螺杆空压机国标能效限定值的两级压缩性能分析
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Performance Analysis of Two-stage Oil-injected Screw Air Compressors Based on National Standard Energy Effi－ ciency Limited Values
ZHAO Zhao-rui1，CHEN Wen-qing2，TANG Hao1，XING Zi-wen1 （1.Xi′an Jiaotong University，Xi'an 710049，China；2.Suzhou Academy of Xi′an Jiaotong University，Suzhou 215123，China）
吸气压力：0.1 MPa （绝对压力） 吸气温度：20 ℃ 吸气相对湿度：0% 国标给出了在 4 种不同排气压力下，从 2.2 kW 到 630 kW 功率段螺杆空压机各级能效所需满足的 最大比功率，图 1 所示为 1 级能效螺杆空压机在 不同排气压力与机组功率条件下的比功率限定值。 由图 1 可以看出，随着排气压力的提高，比 功率限定值有明显的提高；而随着机组功率的不 断增大，比功率限定值以近乎线性的趋势下降。
式中 ηad———空压机主机绝热效率
pg———国标 1 级能效比功率限定值
３．２ 结果与分析
表 1 列出了 1 级能效下不同压比与功率空压
机机组的绝热效率。
图 2 给出了 4 种不同压比工况下，1 级能效螺
表１ 空压机机组绝热效率
电机输 入功率 （ｋＷ）
传动 效率 （％）
电机 效率 （％）
７．５
９７
４．８８ ２．２５ ５．９ ６．６１ ６．８
７．３
８．８
９．５ ７９．０４３ ７９．１６６ ７３．８４５ ７６．６０１
４．８８ ５．２５ ５．９ ６．６１ ６．５
６．９
８．２
９．３ ８２．３３９ ８３．３９９ ７８．９１１ ７７．９１５
４．８８ ５．２５ ５．９ ６．６１ ６．５
６．９
８．２
９．３ ８２．０７７ ８３．１３４ ７８．６６ ７７．６６７
缩机压比，消耗更多的轴功率。因此，实际吸气
压力需要按标准工况压力减去进气损失引起的压
力降计算得到。
同样的，排气压力损失也将引起主机排气压
力上升，提高压比，增加功耗，因此在实际排气
压力确定中需要考虑 4%的排气压力损失，将损失
预先扣除来设计主机压比，保证系统出口压力。
机组理论输入电比功率计算公式
prin=
９２．６
１１
９７
９３．６
１５
９７
９４
１８．５
９７
９４．３
２２
９７
９４．７
４５
９７
９５．６
５５
９９
９５．８
９０
９９
９６．２
１１０
９９
９６．４
１６０
９９
Biblioteka Baidu
９６．５
２００
９９
９６．６
２５０
９９
９６．７
３１５
９９
９６．８
３５５
９９
９６．８
４５０
９９
９６．８
６３０
９９
９６．８
理论比功率［ｋＷ（／ ｍ３／ｍｉｎ）］
图 １ １ 级能效螺杆空压机比功率限定值
由此可见，国标能效值对大功率机组有更为苛刻 的要求；而由于排气压力的增高必然需求更多地 能量消耗，比功率限定值必然会随着压比的增高 而增高。
值得注意的是，国标中风冷机组是在水冷机 组的能耗值上加入冷却风扇所消耗电功率得到， 并不会引起对主机或辅机部件的其他影响，因此 在本文中所引用国标数据与讨论的对象均为水冷 机组。并且，由于控制系统的能耗较小，因此在 机组计算过程中忽略不计。
prad ηmηt
式中 ηm— ——电机效率
（3）
ηt— ——传动效率
依照如上计算方法，对排气压力分别为 7bar、
8bar、10bar、12.5bar 的空压机机组进行主机绝热
效率计算，进而分析不同排气压力机组绝热效率
的需求，以及其随机组功率大小的变化趋势。
绝热效率计算公式
ηad=
prin pg
（4）
收稿日期：２０１３－０７－１５ 基金项目：变频永磁电动机驱动的高效节能螺杆压缩机研究
（２０１１１３４）。
效标识的产品才能生产销售，并且自 2012 年 12 月 1 日起推广的 《节能产品惠民工程高效节能容 积式空气压缩机推广实施细则》 声明，仅对通过 能效标识备案的空压机产品给予财政补贴。
然而，该标准中仅对空压机机组整体的输入 功率进行要求，并未对空压机主机、流动损失和 换热效果提供指导性建议；同时，其所规定的能 效限定值往往无法通过单机压缩达到，需要借由 两级压缩完成，但如何判断两级压缩的必要性、 级间冷却效果的要求以及两级压比的分配等问题 依然没有针对性的理论与实践支持。
４．８８ ５．２５ ５．９ ６．６１ ６．２
６．６
７．８
８．７ ８５．７３８ ８６．５９５ ８２．４０１ ８２．７２３
４．８８ ５．２５ ５．９ ６．６１ ６．２
６．６
７．８
８．７ ８４．９３１ ８５．７８ ８１．６２５ ８１．９４４
４．８８ ５．２５ ５．９ ６．６１ ５．８
６．１
７．５
８．４ ８８．７６８ ９０．７４６ ８３．００１ ８２．９８３
４．８８ ５．２５ ５．９ ６．６１ ５．８
６．１
７．５
８．４ ８８．３９９ ９０．３６９ ８２．６５６ ８２．６３８
４．８９ ５．２５ ５．９１ ６．６１ ５．６
６
７．２
８．１ ９１．４２３ ９１．７３７ ８５．９６５ ８５．５６６
４．８９ ５．２５ ５．９１ ６．６１ ５．６
６
７．２
８．１ ９１．３２８ ９１．６４２ ８５．８７６ ８５．４７７
１ 引言
GB 19153-2009 《容积式空气压缩机能效限定 值及能效等级》 是 2009 年 12 月 1 日起实施的针 对容积式空压机的国家标准，该标准对空压机的 能效等级、能效限定值、目标能效限定值、节能 评价值、试验方法和检验规则进行了具体的规定， 对近年来空压机产品的研发和企业的发展方向有 指向性的作用。目前只有按标准限定值被施加能
本文针对标准中的能效限定值进行分析，分 别对单级压缩和两级压缩机组计算相关的主机绝 热效率，并对两级压缩的压比分配和级间冷却效 果设计提供可行性的建议，旨在为螺杆空压机产 品提供合理的设计指导。
２ 能效国标限定值概述
根据国标中的定义，比功率是“在额定工况 下，空压机机组的输入功率与空压机实际容积流量 之比值，单位为千瓦分每立方米 [kW/(m3/min)]”， 而额定工况根据 JB/T6430 所规定的螺杆空压机的 标准工况，即：
２０１３ 年 ０６ 期（总第 242 期）
01
设计研究
Design＆Research
针对国标中的要求，已有研究进行了相关讨 论，如文献 [1] 对机械标准中喷油螺杆空压机的 能效限定值取值合理性进行了分析，指出部分缺 陷；文献 [2] 对国标中螺杆空压机机组效率进行 了相关分析；文献 [3] 对电动机效率对整机的能 耗影响进行了分析；文献 [4]、 [5] 则涉及部分对 螺杆压缩机主机实际绝热效率的测试数据。然而， 现有研究依然没有提出针对国标能效要求的具体 解决方案，即如何达到 1 级能效限定值的螺杆空 压机设计思路。
设计研究
Design＆Research
文章编号：1006-2971（2013）06-0001-06
基于喷油螺杆空压机国标能效限定值的两级压缩性能 分析
赵兆瑞１，陈文卿２，唐 昊１，邢子文１
（1.西安交通大学，陕西 西安 710049；2.西安交通大学苏州研究院，江苏 苏州 215123）
摘 要：GB 19153-2009规定的一级能效限定值进行分析，计算空压机主机绝 热效率，寻找其变化趋势，并对比单级压缩与双级压缩的计算结果，给出机组 功率与单、双级选择的判定依据。同时，文中还对进气温度与级间冷却效果对 计算的影响，以及双级压缩中间压力的实际确定进行数据分析。 关键词：螺杆空压机；能效；两级压缩；绝热效率；级间冷却 中图分类号：TH455 文献标志码：A
４．８９ ５．２５ ５．９１ ６．６１ ５．３
５．７
７
７．８ ９６．３９７ ９６．３６５ ８８．２３８ ８８．６７３
４．８９ ５．２５ ５．９１ ６．６１ ５．３
５．７
７
７．８ ９６．２９８ ９６．２６６ ８８．１４７ ８８．５８１
02
２０１３ 年 ０６ 期（总第 242 期）
设计研究
Design＆Research
!! " " pad=
κ κ-1
psqv
pd
κ-1
κ -1
ps
（1）
式中 pad— ——压缩机的绝热功率
ps— ——压缩机的吸气压力
pd— ——压缩机的排气压力
κ— ——被压缩气体的绝热指数
qv— ——压缩机的实际容积流量
实际比功率［ｋＷ（／ ｍ３／ｍｉｎ）］
绝热效率（％）
７ｂａｒ ８ｂａｒ １０ｂａｒ １２．５ｂａｒ ７ｂａｒ ８ｂａｒ １０ｂａｒ １２．５ｂａｒ ７ｂａｒ ８ｂａｒ １０ｂａｒ １２．５ｂａｒ
４．８８ ５．２５ ５．９ ６．６１ ６．８
７．３
８．８
９．５ ７９．８９７ ８０．０２１ ７４．６４３ ７７．４２８
基于对吸排气压力损失的经验数据取值，本 文进行如下设定：
20 kW 以下机型，吸气压力损失 600 Pa； 20~90 kW 机型，吸气压力损失 800 Pa； 90 kW 以上机型，吸气压力损失 1000 Pa； 排气压力损失以排气压力的 4%计算。 ３．１．３ 绝热效率计算 由压缩机理论，可逆的绝热过程可以如公式 （1） 计算绝热压缩功率
GB 18613-2012 《中小型三相异步电动机能效 限定值及能效等级》 中给出了不同转速、不同功 率电机各级能效限定值。为提高整体系统效率， 此处全部选取 1 级能效电机进行计算，并设定 4 级电机为标准参照。
对于传动效率，小于 45 kW 机组按 97%取值， 大于或等于 55 kW 机组按 99%取值。 ３．１．２ 吸排气压力损失的影响
Abstract:This paper conducts analysis on the limited values of energy efficiency which is set by national standard GB 19153-2009 about first-class efficiency.Trend of air compressors′isentropic efficiency is illustrated through calculation.Then results contrast of single-stage and two-stage screw compressors is conducted，aiming to set a criterion for such choices.On the other，this paper also investigates the influence of inflow temperature and inter-cooler performance on the results of calculation，while a method for setting the inter-pressure of two-stage compressors is practically analyzed as well. Key words：screw compressor；energy efficiency；two-stage compressing；isentropic efficiency；inter-cooling
３ 单级压缩机组主机效率分析
上述对国标能效限定值的分析，只能从定性 角度看出比功率变化的趋势，无法定量判断其对 各个部件的要求，而其中压缩机主机的绝热效率 无疑是最为重要的一项。为了确定达到能效限定 值必要的主机效率，需要从比功率中剔除电机效 率损耗、传动效率损失、吸气压降损失、排气损 失，并与同压比下的绝热压缩过程耗功对比，以 百分比的形式确定主机效率。基于常见螺杆空压 机的绝热效率经验数据，可以基本判断在一定压 比与功率情况下，实现一级能效的可能性。 ３．１ 绝热效率计算过程 ３．１．１ 电机效率与传动效率的影响
而绝热压缩比功率如下计算
prad=
pad qvs
（2）
式中 prad— ——压缩机的绝热比功率
qvs—— —额定状况下的容积流量
对于国标限定的螺杆空压机，进气压力为
1 atm，空气的绝热指数κ=1.4。
实际压缩过程中，吸排气压力损失将引起空
压机压比与工况变化；吸气压力损失将降低主机
进气压力，进而在排气压力确定的情况下增大压
ZHAO Zhao-rui1，CHEN Wen-qing2，TANG Hao1，XING Zi-wen1 （1.Xi′an Jiaotong University，Xi'an 710049，China；2.Suzhou Academy of Xi′an Jiaotong University，Suzhou 215123，China）
吸气压力：0.1 MPa （绝对压力） 吸气温度：20 ℃ 吸气相对湿度：0% 国标给出了在 4 种不同排气压力下，从 2.2 kW 到 630 kW 功率段螺杆空压机各级能效所需满足的 最大比功率，图 1 所示为 1 级能效螺杆空压机在 不同排气压力与机组功率条件下的比功率限定值。 由图 1 可以看出，随着排气压力的提高，比 功率限定值有明显的提高；而随着机组功率的不 断增大，比功率限定值以近乎线性的趋势下降。
式中 ηad———空压机主机绝热效率
pg———国标 1 级能效比功率限定值
３．２ 结果与分析
表 1 列出了 1 级能效下不同压比与功率空压
机机组的绝热效率。
图 2 给出了 4 种不同压比工况下，1 级能效螺
表１ 空压机机组绝热效率
电机输 入功率 （ｋＷ）
传动 效率 （％）
电机 效率 （％）
７．５
９７
４．８８ ２．２５ ５．９ ６．６１ ６．８
７．３
８．８
９．５ ７９．０４３ ７９．１６６ ７３．８４５ ７６．６０１
４．８８ ５．２５ ５．９ ６．６１ ６．５
６．９
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９．３ ８２．３３９ ８３．３９９ ７８．９１１ ７７．９１５
４．８８ ５．２５ ５．９ ６．６１ ６．５
６．９
８．２
９．３ ８２．０７７ ８３．１３４ ７８．６６ ７７．６６７
缩机压比，消耗更多的轴功率。因此，实际吸气
压力需要按标准工况压力减去进气损失引起的压
力降计算得到。
同样的，排气压力损失也将引起主机排气压
力上升，提高压比，增加功耗，因此在实际排气
压力确定中需要考虑 4%的排气压力损失，将损失
预先扣除来设计主机压比，保证系统出口压力。
机组理论输入电比功率计算公式
prin=
９２．６
１１
９７
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１５
９７
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１８．５
９７
９４．３
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３５５
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４５０
９９
９６．８
６３０
９９
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理论比功率［ｋＷ（／ ｍ３／ｍｉｎ）］
图 １ １ 级能效螺杆空压机比功率限定值
由此可见，国标能效值对大功率机组有更为苛刻 的要求；而由于排气压力的增高必然需求更多地 能量消耗，比功率限定值必然会随着压比的增高 而增高。
值得注意的是，国标中风冷机组是在水冷机 组的能耗值上加入冷却风扇所消耗电功率得到， 并不会引起对主机或辅机部件的其他影响，因此 在本文中所引用国标数据与讨论的对象均为水冷 机组。并且，由于控制系统的能耗较小，因此在 机组计算过程中忽略不计。
prad ηmηt
式中 ηm— ——电机效率
（3）
ηt— ——传动效率
依照如上计算方法，对排气压力分别为 7bar、
8bar、10bar、12.5bar 的空压机机组进行主机绝热
效率计算，进而分析不同排气压力机组绝热效率
的需求，以及其随机组功率大小的变化趋势。
绝热效率计算公式
ηad=
prin pg
（4）
收稿日期：２０１３－０７－１５ 基金项目：变频永磁电动机驱动的高效节能螺杆压缩机研究
（２０１１１３４）。
效标识的产品才能生产销售，并且自 2012 年 12 月 1 日起推广的 《节能产品惠民工程高效节能容 积式空气压缩机推广实施细则》 声明，仅对通过 能效标识备案的空压机产品给予财政补贴。
然而，该标准中仅对空压机机组整体的输入 功率进行要求，并未对空压机主机、流动损失和 换热效果提供指导性建议；同时，其所规定的能 效限定值往往无法通过单机压缩达到，需要借由 两级压缩完成，但如何判断两级压缩的必要性、 级间冷却效果的要求以及两级压比的分配等问题 依然没有针对性的理论与实践支持。
４．８８ ５．２５ ５．９ ６．６１ ６．２
６．６
７．８
８．７ ８５．７３８ ８６．５９５ ８２．４０１ ８２．７２３
４．８８ ５．２５ ５．９ ６．６１ ６．２
６．６
７．８
８．７ ８４．９３１ ８５．７８ ８１．６２５ ８１．９４４
４．８８ ５．２５ ５．９ ６．６１ ５．８
６．１
７．５
８．４ ８８．７６８ ９０．７４６ ８３．００１ ８２．９８３
４．８８ ５．２５ ５．９ ６．６１ ５．８
６．１
７．５
８．４ ８８．３９９ ９０．３６９ ８２．６５６ ８２．６３８
４．８９ ５．２５ ５．９１ ６．６１ ５．６
６
７．２
８．１ ９１．４２３ ９１．７３７ ８５．９６５ ８５．５６６
４．８９ ５．２５ ５．９１ ６．６１ ５．６
６
７．２
８．１ ９１．３２８ ９１．６４２ ８５．８７６ ８５．４７７
１ 引言
GB 19153-2009 《容积式空气压缩机能效限定 值及能效等级》 是 2009 年 12 月 1 日起实施的针 对容积式空压机的国家标准，该标准对空压机的 能效等级、能效限定值、目标能效限定值、节能 评价值、试验方法和检验规则进行了具体的规定， 对近年来空压机产品的研发和企业的发展方向有 指向性的作用。目前只有按标准限定值被施加能
本文针对标准中的能效限定值进行分析，分 别对单级压缩和两级压缩机组计算相关的主机绝 热效率，并对两级压缩的压比分配和级间冷却效 果设计提供可行性的建议，旨在为螺杆空压机产 品提供合理的设计指导。
２ 能效国标限定值概述
根据国标中的定义，比功率是“在额定工况 下，空压机机组的输入功率与空压机实际容积流量 之比值，单位为千瓦分每立方米 [kW/(m3/min)]”， 而额定工况根据 JB/T6430 所规定的螺杆空压机的 标准工况，即：
２０１３ 年 ０６ 期（总第 242 期）
01
设计研究
Design＆Research
针对国标中的要求，已有研究进行了相关讨 论，如文献 [1] 对机械标准中喷油螺杆空压机的 能效限定值取值合理性进行了分析，指出部分缺 陷；文献 [2] 对国标中螺杆空压机机组效率进行 了相关分析；文献 [3] 对电动机效率对整机的能 耗影响进行了分析；文献 [4]、 [5] 则涉及部分对 螺杆压缩机主机实际绝热效率的测试数据。然而， 现有研究依然没有提出针对国标能效要求的具体 解决方案，即如何达到 1 级能效限定值的螺杆空 压机设计思路。
设计研究
Design＆Research
文章编号：1006-2971（2013）06-0001-06
基于喷油螺杆空压机国标能效限定值的两级压缩性能 分析
赵兆瑞１，陈文卿２，唐 昊１，邢子文１
（1.西安交通大学，陕西 西安 710049；2.西安交通大学苏州研究院，江苏 苏州 215123）
摘 要：GB 19153-2009规定的一级能效限定值进行分析，计算空压机主机绝 热效率，寻找其变化趋势，并对比单级压缩与双级压缩的计算结果，给出机组 功率与单、双级选择的判定依据。同时，文中还对进气温度与级间冷却效果对 计算的影响，以及双级压缩中间压力的实际确定进行数据分析。 关键词：螺杆空压机；能效；两级压缩；绝热效率；级间冷却 中图分类号：TH455 文献标志码：A
４．８９ ５．２５ ５．９１ ６．６１ ５．３
５．７
７
７．８ ９６．３９７ ９６．３６５ ８８．２３８ ８８．６７３
４．８９ ５．２５ ５．９１ ６．６１ ５．３
５．７
７
７．８ ９６．２９８ ９６．２６６ ８８．１４７ ８８．５８１
02
２０１３ 年 ０６ 期（总第 242 期）
设计研究
Design＆Research
!! " " pad=
κ κ-1
psqv
pd
κ-1
κ -1
ps
（1）
式中 pad— ——压缩机的绝热功率
ps— ——压缩机的吸气压力
pd— ——压缩机的排气压力
κ— ——被压缩气体的绝热指数
qv— ——压缩机的实际容积流量
实际比功率［ｋＷ（／ ｍ３／ｍｉｎ）］
绝热效率（％）
７ｂａｒ ８ｂａｒ １０ｂａｒ １２．５ｂａｒ ７ｂａｒ ８ｂａｒ １０ｂａｒ １２．５ｂａｒ ７ｂａｒ ８ｂａｒ １０ｂａｒ １２．５ｂａｒ
４．８８ ５．２５ ５．９ ６．６１ ６．８
７．３
８．８
９．５ ７９．８９７ ８０．０２１ ７４．６４３ ７７．４２８
基于对吸排气压力损失的经验数据取值，本 文进行如下设定：
20 kW 以下机型，吸气压力损失 600 Pa； 20~90 kW 机型，吸气压力损失 800 Pa； 90 kW 以上机型，吸气压力损失 1000 Pa； 排气压力损失以排气压力的 4%计算。 ３．１．３ 绝热效率计算 由压缩机理论，可逆的绝热过程可以如公式 （1） 计算绝热压缩功率
GB 18613-2012 《中小型三相异步电动机能效 限定值及能效等级》 中给出了不同转速、不同功 率电机各级能效限定值。为提高整体系统效率， 此处全部选取 1 级能效电机进行计算，并设定 4 级电机为标准参照。
对于传动效率，小于 45 kW 机组按 97%取值， 大于或等于 55 kW 机组按 99%取值。 ３．１．２ 吸排气压力损失的影响
Abstract:This paper conducts analysis on the limited values of energy efficiency which is set by national standard GB 19153-2009 about first-class efficiency.Trend of air compressors′isentropic efficiency is illustrated through calculation.Then results contrast of single-stage and two-stage screw compressors is conducted，aiming to set a criterion for such choices.On the other，this paper also investigates the influence of inflow temperature and inter-cooler performance on the results of calculation，while a method for setting the inter-pressure of two-stage compressors is practically analyzed as well. Key words：screw compressor；energy efficiency；two-stage compressing；isentropic efficiency；inter-cooling
３ 单级压缩机组主机效率分析
上述对国标能效限定值的分析，只能从定性 角度看出比功率变化的趋势，无法定量判断其对 各个部件的要求，而其中压缩机主机的绝热效率 无疑是最为重要的一项。为了确定达到能效限定 值必要的主机效率，需要从比功率中剔除电机效 率损耗、传动效率损失、吸气压降损失、排气损 失，并与同压比下的绝热压缩过程耗功对比，以 百分比的形式确定主机效率。基于常见螺杆空压 机的绝热效率经验数据，可以基本判断在一定压 比与功率情况下，实现一级能效的可能性。 ３．１ 绝热效率计算过程 ３．１．１ 电机效率与传动效率的影响
而绝热压缩比功率如下计算
prad=
pad qvs
（2）
式中 prad— ——压缩机的绝热比功率
qvs—— —额定状况下的容积流量
对于国标限定的螺杆空压机，进气压力为
1 atm，空气的绝热指数κ=1.4。
实际压缩过程中，吸排气压力损失将引起空
压机压比与工况变化；吸气压力损失将降低主机
进气压力，进而在排气压力确定的情况下增大压