压缩机最主要的两个参数就是压力和容积流量。拟人化来说,压力相当于压缩机的“力量”,容积流量相当于压缩机的“工作量”。我们将使用压缩机的各种情况,简单比喻成搬运重物。首先对压缩机的“力量”有要求,“力量”必须足够大,才能搬得动重物;其次对“工作量”有要求,这就要求容积流量满足需求。通常选择的压缩机的最大能力(压力、容积流量)能满足使用者的最大需求(力量、工作量),但是最大需求并非总是需要,在工作量不满的情况下,就要考虑减小容积流量,以降低能耗成本。这就是压缩机容积流量调节的目的。
我们知道,用户在选择压缩机时通常根据所需的最大消耗量来选择压缩机的容积流量。但在实际运行过程中,用气量是不断变化的。当容积流量大于消耗量时,将导致能源的浪费。因此,需要对压缩机的容积流量进行调节,以控制管网中的压力变化在一定范围内。
另外,当压缩机的运行工况偏离设定工况时,其热力性能参数也不同于原设定参数。上述两种情况,都会使热力性能发生变化。所以,讨论压缩机的容积流量的调节及压力的重新分配,对压缩机的安全运行有重要的意义。
压缩机的容积流量,若能够在运行中连续变化调节,便可使压缩机的容积流量时刻等于消耗气,维持系统内压力恒定。
但事实上,气体消耗量变化频繁,而压缩机的排气量无法随之频繁变化。因此,容积流量的调节多半不是连续的,而是分级的。最简单的情况下,压缩机只有排气和不排气两种状态,称为间断调节。分级或间断调节是利用压缩机排气系统所允许的压力变化幅度,在短期内平衡排气量和耗气量不相等的矛盾。
因此,通过调节容积流量来维持系统压力的恒定是一个相对概念。系统容积越大,它的平衡作用就越大,或者在相同工作条件情况下引起的压力变化幅度就越小。当对压缩机的容积进行调节时,应尽可能遵循以下原则。
(1)尽可能实现容积流量的连续调节,使容积流量随时保持与消耗量相等。
(2)对于小型压缩机,调节机构力求简单,操作方便,工作可靠。
(3)对于中、大型压缩机,确保容积流量调节的经济性要好,尽量使单位气量的功耗不增加。
容积流量调节的基本原理,是改变容积流量公式中任何一个参数,压缩机的容积流量均会发生变化。
q v = λ v λ p λ T λ l V h n
式中: q v ——容积流量;
λ v ——容积系数;
λ p ——压力系数;
λ T ——温度系数;
λ l ——泄漏系数;
V h ——行程容积;
n ——转速。
但实际上,对于一个给定的压缩机,其气缸的行程容积 V h 是无法改变的。因此,只能改变各系数和转速。其中,温度系数 λ T 的调节会使经济性变差,所以几乎不采用。其余系数的变化都可以成为容积流量调节的依据。
按调节机构在压缩机上作用的部位,容积流量的调节方法通常分为以下4种。
1.转速调节
改变压缩机的转速,使压缩机的容积流量随之改变,按照驱动机转速变化的特点有间断调节(启/停调节)、分级调节(改变电机极对数,一般为1~3对)、无级变速调节(电机变频、内燃机/汽轮机)。
对于小型压缩机,依靠储气罐气体压力的变化控制电机的启动和停止,如冰箱、空调的压缩机最常采用启/停(ON/OFF)来实现容积流量调节。对于多台压缩机并联运行的情况(压缩机站),也有部分采用启/停调节。
当驱动机的转速分级或连续变化时,如采用变频电机,压缩机的容积流量可以随转速的变化而变化。特别对于多级压缩机,不会因为转速的变化而使级间压力重新分配,可以实现容积流量的分级调节和部分范围内的连续调节。
转速调节的特点:容积流量及轴功率几乎与转速成比例变化,当压缩机停转时,轴功率为零;指示图的形状无明显变化,气体力不变;与其他调节方式相比,其经济性最好,但对驱动机的要求较高。
2.管路调节
其原理是对进气管进行不同程度的阻塞,或进排气旁通。根据阻塞程度,可分为连续、分级、间断3种。
管路调节有以下几种情况。
第一种是进气节流调节,即在压缩机进气管路上安装节流阀,进气受到节流后实际进气压力降低而使进气量减少,容积流量降低程度与压力系数降低程度成正比,同时由于进气加热加剧,进气量进一步减小。其最大特点是调节机构比较简单,受排气温度的限制和经济性较差的影响,通常只适合大型和中型压缩机不经常调节,或调节范围较小的场合。
第二种是进气截断调节,将压缩机进气口阻塞,压缩机不再进气,排气量为零。截断进气调节常用于单级压缩机,经济性较好,适用于中、小型压缩机,特别是动力用空气压缩机。
3.气阀调节
利用机械装置在进气过程结束后,强制使进气阀仍处于开启状态。在活塞反向运行时,气缸内被吸入的气体全部或部分又被推出气缸,达到降低容量流量的目的。根据进气阀被压开过程的长短,可以分为全行程压开和部分行程压开两种调节方式。该种调节方法的功率效率与容积流量成正比,经济性较好,但会影响阀片的寿命,目前仅在低速机中使用。
4.余隙容积调节
从容积流量公式可以看出,改变容积系数可以达到调节容积流量的目的。因此,可以对余隙容积进行调节,从而影响容积系数。具体方法是与补助余隙容积连通,增加气缸的余隙容积,因而气缸的容积系数减小,容积流量减小。
补助余隙容积是安置在气缸外的空腔。补助余隙容积可以是固定不变的,也可以是变化的;空腔的个数可以是一个也可以是多个;补助余隙容积的连通时间可以是全行程连通,也可以是部分行程连通。这样,就形成了多种余隙容积调节的方式,从而实现间断、分级或连续的容积流量调节。余隙容积调节多为大、中型压缩机采用,经济性比较好。
以上4种容积流量调节方式是针对容积式压缩机而言的,其中后两种调节方式仅适用于往复活塞式压缩机。对于回转式压缩机来说,最常使用的是变频转速调节和进气截断调节两种。