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摘要：简述了水电站活塞式空气压缩机的作用、分类、原理、结构、冷却方式和在实际中的自动控制，主要分析并总结了水电站活塞式空气压缩机常见的问题与解决方法。

关键词：水电站；活塞式空气压缩机；常见问题分析

引言：空气具有极好的弹性（即压缩比大），是储存压能的良好介质。压缩空气使用方便，易于储存和输送，在水电站中得到了广泛的应用。活塞式空气压缩机具有工作压力范围广、效率高、工作可靠、适应性强等特点。

1.水电站风系统及活塞式空气压缩机的概述

1.1水电站风系统的作用

水电站中使用的风系统一般分为低压风、中压风及高压风。其中低压风主要用于：机组停机时制动，在停机过程中，防止低速运转中磨坏推力轴承，故正常运行工况下气压不足时不允许停机；水轮机主轴检修密封即空气围带密封充气；其他用途，如吹灰、风动工具、防冻吹冰等。中、高压风主要用于：调速系统的压油槽充气，使操作油压保持在一定范围内。

1.2空气压缩机的分类

空气压缩机的种类很多，按照工作原理可分为两大类：容积型压缩机与速度型压缩机。容积型压缩机靠在气缸内作往复运动的活塞，使气体容积缩小而提高压力。速度型压缩机靠气体在高速旋转叶轮的作用下，获得巨大的动能，随后在扩压器中急剧降速，使气体的动能转变为势能（压力能）。

1.3活塞式空气压缩机的工作原理

在理论工作过程中，空压机利用活塞在气缸内往复运动，使容积的变化变成压力的变化，当空气压缩机完成了吸气、压缩和排气的一个工作循环便实现了空气的压缩。

1.4活塞式空气压缩机的结构形式及主要部件

活塞式空气压缩机的主要部件有：

（1）气缸，活塞式压缩机的气缸多用铸铁制造；

（2）进气阀与排气阀，活塞式压缩机的进气阀与排气阀均为自动阀，随气体压力变化而自行启闭；

（3）填料函，在活塞式压缩机中，活塞的密封依靠填料密封组件，现代压缩机的填料多用自紧式密封，在曲轴侧的气缸底部设置填料函，以阻止气体外漏；

（4）曲轴、连杆，通过十字头带动活塞、活塞杆在气缸内作往复运动，使气体在气缸内完成吸气、压缩和排气过程。

1.5活塞式空气压缩机的冷却

空气经一级压缩后，外功转化为气体分子内能，排气温度很高。因此，在多级空压机中，一级排气必须经过中间冷却器冷却之后才进入下一级气缸，以使气体内能减少，从而减少下一级压缩所需的外功。压缩机的冷却包括气缸壁的冷却及级间气体的冷却，这些冷却可以改善润滑工况、降低气体温度及减小压缩功耗。根据冷却器的冷却介质不同，空压机分为风冷 式空气压缩机和水冷式空气压缩机。

2.活塞式空气压缩机常见问题与解决方法

2.1问题一：活塞式空气压缩机效率低

2.1.1活塞式空气压缩机效率低的原因

气体在某状态下的压力、温度和比容之间关系的数学表达式，称为气体的状态方程。理想气体是指气体分子间没有吸引力，分子本身不占有空间的气体。

理想气体的状态方程为

式中 P——压力，Pa；

V——比容，m3/N；

T——温度，K；

R——气体常数，J/（N·K）。

实际上，理想气体是没有的；但对于多数气体，在压力不太高和温度不太低的情况下，按理想气体状态方程进行热力计算已足够精确。

压缩机对气体进行压缩时，气体的状态是不断变化的。为了研究问题方便起见，假定如下条件：

（1）气缸没有余隙容积，并且密封良好，气阀开、关及时。

（2）气体在吸气和排气过程中状态不变

（3）气体被压缩时是按不变的指数进行。

符合以上三个条件的工作过程称为理论工作过程。但是压缩机的实际工作过程与理论过程是有差别的，这是因为：

存在余隙容积。气缸中的余隙容积是不可避免的，因此排气时必定有剩余压缩空气未被排出，在吸气开始阶段它会重新膨胀，使实际吸入的气体量减少。

吸气时气缸内压力小于气缸外压力，排气时气缸内压力大于气缸外压力。吸气时，外界气体要克服吸气阀的弹簧力才能进入气缸，排气时也要克服排气阀的弹簧力才能把压缩空气排出，这就使得实际吸气量与排气量均较理论过程为小。

温度的影响。压缩空气时，气缸吸收热量而发热，直接影响吸人空气的温度。

湿度的影响。空气中含有水分，吸气时水蒸气也进入气缸，经压缩并冷却后，大部分凝结成水排除掉。

不严密的影响。在吸气和排气过程中，空气会经过活塞环、吸气阀和排气阀等不严密处漏气。

所有这些因素都使实际排气量比理论计算值小，导致活塞式空气压缩机效率低。

2.1.2活塞式空气压缩机效率低的解决办法

对于余隙容积的影响：气缸中的余隙容积是不可避免的，只能在设计制造方面进行改进。

对于气阀开启关闭需要克服弹簧力，使用时间久了会使弹簧老化：可以更换为强度更大的弹簧并定期更换一次弹簧。

对于温度的影响：空压机房本就设置在阴凉环境下，夏季影响不大，但是在冬季需要设置电暖器保证环境温度不会过低使得润滑油粘性升高导致空压机启动电流过大。

对于湿度的影响：由于水电站一般都会有专用的空压机房，环境干燥，只有在下雨时注意厂房漏水情况即可，而且空压机进口还设有空气过滤器，也有吸湿的功能。

对于不严密的影响：定期更换气缸的密封圈和填料函。

2.2问题二：活塞式空气压缩机润滑油劣化快

2.2.1活塞式空气压缩机润滑油劣化快的原因

空气压缩机使用的润滑油主要用于压缩机气缸运动部件及排气阀的润滑，并起防锈、防腐、密封和冷却作用。

水电站的活塞式空气压缩机使用的润滑油一般为透平油，油在空压机的运动部件 （轴） 与约束部件 （轴承） 之间的间隙中形成油膜，以润滑油膜内部的液态摩擦代替固体之间的干摩擦，从而降低摩擦系数，减少设备的磨损和发热，以延长设备的使用寿命，保证设备的功能和运行安全。

透平油有以下基本性质：黏度是流体黏滞性的一种度量，是流体流动力对其内部摩擦现象的一种表示；闪点是当油被加热至某一温度时，油的蒸汽和空气混合后，遇火呈现蓝色火焰瞬间自行熄灭（闪光）时的最低温度；凝固点是使油降温，油品失去流动性时的最高温度；水分，油品在出厂前一般不含水分，油品中水分的来源，一是外界侵入，如运行中混入水、空气中水汽被吸入等，二是油氧化而生成；机械杂质，是指油品中侵入的不溶于油的颗粒状物质；灰分，油品在燃烧后所剩下的不能燃烧的无机矿物质的氧化物；透明度是对油品外状的直观鉴定，清洁油应是橙黄色透明体。

油在运行或储存过程中，会因潮气侵入而产生水分，或因运行过程中的各种原因而出现杂质、酸价增高、沉淀物增加，使油的品质发生变化，改变了油的物理、化学和电气性质，以致不能保证设备的安全、经济运行。油的这种变化称为油的劣化。

油劣化的后果是酸价增高，闪点降低，颜色加深，黏度增大，并有胶质状和油泥沉淀物析出，影响正常的润滑和散热作用，并腐蚀金属和纤维，使操作系统失灵等。油劣化后在高温下运行如产生氢和碳化氢等气体，与油面的空气混合形成易燃易爆气体会危及设备的安全运行，应严格防止。

油劣化的根本原因是油和空气中的氧起了作用，油被氧化了。促使油加速氧化作用的因素主要有：

（1）水分，水分进人油中使油乳化，并促进油的氧化，增加油的酸价和腐蚀性；

（2）温度，油的温度升高，会造成油的蒸发、分解和碳化，并降低闪点，使油的吸氧速度加快，加速氧化，油的劣化变快；

（3）空气，空气中含有氧和水汽，油与空气接触会引起油的氧化，增加油中水分，空气中沙粒和灰尘会增加油中机械杂质；

（4）电流，穿过油内部的电流会使油分解劣化；

（5）其他因素，如金属的氧化作用、检修后清洗不良、储油容器用的油漆不当、不同品种油的不良作用等。

2.2.2活塞式空气压缩机润滑油劣化快的解决办法

根据上述油劣化的原因，可采用下述措施防止空压机润滑油的劣化：

（1）将设备密封，防止空气水分侵入，保持呼吸器的性能良好。

（2）设备轮换启动，保持在正常工况下运行，冷却水正常供应，保持正常油膜，防止油和设备过热。

（3）减少油与空气的接触，防止加快氧化。

（4）在轴承中采用绝缘垫，防止轴电流。

（5）保证环境温度、湿度在润滑油符合质量标准的范围内。

2.3问题三：活塞式空气压缩机压缩空气质量差

2.3.1活塞式空气压缩机压缩空气质量差的原因

根据水电站风系统对压缩空气压力、清洁和于燥度的要求，分析压缩空气质量差的原因：

（1）压缩空气的气压要求：进入油压装置的压缩空气，其压力值应不低于调节系统或液压操作系统的额定工作压力，这属于制造工艺的范畴。

（2）压缩空气的干燥要求：随着环境温度的下降，压缩空气的湿容量减小，使油压装置给气网中压缩空气的相对湿度增大，可能形成水汽凝结，会造成严重后果。

（3）压缩空气的清洁要求：如果压缩空气中混有尘埃、油垢和机械杂质等，对空压机的生产率、调节系统各个元件的正常运行均有影响，有可能使阀件动作不灵或密封不良造成意外事故。

2.3.2活塞式空气压缩机压缩空气质量差的解决办法

根据上述压缩空气质量差的原因，可采用下述措施：

（1）对气压的要求：这属于制造工艺的范畴，且水电站空压机基本都可以胜任相应的压力需要。

（2）对干燥的要求：空压机在这方面有两个重点改进的地方，一个是冷却，一个是排水除湿。在冷却上除了控制环境温度，就是在空压机的风冷冷却器上增加水冷功能；在排水除湿上除了控制环境湿度使空压机吸入的空气水分含量少之外，还需要对水和气进行分离。

（3）对清洁的要求：由于活塞式空气压缩机本就有空气过滤器，但是如果效果差可以在空压机进气口更换为效果更好的空气过滤器，用来过滤空气，防止空气中的灰尘和杂质进入空气压缩机。

3.结束语

活塞式空气压缩机结构简单，操作便利，方便维护，总的来说是十分优秀的设备。水电站中活塞式空气压缩机运行以来一直稳定可靠，一般不会出现什么问题，所以只是针对空压机通用的常见问题做了分析。

参考文献

[1] 全铃琴.水轮机及其辅助设备 [M].北京：中国水利水电出版社，1998.

[2] 肖志怀，蔡天富.中小型水电站辅助设备及自动化 [M].北京：中国电力出版社，2006.

[3] 单文培.水电站机电设备的安装、运行与检修 [M].北京：中国水利水电出版社，2005.

作者简介：李曦铭（1998.11-），男，汉，宁夏中卫，本科，学士，助理工程师，主要研究方向：水力发电。