空气状态对空气压缩机能耗影响分析

冯一波 马强 王雷 王建海 林日亿

（1.中国石化西北油田分公司石油工程技术研究院；2.中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院）

引言

压缩机以其种类多样、用途广泛被称为“通用机械”，广泛应用于石油、化工、冶金以及国防工业中，如何高效运行空气压缩机是研究者共同的目标；为此，国内外很多专家学者对此进行研究。Apera等[1]通过检测、分析变速压缩机电流频率并对其有效能、能量消耗以及经济性进行评价及优化，进而确定了压缩机最佳工况。Faezaneh-Gord等[2]，根据能量守恒方程、理想气体状态方程及热力学第一定律建立了数学模型，对往复式压缩机的性能进行了研究并优化了设计参数。Castaing等[3]通过往复式压缩机的容积、等熵及实际效率建立分析模型，指出容积效率受相对余隙的影响较大，而等熵效率和实际效率主要受压缩机机械摩擦的影响。Choe和Kim等[4]采用描述函数法分析了直线压缩机气体受力的非线性特性，并对设计过程中可能出现的跳跃现象进行了分析。刘录、赵杰等[5-6]利用ANSYS软件模拟并改进了往复式压缩机的振动问题，使其振幅减小76.8%，减幅效果良好，为振动问题的解决提供了依据。郭丹等[7]对CNG站压缩机气缸直径进行了改造，使压缩机改造后生产能力较之前增加了42%，节能率高达31.5%。

从调研来看，大多研究者只针对空气压缩机自身设计进行优化，并没考虑外界环境对空气压缩机效率的影响。因此，基于热力学第一定律，建立了空气压缩机能耗模型，研究空气湿度及温度对空气压缩机能耗的影响，旨在探究外界因素对空气压缩机能耗的影响程度。

1 空气压缩机能耗模型建立

为分析干、湿空气对空气压缩机能耗的影响，假设[8]：

◇空气压缩机压缩前后没有相态的改变；

◇压缩过程极短；

◇空气压缩机在压缩过程中不与外界换热，绝热压缩。

基于以上假设，空气压缩机压缩空气时可视为压缩理想气体。若干、湿空气具有相同的初始状态，并且在相同大气压、增压比不变的情况下，有理想气体状态方程[9]，即

式中：P为空气的进口压力，MPa；vs、va分别为湿空气和干空气的比容，m3/kg；Rs、Ra分别为湿空气和干空气的气体常数，J/(kg∙K)；T为干、湿空气的进口温度，K。

2 能耗计算

绝热体系不与外界发生能量交换。按理想气体且依定值热容考虑，可得过程功

式中：w为过程功，kJ/kg；k为绝热指数，空气绝热指数为1.4；Rg为气体常数，J/(kg·K)；T1为空气压缩机进口温度，K；p1、p2分别为空气压缩机进、出口压力，Pa。

又由于理想气体技术功是过程功的k倍，因此技术功为

空气压缩机能耗功率为

式中：Qm为压缩气体的质量流量，kg/h。

当空气初、终状态温度的变化范围在大气温度到600 K之间时，则

式中：v1、v2分别为空气压缩机进、出口比容，m3/kg；T2为空气压缩机出口温度，K。

由于湿空气的含湿量不同，因此湿空气的比体积为

式中：v为湿空气的比体积，m3/kg；d为湿蒸汽的含湿量，kg（水蒸气）/kg（干空气）；Rg,s为湿空气的气体常数，J/(kg∙K)。

3 实例分析

3.1 空气湿度对空气压缩机能耗影响

基于压缩前后无相态变化，压缩过程极短等假设，此时干、湿空气可认为是理想气体。当初始温度、压力相同时，湿空气气体常数较干空气大，因此湿空气的比热容较干空气小。此时，初始状态相同，相等质量和压缩比的干湿状态，绝热压缩过程如图1所示。

由图1可知，在既定的条件下，湿空气比干空气多耗Δw的功。干、湿空气单位耗功计算见公式（4）。

在实际工程中，空气压缩机大多直接吸入大气中的空气很少做除湿前处理；因此，空气压缩机吸入的空气为湿空气。现以塔河油田某空气压缩机为例，比较空气压缩机吸气前除湿和不除湿两种状态下单位能耗。根据文献[10]方法计算，计算结果见表1。空气压缩机流量Q=2298 m3/h，大气压力Pd=0.1 MPa，大气温度t=29℃，空气含湿量d=60%，空气压缩机压缩比P2/P1=8.3。

图1 等容量干、湿空气P-v图

表1 干、湿空气对空气压缩机能耗影响

由表1可知，相同条件下湿空气（相对湿度为60%）比干空气每小时多耗能1.23 kWh。每天按24 h运行，1年假设运行300天，可知干空气比湿空气（相对湿度60%）每年少耗能15 225 kWh，比湿空气（相对湿度70%）每年少耗能25 995 kWh，比湿空气（相对湿度90%）每年少耗能15 551 kWh，节能效果非常明显。

通过进一步分析可知，空气的湿度进一步增大，空气压缩机的单位能耗也将进一步增大。但从图2可以看出∶相对湿度在10%～50%之间，能耗随相对湿度增大几乎呈线性关系，增长速率较为均匀；相对湿度在50%～60%之间，能耗随相对湿度的增大骤然增大；在相对湿度大于60%时，随着相对湿度的增大，能耗变化趋势有所变缓。

图2 空气湿度对能耗影响

3.2 进口温度对空气压缩机能耗影响

在出口温度及压力不变的情况下，即增压比以及出口温度不变时，-40℃较40℃每小时多耗能高达66.49 kWh，通过对比可以看出进口温度对空气压缩机的能耗影响更加明显（表2）。

表2 不同进口温度对空气压缩机能耗影响

当空气压缩机的出口温度不变以及压缩比不变的情况下，空气压缩机的能耗随进口温度的增加急剧减小，几乎呈线性状态（图3）。由此可以得出结论，提高空气压缩机的进口温度有利于空气压缩机的节能运行。

图3 进口温度对空气压缩机能耗影响

4 结论

1）空气压缩机运行时，在相同条件下干空气较湿空气节能；在出口温度以及增压比不变的情况下，提高空气压缩机的进口温度有利于空气压缩机经济运行。因此，建议在空气压缩机进口处加装空气干燥装置以及空气预热装置，以降低空气的相对湿度提高进口温度保证空气压缩机经济运行。

2）由以上分析可知，空气压缩机实际运行的经济性不仅和自身设计密切相关，还和大气的相对湿度以及温度有很大关系；因此，在评价空气压缩机经济性时要综合考虑各因素对空气压缩机的影响系数。