空气系统压力影响压缩机功率.第2部分：系统压力对离心式压缩机的影响
在试图降低压缩空气系统能耗时，通常会看到能源评估专家将离心式压缩机视为容积式压缩机。不幸的是，离心式压缩机通常要大得多，计算失误很容易造成数十万美元的高估节能。这些错误不是恶意的；它们是由知识有限的个人长期采用的过于简单的最佳做法造成的。这类知识并不容易获得，大多数能源评估专家无法接触负责离心压缩机技术开发和设计的工程团队。从机组的角度来看，离心式压缩机只占压缩机市场的一小部分，因此技术知识资源有限。
确定压缩机技术资源
必须认识到，压缩空气销售人员是压缩空气系统和部件相关技术信息的最大来源之一。虽然有些销售人员是技术上称职的工程师，但在职称中用“工程师”这个词作为形容词并不少见。无论工程师是受教育程度还是工作职能的头衔，都不能保证技术信息的准确性。同样，经验是一个经常用来暗示与多年实践相关的知识的术语。经验可能对具有简单因果结果的功能或重复性任务有价值，因为肌肉记忆可以提高性能。然而，在一个很少在受控环境中使用精确仪器测量结果的行业中，许多技术神话化为乌有，经过多年的重复，被认为是科学证明的事实。例如，上个月出版的这篇文章的第一部分解释了1%的功率为2磅/平方英寸的假设是如何被滥用的，以及为什么它是不正确的。
在英格索兰工作，世界上最大的压缩空气产品制造商和创新者之一，为与以设计压缩机为生的天才工程师进行许多技术讨论提供了机会。与ISO、CAGI和CSA一起参加许多与压缩空气相关的技术团队，也为与其他压缩机制造商的工程师进行高层讨论提供了机会。有趣的是，每当讨论压缩机的压力和功率时，几乎每个工程师都会重复相同的1%功率与2-psi的假设。在讨论系统属性和热力学后，所有人都同意2:1的说法不准确，但许多人认为这是事实，并将其与压缩机相对于管网压力的运行方式联系起来。作为新加入该行业的年轻工程师，2:1的说法是高级工程师分享的技术知识。将经验和年龄误认为科学事实，许多天真的假设毫无疑问。
为了便于总结，该理论似乎起源于20世纪初，是一个基于复杂方程的合理估计，该方程用于计算大型往复式压缩机相对于气缸内压力的制动马力。这不适用于构成现代压缩机的所有部件和技术变化。2:1理论就像一个谣言，随着每个人的解释和随后的分享，它会反复演变成一个不同的故事。当复杂的技术内容在到达现场销售人员和向市场传播压缩机知识的其他个人之前被简化和概括时，就会出现这种情况。
离心式压缩机的工作特性
与容积式压缩机不同，在容积式压缩机中，压力是作用在表面上的机械力（功率）的函数，机械力（功率）在物理上减少了封闭容积，离心式压缩机不能通过增加功率来增加其压力能力。离心式压缩机，也称为动态压缩机，以不同的方式产生压力。给定质量的空气通过叶轮加速，并传递动能。空气通过扩散器，降低速度，并将一部分动能转化为热能和势能。这表现为气压和温度升高。根据压缩机的压力要求，空气经过相同的过程，经过后续阶段，并朝着设计压力要求进行构建。为了提高效率，部分或所有阶段在空气进入下一阶段之前对其进行冷却。为了便于讨论，操作说明已被简化，以保持在范围内。离心式压缩机的压力能力取决于内部部件的空气动力学设计、环境条件、转速和级间空气的冷却。
离心式压缩机的流量、压力和功率之间的关系通常使用基于指定环境条件、冷却水和应用内部部件的性能曲线表示。因此，性能——最显著的是——压力能力随着全年环境条件的变化而变化。图1中利用由来自三组环境条件的重叠数据组成的工作曲线来说明该效果。
图1–离心式压缩机性能曲线
性能曲线由两部分组成：压力-流量曲线和功率-流量曲线。压力-流量曲线具有垂直轴上的压力和水平轴上的流量。功率流曲线具有垂直轴上的功率和水平轴上的流量。每个水平轴的流量值对齐，因此每个压力-流量曲线都具有匹配的功率-流量曲线。请注意，随着环境温度的降低，自然曲线是如何向上和向右移动的。查看功率和压力相对于流量的红色曲线，从左向右移动，两条曲线相交的垂直线显示了特定流量和环境条件下的设计压力和功率。从左向右移动时，请注意功率最初是如何随着压力下降而增加，然后随着向右移动而减少的。这说明了功率如何与压力变化不成正比。这种关系基于内部部件的空气动力学设计。一些使用径向设计叶轮的压缩机在自然喘振前的曲线顶部具有最大效率。后倾设计可能随着压力降低而提高效率，或者可能在曲线上的某个点达到峰值效率，然后在较低压力下降低。
参考红色压力-流量曲线，请注意，随着压力降低，压缩机的流量增加。当入口组件100%打开时，离心式压缩机相对于自然曲线运行，或者当入口组件打开得更多时，对入口喉部压力没有影响。在最大状态下运行的压缩机有时被称为满载运行，或者在流量随压力变化的曲线的有效部分上运行。流量随压力降低而增加，但请注意曲线的斜率随压力衰减而变化。最终，当压缩机移动到一个称为阻风门或石墙的区域时，曲线变为渐近曲线——直线上升和下降。
此时，下降的压力对流量或功率几乎没有变化。当压缩机在节流阀或节流阀以下运行时，功率不会降低。当压缩机处于阻风门时，压缩机内某些点的速度已达到音速阈值。随后，压缩机将内部压力保持在最小值，与压缩机外部的排放压力无关。本质上，内部压力相对于外部压力降低，直到达到最小内部压力。低于此最小值时，系统中的压力只会降低，而内部压力保持在受声速限制的最小值。
上限压力受压缩机将动能转化为压力的能力的限制。在某些能量平衡下，产生的压力小于内部压力，导致不稳定，有时称为流动反转或喘振。压缩机运行在或接近喘振压力时不稳定。只有在进气密度增加时，压力能力或自然喘振压力才能增加。这种现象也发生在称为油门喘振的最小稳定流量条件下。如果对空气的需求小于所需压力的供应，则进气总成进行调节，降低进气喉部压力和流量。这通常被称为调节、节流或恒压运行的压缩机。
压力对离心压缩机功率的影响
从曲线有效部分的性能来看，图2显示了流量和功率相对于排放压力的详细变化。
图2–离心压缩机性能数据示例
图2中的数据基于特定离心压缩机的测试性能。从121 psig和111 psig下的压缩机性能来看，将压力从121 psig降至111 psig只会降低5马力的功率。这表示轴功率减少不到0.35%。每psig 0.5%的规定（第1部分：空气系统压力影响压缩空气最佳实践7月版中运行的压缩机功率）不适用。它原本预计电力将减少5%，预计每年可节省5万美元，而实际节省的费用为3000美元。在这个例子中，储蓄估算可能被严重夸大到实际价值的16倍以上。manbetx王者荣耀
由于本例中的压缩机在曲线的有效范围内运行，因此流量增加约100 scfm。假设需求保持不变，且压缩机功率的变化与流量的变化成正比，则压缩机轴功率将减少27马力或1.8%。这还不到使用0.5%每磅/平方英寸经验法则估算的节省量的36%，节省了18000美元，而使用不正确的计算方法节省了50000美元。如果压缩机使用正确应用的进口导叶在调制状态下正常运行，轴功率将降低1.7%。
值得注意的是，与旋转螺杆压缩机不同，离心压缩机型号不一定代表压缩机的性能。对于给定的外部铸件、设计和电机，可使用几种不同的叶轮/扩散器组合。叶轮和扩散器的组合通常被称为压缩机的“气动”。对于给定的压缩机型号，可以使用多个不同的aero套件，每个套件都有其独特的性能。除非制造商确认压缩机使用相同的空气动力学模型制造，否则不能使用通用曲线，甚至不能使用同一型号压缩机的曲线。
同样重要的是，如果环境随时间变化，确保数据针对现场条件或一系列条件进行校正。参考图1，三条曲线（从左到右）表示95°F、70°F和30°F环境条件下的数据。根据性能曲线相对于温度的变化情况，每年在节流阀中运行数月的压缩机并不少见。这一点非常重要，因为任何与压力相关的节能估算都必须考虑时间、温度和曲线上的位置。如果没有这些数据，任何试图估算与压力相关的节约量的尝试都可能会产生误导。在某些情况下，功率会随着压力的降低而增加。
离心式压缩机的节能
特定压缩机的最大压力能力取决于航空组件、环境条件和机械条件。最大工作压力受曲线顶部压缩机喘振的限制。这一点称为自然喘振压力。参考图1，粉红色水平线表示恒压线。当需求小于来自压缩机的最大流量时，入口节流以减少流量。使用进口导叶，压缩机节流时，效率保持合理恒定。节流功率在较低功率-流量曲线上显示为对角线。离心式压缩机的最小节流流量根据设计进行限制。沿着图1中的粉红色水平线向左，最小稳定流量由恒压线与油门波动线相交的点决定。如果压缩机试图将流量限制在小于该交点的范围内，则压缩机会喘振。出于显而易见的原因，这被称为油门喘振。图1中的油门波动线是压力流量图上的蓝色对角线。
如果对空气的需求小于该最小约束，则过量空气排放到大气中，以补偿最小稳定流量和需求之间的差异。不幸的是，压缩机停止节流后，功率没有变化。因此，排放到大气中的所有空气都被浪费了。对于经常在空气旁通至大气的情况下运行的压缩机，降低压力会减少节气门喘振发生时的流量。在调整控制设置后，在最小流量下运行的压缩机仍然会通过相对于减少的油门喘振流量增加油门能力来降低功率。只有当压缩机将空气旁通到大气中，并且控制装置允许压缩机调节进口，从而增加节气门能力并降低功率时，才会出现这种情况。同样，需要现场修正性能曲线来量化潜在的节约。
在接近油门喘振的情况下运行压缩机的能力受到控制算法的复杂性、使用的油门变量以及压缩机PID回路相对于系统动力学的调整方式的限制。图1示出了与通过调整压缩机PID回路将压缩机油门限制从保守设置调整为更有效设置相关联的功率降低，以便压缩机反应速率与需求变化速率匹配。通过查看图1中从恒压线到节流电源线的两条垂直虚线、紫色和棕色线，可以看到与系统控制调整相关的功率变化。对于该压缩机，功率降低了160 hp，无需资本投资。压缩机仍然旁通空气进入大气，但量减少了980 scfm，这与调节压缩机使其更接近油门喘振值有关。需要注意的是，油门喘振控制限值通常设置得很高是有原因的。需要进行适当的根本原因分析，以确定影响提升设置的问题。作为一家使用先进的技术细节和分析方法对数百个离心式压缩机系统进行过审计的公司，英格索兰意识到，不同系统的纠正措施可能会有很大差异。在某些情况下，通过100美元的投资纠正一个复杂的问题，可以实现六位数的节约。相反，储蓄可能需要复杂而昂贵的修正，而这些修正是不合理的。
离心压缩机性能评估
必须指出，由于内部部件的机械性能退化，离心式压缩机的性能会随着时间的推移而发生显著变化。尽管旋转组件的主要问题可以通过提高振动读数来确定，但叶轮和扩散器的腐蚀可以显著降低离心压缩机的压力能力、可靠性和效率，而对振动的影响可以忽略不计。因此，作为任何节能项目的一部分，应定期对每个离心式压缩机进行性能评估。任何不包括压缩机性能详细测试和分析的压缩空气系统评估都将有不充分或有问题的数据，可能是审计员离心式压缩机能力的一个指标。
还需要注意的是，之前对离心式压缩机进行的维修可能会显著改变其性能。一些售后服务提供商更换与原始设计不匹配的内部aero组件。在某些情况下，不需要更换部件，可以通过磨平叶轮叶片和重新平衡组件来节省成本。这可以解决振动问题，但会显著改变性能。
参考图1中的曲线，该压缩机能够在95°F条件下输送135 psig。如果这种压缩机被销售为90磅/平方英寸的单位，许多离心服务供应商测试自然喘振压力，并认为这是一个性能测试。在与许多压缩机航空工程师合作开发和验证离心式压缩机性能分析和现场非侵入性测试程序后，可以肯定地说，评估压缩机性能远不止测试喘振压力和振动。普通离心压缩机的服务假设考虑到大于设计压力的10-15%的自然喘振压力是正常的，不管温度如何。因此，许多组织认为，对图1中的压缩机进行喘振测试并获得大于103 psig的自然喘振压力是对性能的积极验证。这并不是出于恶意，而是与本文开头以及与经验和感知知识相关的问题联系在一起。正如错误信息的工程师可能会在没有节约的情况下天真地估计100000美元的节约一样，许多现场技术人员会执行他们被告知的性能测试，无意中忽略了识别压缩机性能和可靠性的降低。
关于作者
Mark Krisa是英格索兰全球服务解决方案总监，负责该公司的压缩空气审计项目。该计划旨在通过利用工程和压缩空气科学来提高系统可靠性、质量和效率，从而实现客户价值。
Krisa毕业于加拿大西安大略大学，获工程科学学位，在压缩空气行业工作20多年。他的行业经验丰富，从压缩机维修技术员到工程和压缩空气系统审核员。Krisa是几篇论文的作者，定期在美洲各地的会议和培训活动上发言。请联系马克·克丽萨带着问题或评论。
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要阅读更多系统评估文章，请访问www.ghtac.com/system-assessments。
