從軸功率揭開螺桿空壓機節(jié)能的秘密一、空壓機軸功率的定義 眾所周知，空壓機能效看機組輸入比功率，比功率大小與機組功率值有很大關(guān)系。即相同容積流量、壓機軸功率，機組功率越大，比功率越大，空壓機就越耗能......
眾所周知，空壓機能效看機組輸入比功率，比功率大小與機組功率值有很大關(guān)系。即相同容積流量、壓機軸功率，機組功率越大，比功率越大，空壓機就越耗能。
空壓機的機組輸入功率與電機軸功率、電機效率、電箱功率、風扇功率等有關(guān)，而占比最大的就是軸功率。
空壓機的軸功率是在一定容積流量和工作壓力下，電動機（或柴油機）單位時間內(nèi)給空壓機主機軸的功，稱為軸功率。
空壓機軸功率，我們可以從空壓機內(nèi)部（即主機的軸功率）和外部（電動機軸功率）的功耗來揭示軸功率的意義。首先從機組輸入功率從外到內(nèi)來分析空壓機的能耗。（見圖1）
由公式(1)，我們得到機組功率的組成為：
P機組功率=P電機功率+P風扇功率+P電器箱功率——公式(1)
公式(2)，電機功率與電機軸功率和電機效率有關(guān)：
P電機功率=P電機軸功率/η電機效率——公式(2)
公式(3)，電機軸功率跟空壓機主機軸功率及傳動效率有關(guān)（見圖2）：
P電機軸功率=P主機軸功率/η傳動效率——公式(3)
在空壓機行業(yè)，在標準、銘牌、宣傳冊及商務(wù)談判上機器大小通常用“驅(qū)動電動機功率”（HP/kW）表示，電動機銘牌為：“額定功率”，實際上都是指空壓機軸功率。（見圖3）
如果我們將公式(2)和(3)代入公式(1)可以得到公式(4)：
P機組功率=（P主機軸功率/η傳動效率）*η電機效率+P風扇功率+P電器箱功率——公式(4)
由公式(4)看出機組功率中，軸功率（主機/電機）、效率（傳動/電機）均在空壓機六大系統(tǒng)的的動力系統(tǒng)中，是機組功率占比最大的部分。（見圖4）
螺桿空壓機動力系統(tǒng)由主機、電機、傳動系統(tǒng)等三大部件組成：
從公式(4)看出，要想知道空壓機的機組功率，我們必須先知道主機軸功率。
1.主機軸功率的計算
空壓機主機軸功率，是主機用來提升壓縮空氣的壓力勢能所需的綜合機械（或熱）能。與空壓機指示功率及絕熱效率有關(guān)，但不包括外傳動(如齒輪或皮帶傳動)損失的功率（見公式(5)）
Ps=Pad/η絕熱效率——公式(5)
Ps為主機軸功率
Pad為空壓機指示功率
η絕熱效率=0.7～0.85
空壓機設(shè)計人員通常在設(shè)計空壓機之前都要計算或知曉空壓機的主機軸功率。
例1，假設(shè)要設(shè)計一臺螺桿空壓機，排氣壓力0.7MPa（表壓），容積流量為16.67m3/min，進氣壓力為0.1MPa（絕壓）。該空壓機的軸功率是多少？應(yīng)該配多大的電動機？
解：
1) 容積流量換算：Q=16.67m3/min=277.78l/s
2) 壓縮空氣所需的指示功率計算：
3) 假設(shè)該螺桿空壓機的絕熱效率：η=80%
根據(jù)公式(1)，主機軸功率：Ps=Pad/η絕熱效率=79.34/0.8=99.15kW
應(yīng)該配多大電機？后面再計算。
在圖6中可以看出，空壓機在壓縮過程中既不可能做等溫壓縮（壓縮過程空氣溫度不變），也不可能做絕熱壓縮（壓縮過程與外界沒有任何熱交換）。因此應(yīng)該是多變壓縮過程。
通過實驗，由于噴油螺桿空壓機的主機轉(zhuǎn)數(shù)較高，被壓縮氣體在壓力升高過程中，與噴入的潤滑油之間的熱交換很不充分，在壓縮過程結(jié)束時，氣體的溫度遠高于油的溫度，在排氣過程中才最終實現(xiàn)熱量平衡，達到相同的排氣溫度。
因此，誤認為通過噴油可以實現(xiàn)接近等溫壓縮過程是不準確的。實驗證明，實際噴油螺桿空壓機的最高效率仍比絕熱壓縮效率低一點，所以在機頭軸功率計算中，與絕熱壓縮聯(lián)系起來，而不是等溫壓縮。
空壓機主機工作是動力系統(tǒng)功率的能量消耗的作俑者，因此要想空壓機節(jié)能，首先要主機節(jié)能。(見圖7)
2.主機軸功率影響因數(shù)
我們在計算空壓機的主機軸功率時，需要輸入進氣壓力、進氣溫度、環(huán)境溫度、工作壓力、主機轉(zhuǎn)數(shù)、進氣壓降、排氣壓降等參數(shù)（見圖8）。所以，這些參數(shù)都會影響到主機軸功率的大小。
圖8
①機組進氣壓力的影響
雖然國家標準規(guī)定空壓機的制造和測試按照“標準工況”（標準進氣壓力Px=1.013bar）。但在實際使用工況不同（海拔高度），空壓機在不同的設(shè)計與制造及客戶現(xiàn)場表現(xiàn)也會不同（進氣壓損差異），對空壓機的軸功率產(chǎn)生影響。
圖9的橫坐標為進氣壓力，右邊綠色縱坐標為軸功率。當進氣壓力增加時，軸功率曲線下降；反之，則上升。
我們可以理解為，由于進氣壓損而造成壓縮比不同導(dǎo)致軸功率不一樣。
例2：一個客戶在海拔3000m處使用一臺空壓機要求0.7MPa，氣量5.44m3/min時。（查資料環(huán)境壓力為：0.7bar），其壓縮比：
i=P排/Px=（7+0.7）/0.7=11 ——公式(7)
意味著需要相同氣量，此時軸功率比標準工況（壓縮比8）時要大，必須選擇10bar空壓機。因此當進氣壓力降低，軸功率增加。
例3：某空壓機空濾及減荷閥壓降為35mbar （見圖10），要求0.7MPa，氣量5.44m3/min時。其壓縮比：
i=P排/Px=（7+1）/0.965=8.3 ——公式(8)
意味著需要相同氣量，此時軸功率比標準工況（壓縮比8）時要大3.6%。因此當進氣壓力降低，軸功率增加。
②環(huán)境溫度的影響
雖然國家標準規(guī)定空壓機的制造和測試按照“標準工況”（標準溫度T=20℃）。但在實際使用時工況不同，空壓機在不同的客戶現(xiàn)場表現(xiàn)也會不同。環(huán)境溫度差異對空壓機的功率會產(chǎn)生影響。
圖11的橫坐標為環(huán)境溫度，右邊綠色縱坐標為軸功率。當環(huán)境溫度增加時，軸功率曲線下降。但是由于容積流量曲線下降斜率更大（藍色曲線），機組的比功率反而上升（紅色曲線）；反之亦然。例4見圖12。
③工作壓力的影響
在相同主機和轉(zhuǎn)數(shù)情況下，排氣壓力越大，空壓機軸功率越大?。ㄒ妶D13）
在這里，我們可以區(qū)分三種情況：
a) 空壓機內(nèi)部系統(tǒng)壓降：在相同工作壓力下，空壓機主機后到出氣口前的氣路系統(tǒng)壓降越小，主機排氣壓力就越小，主機的軸功率就越小，機組比功率就越小，空壓機越節(jié)能；反之則耗能。
b) 空壓機后系統(tǒng)壓降：在相同工作壓力下，空壓系統(tǒng)（空壓機后的管路、凈化設(shè)備及輔件等）由于浪費成品氣（管路泄露、凈化設(shè)備耗氣量大、不合理用氣等）或系統(tǒng)壓降大（管路壓降、凈化設(shè)備壓降、系統(tǒng)配置不合理等等）造成主機排氣壓力遠遠大于其正常工作壓力而導(dǎo)致主機軸功率增大，機組比功率就增大，空壓機耗能；反之就節(jié)能。
當空壓機工作一段時間后，由于空濾芯及油氣分離器芯隨著工作時間及環(huán)境影響，會增加阻損，從而造成主機工作壓力上升，到達維護保養(yǎng)要求前，主機軸功率也會增加。出于電動機的安全考慮，必須要增加這部分余量，在電動機部分會有詳細量化。
④主機轉(zhuǎn)數(shù)的影響
在相同主機和工作壓力下，主機轉(zhuǎn)數(shù)增加或減少，軸功率就增加或減少?。ㄒ妶D15）
例5，某品牌變頻螺桿空壓機，可以進行兩種壓力控制模式：
a. 在工作壓力不變的情況下，可以隨負荷變化通過改變主機的轉(zhuǎn)數(shù)來達到節(jié)能的目的；（見圖16左）。
b. 同時也可以在軸功率不變的情況下，隨工作壓力的改變通過改變主機的轉(zhuǎn)數(shù)實現(xiàn)空壓機增減排氣量，從而達到變頻空壓機利用最大化。這就是為什么這款空壓機有100Hz的變量（見圖16右）。
⑤主機的效率影響
不管什么主機，每檔主機都會有其效率曲線（見圖17），當主機轉(zhuǎn)數(shù)過低時，主機因為泄露增大導(dǎo)致機組比功率高（所以變頻空壓機的頻率都在20Hz以上，再低不但耗能，且可能打不出氣）；當主機轉(zhuǎn)數(shù)過高時，主機的機械摩擦增大導(dǎo)致機組比功率高（市場俗稱：小馬拉大車）。
由于變頻空壓機能效限定值的計算方法與工頻空壓機不一樣，因此利用好了主機的效率曲線，把在工頻空壓機不是1級能效的主機經(jīng)過調(diào)校后用在變頻空壓機上，取得1級能效的案例比比皆是。
因此，從GB19153-2019《容積式壓縮機能效限定值及能效等級》可以看出，相同功率下，同樣是1級能效，工頻比功率值要求比變頻比功率值小。從空壓系統(tǒng)節(jié)能的角度來說，在滿載工況下，工頻機比變頻機節(jié)能。這與主機效率點選取有關(guān)，在第三章《噴油螺桿空壓機能效限定值分析》中有分析。
⑥主機的型線影響
螺桿空壓機已經(jīng)有近百年的歷史，主機的設(shè)計主要是螺桿線型的演變。
線型設(shè)計要求：
a) 軸向氣密性和橫向氣密性高
b) 接觸線長度盡量短
c) 面積利用系數(shù)大
d) 減少和避免漏氣三角形
e) 重量輕，剛性好
f) 良好的工藝性
其中，最重要的是型線的面積利用率：Cn=F/Dm，表1為幾種齒形的面積利用率比較：
其次為主機的加工工藝。
所以一款好的主機，首先考慮的是安全和耐用，其次才是節(jié)能。撇開了主機的安全和耐用而空談節(jié)能，賺的不如賠得多。
⑦壓縮比的影響
前面在進氣壓力影響中提到“壓縮比”。在空壓機主機壓縮過程中不可能100%空氣都被壓縮，會有一定量的空氣泄露，壓縮比越高，泄露越嚴重；同時“壓縮比”越高，壓縮空氣的溫升也越高，當空壓機從電能轉(zhuǎn)化為機械能，再轉(zhuǎn)換為空氣壓力勢能時，空氣溫度變化越小，空壓機的主機軸功率越小，空壓機越節(jié)能。這也是兩級壓縮在大機型中比單級壓縮更容易達到1級能效的原因之一。
空壓機的傳動系統(tǒng)指電機和主機連接部件，一般可分為直接傳動、齒輪傳動和皮帶傳動。
三種連接方式各有特點，比較可見表2。
根據(jù)公式(3)可以知道，傳動系統(tǒng)是電機軸功率傳遞到主機軸功率的橋梁，傳動效率高低直接影響到機組功率。
1.空壓機電動機
空壓機是將原動（通常是電動機或柴油機）的機械能轉(zhuǎn)換成氣體勢能（壓力表現(xiàn)）的裝置，電動機就是空壓機動力的輸入點。
最常見的空壓機電動機為三相異步電機和永磁（變頻）電機。
2.電動機輸入功率
空壓機電機絕大多數(shù)都是三相電機，其輸入功率計算公式為：
P＝ √3UIcosΦη——公式(9)
其中U為線電壓，I為相電流，cosΦ是電機功率因數(shù)，η是電機效率。我們可以從電機銘牌上查詢。（見圖24，左圖為工頻電機，右圖為永磁變頻電機）
從公式(9)可以看出，電機輸入功率與電機效率及功率因數(shù)有密切關(guān)系。
①電機效率
電動機由電能轉(zhuǎn)化為機械能，在能量轉(zhuǎn)換不可能沒有損失。這是很多因素作用的結(jié)果，例如電阻損失、通風損失、磁化損失以及摩擦損失及發(fā)熱等。能量轉(zhuǎn)化率可以用電機效率η來表示。(見公式(9)，P1為電機軸功率（通常電機銘牌標注的額定功率），P為電機輸入功率)。
η=
— ——公式(10)
P = P1 /η——公式(11)
從公式(10)得出，電機軸功率P1不變的情況下，電機效率η越高，電機輸入功率P越低，空壓機越節(jié)能！國家標準GB18613-2012《電動機能效限定值及能效等級》規(guī)定了電動機能效等級分三個級別：1級、2級、3級，分別對應(yīng)國際標準的IE4、IE3、IE2。
GB18613-2020《電動機能效限定值及能效等級》在2021年6月1號開始執(zhí)行，把能效指標進一步提升（見圖26）。
目前，市場上大部分空壓機使用電機按照國家標準GB18613-2012《電動機能效限定值及能效等級》，三相異步電動機一般為IE2（三級），永磁電機一般為IE4以上（一級）；各級電機效率η相差1～2%，額定功率越大，效率值相差越?。ㄒ妶D27）。
在第3章《噴油螺桿空壓機能效限定值分析》中介紹了2020空壓機抽檢不合格率高達22.4%，不合格發(fā)現(xiàn)率僅次于三相異步電機23.3%，且不合格項目為：“機組輸入比功率和能效標識”。
空壓機抽檢不合格率其實很大程度與電動機的不合格率有關(guān)系，特別是工頻用三相異步電機。由于絕大部分空壓機采用的三相異步電機為IE2（三級），當動力輸入源頭就是不節(jié)能電機，何來空壓機節(jié)能？
電機效率受到技術(shù)水平、制造成本、電壓及極數(shù)等因數(shù)影響，空壓機電動機選擇（特別是三相異步電機）應(yīng)遵循以下原則：
a) 在相同額定功率下，電機能效等級越高，電機效率越高，空壓機越節(jié)能；（建議選用IE3以上）
b) 在相同額定功率下，電機極數(shù)越高，電機效率越高，空壓機越節(jié)能；（能用4極電機就不用2極電機）
c) 在大功率電機，相同額定功率下，電壓越高，電機效率越高，空壓機越節(jié)能；（250kW以上空壓機，有條件選擇循序：10kV>6kV>380V）
d) 同一檔電機，滿載比變載效率高（電機最佳效率是在100%負荷）（見圖28）；
e) 變載運行，永磁變頻電機是優(yōu)先；
f) 在滿足安全的條件下，電機防護等級越低越好。
例6， 75kW的電動機，一臺是IE2，一臺是IE4，其耗電量差距是多少？解答見圖29。
②電機功率因數(shù)
交流電路中，功率分三種功率：有功功率P、無功功率Q和視在功率S，功率因數(shù)cosΦ是有功功率P和視在功率S的比值，即cosΦ=P/S。功率因數(shù)是衡量電氣設(shè)備效率高低的一個系數(shù)。
有功功率P(W)：在電路中，電阻元件上所消耗的功率為有功功率，表示電源功率被利用的程度。
當φ=0時，直流電路，P=UI
當φ≠0時，交流電路，P= 3UIcosφ。
我們可以從電機銘牌上查詢功率因數(shù)。（見圖24，左圖為工頻電機，右圖為永磁變頻電機）。
異步電機的功率因數(shù)低，原因是它需要一部分功率來產(chǎn)生磁場，以維持電機運轉(zhuǎn)。這部分產(chǎn)生磁場的功率，不會被消耗，只存在與電機與電源之間，這就是無功功率。
永磁電機的磁場是永磁體產(chǎn)生的，不需要這個無功功率，所以只需要從電網(wǎng)中吸取有功功率對外做功即可，因此它的功率因數(shù)很高。
例7，以銘牌功率75千瓦的永磁電機和異步電機為例，比較他們的輸入電流，就知道為什么永磁電機效率異步電機效率高。見表3
在變頻空壓機，異步電機在80%負載以下電機效率下滑嚴重，功率因數(shù)下滑更嚴重.永磁電機在20%～120%負載之間基本保持較高的效率和功率因數(shù)、在部分負載時永磁電機比異步電機具有很大的節(jié)能優(yōu)勢，甚至節(jié)能超過50%。（見圖31，1為永磁電機，2為異步電機）。
在例1中，主機軸功率為99.15kW，電機如何選擇呢？
1) 計算電機軸功率：
根據(jù)公式(3)：P電機軸功率=99.15/0.98=101.17kW （η傳動效率=98%齒輪傳動）
校核1：GB 18613-2012《電動機能效限定值及能效等級》中選擇90kW/4極/IE4的效率為96.2%。
根據(jù)公式(2)：P電機功率=101.17/0.962=105.17kW （不超過下一檔110kW）
校核2：GB 18613-2012《電動機能效限定值及能效等級》中選擇90kW/2極/IE2的效率為94.1%。
根據(jù)公式(2)：P電機功率=101.17/0.941=107.5kW （不超過下一檔110kW）
2) 計算電機服務(wù)系數(shù)：
通?？諌簷C的電動機服務(wù)系數(shù)sf=1.15；考慮空濾芯和精分芯服務(wù)周期內(nèi)壓降影響（8%的軸功率）
在例1中電動機的服務(wù)系數(shù)要求：sf=101.17 *1.08/90=1.21>1.15，意味著，要么增加電動機的服務(wù)系數(shù)到1.25，要么重新修改主機轉(zhuǎn)數(shù)（減少容積流量）。
例8：某品牌空壓機10.5m3/min/0.7MPa /55kW/2級能效/IE3電機/齒輪傳動/sf=1.15。假設(shè)P電箱+P風扇=0.5kW（見圖32）
P機組功率=10.5*6.4=67.2kW
P電機功率=67.2-0.5=66.7kW
P電機軸功率=66.7*0.946=63.03kW
P主機軸功率=63.03*0.98=61.77kW
sf=62.03/55=1.13
可見，sf接近1.15，如果機器使用一段時間后，空壓機內(nèi)部壓降由于精分芯堵塞而增大時，電機服務(wù)系數(shù)將不足了，會引起電機安全運行。
例9，圖32，在2009版能效等級為2級，查2019版能效等級變成3級(因為2級比功率值為6.2），如果想要改動少，把電動機換成IE5（96.3%）。
P主機軸功率=61.77kW
P電機軸功率=61.77/0.98=63.03kW
P電機功率=63.03/0.963=65.45kW
P機組功率=65.45+0.5=65.95kW
ε=65.95/10.5=6.28
仍然無法進入2級能效，但已經(jīng)很接近了，可以看主機的效率曲線去修正容積流量，降低一點主機轉(zhuǎn)數(shù)，就有可能進入新的二級能效。見圖33。
因此深入了解“軸功率對噴油螺桿空壓機節(jié)能影響”，不僅可以在空壓機制造過程中揚長避短，盡可能將空壓機機組比功率值降低，而且還可以在激烈的市場競爭中占得先機。
