0 引言

2020 年，国务院安委会印发了《全国安全生产专项整治三年行动计划的通知》（安委〔2020〕3 号文），要求对煤矿安全进行专项整治，淘汰并退出生产力落后的产能指标，煤矿数量由之前的8000 多处减少到4000 处左右，其中，大型以上煤矿占80%左右。煤矿单井产能的提升，对装备先进性、智能化水平也提出了更高的要求。空压机作为煤矿供风系统的主要设备，是煤矿压风自救系统的供风源。目前煤矿行业空压机装备水平相对较低，大部分仍使用普通双螺杆空压机、单螺杆空压机，甚至活塞式螺杆空压机，能效低下，故障率高，通信、控制方式落后，能源浪费严重。随着煤矿自动化、智能化程度日益提高，及能耗管理要求逐渐严格，提升空压机装备水平已迫在眉睫。

1 空压机能源消耗情况分析

根据2019 年全国机电设备功耗统计数据显示，我国用电设备电动机装机总容量目前已超过5 亿kW，年耗点度电量超过 亿kWh，其中水泵、风机、压缩机的总装机容量已经超过2.5 亿kWh，年度耗电量达到 亿kWh，压缩机用电量约占比约为9.6%，即1400 亿kWh。目前，工矿企业中使用的空压机系统达到国家能效标准二级以上的少之又少，空压机能源浪费现象严重。

2 空压机能耗计算方法及能效分级

螺杆式空压机的能效等级，实际上是通过空压机的比功率取值来评定的。螺杆空压机比功率为输入功率与容积流量的比值。以某公司一台普通132kW 机型（流量=24m3/min，工作压力=7bar）举例：马达额定功率（额定输出功率或额定轴功率）P=132kW，马达效率η=95.0%，功率因数COSφ=0.9，服务系数S.F=1.1，基于上述参数，该台机器的马达名义额定输入功率（考虑服务系数且满载时）P=（主马达额定输出功率÷主马达效率η）×（服务系数S.F）=（132kW÷95.0%）×1.1=152.8kW。理论上计算服务系数时需考虑留5%的余量，不能满额计算。该螺杆式空压机机器的名义比功率在7bar 时，比功率=P÷24m3/min=6.37kW/（m3/min）。

根据《2019 版容积式空气压缩机能效限定值和能效等级》规定，普通喷油螺杆式空气压缩机，驱动电机132kW、排气压力为7bar 的情况下（风冷），一级能效标准比功率为5.7kW/（m3/min），二级能效标准比功率为6.2kW/（m3/min），三级能效标准比功率为6.8kW/（m3/min）。煤矿大多数空压机能效均低于二级，加之配置使用不当，实际比功率大多达到8kW/（m3/min）以上。

3 空压机原理及能效情况分析

3.1 普通双螺杆空压机

普通双螺杆空压机机体结构如下：压缩箱内，一对阴阳螺杆平行布置，相互啮合，阳转子（也称阳螺杆）节圆外凸，阴转（也称阴螺杆）节圆内凹。空气进入螺杆箱内后，阴阳转子齿顶与机壳密封，齿沟内的空气被密封在螺杆齿隙内。螺杆继续转动，齿隙不断变小，空气被不断压缩，通过螺杆尾部，产生满足工艺需求的压缩空气。

3.2 永磁变频双极压缩螺杆空压机（见图1）

永磁变频双级压缩螺杆空压机与普通螺杆机工作原理前半部分相同，不过压缩分两部分进行，压缩比由原来的8:1 变为4:1，一级压缩完成后，压缩空气经过喷油帘进入二级压缩腔，再进行二次压缩，产生满足工艺需求的压缩空气。压缩比的减小，减少了内泄露和能量损耗，两级压缩也称为等温压缩，压缩效率大大提高。

3.3 离心式空压机的原理

离心式空气压缩机的工作原理：相对洁净的空气经进气过滤室进行过滤，进入叶轮腔室，叶轮作高速旋转，带动空气旋转，离心力使空气产生足够大的动能，经过叶轮扩压、压缩，腔内空气被压缩后温度逐步升高，体积逐步变小，压力逐渐增大，经过二级叶轮再进一步升压后，产生满足工艺需求的压缩气体。

图1 双级压缩空压机螺杆箱剖面

3.4 三种空压机能效及优缺点

（1）普通螺杆机：价格相对较便宜，使用维护简单，但能效较低。

（2）永磁变频两级压缩式螺杆空压机：驱动装置使用永磁同步电机，电机效率、功率因数均可达到0.95 以上，变频控制，减少电机做无用功，双级等温压缩，内泄露少，效率更高，能效一般均能达到一级以上。

（3）离心式空压机：普遍比螺杆式空压机能效高，但价格较高，调节范围窄，对气量需求小、不稳定的用气场所，易造成大量排空、空压机喘振等风险。

4 煤矿常规空压机配置存在的弊端及解决方法