉例來(lái)說(shuō)，設計排氣壓力8barg的機器，實(shí)際排氣壓力在5.5barg, 則要參考6.5barg的實(shí)際運行功耗。
4）空壓站管理不到位
用戶(hù)認為只要是穩定供氣保證生產(chǎn)，其他都可以先放一放，以上提到的問(wèn)題或者說(shuō)節能點(diǎn)，都會(huì )被忽略。那么，實(shí)際運行的能耗就會(huì )遠高于理想狀態(tài)，而這種理想狀態(tài)，原本可以通過(guò)前期更細致的計算，對實(shí)際用氣波動(dòng)的模擬，更詳細的氣量、壓力劃分、更準確的選型搭配去實(shí)現。
四、日常維護保養對效率的影響
日常維護保養也對離心機是否能高效運行起著(zhù)及其重要的作用，除了機械設備常規的三濾一油、閥門(mén)閥體密封件的更換，離心機還需要注意以下幾點(diǎn)：
1）空氣中粉塵顆粒
氣體經(jīng)進(jìn)氣過(guò)濾器過(guò)濾后，還是會(huì )有細小粉塵進(jìn)入，長(cháng)時(shí)間后會(huì )沉積在葉輪、擴壓器、冷卻器翅片上，影響吸氣量，進(jìn)而影響整機效率。
2）壓縮過(guò)程中氣體特性
壓縮過(guò)程中，氣體處于過(guò)飽和、高溫高濕狀態(tài)，壓縮空氣中的液態(tài)水會(huì )與空氣中酸性氣體結合，對氣體內壁、葉輪、擴壓器等產(chǎn)生腐蝕，影響進(jìn)氣量，也會(huì )降低效率。
3）冷卻水的品質(zhì)
冷卻水中碳酸鹽硬度、總懸粒子物濃度的不同，導致冷卻器水側結污結垢，影響換熱效率，進(jìn)而影響整個(gè)機器的運行效率。
【結語(yǔ)】
離心機是目前市場(chǎng)上效率最高的空氣壓縮機種類(lèi)，在實(shí)際使用中，要想真正達到“物盡其用、盡享其效”，不僅需要離心機廠(chǎng)家不斷研發(fā)更高效的產(chǎn)品；同時(shí)，更準確的選型方案，更貼近實(shí)際的用氣需求，達到“用多少氣產(chǎn)多少氣、用多高壓力產(chǎn)多高壓力”也顯得尤其重要。此外，加強對離心機的維護保養，也是離心機長(cháng)期穩定高效運行的可靠保障。
據權威數據統計，壓縮空氣的耗電占整個(gè)工業(yè)用電的10%，隨著(zhù)離心機使用越來(lái)越廣泛，相信越來(lái)越多的用戶(hù)不僅知道“離心機非常節能”，同時(shí)也會(huì )從整個(gè)系統的設計、運行維護保養的角度去達到節能的目標，提高企業(yè)自身的競爭力，為減少碳排放，維護綠色地球做出自己的貢獻！
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