CN103206367B - 一种提高活塞式空气压缩机能效的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种提高活塞式空气压缩机能效的方法，步骤如下：（1）试验设计及数据采集：①对活塞式空气压缩机的气阀升程、气隙余量进行试验研究；②排气压力恒定条件下，对活塞式空气压缩机进行变转速试验研究；③转速恒定条件下，对活塞式空气压缩机进行变排气压力试验研究；④排气压力和转速恒定的条件下，对活塞式空气压缩机气体压缩过程中温度变化进行研究；（2）单因素能效分析确定最佳运行参数：（3）多因素运行参数的优化及验证：在单因素确定的各最佳运行参数范围内，通过正交实验进行多因素优化，在多因素最佳运行参数下验证节能降耗情况。本发明通过合理配置与优化空压机运行参数，可以显著提高空压机的效率、降低空压机的能耗。
Description
技术领域
本发明涉及一种提高设备能效的方法，尤其是涉及一种提高活塞式空气压缩机能效的方法。
背景技术
空气压缩机和风动工具产品是国民经济的基础产业,它与国防、化工、医药、食品、石油、城建、交通及矿山开采业都有密不可分的关系，是多数其他行业企业不可缺少的主要生产设备之一。据行业统计数据，空气压缩机运行的年耗电量占国民经济耗电总量的7%，其耗电量的增长率基本上是和我国GDP增长率同步，同时空气压缩机属于涉及高温、高压、耗电、耗油、耗水、噪声、振动、运行安全和电气安全的工业动力运转机器，国家实行生产许可证制度的强制管理产品。随着我国国民经济的快速发展，它的市场需求量越来越大。
我国在2003年就制订了以节能降耗为主要宗旨的GB19153-2003《容积式空气压缩机能效限定值及节能评价值》的国家强制性标准，该标准是空气压缩机产品标准和检测方法标准之外专门提出的产品能源消耗指标要求。从近几年来的运行效果分析，产品能耗指标离限定值要求较接近，和评价值要求相差较远，国家质检总局在08年将GB19153-2003《容积式空气压缩机能效限定值及节能评价值》升级为GB19153-2008《容积式空气压缩机能效限定值及能效等级》，该标准的升级，对空气压缩机的能耗指标提出更高的要求。由此可见，对空气压缩机的节能降耗进行分析和研究已到了刻不容缓的时候了。
由于空气压缩机结构种类繁多，使用场合和环境不一样，所使用的压缩介质因具体工艺要求而不同，因此以所有类型的空气压缩机作为研究对象而对其节能减排进行广泛研究分析，并对其运行情况试验检测与科学研究，是我国压缩机全行业和广大用户群体的共同课题。它是一项循序渐进的研究、改进、完善的长期工作。空气压缩机节能减排工作包括两个大的方面：一是从设计制造的层面，提高空气压缩机内在品质和性能参数的设计与制造水平，相对于传统产品更为高效节能，更为安全可靠；二是从用户使用运行的层面，合理配置与优化工艺参数和运行参数，努力提高机组的效率、经济性和安全可靠性。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术的不足，提供一种提高活塞式空气压缩机能效的方法，该方法操作简单，通过合理配置与优化空压机运行参数，可以显著提高空压机的效率、降低空压机的能耗。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种提高活塞式空气压缩机能效的方法，包括试验设计及数据采集、单因素能效分析确定最佳运行参数和多因素运行参数的优化和验证，所述方法具体如下：
（1）试验设计及数据采集：
①对活塞式空气压缩机的气阀升程、气隙余量进行试验研究；
②排气压力恒定条件下，对活塞式空气压缩机进行变转速试验研究；
③转速恒定条件下，对活塞式空气压缩机进行变排气压力试验研究；
④排气压力和转速恒定的条件下，对活塞式空气压缩机气体压缩过程中温度变化进行研究；
（2）单因素能效分析确定最佳运行参数：
①通过气阀升程-容积流量、气阀升程-轴功率、气隙余量-容积流量、气隙余量-轴功率关系曲线，获得气阀升程、气隙余量的最佳调整范围；
②通过转速-功率、转速-容积流量、转速-排气温度关系曲线，获得最佳运行转速范围；
③通过排气压力-功率、排气压力-容积流量、排气压力-排气温度关系曲线，获得最佳运行压力范围；
④通过分析排气温度与容积流量的关系，确定排气温度与功耗关系；
（3）多因素运行参数的优化及验证：
在步骤（2）单因素确定的各最佳运行参数范围内，对活塞式空气压缩机运行参数进行多因素优化，获得多因素最佳运行参数，在多因素最佳运行参数下采用活塞式空气压缩机检测系统进行全性能检测，验证节能降耗情况。
作为优选，步骤（1）试验设计及数据采集中数据的采集采用活塞式空气压缩机检测系统在线采集。
作为优选，步骤（2）单因素能效分析确定最佳运行参数的操作中最佳运行参数的范围为各曲线的拐点所对应运行参数值的0.8~1.0倍。
作为优选，步骤（3）多因素运行参数的优化采用正交实验法，至少选取四个运行参数作为优化对象，各运行参数至少选取三个水平。
本发明的有益效果是：（1）本发明的方法科学合理，试验操作简单，所采集的数据可靠，通过单因素能效分析初步确定活塞式空气压缩机各运行参数的最佳范围，然后再通过正交试验对部分或全部运行参数进一步优化，得出最佳的多因素运行参数，实验过程及数据处理方法循序渐进，逻辑性强，获得的数据结论具有指导意义；（2）采用本发明的方法获得的最佳运行参数，在实施运行中，活塞式空气压缩机的能耗降低10%左右，显著提高了空压机的能效，空压机的使用寿命亦大大延长。
具体实施方式
下面通过具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。
本实施例以W-1.6/5矿用微型空气压缩机作为研究对象；
实施例：
一种提高活塞式空气压缩机能效的方法，包括试验设计及数据采集、单因素能效分析确定最佳运行参数和多因素运行参数的优化及验证，所述方法具体如下：
（1）试验设计及数据采集：
①转速设定为1000rpm，对活塞式空气压缩机的气阀升程、气隙余量进行试验研究；
②排气压力恒定条件下，对活塞式空气压缩机进行变转速试验研究；
③转速设定为1000rpm，对活塞式空气压缩机进行变排气压力试验研究；
④排气压力恒定，转速设定为1000rpm，对活塞式空气压缩机气体压缩过程中温度变化进行研究；
（2）能效分析确定最佳运行参数：
①通过气阀升程-容积流量、气阀升程-轴功率、气隙余量-容积流量、气隙余量-轴功率关系曲线，获得气阀升程、气隙余量的最佳调整范围；
②通过转速-功率、转速-容积流量、转速-排气温度关系曲线，获得最佳运行转速范围；
③通过排气压力-功率、排气压力-容积流量、排气压力-排气温度关系曲线，获得最佳运行压力范围；
④通过分析排气温度与容积流量的关系，确定排气温度与功耗关系；
（3）多因素运行参数的优化及验证：
在步骤（2）确定的各最佳运行参数范围内，对活塞式空气压缩机运行参数进行多因素优化，获得多因素最佳运行参数，在多因素最佳运行参数下采用活塞式空气压缩机检测系统进行全性能检测，验证节能降耗情况。
试验数据分析
表1吸气阀升程、容积流量、轴功率试验数据关系
| 序号 | 吸气阀升程mm | 容积流量m3/min | 轴功率kW |
| 1 | 1.5 | 1.212 | 11.62 |
| 2 | 2.0 | 1.591 | 10.87 |
| 3 | 2.5 | 1.624 | 10.63 |
| 4 | 3.0 | 1.553 | 11.16 |
| 5 | 3.5 | 1.412 | 11.83 |
由表1可知，吸气阀升程达到2.5mm时，容积流量达到1.624m3/min，吸气阀升程-容积流量曲线出现拐点，由此可得出吸气阀升程在2.0（拐点对应运行参数值的80%）~2.5mm比较合理。
对于吸气阀而言，其弹簧力过大、吸气阀会提前关闭，导致吸气不足；弹簧力过小又会导致气阀延迟关闭，气缸内的气体向吸气腔倒流。通过理论分析和实际试验验证，对于由20C或国标碳素工具钢T10加工而成的舌状阀，其厚度一般为3.0-3.5mm，其端部最大行程为2.0-2.5mm时，其综合工作性能处于较好状态。
表2排气阀升程、容积流量、轴功率试验数据关系
| 序号 | 排气阀升程mm | 容积流量m3/min | 轴功率kW |
| 1 | 1.5 | 1.031 | 11.82 |
| 2 | 2.0 | 1.322 | 11.73 |
| 3 | 2.5 | 1.448 | 11.47 |
| 4 | 3.0 | 1.562 | 11.19 |
| 5 | 3.5 | 1.629 | 10.92 |
| 6 | 4.0 | 1.643 | 10.81 |
| 7 | 4.5 | 1.492 | 11.32 |
由表2可知，排气阀升程达到4.0mm时，容积流量达到1.643m3/min，排气阀升程-容积流量曲线出现拐点，由此可得出排气阀升程在3.2（拐点值的80%）~4.0mm比较合理。
对于排气阀而言，其弹簧力过大、会导致排气阀提前关闭，在排气终了时，气缸压缩腔内气体压力增大，压缩气体未完全及时排出，相当于压缩终了时余隙容积内的气体压力增大，压缩机容积流量下降，能耗上升；在排气阀弹簧力过小，将导致排气阀延迟关闭，至使气缸内活塞下行时，处于吸气状态时排气阀还未关闭，由于此时气缸处于相对真空状态，吸入气体产生串流，导致容积流量下降，能耗和温度上升。对于由20C或国标碳素工具钢T10加工而成的舌状阀，作为排气阀片，其厚度一般为4.5-5.0mm，其端部最大行程为3.0-4.0mm时，其综合工作性能处于较好状态。
表3余隙容积、容积流量、轴功率试验数据关系
余隙容积试验数据以活塞在气缸中运动时处于行程时，其顶部与吸气阀之间的间距为研究参数
| 序号 | 余隙容积mm | 容积流量m3/min | 轴功率kW |
| 1 | 0.2 | 1.612 | 11.48 |
| 2 | 0.4 | 1.614 | 11.47 |
| 3 | 0.6 | 1.616 | 11.41 |
| 4 | 0.8 | 1.617 | 11.34 |
| 5 | 1.0 | 1.619 | 11.12 |
| 6 | 1.2 | 1.620 | 10.87 |
| 7 | 1.4 | 1.619 | 11.13 |
| 8 | 1.5 | 1.596 | 11.22 |
| 9 | 1.6 | 1.615 | 11.43 |
由表3可得出余隙容积保持在0.8-1.5mm比较合理。
对于余隙容积大小的确定，其留余太大其受压缩的空气不有效排出，空压机的容积流量下降，能效损失浪费严重，留余太小则容易产生顶缸事故，根据我们的研究和试验结果，空压机活塞在其最大行程位置时，活塞顶部和吸气阀片的间距应在0.8-1.5mm为最佳。
表4转速、容积流量、轴功率试验数据关系
| 序号 | 转速rpm | 容积流量m3/min | 轴功率kW |
| 1 | 500 | 1.221 | 10.91 |
| 2 | 600 | 1.389 | 9.46 |
| 3 | 700 | 1.515 | 8.62 |
| 4 | 800 | 1.573 | 8.25 |
| 5 | 900 | 1.609 | 8.19 |
| 6 | 1000 | 1.613 | 7.83 |
| 7 | 1100 | 1.610 | 7.76 |
| 8 | 1150 | 1.596 | 7.81 |
| 9 | 1200 | 1.587 | 8.78 |
由表4可知，转速在900-1150rpm比较合理。
对风冷的W-1.6/5型空气压缩机而言，在排气压力衡定时，一般情况下空压机转速越高，其排气量越大，相对应能耗也越大，而能耗和排气量的比值（即比功率）却减小，所以很多生产企业为了容积流量的要求，就一味地增加空压机的转速，但当转速达到一定程度时，空压机的排气量不增反而下降，其能耗却大幅度地增加，根据我们研究试验的结果，对活塞式空压机最佳转速应该是900rpm-1150rpm是比较理想的状态。
综合吸气阀升程、排气阀升程、余隙容积、转速，采用四因素三水平的正交实验策略，对上述四个关键指标进行多因素正交实验优化，
表5四因素三水平正交实验
| 吸气阀升程(A) | 排气阀升程(B) | 余隙容积(C) | 转速(D) | |
| 1 | 2.0 | 3.2 | 0.8 | 900 |
| 2 | 2.2 | 3.5 | 1.1 | 1000 |
| 3 | 2.5 | 4.0 | 1.5 | 1150 |
经过正交实验得出活塞式空气压缩机最佳运行参数方案为A2B1C1D2，即吸气阀升程为2.2mm，排气阀升程为3.2mm，余隙容积为0.8mm，转速为1000rpm。在上述最佳运行参数条件下，每台活塞式空气压缩机的的总能耗量下降10.9%左右。
以上实施例只是本发明的一种较佳方案，在不超出权利要求所记载技术方案的前提下还有其它变体及改型，如还可以对其它运行参数进行正交实验研究，以获得更优运行参数，以进一步降低活塞式空气压缩机的能耗。
Claims (1)
1.一种提高活塞式空气压缩机能效的方法，其特征在于：包括试验设计及数据采集、单因素能效分析确定最佳运行参数和多因素运行参数的优化及验证，所述方法具体如下：
(1)试验设计及数据采集：
①对活塞式空气压缩机的气阀升程、气隙余量进行试验研究；
②排气压力恒定条件下，对活塞式空气压缩机进行变转速试验研究；
③转速恒定条件下，对活塞式空气压缩机进行变排气压力试验研究；
④排气压力和转速恒定的条件下，对活塞式空气压缩机气体压缩过程中温度变化进行研究；
(2)单因素能效分析确定最佳运行参数：
①通过气阀升程-容积流量、气阀升程-轴功率、气隙余量-容积流量、气隙余量-轴功率关系曲线，获得气阀升程、气隙余量的最佳调整范围；
②通过转速-功率、转速-容积流量、转速-排气温度关系曲线，获得最佳运行转速范围；
③通过排气压力-功率、排气压力-容积流量、排气压力-排气温度关系曲线，获得最佳运行压力范围；
④通过分析排气温度与容积流量的关系，确定排气温度与功耗关系；
(3)多因素运行参数的优化及验证：
在步骤(2)单因素确定的各最佳运行参数范围内，对活塞式空气压缩机运行参数进行多因素优化，获得多因素最佳运行参数，在多因素最佳运行参数下采用活塞式空气压缩机检测系统进行全性能检测，验证节能降耗情况；
步骤(1)试验设计及数据采集中数据的采集采用活塞式空气压缩机检测系统在线采集；
步骤(2)单因素能效分析确定最佳运行参数的操作中最佳运行参数的范围为各曲线的拐点所对应运行参数值的0.8～1.0倍；
步骤(3)多因素运行参数的优化采用正交实验法，至少选取四个运行参数作为优化对象，各运行参数至少选取三个水平。
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