低壓噴油螺桿壓縮機排氣含油量過高的原因分析及如何降低排氣含油量

低壓噴油螺桿壓縮機排氣含油量過高的原因分析及如何降低排氣含油量

冉 鵬，羅吉榮，司 超

（陜西漢機精密機械股份有限公司，陜西漢中７２３０００）

［摘 要］：針對噴油螺桿壓縮機在低壓應用中排氣含油量過高的問題，通過對比試驗對噴油雙螺桿壓縮機排氣含油量過高的原因進行分析，從油氣分離桶，油氣分離濾芯配置方面著手，找出原因并找出解決方案。以及改進噴油螺桿壓縮機油氣分離系統的配置，加強油氣分離效果，獲得含油量更低、更潔凈的高品質壓縮空氣。

［關鍵詞］：低壓壓縮機；微油螺桿壓縮機；油氣分離

中圖分類號：ＴＨ４５５ 文獻標志碼：Ａ

文章編號：１００６－２９７１（２０２２）０４－００３７－０５

１　引言

　　隨著我國國民經濟建設的持續(xù)增長，各類壓縮機的需求量不斷增大，同時也對壓縮空氣的質量進一步提高，如何獲得含油量低、潔凈的高品質壓縮空氣，是壓縮機行業(yè)和用戶十分關注的一個課題。

噴油螺桿壓縮機作為一種壓縮空氣制造設備，具有高效節(jié)能、綠色環(huán)保、故障率低、噪聲小、操作簡便等優(yōu)良特點。但是在低壓（排氣壓力＜３ｂａｒ）環(huán)境下，壓縮空氣中混入的潤滑油氣體微粒很難被有效的分離出來，這就造成油氣分離不徹

底，壓縮空氣含油量過高。在一些對于壓縮空氣含油量有嚴格要求應用領域，噴油螺桿壓縮機也就被拒之門外，而且潤滑油流失過快也會縮短壓縮機的保養(yǎng)周期，提高壓縮機的使用成本。

２　油氣分離系統簡介

　　按分離機理的不同，噴油螺桿壓縮機機組中采用兩種不同的油氣分離方法：①機械碰撞法，即依靠油滴自身重力的作用，從氣體中分離較大的油滴。實測表明，對直徑大于１μｍ的油滴，都可采用機械碰撞法被有效地分離出來。②親和聚結法，既通過特殊材料制成的元件，使直徑在１μｍ以下的油滴，先聚結為直徑更大的油滴，然后再分離出來。

現在常見的油氣分離系統通常都有油氣分離桶，油氣分離濾芯和回油管路組成，并且使用最小壓力閥來保證油氣分離桶內的壓力。一般情況下，需要將壓縮空氣在進入油氣分離桶之前的流速控制在１５～２５ｍ／ｓ之間，壓縮空氣進入油氣分離桶內部之后，速度會進一步下降，然后通過內桶與外桶不停地碰撞，將壓縮空氣中較大的油滴分離出來，這些油滴會沿著油氣分離桶內壁滑落到油氣分離桶底部的潤滑油油池中。噴油螺桿壓縮機排氣溫度通常在８０℃以上，所以經過一次油氣分離的壓縮空氣中依然含有很多微小的油粒和油蒸汽，這種狀態(tài)下的潤滑油分離難度更大，所以這不僅對油氣分離濾芯的材質有特殊要求，壓縮空氣通過油氣分離濾芯的速度也必須控制在＜０.７ｍ／ｓ才行，因為經過一次油氣分離的壓縮空氣中所含的潤滑油顆粒都非常微小，在這種情況下壓縮空氣流速越低，分離效果越好。

３　低壓噴油螺桿壓縮機排氣含油量過高的原因分析及解決方案

　　很多廠家制造低壓噴油螺桿壓縮機時發(fā)現，相對于常壓（排氣壓力８ｂａｒ） 噴油螺桿壓縮機，采用相同的油氣分離系統時低壓（排氣壓力＜３ｂａｒ）噴油螺桿壓縮機制備出的壓縮空氣往往含油量遠大于常壓機型。為找出排氣壓力對壓縮空氣含油量的影響，特設置以下實驗，根據實驗結果進行分析，找出低壓噴油螺桿壓縮機壓縮空氣含油量過高的原因。

普通噴油螺桿壓縮機大多用于對壓縮空氣沒有特殊要求的工礦企業(yè)，對于壓縮空氣含油量沒有明確的要求，所以大多數噴油螺桿壓縮機廠家都是按照固定時間內的耗油量或者以壓縮空氣總含油量＜５ｍｇ／ｍ３為合格標準。根據最終計算結果顯示，這兩種合格標準最終的壓縮空氣含油量相近，所以本文中所有試驗都以壓縮空氣總含油量＜５ｍｇ／ｍ３合格標準。但是根據國家標準要求，這種質量的壓縮

空氣在很多應用領域是無法使用的。所以我們本次實驗不僅要找出低壓噴油螺桿壓縮機壓縮空氣含油量過高的原因，而且要找出進一步降低壓縮空氣含油量的方法。

３.１　不同排氣壓力下壓縮空氣含油量測試

本次試驗的目的是找出在油氣分離系統配置相同的情況下，排氣壓力對壓縮空氣含油量的影響。根據實驗目的， 我們選取一臺容積流量為１０ｍ３／ｍｉｎ噴油螺桿壓縮機，并采用常壓（８ｂａｒ）配置的油氣分離系統，該系統由油氣分離桶，油氣分離濾芯和回油管路組成。

首先，我們需要根據油氣分離設計經驗值，選取合理的油氣分離桶與油細分離器。本次實驗中選取的油氣分離桶進氣口管徑為ＤＮ５０，進氣口截面積為１.９６×１０－３ ｍ３，油氣分離濾芯中濾紙展開面積約為０.２８ ｍ２。本次試驗的測試儀器采用ＤＵＳＴＴＲＡＫ－Ⅱ氣溶膠監(jiān)測儀，并且在每個試驗狀態(tài)下?。到M數據求平均值，以保證試驗數據的可靠性。

第一步，把排氣壓力設置為８ｂａｒ，用儀器檢測顯示５次測試的壓縮空氣平均含油量為僅為０.６３１ｍｇ／ｍ３，見表１，此時的壓縮空氣含油量達到大多數廠家的合格標準。

第二步，把排氣壓力設置為５ｂａｒ，此時用儀器檢測顯示５次測試的壓縮空氣平均含油量為１.３９ｍｇ／ｍ３，見表２?？梢钥闯?，此時的壓縮空氣含油量也滿足大多數廠家的合格標準，但是相對于排氣壓力為８ｂａｒ時增加了約１倍。

第三步，把排氣壓力設置為２.５ｂａｒ，此時用儀器檢測顯示５次測試的壓縮空氣平均含油量為８.４４ｍｇ／ｍ３，見表３。此時的壓縮空氣含油量已經超出了大多數廠家的合格標準。

３.２　實驗結果分析

通常來說，造成壓縮空氣含油量主要原因有：油氣分離系統中油氣分離元件的損壞，潤滑油變質等。但是根據上述實驗第一步、第二步可以排除以上這些原因，因為在此實驗中影響壓縮空氣含油量的因素只有排氣壓力，其余配置均相同。那么，我們就必須根據以上的試驗參數，通過計算去找出低壓環(huán)境下壓縮空氣含油量超標的原因。

螺桿壓縮機的內壓比εｉ，是指齒間容積的內壓縮終了壓力與吸氣壓力之比。通常壓縮機主機在設計的時候內壓縮終了壓力會略小于排氣壓力，但是為方便計算，我們在設計試驗過程中讓內壓縮終了壓力等于排氣壓力。

排氣壓力不同會造成的容積效率、噴油量、內泄漏等因素的變化，但是這些因素對于計算結果影響不大且計算過于復雜，因此在計算時不考慮這些因素，同時在假設在試驗中這３種排氣壓力下壓縮機的容積效率均為為９０％。根據經驗值，壓縮空氣在進入油氣分離桶之前的流速要求是１５～２５ｍ／ｓ之間，壓縮空氣進入油氣分離濾芯的速度應＜０.７ｍ／ｓ。

由式（１） 計算得出，當排氣壓力為８ｂａｒ時，εｖ＝４.４２，則此時排氣口容積流量為２.０３ｍ３／ｍｉｎ，可以得出此時壓縮空氣進入油分桶的流速約為

１７.２ｍ／ｓ，通過油氣分離濾芯時流速約為０.１２ｍ／ｓ。

當排氣壓力為５ｂａｒ時，εｖ＝３.１６，則此時排氣口容積流量為２.８４ｍ３／ｍｉｎ，可以得出此時壓縮空氣進入油分桶的流速約為２４.１ｍ／ｓ，通過油氣分離濾芯時流速約為０.１７ｍ／ｓ。

當排氣壓力為２.５ｂａｒ時，εｖ＝１.９２，則此時排氣口容積流量為５.２１ｍ３／ｍｉｎ，可以得出此時壓縮空氣進入油分桶的流速約為３９.８ｍ／ｓ，通過油氣分離濾芯時流速約為０.３１ｍ／ｓ。

通過對比以上計算結果可以看出，當使用相同的油氣分離系統時，排氣壓力越低，壓縮空氣進入油氣分離桶的速度會增加，壓縮空氣進入油氣分離桶的速度越高，最終產出的壓縮空氣含油量也越高，當壓力低到一定程度時，就會導致壓縮空氣進入油氣分離桶的速度超過其使用要求，最終造成壓縮空氣含油量超標。

由此我們可以得出：在同等容積流量下，采用相同的油氣分離系統，排氣壓力越低，壓縮空氣中含油量越高。想要解決這個問題，只需要通過計算壓縮空氣進入油氣分離桶的速度，選用合適型號的油氣分離桶就可以有效降低壓縮空氣含油量。

在此次的試驗中，壓縮空氣的流速都滿足油氣分離濾芯的使用要求，且壓縮空氣進入油分桶的速度也不是固定值，所以在此次實驗中暫時無法看出油氣分離濾芯對壓縮空氣含油量影響有多大。

３.３　低壓噴油螺桿壓縮機含油量解決方案

針對以上試驗以及結果分析，我們雖然找出了低壓油螺桿壓縮機排氣含油量過高的主要原因，但是無法判斷壓縮空氣通過油氣分離濾芯的速度對壓縮空氣含油量有什么影響，所以我們需要進一步試驗。在相同容積流量下，選用更大型號的油氣分離

桶和濾紙展開面積不同的的油氣分離濾芯進行試驗，驗證前面的觀點是否正確，同時找出壓縮空氣通過油氣分離濾芯的速度對含油量的影響。

這次試驗，我們依然使用上面試驗中使用的容積流量為１０ｍ３／ｍｉｎ噴油螺桿壓縮機，綜合考慮到空壓機機箱尺寸以及經濟效益，我們將油氣分離桶更換為進氣口管徑為ＤＮ６５的油氣分離桶，進氣口截面積為１.９６×１０－３ ｍ３，同時分別選用濾紙展開面積約為０.４１ｍ２的油氣分離濾芯和第一次試驗使用的展開面積約為０.２８ｍ２的濾紙。因為在上面實驗中，排壓為８ｂａｒ、５ｂａｒ時，壓縮空氣含油量均達到了合格標準，為簡化流程所以以下試驗僅針對排壓２.５ｂａｒ進行。

在試驗之前，先計算以上配置是否合理，由式（１） 計算得出，當排氣壓力為２.５ｂａｒ時，εｖ ＝１.９２，則此時排氣口容積流量為５.２１ｍ３／ｍｉｎ，可

以得出此時壓縮空氣進入油分桶的流速約為２３.４ｍ／ｓ，此流速滿足油氣分離桶的要求，說明該配置較為合理，可以進行試驗。

試驗開始：把排氣壓力設置為２.５ｂａｒ，首先使用濾紙展開面積約為０.２８ｍ２的油氣分離濾芯，通過計算可以的得出通過油氣分離濾芯時流速約為０.２８ｍ／ｓ，使用儀器檢測顯示５次測試的壓縮空氣平均含油量為３.６８ｍｇ／ｍ３，見表４。此時的壓縮空氣含油量滿足大多數廠家的合格標準。

把排氣壓力設置為２.５ｂａｒ，首先使用濾紙展開面積約為０.４１ｍ２的油氣分離濾芯，通過計算可以的得出通過油氣分離濾芯時流速約為０.２１ｍ／ｓ，使用儀器檢測顯示５次測試的壓縮空氣平均含油量為２.３６ｍｇ／ｍ３，見表５。此時的壓縮空氣含油量相對使用濾紙展開面積約為０.２８ｍ２的油氣分離濾芯時有明顯的下降。

本次實驗的結果不僅驗證了第一次試驗得出的結論是正確性，在低壓應用的環(huán)境中，只要將壓縮空氣進入油氣分離桶的速度控制在合理的范圍內，就可以有效降低壓縮空氣的含油量。同時，通過試驗對比我們可以看出：在同等條件下，油氣分離濾芯的展開面積越小，壓縮空氣通過油氣分離濾芯的流速越高，則最終得到的壓縮空氣中含油量越高。

４　降低噴油螺桿壓縮機排氣含油量

　　在前面的試驗中，我們通過改變油氣分離系統的配置來解決壓縮空氣含油量過高的問題，可以保證噴油螺桿壓縮機無論在高壓還是低壓使用環(huán)境中都能保證滿足出廠標準。但是在一些對于壓縮空氣含油量有嚴格要求應用領域，噴油螺桿壓縮機的排氣含油量依然達不到國家標準要求。為了達到更好的過濾效果，獲得含油量更低、更潔凈的高品質壓縮空氣。我們將通過分析，合理改進油氣分離系統進行試驗，找出降低壓縮空氣含油量的方法。

４.１　油氣分離系統配置

想要進一步降低壓縮空氣含油量，首先必須分析壓縮空氣中所含的潤滑油的物理狀態(tài)，針對潤滑油的物理狀態(tài)進行合理配置，將潤滑油分離出來。常規(guī)噴油螺桿壓縮機最終排出壓縮空氣中所含的油都是直徑１μｍ以下的微小油滴，以及氣態(tài)的油蒸

汽，這種狀態(tài)下的潤滑油只有使用油氣分離濾芯才能將其從壓縮空氣中分離出來。所以我們只需要在常規(guī)配置的油氣分離系統內部再增加一層油氣分離濾芯和回油管路，這樣可以對壓縮空氣再進行一次過濾，可以有效降低壓縮空氣的含油量。

新配置的油氣分離系統是一種三層過濾油氣分離系統，該油氣分離系統結構如圖１所示。雖然在理論上來說，油氣分離濾芯過濾層數越多，則最終過濾效果越好，但是過濾層數越多零件的加工制造難度也會增加很多，并且更多的油氣分離濾芯在油

氣分離桶內的空間也無法排布。多以使用雙層油氣分離濾芯是目前較為合理的一種選擇。

為了驗證以上理論的正確性以及實際油氣分離效果如何，我們需要進行第３次試驗，本次試驗依然采用容積流量為１０ｍ３／ｍｉｎ的噴油螺桿壓縮機，并且將排氣壓力設置為２.５ｂａｒ，因為前面試驗已經得出：在同等配置下，排氣壓力越低則壓縮空氣含油量越高，所以只需要針對低壓進行試驗，就可以看出三層過濾油氣分離系統的油氣分離能力。

試驗開始，將排氣壓力設置為２.５ｂａｒ，為保證數據準確性，本次試驗?。到M數據，見表６?？梢钥闯觯褂萌龑舆^濾油氣分離系統之后，５次測試壓縮空氣平均含油量為０.０３８ｍｇ／ｍ３，最高含油量為０.０５８ｍｇ／ｍ３。

根據國家標準ＧＢ／Ｔ１３２７７－９１，本次試驗當壓縮空氣的含油量小于０１ｍｇ／ｍ３，已經達到國家標準中含油量等級２級要求，這個等級的壓縮空氣除

了食品飲料加工，噴漆等極少的行業(yè)之外，其余大部分應用環(huán)境下都是可以使用的。

通過以上試驗可以看出，增加一層油氣分離濾芯可以有效降低壓縮空氣含油量。雖然在油氣分離桶內部增加油氣分離濾芯會遇到裝配空間不足、裝配難度過大等問題，但是考慮增加外部過濾系統這樣也可以進一步降低壓縮空氣含油量。本次試驗的目的是找出怎么改進現有油氣分離系統可以降低壓縮空氣含油量，上面的試驗已經可以得出結論，所以就不再進行進一步降低壓縮空氣含油量的試驗。

５　結論

　　綜合以上所有試驗可以看出：

（１）使用同等配置的油氣分離系統，噴油螺桿壓縮機排壓越低，則壓縮空氣的含油量越高。

（２）同等容積流量的壓縮機在配置油氣分離系統時，隨著排氣壓力的變化，需要根據計算選用合理的油氣分離桶。

（３）合理增加油氣分離系統中油氣分離濾芯的層數可以有效降低壓縮空氣的含油量。

參考文獻：

［１］　邢子文．螺桿壓縮機—理論、設計及應用［Ｍ］．西安：西安交通大學教材，２０１８．

［２］　李蔚蔚，高相家，秦濱．螺桿壓縮機油氣分離系統的設計與應用

［Ｊ］．合肥：合肥通用機械研究院，２００９．

［３］　項慧芬．噴油螺桿壓縮機油氣分離系統的改進［Ｊ］．壓縮機技術，２０００．

［４］　褚曉東．螺桿壓縮機油氣分離器油氣機理分析［Ｊ］．壓縮機，２００７．

作者簡介：冉鵬（１９８８－），男，陜西漢中人，助理工程師，本科，主要從事機械設計