1 引言

 

我国是一个幅员辽阔、环境多样、气候多变的国家，空气压缩机作为石油、化工、钢铁、水泥、工程机械、医疗等众多行业使用的通用机械，与实际使用现场的环境条件、用户要求有着密切的关系。随着西藏、青海、云南、贵州等地发展，高原螺杆空气压缩机的需求越来越大。由于高原地区大气压力一般比沿海地区低，空气稀薄，造成压缩机的运行条件发生变化，因此高原压缩机与普通压缩机有很多的区别，如果对其中的变化不了解，使用普通螺杆空压机运用在高原，或者设计选型过程中出现问题，到高原环境之后有可能发生压缩机无法启动、烧毁、高温、流量不足等情况发生，给用户带来极大的困扰。为了解决高原环境变化带来的问题，防止在选型设计阶段发生问题，本文根据螺杆空压机的特点以及高原条件下压缩机运行工况的变化，对高原螺杆空压机的设计进行分析，可有效解决普通螺杆空压机在高原条件下出现的问题。通过本文也可了解不同的环境条件对压缩机的选型设计带来的变化，深入了解螺杆空压机的特点，为设计选型提供参考。

 

2 高原的环境条件

 

在大众的认知中，对高原环境一般会有空气稀薄、呼吸困难、高原反应、食物煮不熟等印象，其实这些问题的发生，主要是由于空气的可压缩性以及在地球引力的影响下，大气压力会随着海拔高度的升高而降低。使用地的大气压力一般可以根据当地的气象数据得知，也可以根据海拔高度，通过下式进行计算

利用上式，通过计算可知常用的海拔高度对应的大气压力如表1所示。

 

在高原环境中，一般还有天气变化频繁，温度较低等情况，青藏高原平均海拔高度达到4000 m，而且气候多变，冬季温度较低，有可能出现-30 ℃的低温，需要根据当地的历年气候数据来确定。

4 压缩机容积流量的换算

 

客户在提出螺杆空压机需求时，通常会根据后端用气设备的需求提供压缩机需要满足的流量，一般有3种情况

 

（1） 容积流量qv：压缩机标准排气位置的实际空气容积流量，换算到标准吸气位置的温度、压力及组分的状态时的体积流量，单位为m3/min或m3/h。

 

（2） 标准容积流量qn：压缩机的容积流量，换算到标准状态时的体积流量，单位为Nm3/min或Nm3/h。

 

（3） 质量流量qm：压缩机的流量按照质量进行计算时的流量，其单位为kg/min或kg/h。

 

在普通螺杆压缩机的设计中，根据容积流量qv就可以确定压缩机的基本选型，为高原压缩机时，则应详细确认客户的实际需求流量，如果有标准容积流量或者质量流量的要求则更佳。

在高原螺杆空压机的选型设计中，由于大气压力、大气温度对压缩机的流量影响极大，因此需要详细确认用户的实际需求，并根据公式进行计算，然后考虑当地环境的变化造成的影响和用户末端可能的需求变化，给出一定的安全系数之后，来确定压缩机的选型。

 

5 对螺杆空压机主机的影响

 

高原情况下，由于环境大气压力变低，螺杆空压机的吸气压力p1变低，而排气相对压力保持不变，会使螺杆空压机主机的工作状态发生较大的变化。

 

由螺杆空压机的工作原理可知，螺杆压缩机基本上不会设置排气阀，而是根据进气压力、排气压力，计算出压缩比，此时压缩比为外压缩比。

 

近年来，在节能减排的要求下，高效的两级压缩螺杆主机得到广泛的应用。由于两级压缩螺杆主机和单级压缩螺杆主机工作原理的差异，高原工况对两种主机的影响也有较大的差异。

 

5.1 使用单级压缩螺杆主机

 

假设在某一款单级压缩螺杆主机的设计过程中，根据普通压缩机的工况已经设计排气孔口，当此螺杆主机用于高原工况时，其p-V图如图1所示：

 

图1中，a-b-c-d-a为单级压缩平原工况，a'-b'-c'-c"-d'-a'为单级压缩高原工况。

 

由图可知，高原工况和平原工况时的主要区别如下：

 

（1） 受海拔高度的影响，大气压力降低，进气

外压缩比较大时，由于转子设计的影响，无法通过调整排气孔口来改变内压缩比，因此欠压缩情况会一直存在，实际螺杆主机的绝热效率会低于平原工况。

 

在设计单级压缩高原压缩机时，可以模拟高原工况并实测主机轴功率，从而获得较准确的轴功率数值。

5.2 使用两级压缩螺杆主机

两级压缩螺杆压缩机是通过2对转子，采用分两级压缩、级间冷却的方式进行压缩，由于每一级的压缩比较小，在需要高压缩比的场合，排气孔口也可以合理设置。一般情况下，当压缩比大于5、吸气压力0.1 MPa，排气压力大于0.4 MPa时，两级压缩螺杆压缩机具有效率高、噪声低等优势。

假设有一普通的两级压缩主机，已经根据平原时的普通工况进行排气孔口的设计，当用于高原工况时，其p-V图如图2所示：图2中，a-b-c-d-e-f为两级压缩平原工况，a'-b'-c'-d'-e'-f'-g'为齿轮传动控制两级压缩的高原工况，a'-b'-c'-c"-d"-e“-f"-g'为双变频控制并降低二级转速时的两级压缩高原工况。

由图可知，两级压缩螺杆主机在高原工况和平原工况下的主要区别如下：

（1） 受海拔高度的影响，大气压力降低，进气绝对压力p1h

（2） 在二级排气相对压力p2G保持不变的情况下，由于大气压力的降低，排气绝对压力p2h

（3） 进气压力p1h降低、排气压力p2G不变，则一二级的总外压缩比上升，且式（19） 依然成立；

（4） 两级压缩螺杆主机设计时，其一级外压缩比主要由一二级的转子每转理论容积、转子转速、一二级转子转速比、容积效率、级间温度等参数决定。当采用齿轮传动控制转子一二级转子转速时，一级外压缩比基本保持不变，即

根据式（29） 和（30），高原工况时，一级轴功率随着吸气压力的降低而降低，基本成正比关系；二级轴功率也会降低，但是由于外压缩比上升，降低比例会小于一级，即C1

当主机采用双变频控制时，为了使一、二级压缩比总是成一定的比例关系，在高原工况下，会采用降低二级转速的方式使一级压缩比升高，级间压力高于齿轮式两级压缩螺杆主机，而且一、二级均会产生欠压缩情况。

当用户现场有较稳定的使用工况时，由于两级压缩的各级内压缩比均较小，排气孔口较大，为了避免过大的欠压缩造成效率降低，或者为了进一步提升高原压缩机的效率，可以通过缩小排气孔口的方式来匹配内外压缩比。

当采用齿轮控制时，可以缩小二级排气孔口，使二级内外压缩比保持较接近的状态。

当采用双变频的方式控制时，如果需要保持一二级的压缩比比值，则需要降低二级转子转速，可以缩小一、二级的排气孔口，使各级的内外压缩比均保持较接近的状态，但是由于二级转子转速变化较大，会偏离原有的设计值，绝热效率ηad2会降低。

6 电气系统的影响

由上文可知，在高原工况下螺杆主机轴功率会减小，应该根据实际工况对主机的轴功率进行核算，从而确定电机的输出功率，避免电机配置过大，额定功率过高而成本上升和资源浪费。高原环境还对电机有如下影响：

（1） 当海拔超过1000 m时，应对电机按照高原工况进行核算。大气压力降低时电机绝缘强度会降低，根据相关的经验，海拔每升高1000 m，绝缘强度会降低8%~15%，因此需要重新核算电机的绝缘强度。

（2）高原工况下冷却空气密度下降，电机冷却效果会变差。对于内部采用循环风冷的电机，冷却空气的工作能力变差，电机温升会升高；外部采用强制风冷时，通过电机外壳带走的热量也会减少，冷却效果变差。

（3） 电晕起始电压降低，要加强防晕措施。

为了解决上述3个问题，一般采用增大机座号，加强绝缘强度，减少电机发热、增大电机冷却面积的方式进行改善。但是国内的一些厂家，在电机选型时按照普通压缩机所需的轴功率进行电机选型，然后根据高原电机的特点再将电机放大，造成电机启动电流过大。特别是高原环境温度可能较低，润滑油粘度高，冷机启动时启动阻力较大，启动电流严重超标，空气开关因为电流过大断开，造成压缩机无法正常启动。

因此在设计高原螺杆空气压缩机的电气系统时要注意以下几点：

（1） 根据压缩机的实际使用工况核算电机功率，避免电机过大、启动电流大和成本过高。

（2） 选择合适的空气开关，避免空开过小而频繁断开，影响压缩机的正常工作。

（3） 合理设置压缩机的启动方法或增加润滑油加热器。在高原工况下，如果环境温度低于10 ℃，润滑油温度低，粘度高，润滑油阻力大，冷机启动时电机过载或者电机启动电流过大而无法正常启动。可以增加润滑油加热器，在启动前对润滑油进行加热，提升油温，降低润滑油粘度，也可以采用加卸载短时频繁切换的断续启动方式，待润滑油温度升高以后再正常加载运行。

（4）控制屏、接触器、变压器、电线电缆等部件均会受到高原环境的影响，散热能力变差，应选择适合高原环境的电气部件。

7 换热器的变化

对于风冷机而言，由于空气密度的降低，在设计计算时，要特别注意冷却风机的冷却风量和换热器的换热量，根据使用地的实际参数校核冷却系统，避免在使用现场出现系统高温。

如果不考虑高原环境温度，大气密度与大气压力成正比关系，即

                  ρh/ρf=p1h/p1f                                            （32）

螺杆空压机使用的风冷换热器一般为板翅式换热器，其冷却能力主要受空气体积流量、空气密度、空气温度、换热面积的影响，空气密度和冷却器的换热能力成正比关系。由上文可知，螺杆主机轴功率受大气密度、压缩比的影响，而换热器的热负荷一般和主机轴功率成正比关系；考虑到空气密度的变化以及主机轴功率的变化关系，则有下式

Ct是普通压缩机用于高原时，其换热能力的增幅，与螺杆压缩机的在不同工况下的压缩比有关系。

通过式（33） 可知，在高原工况下压缩比提升，Ct>0，因此需要提升换热器的换热能力，可以增大换热器面积或者增加冷却空气流量。如果环境温度较低，冷却介质温差较大，换热量上升，可能无需增大换热系统就满足要求，需要通过精确计算确定。

8 结论

从以上分析可知，高原螺杆空压机与普通螺杆压缩机有较大的区别。

首先，由于海拔高度的影响，环境压力较低，螺杆压缩机的进气压力、进气密度变低，此时需要详细复核客户的实际需求，能提供标准容积流量或者质量流量更佳，避免容积流量无法满足客户要求。

其次，由于进气压力降低，主机的外压缩比发生变化，会偏离原有的设计值并产生较大的欠压缩现象，采用单级压缩主机时一般无法有效改善欠压缩情况，但是两级压缩主机可以通过修改排气孔口，改变内压缩比来有效改善。

再次，在相同容积流量时，高原螺杆压缩机的轴功率小于平原用普通螺杆压缩机，选择电机时应根据实际的高原工况核算轴功率，避免选择过大的电机。同时由于高原工况的影响，电机的换热能力、绝缘强度、防电晕电压等均降低，需要提升相应的能力，可以通过增大机座号等方式来解决。

最后，电气系统、换热器等使用于高原环境时，应注意换热能力的变化，重新校核，以免换热能力不足发生故障。

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