往复活塞式压缩机的节能途径与践行

摘要  指明了往复活塞式压缩机的几项主要节能途径，以及循此践行的实机实例。

关键词  压缩机  往复活塞式  节能

引言

往复活塞式压缩机是历史悠久的容积式压缩机。由其结构与性能特点所决定，迄今为止，它不但在排气压力≥100MPa的超高压、甚高压领域独占鳌头，不容其它结构类型压缩机涉足，还在高压（≥10Mpa）、中压（＞1.0~10MPa）.范畴以及低压（≤1.0MPa）中小流量场合独具高的性能价格比和运行节能之特色。

历史上往复活塞式压缩机挥之不去的三大灰色烙印——振动、发热、噪声——已有相当程度的改观，而其精品族已臻工艺品之美感！

那么，已逾百年历史进程的往复活塞式压缩机，究竟还有无节能潜力，其主要节能途径又若何呢？

1 转速值及行程值的匹配优选，至关紧要。

对往复活塞式压缩机的容积流量、排气压力等主要性能参数的要求确定之后，就需以合适的结构参数和具体零部件设计来构成之。

诸结构参数中，以转速值及行程值的优选，至关紧要。

A.凡属安全、可靠、节能、绿色的往复活塞式压缩机，其转速值及行程值，必定已获匹配优选。

现代往复活塞式压缩机的“高转速、短行程”的进程，当视为始自1690年，且以瑞典Atlas Copco AB 的 DT4型空压机为领导者。DT4之容积流量16m³/min、额定排气压力0.7Mpa，V型、有十字头、双作用、2级，转速970r/min、行程100mm，气缸自然冷却，风冷之中间冷却器以离心式通风机鼓风冷却，气缸注油润滑。

国产往复活塞式压缩机结构参数演化的进程较慢。其间更有脱离具体客观条件，片面追求高转速、高活塞平均速度而导致新品种研发失败，某些小型移动式空压机甚至成了“蛤蟆夯”，从而给转速提高之举来不良声名的若干实例。

为了正确抉择往复活塞式压缩机的结构参数，笔者长期倡导“以适当高的转速和适当短的行程，匹配为不甚高的活塞平均速度”这一理念。

B.活塞平均速度值，主导了往复活塞式压缩机的节能水准。

往复活塞式压缩机的活塞平均速度值，对于阀隙流速、气缸气套气流速度等气体通流截面积的流速，有着决定性的作用。众所周知，气流阻力损失和气流速度的平方值成正比。可见，活塞平均速度值主导了往复活塞式压缩机的节能水准。

C.不甚高的活塞平均速度值，将使往复活塞式压缩机取得良好的节能水准。

不同的压缩介质，其气体物性参数不同，密度不同。当活塞平均速度相当时，不同的压缩介质其气流阻力损失是不相等。密度高者，其流阻损失大：而密度低者，其流阻损失小。

就常见的低压动力用空压机和现已多见的高压天然气CNG压缩机而言，同在常压下前者压缩介质密度稍高，后者压缩介质密度稍低。能取得良好节能水准的“不甚高的活塞平均速度值”，对于二者是不同的。前者在活塞平均速度3.2m/s左右，可获较佳之比功率指标，节能水准良好。而后者即使在活塞平均速度3.6m/s左右，依然是比功率指标、节能水准良好。

D.往复活塞式压缩机的活塞平均速度值，任远低于往复活塞式内燃机

尽管同属往复活塞式机械，但由各自的工作特性所决定，压缩机和内燃机的活塞平均速度值历来相差悬殊。

往复活塞式压缩机采用了“自动阀”，其启闭元件—阀片—依气缸内外气体压力差及时、迅速地自动开启或关闭，可使气流阻力损失小、比功率佳。而往复活塞式内燃机则采用了“强制阀”

眼下，“佳活塞平均速度值”，内燃机几乎为压缩机之倍。

E 典型压缩机品种之启示

1960年后几个历史时期国外典型的中型往复活塞式压缩机品种主要技术参数示于表1。

表中反映出，随着设计水准的进步和新颖材质的采用，往复活塞式压缩机的转速得到适当提高，行程适当缩短，而活塞平均速度增长幅度不大。其实际效果是，往复活塞式压缩机重量减轻、体形减小、制造成本下降，比功率消耗却基本不变。

切记：转速、行程是参数、是途径、是措施，而决非终极目的和争相攀比的目标。转速不是越高越好，行程不是越短越好，更不可脱离国情抉定。

安全、可靠、节能、绿色的压缩机，在策划设计阶段其基本参数的选定至关紧要。气阀、填料、活塞环的材质、性能、寿命，对于往复活塞式压缩机基本参数的确定，具有一票否决的影响力。不能超越这些关键易损部件的实际可能来确定基本参数。

2 压缩级数的优选和压力比的分配

压缩机的指示功率，对于“理想压缩机”而言，压缩级数多时其值小。然而，“实际压缩机”中，各级吸排气阀的现实存在而产生的功率损失不容小视。以致于在某一规定工况下，往复活塞式压缩机并非n级压缩一定比n-1次压缩时指示功率小。故而对压缩级数的确定，必须紧密结合压缩机的具体工况并多方案计算优选。

当然，多级压缩所带来的可以有效减小活塞力、确保安全的排气温度值和减小轴功率，这样的根本功能，毋庸置疑。

各级等压力比分配原则，也是甚于“理想压缩机”这一前提的节能原则。而在“实际压缩机”中，则应遵循此原则并结合具体情况处置之。当需回避某种压力、温度条件下压缩介质发生相变（如CO2）时，则有可能偏离等压力比分配原则较多。

3 各级回冷完善度的控制

近百年前，德国压缩机先贤布许的实验证实，回冷完善度相差1℃时，该级的指示功率相差千分之三。

原北京通用机械厂6L-60/8型空压机、原余姚通用机器厂L3.5-20/8型空压机，在研发样机测试时，都曾有过第Ⅱ级吸气温度竟低于第Ⅰ级吸气温度，比功率优异的记录。

各级冷却器热交换能力及其裕量的确保，将使各级回冷完善度控制得力。

4 机械振动的消减

机械振动使压缩机产生附加功率损失。惯性力及惯性力矩的平衡状态，决定了往复活塞式压缩机振动源的“消”或“减”的实况。而欲实施惯性力及矩的平衡，务必恪守经典力学给出的相关准则。诸如角度压缩机各列气缸中心线间夹角的度数，立式及对称平衡型压缩机各曲拐的曲柄夹角度数，相关列的往复运动质量是相当抑或是某种倍数关系，曲轴平衡重的质量、质心得当、等等。

5 气流脉动的抑止

往复活塞式压缩机气流脉动的抑止，有助于气阀的正常工作，也有助于气路管线的减振，还可降低轴功率。

高压及复杂气管路系统场合，更应对气流脉动状况先行预测并采取相应对策。

各级气缸进排气口处设置独立的缓冲容积，其抑止气流脉动功效明显。当然，其水容积值和与气缸法兰的距离，皆雪恰当。

   6 气阀、填料、活塞环的改进

   往复活塞式压缩机的这三大核心易损件，具有保障正常运转的重要功能，同时也是气流功率损失、机械往复摩擦功率损失的主要源头。对其持久而深入的改进，对于压缩机运行节能和延长易损件更换期，以及避免非计划停车，皆意义重大。

   7 合理的润滑

往复活塞式压缩机的传动机构和气缸的润滑，均应科学、合理。不只是注润滑液量适度，在其粘度、类型和品牌的选择上，亦应恰当。

当气缸、活塞杆和具有自润滑特性的工程塑料密封元件配合工作时，注以微量润滑液，可获轴功率稍减及工程塑料密封元件曾寿之双重功效。

8 节能长寿之实机实测

笔者依照前述节能途径践行的2D4-3/3 250 型全风冷CNG压缩机，经型式试验及工业运行考验，时间状态印证了前述理念的正确性。

2D4 机转速980r/min，行程105mm，活塞平均速度3.43m/s，撬装（如图）。该机活塞组件的活塞环，导向环和填料皆系金属制造，传动机构采用反向润滑系统，传动件和压缩容积零件的承载面比压值皆超低(如表2）。2列对称平衡型的该机，经精心策划设计与制造调试，世贤了旋转惯性力、Ⅰ阶往复惯性力与力矩的彻底平衡。其相对两列的往复运动质量差，1999年样机控制在40g级。该机仅残余存量值不大，扰力频率为压缩机转速之倍的Ⅱ阶往复惯性力。

当吸气0.3MPa、排气25MPa，空气介质试车时，2D4实测值：容积流量3.225m³/min、供气量658Nm³/h、轴功率148.85KW、比功率13.57KW/（Nm³.min-1）、容积效率76%、漏气率0.1136~0.1364%：换算为天然气介质时，供气量670Nm³/h、轴功率137KW、比功率12.26KW/（Nm&sup

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