兩級壓縮可以取代單級壓縮嗎？

本文主要從噴油螺桿空壓機對1級能效限定值的絕熱效率需求值去分析主機對空壓機節(jié)能的影響，并運用絕熱效率來揭示單級壓縮和兩級壓縮節(jié)能的秘密。

什么是空壓機的絕熱效率呢？

1.首先我們需要了解壓縮空氣工作原理

空氣具有可壓縮性，經(jīng)空氣壓縮機做功使其體積縮小、壓力提高后獲得壓縮空氣。

根據(jù)熱力學(xué)第一定律，一個封閉系統(tǒng)的總能量總是守恒的，空氣壓縮機通過外力作用把機械能或熱能轉(zhuǎn)換為壓縮空氣的壓力勢能。

對于氣體，在微觀上個別分子運動規(guī)律很難觀察其規(guī)律，但宏觀上大量分子集體效應(yīng)的物理量，如：氣體的體積、溫度、壓強等等則可以研究其狀態(tài)變化而獲取其規(guī)律。于是我們在壓縮空氣理論計算時引入“氣體狀態(tài)方程”。該狀態(tài)方程表示壓力、容積與溫度之間的相互關(guān)系。在一個密閉環(huán)境中，當(dāng)一個參數(shù)變化時，至少會導(dǎo)致其他兩個參數(shù)中的一個參數(shù)發(fā)生變化。（見公式(1)）。

我們通常使用P-V圖來描述空氣壓縮機工作過程。如果我們有日常生活用打氣筒給自行車輪充氣經(jīng)歷，就很容易理解空氣的壓縮有四個過程：等容過程（容積不變）、等壓過程（壓力不變）、多變過程（容積、壓力、溫度變化），（見圖1）。

圖1的2-1過程就是空壓機壓縮的過程，通常分為：等溫壓縮（溫度不變）、絕熱壓縮（與周圍沒有熱交換）、 多變壓縮（與周圍產(chǎn)生熱交換）。（見圖2）

從圖2中我們知道，1-2-3-4為空壓機工作的四個過程，其圍成的面積就是其消耗的能量（作功）。其中等溫壓縮作功最小（1-2’-3-4），絕熱壓縮作功最大（1-2”-3-4），多變壓縮均處于兩者之間（1-2-3-4）。但是在實際壓縮過程中，由于空壓機運行既不可能做等溫壓縮（進(jìn)氣溫度-壓縮溫度-排氣溫度不變），也不可能做到絕熱壓縮（空氣與周圍沒有熱交換）, 因此介于兩者之間的多變壓縮過程就是最常見的噴油螺桿壓縮機的壓縮過程（干式無油螺桿為絕熱壓縮）。

由于螺桿空壓機主機內(nèi)部在壓縮過程中會產(chǎn)生熱量，氣體的溫度會上升很快，而主機受到噴油量的限制及熱交換的不充分，空氣往往在排氣口才能與油溫中和，所以在理論上研究主機壓縮時向絕熱壓縮靠攏比等溫壓縮更準(zhǔn)確。在空壓機主機軸功率計算時一定是先用絕熱壓縮理論來進(jìn)行推導(dǎo)，然后再通過實驗手段論證其絕熱效率值，從而獲得滿意的空壓機比功率值。

2.絕熱效率

絕熱效率ηad就是等熵絕熱所需要的主機軸功率Pad與空壓機實際軸功率P軸的比值，計算公式見公式（2）：

ηad = Pad/ P軸       ——公式（2）

我們先了解絕熱效率的含義：

①由于空壓機壓縮耗能主要在主機，所以研究絕熱效率就是研究主機的性能；

②絕熱效率可以理解為空壓機中空氣被壓縮后與前所含能量的比值，體現(xiàn)空壓機壓縮前后能量利用的完善程度;

③比值（絕熱效率）越接近（比值為1）說明該空壓機的性能越好，反之則空壓機的性能較次；

④壓縮比增高必然需要更多地能量消耗，比值（絕熱效率）必然會隨著壓比的增高而增高，同時容積效率降低，比值（絕熱效率）也會增大；

⑤另外，當(dāng)比值（絕熱效率）越大，空壓機越難實現(xiàn)。反之，就越容易制造。

3.絕熱效率對噴油螺桿空壓機節(jié)能影響

相同的機頭型線和加工精度，單級壓縮和2級壓縮結(jié)果有什么不一樣的表現(xiàn)呢？我們可以從絕熱效率的理論分析：

同樣排氣壓力為7bar，單級壓縮主機壓比為8：1；兩級壓縮主機頭壓比為2.8：1。從容積效率來看，壓比增大，絕熱效率值下降。（見圖4）

我們可以通過絕熱壓縮理論計算來看。

等熵絕熱壓縮主機軸功率計算：

Pad-壓縮機主機的等熵絕熱功率

Ps-壓縮機的吸氣壓力（MPa）

Pd-壓縮機的排氣壓力（MPa）

qv-壓縮機的實際容積流量（m3/min）

k-被壓縮氣體的等熵指數(shù)（空氣=1.4）

空氣壓縮機主機絕熱效率計算：

ηad = Pad/ P軸         ——公式(4)

通過公式（3）和（4）計算方法，我們按GB 19153—2019《容積式空氣壓縮機能效限定值及能效等級》中1級能效限定值來計算出單級壓縮和兩級壓縮時主機所需的絕熱效率需求值并比較分析（見表1）。

③從表1可以看出：

a)大容積流量比小容積流量需要更高的絕熱效率需求值，比如：22kW單級為73.96%，兩級為63.06%；75kW單級為80.23%，兩級為68.4%；

b)在1級能效限定值下，兩級壓縮絕熱效率需求值比單級壓縮絕熱效率需求值小，這意味著，達(dá)到1級能效，兩級壓縮比單級壓縮更容易實現(xiàn)。比如：250kW單級為86.06%，兩級為73.37%。

通常來說，低壓力比，大中容積流量的空壓機絕熱效率ηad=0.75～0.85；高壓力比，小容積流量的空壓機絕熱效率ηad=0.65～0.75。在目前螺桿空壓機設(shè)計與制造水平下，主機絕熱效率ηad>0.85幾乎不可能。因此，在某些1級能效限定值對應(yīng)的單級壓縮絕熱效率需求值在單級壓縮螺桿空壓機中幾乎“不可能達(dá)到”（90kW以上絕熱效率需求值都超過85%以上）。而在這些1級能效限定值對應(yīng)的兩級壓縮絕熱效率需求值卻很低（絕熱效率不超過75%），反而容易達(dá)到設(shè)計與制造。這就是從絕熱效率的角度解釋為什么兩級壓縮比單級壓縮節(jié)能的原因。

從圖5可以看到：90kW就是單級壓縮的分水嶺，大于90kW單級壓縮螺桿空壓機要達(dá)到1級能效非常困難。這就是為什么在市場上絕大多數(shù)品牌的空壓機在單級壓縮90kW以上的工頻機很少能達(dá)到1級能效。這與現(xiàn)有的技術(shù)條件下主機的設(shè)計和制造有相當(dāng)大的關(guān)系。

然后，再看圖6所示，1級能效兩級壓縮絕熱效率需求值比單級壓縮絕熱效率需求值低13%左右，且都低于85%，在目前螺桿空壓機設(shè)計與制造水平下，非常容易實現(xiàn)。但是現(xiàn)實中大多數(shù)情況差距并沒有這么大，是由于對于二次進(jìn)氣溫度控制受到機頭連接方式限制，大多數(shù)兩級壓縮是一級壓縮后直接進(jìn)入二級壓縮，只是在中間噴油冷卻，使得二級進(jìn)氣溫度不夠低（露點和容積效率限制），把兩級壓縮變成兩段壓縮，絕熱效率值打了折扣。

在現(xiàn)有的技術(shù)和制造水平，相同排氣壓力及機組功率下，由于兩級壓縮主機在壓縮比﹑二級進(jìn)氣溫度（大多數(shù)兩級壓縮主機通過中間噴油冷卻，使得二級進(jìn)氣溫度=1級排氣溫度-8℃）、容積效率比單級壓縮更優(yōu)，絕熱效率需求值降低10%左右是不難的事情，從而更容易達(dá)到1級能效限定值。

因此針對單級壓縮已經(jīng)很高的絕熱效率（如在大功率或高壓力機組中），進(jìn)一步提高絕熱效率難度很大，因此采用兩級壓縮是提高機組能效是最佳方法，特別是在國內(nèi)主機的技術(shù)和制造水平不占優(yōu)勢的情況下實現(xiàn)彎道超車，也是當(dāng)今市場普遍的操作。

在GB19153-2019《容積式空氣壓縮機能效限定值及能效等級》中能效限定值要求進(jìn)一步降低，市場中200kW以下的兩級壓縮比功率值已經(jīng)接近標(biāo)準(zhǔn)值了，優(yōu)勢不是那么明顯的情況下，兩級壓縮主機可以通過系統(tǒng)設(shè)計，把“偽”兩級（兩段）壓縮變成正真的兩級壓縮應(yīng)該是下一階段的技術(shù)變革。

在市場中為什么在大單、高利潤、優(yōu)質(zhì)客戶面前盲目推銷兩級壓縮不一定好使呢？

首先要了解客戶對螺桿空壓機真正需求，客戶購買空壓機是為了賺錢，而不是省錢。選擇單級或兩級壓縮，要根據(jù)客戶的需求。片面強調(diào)兩級壓縮節(jié)能效果而犧牲可靠性，穩(wěn)定性，耽誤比節(jié)能更多時，可能省下來的不如賠的多。

從經(jīng)濟(jì)和節(jié)能綜合考慮，建議在90kW 以下機組可采用單級壓縮，而追求1級能效的90 kW以上機組則可以采用兩級壓縮。這將有助于提高機組能效，降低成本，提高穩(wěn)定性。但是前提是幫助客戶先開源，然后才是節(jié)流。不能把順序搞反了。

筆者一直推崇：壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能才是真正的節(jié)能，單一推銷永磁變頻、兩級壓縮、工業(yè)物聯(lián)，都是“同質(zhì)化銷售”的誤區(qū)，與95%的競爭對手的銷售方法雷同，無法脫身價格戰(zhàn)。

因此深入了解“絕熱效率對噴油螺桿空壓機節(jié)能影響”不僅能在理論上支持我們空壓機設(shè)計制造為什么節(jié)能，如何做節(jié)能及挖掘節(jié)能的潛力，而且還可以在激烈的市場競爭中占得先機。學(xué)習(xí)理論，領(lǐng)先同行！