空压机非正常运行状态研究与分析

姜文雍 黄增阳 许中琛

摘 要：通过对活塞式空压机的异常情况进行理论分析，明确了空压机异常情况主要表现为压力和温度的变化，为空压机非正常状态测试装置的研发提供理论基础。

关键词：容积系数；温度系数；压力系数；过程方程

中图分类号：TD443 文献标识码：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2018.10.008

基金项目：衢州职业技术学院重点资助基金项目（QZYZ1702）

作者简介：姜文雍（1982-），男，浙江衢州人，硕士，主要从事机械制造与自动化方面的科研和教学工作。

0 引言

空气压缩机简称空压机，是一种将原动机的机械能转换为气体压力能的装置。空压机在现实的工农业生产中应用非常广泛，在化工、造船 、石化、石油天然气、钢铁、食品医药、电力和冶金等行业有着十分重要的应用[1]。空压机结构复杂且工作过程繁琐，物理结构上除了机械、电气外，还包括了气体、冷却水等回路系统，工作时由于内部气体流动的复杂性，在运行过程中极易产生不容易发现的异常情况，主要有容积流量、各级进排气压力和温度等参数的异常[2]。如果这些异常情况不能够及时得到解决，那么空压机将无法正常工作，随着运行时间的增加，有时还会造成严重的安全事故。所以如何及时发现异常情况是当前工作的重点，本文主要针对空压机运行时的非正常状态进行研究和分析，从而为空压机非正常状态测试装置的研发提供理论基础。

1 容积流量的异常

容积流量是空压机的一项重要性能指标，它的变化会影响到排气温度等热力参数的变化。同时影响容积流量的因素又很多，这使得空压机在运行时的异常情况更加复杂。为了确定这些异常情况，本文以活塞式空压机（单级压缩）为例，对异常情况进行了相应的理论研究与分析。

空压机容积流量Q0（m3/min）的理论计算公式

Q0=Vh·λv·λT·λP·λL·N0（1）

式中 Vh—行程容积；

λv—容积系数；

λT—温度系数；

λP—压力系数；

λL—泄露系数，它考虑到了空压机所有的泄露；

N0—空压机的额定转速（r/min）。

等式（1）的右侧任何一个参数发生变化都会影响空压机的容积流量。对活塞式空压机而言，Vh通常是不会发生改变的，而其他因素在空压机运行过程中均能发生改变，从而影响容积流量。

1.1 容积系数

通过对活塞式空压机吸排气过程中压力变化的分析和研究，绘制了实际循环压力指示图，见下图。

容积系数为理论进气体积V′α与行程容积Vh之比。根据气体过程方程和气体状态方程对活塞式压缩机的膨胀和压缩过程进行分析，我们得到容积系数λv的理论计算公式

λv=1-α·[ε1/m-1]（2）

式中 α—相对余隙容积，α=VS/Vh；

ε—压力比，ε=P2/P1；

m—膨胀指数。

由式（1）和（2）可知：行程容积不变时，压力比和膨胀指数相同的情况下，若相对余隙容积增大，则容积系数减小，容量流量也减小，反之增大；相对余隙容积和膨胀指数一定时，若压力比增大，则相应余隙容积内的气体膨胀至吸气阀开启时所占据的气缸体积增大，容积系数减小，容量流量减小，当压力比大到一定程度之后，膨胀气体会占据整个气缸，空压机吸气量等于零，容积流量亦等于零。

1.2 压力系数

利用过程方程对活塞式空压机由点v到点1的多方压缩过程进行分析，可以推导出压力系数的计算公式。

过程方程

p·v n = c （3）

压力系数计算式

λp =1-[（1+α）/n·λv]·（△Pv/P1） （4）

当相对余隙容积α=5%～10%，多方指数n=1.5，容积系数λv=0.8～0.9时，得到压力系数λp的近似计算公式：

λp=1-△Pv/P1= Pv/P1 （5）

式中 Pv—吸气终了压力；

P1—大气压力。

对式（5）和上图进行分析可知：压力系数的大小主要受到进气阀关闭状态的弹簧力和进气管道中压力波动影响。进气阀弹簧越硬，克服弹簧力开启阀片所需要的压差就越大，λp越小；吸气终了时，当气流处于波峰时，会对气缸内气体起到增压作用，甚至造成Pv高于P1的情况；反之，如果气流处于波谷，则吸气结束时，气缸内气体压力比正常状态还要低。

1.3 温度系数

进气过程中气体吸收热量的多少决定了温度系数的大小，热量的来源有两个：一是气体进入气缸过程中，不断地吸收来自通道、缸壁和活塞的热量，这部分热量受气体和壁面的温差、活塞的平均速度和气体的密度的影响，而壁面的温度取决于压力比的大小和气缸的冷却情况；二是吸气过程中，由于压力损失所消耗的功也转化为热量而被气体吸收。

2 排气压力的异常

排气压力和容积流量两者之间相互影响，不可分离。当容积流量在额定排气压力下不能够满足用户对于排气量的要求时，排气压力减小，所以，排气压力降低只是现象，其实质是排气量不能满足要求。两种情况会发生排气量不足：一种是空压机自身产生故障，使排气量减小；另一种情况是空压机没有故障，而是用户对于排气要求的增加，导致排气压力的降低。

3 排气温度异常

对活塞式空压机的吸排气过程进行热力学分析，可知空压机的吸气温度和排气温度之间存在着关系式（6），式（6）给出了影响排气温度的因素。

Td=Tsεk/（k-1）（6）

式中 Ts—吸气温度；

Td—排气温度；

ε—压力比；

k—压缩指数。

空压机在工作压力下（表压）运行过程中，会向周围空气环境中不断释放热量，对空压机吸气口处的空气进行预热，使吸气温度Ts增加，因此排气温度也增加。同时，由于周围空气环境的改变，吸气压力也在发生变化，吸气压力增加，压力比减小，排气温度减小；吸气压力减小，压力比增加，排气温度增大。

上述排气温度的变化情况并非异常，而是空压机运行过程中的正常状态，在对空压机的非正常情況进行分析时，要能够准确的分辨出异常情况与正常情况。当空压机排气阀泄漏时，能够使热的气体回窜，进入气缸，回窜气体不仅在吸气过程中加热气体而且压缩过程的开始阶段也能够对气体继续加热，从而使排气温度升高。

4 结论

通过对活塞式空压机异常情况的理论分析和研究，我们知道活塞式空压机温度和压力的变化是空压机发生异常时最主要的表现形式，同时它们又能够影响空压机一些性能指标。因此在使用中，我们可以通过监测温度和压力的异常情况来判断活塞式空压机运转是否正常，这为我们研发空压机非正常状态测试装置提供了理论基础。

参考文献：

[1] 刘新航.空气压缩机组监控系统开发[D].大连：大连理工大学，2006.

[2] 周敏，王庆锋，刘文彬，等.往复压缩机故障诊断模型技术研究及应用[J].压缩机技术， 2012（4）：13-15.

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