低壓噴油螺桿壓縮機(jī)排氣含油量過高的原因分析及如何降低排氣含油量

低壓噴油螺桿壓縮機(jī)排氣含油量過高的原因分析及如何降低排氣含油量

冉 鵬，羅吉榮，司 超

（陜西漢機(jī)精密機(jī)械股份有限公司，陜西漢中７２３０００）

［摘 要］：針對噴油螺桿壓縮機(jī)在低壓應(yīng)用中排氣含油量過高的問題，通過對比試驗(yàn)對噴油雙螺桿壓縮機(jī)排氣含油量過高的原因進(jìn)行分析，從油氣分離桶，油氣分離濾芯配置方面著手，找出原因并找出解決方案。以及改進(jìn)噴油螺桿壓縮機(jī)油氣分離系統(tǒng)的配置，加強(qiáng)油氣分離效果，獲得含油量更低、更潔凈的高品質(zhì)壓縮空氣。

［關(guān)鍵詞］：低壓壓縮機(jī)；微油螺桿壓縮機(jī)；油氣分離

中圖分類號：ＴＨ４５５ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ

文章編號：１００６－２９７１（２０２２）０４－００３７－０５

１　引言

　　隨著我國國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的持續(xù)增長，各類壓縮機(jī)的需求量不斷增大，同時(shí)也對壓縮空氣的質(zhì)量進(jìn)一步提高，如何獲得含油量低、潔凈的高品質(zhì)壓縮空氣，是壓縮機(jī)行業(yè)和用戶十分關(guān)注的一個課題。

噴油螺桿壓縮機(jī)作為一種壓縮空氣制造設(shè)備，具有高效節(jié)能、綠色環(huán)保、故障率低、噪聲小、操作簡便等優(yōu)良特點(diǎn)。但是在低壓（排氣壓力＜３ｂａｒ）環(huán)境下，壓縮空氣中混入的潤滑油氣體微粒很難被有效的分離出來，這就造成油氣分離不徹

底，壓縮空氣含油量過高。在一些對于壓縮空氣含油量有嚴(yán)格要求應(yīng)用領(lǐng)域，噴油螺桿壓縮機(jī)也就被拒之門外，而且潤滑油流失過快也會縮短壓縮機(jī)的保養(yǎng)周期，提高壓縮機(jī)的使用成本。

２　油氣分離系統(tǒng)簡介

　　按分離機(jī)理的不同，噴油螺桿壓縮機(jī)機(jī)組中采用兩種不同的油氣分離方法：①機(jī)械碰撞法，即依靠油滴自身重力的作用，從氣體中分離較大的油滴。實(shí)測表明，對直徑大于１μｍ的油滴，都可采用機(jī)械碰撞法被有效地分離出來。②親和聚結(jié)法，既通過特殊材料制成的元件，使直徑在１μｍ以下的油滴，先聚結(jié)為直徑更大的油滴，然后再分離出來。

現(xiàn)在常見的油氣分離系統(tǒng)通常都有油氣分離桶，油氣分離濾芯和回油管路組成，并且使用最小壓力閥來保證油氣分離桶內(nèi)的壓力。一般情況下，需要將壓縮空氣在進(jìn)入油氣分離桶之前的流速控制在１５～２５ｍ／ｓ之間，壓縮空氣進(jìn)入油氣分離桶內(nèi)部之后，速度會進(jìn)一步下降，然后通過內(nèi)桶與外桶不停地碰撞，將壓縮空氣中較大的油滴分離出來，這些油滴會沿著油氣分離桶內(nèi)壁滑落到油氣分離桶底部的潤滑油油池中。噴油螺桿壓縮機(jī)排氣溫度通常在８０℃以上，所以經(jīng)過一次油氣分離的壓縮空氣中依然含有很多微小的油粒和油蒸汽，這種狀態(tài)下的潤滑油分離難度更大，所以這不僅對油氣分離濾芯的材質(zhì)有特殊要求，壓縮空氣通過油氣分離濾芯的速度也必須控制在＜０.７ｍ／ｓ才行，因?yàn)榻?jīng)過一次油氣分離的壓縮空氣中所含的潤滑油顆粒都非常微小，在這種情況下壓縮空氣流速越低，分離效果越好。

３　低壓噴油螺桿壓縮機(jī)排氣含油量過高的原因分析及解決方案

　　很多廠家制造低壓噴油螺桿壓縮機(jī)時(shí)發(fā)現(xiàn)，相對于常壓（排氣壓力８ｂａｒ） 噴油螺桿壓縮機(jī)，采用相同的油氣分離系統(tǒng)時(shí)低壓（排氣壓力＜３ｂａｒ）噴油螺桿壓縮機(jī)制備出的壓縮空氣往往含油量遠(yuǎn)大于常壓機(jī)型。為找出排氣壓力對壓縮空氣含油量的影響，特設(shè)置以下實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，找出低壓噴油螺桿壓縮機(jī)壓縮空氣含油量過高的原因。

普通噴油螺桿壓縮機(jī)大多用于對壓縮空氣沒有特殊要求的工礦企業(yè)，對于壓縮空氣含油量沒有明確的要求，所以大多數(shù)噴油螺桿壓縮機(jī)廠家都是按照固定時(shí)間內(nèi)的耗油量或者以壓縮空氣總含油量＜５ｍｇ／ｍ３為合格標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)最終計(jì)算結(jié)果顯示，這兩種合格標(biāo)準(zhǔn)最終的壓縮空氣含油量相近，所以本文中所有試驗(yàn)都以壓縮空氣總含油量＜５ｍｇ／ｍ３合格標(biāo)準(zhǔn)。但是根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)要求，這種質(zhì)量的壓縮

空氣在很多應(yīng)用領(lǐng)域是無法使用的。所以我們本次實(shí)驗(yàn)不僅要找出低壓噴油螺桿壓縮機(jī)壓縮空氣含油量過高的原因，而且要找出進(jìn)一步降低壓縮空氣含油量的方法。

３.１　不同排氣壓力下壓縮空氣含油量測試

本次試驗(yàn)的目的是找出在油氣分離系統(tǒng)配置相同的情況下，排氣壓力對壓縮空氣含油量的影響。根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?我們選取一臺容積流量為１０ｍ３／ｍｉｎ噴油螺桿壓縮機(jī)，并采用常壓（８ｂａｒ）配置的油氣分離系統(tǒng)，該系統(tǒng)由油氣分離桶，油氣分離濾芯和回油管路組成。

首先，我們需要根據(jù)油氣分離設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)值，選取合理的油氣分離桶與油細(xì)分離器。本次實(shí)驗(yàn)中選取的油氣分離桶進(jìn)氣口管徑為ＤＮ５０，進(jìn)氣口截面積為１.９６×１０－３ ｍ３，油氣分離濾芯中濾紙展開面積約為０.２８ ｍ２。本次試驗(yàn)的測試儀器采用ＤＵＳＴＴＲＡＫ－Ⅱ氣溶膠監(jiān)測儀，并且在每個試驗(yàn)狀態(tài)下取５組數(shù)據(jù)求平均值，以保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。

第一步，把排氣壓力設(shè)置為８ｂａｒ，用儀器檢測顯示５次測試的壓縮空氣平均含油量為僅為０.６３１ｍｇ／ｍ３，見表１，此時(shí)的壓縮空氣含油量達(dá)到大多數(shù)廠家的合格標(biāo)準(zhǔn)。

第二步，把排氣壓力設(shè)置為５ｂａｒ，此時(shí)用儀器檢測顯示５次測試的壓縮空氣平均含油量為１.３９ｍｇ／ｍ３，見表２。可以看出，此時(shí)的壓縮空氣含油量也滿足大多數(shù)廠家的合格標(biāo)準(zhǔn)，但是相對于排氣壓力為８ｂａｒ時(shí)增加了約１倍。

第三步，把排氣壓力設(shè)置為２.５ｂａｒ，此時(shí)用儀器檢測顯示５次測試的壓縮空氣平均含油量為８.４４ｍｇ／ｍ３，見表３。此時(shí)的壓縮空氣含油量已經(jīng)超出了大多數(shù)廠家的合格標(biāo)準(zhǔn)。

３.２　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通常來說，造成壓縮空氣含油量主要原因有：油氣分離系統(tǒng)中油氣分離元件的損壞，潤滑油變質(zhì)等。但是根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)第一步、第二步可以排除以上這些原因，因?yàn)樵诖藢?shí)驗(yàn)中影響壓縮空氣含油量的因素只有排氣壓力，其余配置均相同。那么，我們就必須根據(jù)以上的試驗(yàn)參數(shù)，通過計(jì)算去找出低壓環(huán)境下壓縮空氣含油量超標(biāo)的原因。

螺桿壓縮機(jī)的內(nèi)壓比εｉ，是指齒間容積的內(nèi)壓縮終了壓力與吸氣壓力之比。通常壓縮機(jī)主機(jī)在設(shè)計(jì)的時(shí)候內(nèi)壓縮終了壓力會略小于排氣壓力，但是為方便計(jì)算，我們在設(shè)計(jì)試驗(yàn)過程中讓內(nèi)壓縮終了壓力等于排氣壓力。

排氣壓力不同會造成的容積效率、噴油量、內(nèi)泄漏等因素的變化，但是這些因素對于計(jì)算結(jié)果影響不大且計(jì)算過于復(fù)雜，因此在計(jì)算時(shí)不考慮這些因素，同時(shí)在假設(shè)在試驗(yàn)中這３種排氣壓力下壓縮機(jī)的容積效率均為為９０％。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，壓縮空氣在進(jìn)入油氣分離桶之前的流速要求是１５～２５ｍ／ｓ之間，壓縮空氣進(jìn)入油氣分離濾芯的速度應(yīng)＜０.７ｍ／ｓ。

由式（１） 計(jì)算得出，當(dāng)排氣壓力為８ｂａｒ時(shí)，εｖ＝４.４２，則此時(shí)排氣口容積流量為２.０３ｍ３／ｍｉｎ，可以得出此時(shí)壓縮空氣進(jìn)入油分桶的流速約為

１７.２ｍ／ｓ，通過油氣分離濾芯時(shí)流速約為０.１２ｍ／ｓ。

當(dāng)排氣壓力為５ｂａｒ時(shí)，εｖ＝３.１６，則此時(shí)排氣口容積流量為２.８４ｍ３／ｍｉｎ，可以得出此時(shí)壓縮空氣進(jìn)入油分桶的流速約為２４.１ｍ／ｓ，通過油氣分離濾芯時(shí)流速約為０.１７ｍ／ｓ。

當(dāng)排氣壓力為２.５ｂａｒ時(shí)，εｖ＝１.９２，則此時(shí)排氣口容積流量為５.２１ｍ３／ｍｉｎ，可以得出此時(shí)壓縮空氣進(jìn)入油分桶的流速約為３９.８ｍ／ｓ，通過油氣分離濾芯時(shí)流速約為０.３１ｍ／ｓ。

通過對比以上計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)使用相同的油氣分離系統(tǒng)時(shí)，排氣壓力越低，壓縮空氣進(jìn)入油氣分離桶的速度會增加，壓縮空氣進(jìn)入油氣分離桶的速度越高，最終產(chǎn)出的壓縮空氣含油量也越高，當(dāng)壓力低到一定程度時(shí)，就會導(dǎo)致壓縮空氣進(jìn)入油氣分離桶的速度超過其使用要求，最終造成壓縮空氣含油量超標(biāo)。

由此我們可以得出：在同等容積流量下，采用相同的油氣分離系統(tǒng)，排氣壓力越低，壓縮空氣中含油量越高。想要解決這個問題，只需要通過計(jì)算壓縮空氣進(jìn)入油氣分離桶的速度，選用合適型號的油氣分離桶就可以有效降低壓縮空氣含油量。

在此次的試驗(yàn)中，壓縮空氣的流速都滿足油氣分離濾芯的使用要求，且壓縮空氣進(jìn)入油分桶的速度也不是固定值，所以在此次實(shí)驗(yàn)中暫時(shí)無法看出油氣分離濾芯對壓縮空氣含油量影響有多大。

３.３　低壓噴油螺桿壓縮機(jī)含油量解決方案

針對以上試驗(yàn)以及結(jié)果分析，我們雖然找出了低壓油螺桿壓縮機(jī)排氣含油量過高的主要原因，但是無法判斷壓縮空氣通過油氣分離濾芯的速度對壓縮空氣含油量有什么影響，所以我們需要進(jìn)一步試驗(yàn)。在相同容積流量下，選用更大型號的油氣分離

桶和濾紙展開面積不同的的油氣分離濾芯進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證前面的觀點(diǎn)是否正確，同時(shí)找出壓縮空氣通過油氣分離濾芯的速度對含油量的影響。

這次試驗(yàn)，我們依然使用上面試驗(yàn)中使用的容積流量為１０ｍ３／ｍｉｎ噴油螺桿壓縮機(jī)，綜合考慮到空壓機(jī)機(jī)箱尺寸以及經(jīng)濟(jì)效益，我們將油氣分離桶更換為進(jìn)氣口管徑為ＤＮ６５的油氣分離桶，進(jìn)氣口截面積為１.９６×１０－３ ｍ３，同時(shí)分別選用濾紙展開面積約為０.４１ｍ２的油氣分離濾芯和第一次試驗(yàn)使用的展開面積約為０.２８ｍ２的濾紙。因?yàn)樵谏厦鎸?shí)驗(yàn)中，排壓為８ｂａｒ、５ｂａｒ時(shí)，壓縮空氣含油量均達(dá)到了合格標(biāo)準(zhǔn)，為簡化流程所以以下試驗(yàn)僅針對排壓２.５ｂａｒ進(jìn)行。

在試驗(yàn)之前，先計(jì)算以上配置是否合理，由式（１） 計(jì)算得出，當(dāng)排氣壓力為２.５ｂａｒ時(shí)，εｖ ＝１.９２，則此時(shí)排氣口容積流量為５.２１ｍ３／ｍｉｎ，可

以得出此時(shí)壓縮空氣進(jìn)入油分桶的流速約為２３.４ｍ／ｓ，此流速滿足油氣分離桶的要求，說明該配置較為合理，可以進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)開始：把排氣壓力設(shè)置為２.５ｂａｒ，首先使用濾紙展開面積約為０.２８ｍ２的油氣分離濾芯，通過計(jì)算可以的得出通過油氣分離濾芯時(shí)流速約為０.２８ｍ／ｓ，使用儀器檢測顯示５次測試的壓縮空氣平均含油量為３.６８ｍｇ／ｍ３，見表４。此時(shí)的壓縮空氣含油量滿足大多數(shù)廠家的合格標(biāo)準(zhǔn)。

把排氣壓力設(shè)置為２.５ｂａｒ，首先使用濾紙展開面積約為０.４１ｍ２的油氣分離濾芯，通過計(jì)算可以的得出通過油氣分離濾芯時(shí)流速約為０.２１ｍ／ｓ，使用儀器檢測顯示５次測試的壓縮空氣平均含油量為２.３６ｍｇ／ｍ３，見表５。此時(shí)的壓縮空氣含油量相對使用濾紙展開面積約為０.２８ｍ２的油氣分離濾芯時(shí)有明顯的下降。

本次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果不僅驗(yàn)證了第一次試驗(yàn)得出的結(jié)論是正確性，在低壓應(yīng)用的環(huán)境中，只要將壓縮空氣進(jìn)入油氣分離桶的速度控制在合理的范圍內(nèi)，就可以有效降低壓縮空氣的含油量。同時(shí)，通過試驗(yàn)對比我們可以看出：在同等條件下，油氣分離濾芯的展開面積越小，壓縮空氣通過油氣分離濾芯的流速越高，則最終得到的壓縮空氣中含油量越高。

４　降低噴油螺桿壓縮機(jī)排氣含油量

　　在前面的試驗(yàn)中，我們通過改變油氣分離系統(tǒng)的配置來解決壓縮空氣含油量過高的問題，可以保證噴油螺桿壓縮機(jī)無論在高壓還是低壓使用環(huán)境中都能保證滿足出廠標(biāo)準(zhǔn)。但是在一些對于壓縮空氣含油量有嚴(yán)格要求應(yīng)用領(lǐng)域，噴油螺桿壓縮機(jī)的排氣含油量依然達(dá)不到國家標(biāo)準(zhǔn)要求。為了達(dá)到更好的過濾效果，獲得含油量更低、更潔凈的高品質(zhì)壓縮空氣。我們將通過分析，合理改進(jìn)油氣分離系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，找出降低壓縮空氣含油量的方法。

４.１　油氣分離系統(tǒng)配置

想要進(jìn)一步降低壓縮空氣含油量，首先必須分析壓縮空氣中所含的潤滑油的物理狀態(tài)，針對潤滑油的物理狀態(tài)進(jìn)行合理配置，將潤滑油分離出來。常規(guī)噴油螺桿壓縮機(jī)最終排出壓縮空氣中所含的油都是直徑１μｍ以下的微小油滴，以及氣態(tài)的油蒸

汽，這種狀態(tài)下的潤滑油只有使用油氣分離濾芯才能將其從壓縮空氣中分離出來。所以我們只需要在常規(guī)配置的油氣分離系統(tǒng)內(nèi)部再增加一層油氣分離濾芯和回油管路，這樣可以對壓縮空氣再進(jìn)行一次過濾，可以有效降低壓縮空氣的含油量。

新配置的油氣分離系統(tǒng)是一種三層過濾油氣分離系統(tǒng)，該油氣分離系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖１所示。雖然在理論上來說，油氣分離濾芯過濾層數(shù)越多，則最終過濾效果越好，但是過濾層數(shù)越多零件的加工制造難度也會增加很多，并且更多的油氣分離濾芯在油

氣分離桶內(nèi)的空間也無法排布。多以使用雙層油氣分離濾芯是目前較為合理的一種選擇。

為了驗(yàn)證以上理論的正確性以及實(shí)際油氣分離效果如何，我們需要進(jìn)行第３次試驗(yàn)，本次試驗(yàn)依然采用容積流量為１０ｍ３／ｍｉｎ的噴油螺桿壓縮機(jī)，并且將排氣壓力設(shè)置為２.５ｂａｒ，因?yàn)榍懊嬖囼?yàn)已經(jīng)得出：在同等配置下，排氣壓力越低則壓縮空氣含油量越高，所以只需要針對低壓進(jìn)行試驗(yàn)，就可以看出三層過濾油氣分離系統(tǒng)的油氣分離能力。

試驗(yàn)開始，將排氣壓力設(shè)置為２.５ｂａｒ，為保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，本次試驗(yàn)?。到M數(shù)據(jù)，見表６?？梢钥闯觯褂萌龑舆^濾油氣分離系統(tǒng)之后，５次測試壓縮空氣平均含油量為０.０３８ｍｇ／ｍ３，最高含油量為０.０５８ｍｇ／ｍ３。

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)ＧＢ／Ｔ１３２７７－９１，本次試驗(yàn)當(dāng)壓縮空氣的含油量小于０１ｍｇ／ｍ３，已經(jīng)達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)中含油量等級２級要求，這個等級的壓縮空氣除

了食品飲料加工，噴漆等極少的行業(yè)之外，其余大部分應(yīng)用環(huán)境下都是可以使用的。

通過以上試驗(yàn)可以看出，增加一層油氣分離濾芯可以有效降低壓縮空氣含油量。雖然在油氣分離桶內(nèi)部增加油氣分離濾芯會遇到裝配空間不足、裝配難度過大等問題，但是考慮增加外部過濾系統(tǒng)這樣也可以進(jìn)一步降低壓縮空氣含油量。本次試驗(yàn)的目的是找出怎么改進(jìn)現(xiàn)有油氣分離系統(tǒng)可以降低壓縮空氣含油量，上面的試驗(yàn)已經(jīng)可以得出結(jié)論，所以就不再進(jìn)行進(jìn)一步降低壓縮空氣含油量的試驗(yàn)。

５　結(jié)論

　　綜合以上所有試驗(yàn)可以看出：

（１）使用同等配置的油氣分離系統(tǒng)，噴油螺桿壓縮機(jī)排壓越低，則壓縮空氣的含油量越高。

（２）同等容積流量的壓縮機(jī)在配置油氣分離系統(tǒng)時(shí)，隨著排氣壓力的變化，需要根據(jù)計(jì)算選用合理的油氣分離桶。

（３）合理增加油氣分離系統(tǒng)中油氣分離濾芯的層數(shù)可以有效降低壓縮空氣的含油量。

參考文獻(xiàn)：

［１］　邢子文．螺桿壓縮機(jī)—理論、設(shè)計(jì)及應(yīng)用［Ｍ］．西安：西安交通大學(xué)教材，２０１８．

［２］　李蔚蔚，高相家，秦濱．螺桿壓縮機(jī)油氣分離系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

［Ｊ］．合肥：合肥通用機(jī)械研究院，２００９．

［３］　項(xiàng)慧芬．噴油螺桿壓縮機(jī)油氣分離系統(tǒng)的改進(jìn)［Ｊ］．壓縮機(jī)技術(shù)，２０００．

［４］　褚曉東．螺桿壓縮機(jī)油氣分離器油氣機(jī)理分析［Ｊ］．壓縮機(jī)，２００７．

作者簡介：冉鵬（１９８８－），男，陜西漢中人，助理工程師，本科，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)