空气压缩机特性概要.ppt

不同压缩机的特性 在20世纪30年代，压缩空气或气体的用户只有两种主要选择： 往复式和离心式 § 往复式属于正位移（容积式）压缩机，热力学性能稳定，效率高，但是… – 他们需要昂贵的地基和安装费用 – 他们需要大量的维护工作，维护费高，停机时间长 – 随着使用时间的推移流量逐步下降 – 他们不适合压缩较脏的气体 § 离心式 只需要很少的维护，但是 … – 他们需要昂贵的地基和安装费用 – 他们的热力学性能不稳定 – 操作范围受到喘振的限制 – 他们对灰尘非常敏感，完全不适合压缩较脏的气体 – 即使在叶轮上黏附了几微米的灰尘性能也会显著下降 螺杆压缩机的起源 瑞典皇家科学院的 Lysholm 教授在以下假设的基础上为发现一种理想的压缩 系统而做了大量研究： § 为了克服往复式压缩机的弱点，他理想中的压缩机必须是一种没有 金属接触的旋转式压缩机； § 为了克服离心式压缩机的弱点，它必须是一种正位移（容积式）压 缩机； 于是一种旋转容积式压缩机诞生了，这种压缩机有稳定的热力学性能 ，稳定的操作性和低的功耗 … 可靠性极高 螺杆压缩机的起源 •Atlas Copco 最先采用了这一基本原理，经过大量研究后于1957年推出 了U-系列无油螺杆压缩机. 许多机器至今仍在世界各地使用。

•在1970年代，Atlas Copco研究中心, 位于日内瓦的Cerac研究所, 设计出 革命性的非对称螺杆型线并获得专利 •在1980年代 Atlas Copco推出了闻名于世的，性能更优异的X型线 •在1990年代 Atlas Copco又推出了改进型 SAP型线 现在在世界上生产和销售的压缩机10台中有9台是 螺杆式压缩机 螺杆压缩机的起源 压缩机特性 流量 正位移 (容积式) 压缩机 动力式 压缩机 压力 动力式和容积式压缩机的性能曲线 动力式压缩机的软特性： 压力与流量相关 容积式压缩机的硬特性： 压力与流量无关 离心和螺杆式压缩机的性能曲线 6 0 82 A 100 O 在 35°C 0.97 bar(a) 压 力 功 率 D 喘振控制线 在 25°C 1 bar(a) 无油螺杆 B 75 喘振线 放空区 流量 无油螺杆 流量 压缩机特性 动力式压缩机的软特性： 性能与环境温度密切相关 容积式压缩机的硬特性： 性能与环境温度无关 排气压力 100 % 输入功率 100 % 吸入流量 (质量) 100 % 进气压力下降将使流量 下降，反之亦然 进气压力下降将使输入 功率下降， 反之亦然。

进气压力的影响进气压力的影响 压缩机特性 离心式压缩机软特性 进气温度下降将使流量上升 进气温度下降将使输入功率上升 进气温度上升将使流量下降 进气温度上升将使输入功率下降 喘振线 设计点 进气温度的影响进气温度的影响 压缩机特性 离心式压缩机软特性 排气压力 100 % 输入功率 100 % 吸入流量 (质量) 100 % Surge line 压缩机特性 离心式压缩机软特性 冷却水温度的影响冷却水温度的影响 排气压力 100 % 输入功率 100 % 冷却水温度下降将使 流量上升 冷却水温度下降将使输 入功率上升 冷却水温度上升将 使流量下降 冷却水温度上升将使输 入功率下降 吸入流量 (质量) 100 % 喘振点 滞止点 流量 压力 喘振 由过高的背压引 起的流量中断(流 量波动) 滞止 (堵塞) 在某一转速下压 缩机所能输出的 最大流量 只能在喘振点和滞止点之间运行 压缩机特性 动力式压缩机 进口空气温度和质量流量(密度)的变化 对容积式压缩机的功耗没有影响 其中:P :功率 P1:进口压力 V1: 进口体积 n:绝热指数 P2/P1: 压比 影响压缩机功率的参数: P1:进口压力 V1:容积流量 (不是质量流 量!) P2/P1:压比 影响压缩机性能的参数 正位移(容积)式压缩机 Power P = P1 . V1 . {( ) -1 }n n -1 P2 P1 n -1 n 压缩机特性 其中: Hp : 压力头 m : 质量流量 h: 等温效率 影响压缩机功率的参数: T :进口温度 M :质量流量 P2/P1 : 压比 Power P = H p . m h 在冬天质量流量上升，动力式压缩机功耗也上升 动力式压缩机 压缩机特性 影响压缩机性能的参数 叶轮速度的下降 将导致压力下降 所以如果频率下降 3% 每一级的出口压力将减少 6%，三级的压缩机将总 计下降18%。

P 2 S 动力式压缩机建立起的压力与速度的平方成正比即： 压缩机特性 动力式压缩机－速度的影响 不稳定的热力学性能可表述为: §压力升高则流量下降 §进口空气温度降低 - 容积流量基本不变，轴功率却上升 - 质量流量将会上升 - 可以产生更高的排气压力 §减少转速将使排气压力迅速下降 §压缩机只能在一个相对狭窄的范围内运行 (在喘振和滞止点之间) §排气压力升高使压缩机更接近喘振区 压缩机特性 动力式压缩机－不稳定的热力学性能 活塞式压缩机（两级压缩） •V型驱动皮带 (6根) •曲轴 •主轴承 (2个) •连杆大端轴承(2) •连杆 (2) •连杆小端轴承(2) •十字头 (2) •支承环 (2 组) •活塞 (2) •活塞环 (8) •气缸 (2) •气阀 (进口/出口) (20) 离心式压缩机（三级压缩） •大齿轮 •高速轴承 (4) •低速轴承 (2) •小齿轮 (2) • 活塞压缩机零部件的磨损使排气量每 年下降5-6% 而压缩机的功耗却不变 • 大量的易损件增加了维护费用、维护 人力和停机时间 对于一台典型的两级活塞式压 缩机 有 53个维护点 压缩机特性 动力式压缩机与活塞式压缩机的机械运转维护点比较 对于一台典型的三级离心式压 缩机 有 11个维护点 仅仅是力平衡的对置平衡式活塞压缩机 •水平力 F1 可平衡 •垂直力 F2 导致气缸顶部和底部的磨损程度不同(气缸偏磨) •F2 力产生的不平衡力矩使压缩机需要厚重的基础 F1 F2 F2 F F F1 压缩机特性 •余隙容积的存在，降低了活塞式压缩机的容积效率，使其比功率增大 活塞压缩机螺杆压缩机 吸入容积 行程容积 余隙容积 流量流量 吸入容积 吸气 排气 排气 压缩 压缩 膨胀膨胀 吸气 压力 压力 压缩机特性 PV图的比较 •气阀波动导致不必要的额外功耗 活塞压缩机的气阀颤动 气阀颤动 压缩机特性 压力 流量 颤动是由空气在阀片 磨损产生的微小间隙 中的泄漏引起的。

颤 动发生时阀片开始振 动，就像单簧管的发 音簧片那样这种现 象在压缩机使用很短 的一段时间后就会发 生 •即使在更换了新的活塞环后，气缸偏磨也使压缩机的排气量无法 恢复 气缸 活塞 压缩机特性 活塞压缩机的气缸偏磨 如果有几个因素的组合，离心式压缩机会是理想的选择例如： •单台的排气量较大，达到 6000 m3/hr以上 •需要质量流量的流程例如空分在冬天低温下多费的功耗将会被 多得到的质量流量所补偿 •流量的波动不是很大，压缩机经常在满载或可调范围内运行 •排气压力一般不超过 80 bar，可以用6级或更多压缩级数来达到 高的排气压力 压缩机特性 离心式压缩机的适用范围 离心式 螺杆式 旋齿式 流量 (l/s) 比功率 (J/L) 针对不同的场合应用不同的压缩机技术 压缩机特性 控制系统 压缩机的控制 大多数工业流程对压缩空气流量的需求是变化的， 变化的原因多种多样: • 装置的生产周期 - 每天中的变化或每周的变化 - 装置的产量变化 • 系统中有瞬间或间歇性的大气量需求(如气锤，烧焦，除灰等) • 基于质量流量的应用如空分 •或仅仅是设计时高估了压缩空气需要量 这样压缩机就需要一个 控制系统 来调节压缩机的排气量以符合实际的需求 MONDAY TUESDAY WEDNESDAY THURSDAY FRIDAY SATURDAY SUNDAY 小时 压缩空气需要量 压缩机的控制 典型的压缩空气需求模式 在节流控制方式中，压缩机的进口蝶阀会调节进气量 满载时 • 蝶阀全开，压缩机满负荷运行 • 压缩机工作在正常的压缩比下 部分载荷时 • 减少进气 (真空) • 出口压力不变 压比 = 8压比 = 16 * Figures are used for concept demonstration only 进口 1 bar(a) 出口 8 bar(a) 真空状态 进口 0.5 bar(a) * 出口 8 bar(a) 螺杆压缩机的控制－节流控制 螺杆转子 压缩机的控制 • 在加卸载控制下压缩机要么满载要么卸载。

• 在加载时，进口阀全开，压缩机在正常压比下工作 • 在卸载时，进口阀全关， 压缩机与空气管网隔离 • 在卸载状态时压缩机功耗极小，压缩机保持整个运行的高效率 压缩机的控制 螺杆压缩机的控制－加卸载控制 在变频控制中压缩机的转速随着空气需要量的变化而连续变化 • 压力电流变送器将测到的压力转换成 4-20 mA 的电流信号 • 这一电流信号被用于变频器，调整向电机输出电源的频率 • 电机的转速随着频率的变化而改变 • 变频控制是效率最高的压缩机控制方式 压力电流变送器 变频器 电机 C 压缩机出口 示意图: 压缩机的控制 螺杆压缩机的控制－变频控制 变频控制 可再多节约的能量 % 功率 加卸载控制 节约的能量的 节流控制 加卸载控制 变频控制 100 80 60 40 20 0 255075100 载荷 % 压缩机的控制 螺杆压缩机控制方式的比较 喘振控制线以下的调节喘振控制线以上的调节 2 种情况 压力 流量 喘振线喘振控制线 60 75 100 压缩机的控制 离心式压缩机的控制 进口蝶阀 进口调节导叶 压缩机的控制 离心式压缩机的控制－ 喘振控制线以上的调节 需气量 进口蝶阀调节线 进口导叶调节线 节省的功 气量% 压力 %功率 % 60708090100 110 70 80 90 100 150 100 在调节时，进口调节导叶使进入 的气体产生预旋，减小进口冲角 和涡流损失，使气流平顺流动。

它不会像蝶阀那样引起紊流 在最大调节点省功 9% 离心式压缩机的控制－ 喘振控制线以上的调节 压缩机的控制 采用卸载和再加载的方式为 了保证排气压力不致急剧下跌 ，必须有相当大的缓冲容积 并避免频繁加卸载 使用放空阀调节放空量保持 排气压力的恒定 浪费大量能源 压缩机的控制 离心式压缩机的控制－ 喘振控制线以下的调节 容积流量 压力 自动双模式控制恒压控制模式 容积流量 压力 传动系统 压缩机的转速 •对于螺杆压缩机来说，即使转速 较高的无油螺杆式压缩机，其螺 杆线速度也仅在60~100 m/s之间 ，一般在每分钟6000~10000转 运行 •由于螺杆轴相当粗壮，此转速远 远低于临界转速， 所以压缩机轴 属刚性轴 动力式压缩机螺杆式压缩机 §动力式压缩机叶轮线速度可达 400~500 m/s，一般在每分钟 20000到80000转的极高转速下 运行 §这种转速往往在1阶到2阶或者2 阶到3阶临界转速之间，所以压 缩机轴属挠性轴每次开停机 均要穿越临界转速 压缩机的轴承 •动力压缩机在极高的转速下运行，正常运行转速往往在临界转速以上，所 以只能使用由油膜来承托转轴的滑动轴承。

•开机，停机，频繁的载荷变化，振动都会使轴承中的油膜变薄 (膜离散) •可倾瓦轴承可自动调节瓦块与轴的角度，有更好的耐振性，可有效减小这 些现象的影响固定几何形状的轴承就没有这种特性了 动力式压缩机 固定几何形状的轴承可改变几何形状的轴承 固定瓦轴承静液压缩膜轴承可倾瓦轴承 • 典型的设计寿命B10-100,000 小时 • 滚动轴承对润滑要求低 - 不需要启动前的予。