從軸功率揭開螺桿空壓機節(jié)能的秘密一、空壓機軸功率的定義 眾所周知，空壓機能效看機組輸入比功率，比功率大小與機組功率值有很大關系。即相同容積流量、壓機軸功率，機組功率越大，比功率越大，空壓機就越耗能......
眾所周知，空壓機能效看機組輸入比功率，比功率大小與機組功率值有很大關系。即相同容積流量、壓機軸功率，機組功率越大，比功率越大，空壓機就越耗能。
空壓機的機組輸入功率與電機軸功率、電機效率、電箱功率、風扇功率等有關，而占比最大的就是軸功率。
空壓機的軸功率是在一定容積流量和工作壓力下，電動機（或柴油機）單位時間內(nèi)給空壓機主機軸的功，稱為軸功率。
空壓機軸功率，我們可以從空壓機內(nèi)部（即主機的軸功率）和外部（電動機軸功率）的功耗來揭示軸功率的意義。首先從機組輸入功率從外到內(nèi)來分析空壓機的能耗。（見圖1）
由公式(1)，我們得到機組功率的組成為：
P機組功率=P電機功率+P風扇功率+P電器箱功率——公式(1)
公式(2)，電機功率與電機軸功率和電機效率有關：
P電機功率=P電機軸功率/η電機效率——公式(2)
公式(3)，電機軸功率跟空壓機主機軸功率及傳動效率有關（見圖2）：
P電機軸功率=P主機軸功率/η傳動效率——公式(3)
在空壓機行業(yè)，在標準、銘牌、宣傳冊及商務談判上機器大小通常用“驅動電動機功率”（HP/kW）表示，電動機銘牌為：“額定功率”，實際上都是指空壓機軸功率。（見圖3）
如果我們將公式(2)和(3)代入公式(1)可以得到公式(4)：
P機組功率=（P主機軸功率/η傳動效率）*η電機效率+P風扇功率+P電器箱功率——公式(4)
由公式(4)看出機組功率中，軸功率（主機/電機）、效率（傳動/電機）均在空壓機六大系統(tǒng)的的動力系統(tǒng)中，是機組功率占比最大的部分。（見圖4）
螺桿空壓機動力系統(tǒng)由主機、電機、傳動系統(tǒng)等三大部件組成：
從公式(4)看出，要想知道空壓機的機組功率，我們必須先知道主機軸功率。
1.主機軸功率的計算
空壓機主機軸功率，是主機用來提升壓縮空氣的壓力勢能所需的綜合機械（或熱）能。與空壓機指示功率及絕熱效率有關，但不包括外傳動(如齒輪或皮帶傳動)損失的功率（見公式(5)）
Ps=Pad/η絕熱效率——公式(5)
Ps為主機軸功率
Pad為空壓機指示功率
η絕熱效率=0.7～0.85
空壓機設計人員通常在設計空壓機之前都要計算或知曉空壓機的主機軸功率。
例1，假設要設計一臺螺桿空壓機，排氣壓力0.7MPa（表壓），容積流量為16.67m3/min，進氣壓力為0.1MPa（絕壓）。該空壓機的軸功率是多少？應該配多大的電動機？
解：
1) 容積流量換算：Q=16.67m3/min=277.78l/s
2) 壓縮空氣所需的指示功率計算：
3) 假設該螺桿空壓機的絕熱效率：η=80%
根據(jù)公式(1)，主機軸功率：Ps=Pad/η絕熱效率=79.34/0.8=99.15kW
應該配多大電機？后面再計算。
在圖6中可以看出，空壓機在壓縮過程中既不可能做等溫壓縮（壓縮過程空氣溫度不變），也不可能做絕熱壓縮（壓縮過程與外界沒有任何熱交換）。因此應該是多變壓縮過程。
通過實驗，由于噴油螺桿空壓機的主機轉數(shù)較高，被壓縮氣體在壓力升高過程中，與噴入的潤滑油之間的熱交換很不充分，在壓縮過程結束時，氣體的溫度遠高于油的溫度，在排氣過程中才最終實現(xiàn)熱量平衡，達到相同的排氣溫度。
因此，誤認為通過噴油可以實現(xiàn)接近等溫壓縮過程是不準確的。實驗證明，實際噴油螺桿空壓機的最高效率仍比絕熱壓縮效率低一點，所以在機頭軸功率計算中，與絕熱壓縮聯(lián)系起來，而不是等溫壓縮。
空壓機主機工作是動力系統(tǒng)功率的能量消耗的作俑者，因此要想空壓機節(jié)能，首先要主機節(jié)能。(見圖7)
2.主機軸功率影響因數(shù)
我們在計算空壓機的主機軸功率時，需要輸入進氣壓力、進氣溫度、環(huán)境溫度、工作壓力、主機轉數(shù)、進氣壓降、排氣壓降等參數(shù)（見圖8）。所以，這些參數(shù)都會影響到主機軸功率的大小。
圖8
①機組進氣壓力的影響
雖然國家標準規(guī)定空壓機的制造和測試按照“標準工況”（標準進氣壓力Px=1.013bar）。但在實際使用工況不同（海拔高度），空壓機在不同的設計與制造及客戶現(xiàn)場表現(xiàn)也會不同（進氣壓損差異），對空壓機的軸功率產(chǎn)生影響。
圖9的橫坐標為進氣壓力，右邊綠色縱坐標為軸功率。當進氣壓力增加時，軸功率曲線下降；反之，則上升。
我們可以理解為，由于進氣壓損而造成壓縮比不同導致軸功率不一樣。
例2：一個客戶在海拔3000m處使用一臺空壓機要求0.7MPa，氣量5.44m3/min時。（查資料環(huán)境壓力為：0.7bar），其壓縮比：
i=P排/Px=（7+0.7）/0.7=11 ——公式(7)
意味著需要相同氣量，此時軸功率比標準工況（壓縮比8）時要大，必須選擇10bar空壓機。因此當進氣壓力降低，軸功率增加。
例3：某空壓機空濾及減荷閥壓降為35mbar （見圖10），要求0.7MPa，氣量5.44m3/min時。其壓縮比：
i=P排/Px=（7+1）/0.965=8.3 ——公式(8)
意味著需要相同氣量，此時軸功率比標準工況（壓縮比8）時要大3.6%。因此當進氣壓力降低，軸功率增加。
②環(huán)境溫度的影響
雖然國家標準規(guī)定空壓機的制造和測試按照“標準工況”（標準溫度T=20℃）。但在實際使用時工況不同，空壓機在不同的客戶現(xiàn)場表現(xiàn)也會不同。環(huán)境溫度差異對空壓機的功率會產(chǎn)生影響。
圖11的橫坐標為環(huán)境溫度，右邊綠色縱坐標為軸功率。當環(huán)境溫度增加時，軸功率曲線下降。但是由于容積流量曲線下降斜率更大（藍色曲線），機組的比功率反而上升（紅色曲線）；反之亦然。例4見圖12。
③工作壓力的影響
在相同主機和轉數(shù)情況下，排氣壓力越大，空壓機軸功率越大?。ㄒ妶D13）
在這里，我們可以區(qū)分三種情況：
a) 空壓機內(nèi)部系統(tǒng)壓降：在相同工作壓力下，空壓機主機后到出氣口前的氣路系統(tǒng)壓降越小，主機排氣壓力就越小，主機的軸功率就越小，機組比功率就越小，空壓機越節(jié)能；反之則耗能。
b) 空壓機后系統(tǒng)壓降：在相同工作壓力下，空壓系統(tǒng)（空壓機后的管路、凈化設備及輔件等）由于浪費成品氣（管路泄露、凈化設備耗氣量大、不合理用氣等）或系統(tǒng)壓降大（管路壓降、凈化設備壓降、系統(tǒng)配置不合理等等）造成主機排氣壓力遠遠大于其正常工作壓力而導致主機軸功率增大，機組比功率就增大，空壓機耗能；反之就節(jié)能。
當空壓機工作一段時間后，由于空濾芯及油氣分離器芯隨著工作時間及環(huán)境影響，會增加阻損，從而造成主機工作壓力上升，到達維護保養(yǎng)要求前，主機軸功率也會增加。出于電動機的安全考慮，必須要增加這部分余量，在電動機部分會有詳細量化。
④主機轉數(shù)的影響
在相同主機和工作壓力下，主機轉數(shù)增加或減少，軸功率就增加或減少?。ㄒ妶D15）
例5，某品牌變頻螺桿空壓機，可以進行兩種壓力控制模式：
a. 在工作壓力不變的情況下，可以隨負荷變化通過改變主機的轉數(shù)來達到節(jié)能的目的；（見圖16左）。
b. 同時也可以在軸功率不變的情況下，隨工作壓力的改變通過改變主機的轉數(shù)實現(xiàn)空壓機增減排氣量，從而達到變頻空壓機利用最大化。這就是為什么這款空壓機有100Hz的變量（見圖16右）。
⑤主機的效率影響
不管什么主機，每檔主機都會有其效率曲線（見圖17），當主機轉數(shù)過低時，主機因為泄露增大導致機組比功率高（所以變頻空壓機的頻率都在20Hz以上，再低不但耗能，且可能打不出氣）；當主機轉數(shù)過高時，主機的機械摩擦增大導致機組比功率高（市場俗稱：小馬拉大車）。
由于變頻空壓機能效限定值的計算方法與工頻空壓機不一樣，因此利用好了主機的效率曲線，把在工頻空壓機不是1級能效的主機經(jīng)過調(diào)校后用在變頻空壓機上，取得1級能效的案例比比皆是。
因此，從GB19153-2019《容積式壓縮機能效限定值及能效等級》可以看出，相同功率下，同樣是1級能效，工頻比功率值要求比變頻比功率值小。從空壓系統(tǒng)節(jié)能的角度來說，在滿載工況下，工頻機比變頻機節(jié)能。這與主機效率點選取有關，在第三章《噴油螺桿空壓機能效限定值分析》中有分析。
⑥主機的型線影響
螺桿空壓機已經(jīng)有近百年的歷史，主機的設計主要是螺桿線型的演變。
線型設計要求：
a) 軸向氣密性和橫向氣密性高
b) 接觸線長度盡量短
c) 面積利用系數(shù)大
d) 減少和避免漏氣三角形
e) 重量輕，剛性好
f) 良好的工藝性
其中，最重要的是型線的面積利用率：Cn=F/Dm，表1為幾種齒形的面積利用率比較：
其次為主機的加工工藝。
所以一款好的主機，首先考慮的是安全和耐用，其次才是節(jié)能。撇開了主機的安全和耐用而空談節(jié)能，賺的不如賠得多。
⑦壓縮比的影響
前面在進氣壓力影響中提到“壓縮比”。在空壓機主機壓縮過程中不可能100%空氣都被壓縮，會有一定量的空氣泄露，壓縮比越高，泄露越嚴重；同時“壓縮比”越高，壓縮空氣的溫升也越高，當空壓機從電能轉化為機械能，再轉換為空氣壓力勢能時，空氣溫度變化越小，空壓機的主機軸功率越小，空壓機越節(jié)能。這也是兩級壓縮在大機型中比單級壓縮更容易達到1級能效的原因之一。
空壓機的傳動系統(tǒng)指電機和主機連接部件，一般可分為直接傳動、齒輪傳動和皮帶傳動。
三種連接方式各有特點，比較可見表2。
根據(jù)公式(3)可以知道，傳動系統(tǒng)是電機軸功率傳遞到主機軸功率的橋梁，傳動效率高低直接影響到機組功率。
1.空壓機電動機
空壓機是將原動（通常是電動機或柴油機）的機械能轉換成氣體勢能（壓力表現(xiàn)）的裝置，電動機就是空壓機動力的輸入點。
最常見的空壓機電動機為三相異步電機和永磁（變頻）電機。
2.電動機輸入功率
空壓機電機絕大多數(shù)都是三相電機，其輸入功率計算公式為：
P＝ √3UIcosΦη——公式(9)
其中U為線電壓，I為相電流，cosΦ是電機功率因數(shù)，η是電機效率。我們可以從電機銘牌上查詢。（見圖24，左圖為工頻電機，右圖為永磁變頻電機）
從公式(9)可以看出，電機輸入功率與電機效率及功率因數(shù)有密切關系。
①電機效率
電動機由電能轉化為機械能，在能量轉換不可能沒有損失。這是很多因素作用的結果，例如電阻損失、通風損失、磁化損失以及摩擦損失及發(fā)熱等。能量轉化率可以用電機效率η來表示。(見公式(9)，P1為電機軸功率（通常電機銘牌標注的額定功率），P為電機輸入功率)。
η=
— ——公式(10)
P = P1 /η——公式(11)
從公式(10)得出，電機軸功率P1不變的情況下，電機效率η越高，電機輸入功率P越低，空壓機越節(jié)能！國家標準GB18613-2012《電動機能效限定值及能效等級》規(guī)定了電動機能效等級分三個級別：1級、2級、3級，分別對應國際標準的IE4、IE3、IE2。
GB18613-2020《電動機能效限定值及能效等級》在2021年6月1號開始執(zhí)行，把能效指標進一步提升（見圖26）。
目前，市場上大部分空壓機使用電機按照國家標準GB18613-2012《電動機能效限定值及能效等級》，三相異步電動機一般為IE2（三級），永磁電機一般為IE4以上（一級）；各級電機效率η相差1～2%，額定功率越大，效率值相差越?。ㄒ妶D27）。
在第3章《噴油螺桿空壓機能效限定值分析》中介紹了2020空壓機抽檢不合格率高達22.4%，不合格發(fā)現(xiàn)率僅次于三相異步電機23.3%，且不合格項目為：“機組輸入比功率和能效標識”。
空壓機抽檢不合格率其實很大程度與電動機的不合格率有關系，特別是工頻用三相異步電機。由于絕大部分空壓機采用的三相異步電機為IE2（三級），當動力輸入源頭就是不節(jié)能電機，何來空壓機節(jié)能？
電機效率受到技術水平、制造成本、電壓及極數(shù)等因數(shù)影響，空壓機電動機選擇（特別是三相異步電機）應遵循以下原則：
a) 在相同額定功率下，電機能效等級越高，電機效率越高，空壓機越節(jié)能；（建議選用IE3以上）
b) 在相同額定功率下，電機極數(shù)越高，電機效率越高，空壓機越節(jié)能；（能用4極電機就不用2極電機）
c) 在大功率電機，相同額定功率下，電壓越高，電機效率越高，空壓機越節(jié)能；（250kW以上空壓機，有條件選擇循序：10kV>6kV>380V）
d) 同一檔電機，滿載比變載效率高（電機最佳效率是在100%負荷）（見圖28）；
e) 變載運行，永磁變頻電機是優(yōu)先；
f) 在滿足安全的條件下，電機防護等級越低越好。
例6， 75kW的電動機，一臺是IE2，一臺是IE4，其耗電量差距是多少？解答見圖29。
②電機功率因數(shù)
交流電路中，功率分三種功率：有功功率P、無功功率Q和視在功率S，功率因數(shù)cosΦ是有功功率P和視在功率S的比值，即cosΦ=P/S。功率因數(shù)是衡量電氣設備效率高低的一個系數(shù)。
有功功率P(W)：在電路中，電阻元件上所消耗的功率為有功功率，表示電源功率被利用的程度。
當φ=0時，直流電路，P=UI
當φ≠0時，交流電路，P= 3UIcosφ。
我們可以從電機銘牌上查詢功率因數(shù)。（見圖24，左圖為工頻電機，右圖為永磁變頻電機）。
異步電機的功率因數(shù)低，原因是它需要一部分功率來產(chǎn)生磁場，以維持電機運轉。這部分產(chǎn)生磁場的功率，不會被消耗，只存在與電機與電源之間，這就是無功功率。
永磁電機的磁場是永磁體產(chǎn)生的，不需要這個無功功率，所以只需要從電網(wǎng)中吸取有功功率對外做功即可，因此它的功率因數(shù)很高。
例7，以銘牌功率75千瓦的永磁電機和異步電機為例，比較他們的輸入電流，就知道為什么永磁電機效率異步電機效率高。見表3
在變頻空壓機，異步電機在80%負載以下電機效率下滑嚴重，功率因數(shù)下滑更嚴重.永磁電機在20%～120%負載之間基本保持較高的效率和功率因數(shù)、在部分負載時永磁電機比異步電機具有很大的節(jié)能優(yōu)勢，甚至節(jié)能超過50%。（見圖31，1為永磁電機，2為異步電機）。
在例1中，主機軸功率為99.15kW，電機如何選擇呢？
1) 計算電機軸功率：
根據(jù)公式(3)：P電機軸功率=99.15/0.98=101.17kW （η傳動效率=98%齒輪傳動）
校核1：GB 18613-2012《電動機能效限定值及能效等級》中選擇90kW/4極/IE4的效率為96.2%。
根據(jù)公式(2)：P電機功率=101.17/0.962=105.17kW （不超過下一檔110kW）
校核2：GB 18613-2012《電動機能效限定值及能效等級》中選擇90kW/2極/IE2的效率為94.1%。
根據(jù)公式(2)：P電機功率=101.17/0.941=107.5kW （不超過下一檔110kW）
2) 計算電機服務系數(shù)：
通?？諌簷C的電動機服務系數(shù)sf=1.15；考慮空濾芯和精分芯服務周期內(nèi)壓降影響（8%的軸功率）
在例1中電動機的服務系數(shù)要求：sf=101.17 *1.08/90=1.21>1.15，意味著，要么增加電動機的服務系數(shù)到1.25，要么重新修改主機轉數(shù)（減少容積流量）。
例8：某品牌空壓機10.5m3/min/0.7MPa /55kW/2級能效/IE3電機/齒輪傳動/sf=1.15。假設P電箱+P風扇=0.5kW（見圖32）
P機組功率=10.5*6.4=67.2kW
P電機功率=67.2-0.5=66.7kW
P電機軸功率=66.7*0.946=63.03kW
P主機軸功率=63.03*0.98=61.77kW
sf=62.03/55=1.13
可見，sf接近1.15，如果機器使用一段時間后，空壓機內(nèi)部壓降由于精分芯堵塞而增大時，電機服務系數(shù)將不足了，會引起電機安全運行。
例9，圖32，在2009版能效等級為2級，查2019版能效等級變成3級(因為2級比功率值為6.2），如果想要改動少，把電動機換成IE5（96.3%）。
P主機軸功率=61.77kW
P電機軸功率=61.77/0.98=63.03kW
P電機功率=63.03/0.963=65.45kW
P機組功率=65.45+0.5=65.95kW
ε=65.95/10.5=6.28
仍然無法進入2級能效，但已經(jīng)很接近了，可以看主機的效率曲線去修正容積流量，降低一點主機轉數(shù)，就有可能進入新的二級能效。見圖33。
因此深入了解“軸功率對噴油螺桿空壓機節(jié)能影響”，不僅可以在空壓機制造過程中揚長避短，盡可能將空壓機機組比功率值降低，而且還可以在激烈的市場競爭中占得先機。
