在现代化的制造厂中，关键的厂区人员面临着许多挑战。如何最大化生产效率？如何降低成本？哪些改进措施能带来最大的回报？厂长们必须不断自问的一些问题既常见又重要：“我的工厂是否在以最佳效率运作，‘每个产品的成本’是否已降到最低？”
在厂区人员关注的众多“系统”中，压缩空气系统通常提供了最大的改进机会和整体节省空间。选择的空气压缩机技术有很多，包括往复式或旋转式？固定速率还是变速？油润滑还是无油？单级还是双级技术？这些问题让任何人都可能想要逃避！
本文讨论了单级与双级旋转螺杆空气压缩机及其各自技术的优缺点。两者各有其应用领域，且之间有一些显著的区别。
旋转螺杆空气压缩的原理与往复式（活塞）压缩原理基本相同。两者都是正排量机器，每次旋转都吸入一定体积的气体，在大气压力下，然后将气体压缩，增加压力，直到达到高于大气的某个值。
与使用气缸和活塞安排进行线性压缩的往复式空气压缩机不同，旋转螺杆空气压缩机使用一对相互啮合的螺杆（转子），这些转子被封闭在定子壳体（气端）内，一端有进气口，另一端有排气口。男性转子上有以螺旋（螺旋状）模式切割的“叶片”，女性转子上有以相同螺旋模式切割的匹配“槽”（凹槽）。男性和女性转子精密加工，并在转动时相互啮合。当男性和女性转子的尖端在气端的进气口侧相遇时，会形成一个空隙（体积），大气空气会被吸入压缩腔。
一旦男性和女性转子在进气口处“接触”，吸入的空气就会被困在叶片/槽和定子壳体之间。由于转子上的叶片/槽呈螺旋形排列，转子与定子壳体之间的空间会逐渐减小，直到啮合的转子暴露在排气口。当空气被排气时，吸入的大气空气体积已经减小，从而导致压力升高，根据玻意耳定律：体积与压力成反比。
密封系统中存储的加压空气是可以用于“做功”的储能，通过让空气膨胀回大气压力来实现。正是压缩空气膨胀回大气条件，推动了管道中的空气流动，驱动线性和旋转执行器，供自动化生产设备使用，完成各种其他有用的“工作”。
在讨论压缩空气系统时，有三个基本的测量单位需要考虑……流量、压力和功率。
· 流量是体积流量的度量，通常以cfm（每分钟立方英尺）表示。需要注意的是，“cfm”是一个通用描述，如果没有进一步定义环境条件和测量点，这个数字实际上是没有意义的。应该了解acfm、scfm和icfm之间的差异。在本讨论中，我们将使用通用描述“cfm”。
· 压力是力的度量，通常以psi（每平方英寸磅）表示。这也是一个通用描述，如果没有进一步明确说明所讨论的是哪种压力，psi也没有实质意义。应该了解psia、PSIatm和psig之间的差异。在本讨论中，我们将使用通用描述“psi”。
· 功率是产生x流量和y压力所需能量的度量，通常以千瓦（kW）表示。
从技术角度来看，最终用户并不为压缩空气付费，而是为产生所需流量和压力所需的能量（kW）付费。最终用户的挑战在于如何以最有效的方式生成所需体积的压缩空气，并达到所需的压力。
旋转螺杆压缩有两种基本类型：单级和两级。
单级旋转螺杆空气压缩机包含一组转子，置于单一定子外壳中，通常通过电动机轴直接驱动，或者通过齿轮组，或通过皮带和滑轮装置来驱动。两级旋转螺杆空气压缩机包含两组同步转子，可以安装在一个共同的定子外壳中（上/下设计），或者将两个分开的定子外壳以串联方式螺栓连接在一起（端对端设计）。
上/下设计通过注入润滑油/冷却剂的“幕帘”进行中间阶段冷却，从而提高整体效率。两级旋转螺杆空气压缩机通常采用直接驱动或齿轮驱动。单级旋转螺杆空气压缩机通过一个压缩过程吸入大气空气并完成“工作”（x流量，y压力）。而两级旋转螺杆压缩机通过两个独立的压缩过程吸入大气空气，并在其间进行冷却。
两者的区别不在于最终结果，而在于产生最终结果所需的能量。一个简单的类比：如果你被要求将你的车从A点推到B点，在一个平坦的停车场上，你需要付出一定的能量来完成。如果你有一个朋友帮忙推车，同样的距离，结果是相同的，但整体所需的能量会更少，因为工作是由两个人而不是一个人完成的！
需要注意的是，每个应用都是独特的，所有相同尺寸和技术的旋转螺杆空气压缩机具有类似但不同的性能特征（流量、压力、功耗）。本讨论的目的是展示单级压缩与两级压缩的差异，并不基于实际应用。任何技术都有利弊，空气压缩机也不例外。单级和两级旋转螺杆空气压缩机在工业中各有其适用场所，厂长需要根据其独特的需求和要求做出正确的选择。最终用户应确保与具有资质的压缩空气专业人士合作，以设计出正确的系统。
单级旋转螺杆空气压缩机的初始成本低于两级空气压缩机，因此如果预算有限，有许多可靠且高效的解决方案，且来自各种制造商的产品很容易获得。
单级旋转螺杆空气压缩机的马力范围广泛，通常从3马力到600马力（hp），这使得它们在多个不同“需求曲线”的应用场景中成为多功能的解决方案，适用于不同班次之间甚至同一班次中的不同需求。单级空气压缩机提供多种选项，例如安装在气罐上的、内置干燥机、开放式或封闭式以及微处理器（控制器）的选择。与两级压缩机一样，单级空气压缩机也提供多种控制方式。
所有单级空气压缩机都利用压缩机排气端的压力来控制机器的运行。负荷/卸载控制使得空气压缩机能够在“功率曲线”的两个最有效的点上运行，即满负荷（压缩空气）和卸载（运行但不压缩空气）。需要注意的是，最“高效”的空气压缩机是关闭的那台！如果有适当的储气罐容量，负荷/卸载控制可以接近变速控制的效率水平。如果没有适当的储气罐，负荷/卸载控制会给压缩机的气端轴承带来不必要的压力，从而缩短其使用寿命。
调节控制通过来自排气的空气压力信号来“调节”进气阀门，使得空气压缩机在工厂需求变化时能够保持在负荷状态，而负荷/卸载控制可能导致空气压缩机“快速循环”（在短时间内频繁加载和卸载）。虽然调节控制可能通过减少或消除负荷/卸载过程中出现的开/关冲击负荷来延长气端的使用寿命，但它效率很低。变速驱动（VSD）技术能够感应排气压力并调节主电机的速度，从而提供所有控制方法中最佳的部分负荷效率。单级旋转螺杆空气压缩机提供多种不同的驱动方式，包括皮带驱动、直接驱动和齿轮驱动，使您能够根据具体应用和维护需求选择合适的驱动方式。
虽然任何旋转螺杆空气压缩机的使用寿命取决于安装条件、维护水平和具体应用，单级空气压缩机的使用寿命通常比双级旋转螺杆空气压缩机短……稍后会详细说明。无论您购买哪个品牌，请确保制造商是压缩空气和气体协会（CAGI）第三方性能验证计划的成员。CAGI使用第三方验证来证实制造商关于性能（流量、压力下的流量和能耗）的声明。单级旋转空气压缩机的能源效率近年来有所提高，通过CAGI的第三方验证计划，您可以确信参与的制造商所声明的性能特点是准确的。需要注意的是，并非所有制造商都参与CAGI第三方性能验证计划。
到现在为止，应该已经很清楚，双级压缩相比单级压缩的最大优势就是能效。
双级技术在马力范围上更为有限（通常为125马力及以上），生产这种技术的制造商数量也相对较少。如你所料，双级技术的初始购买价格较高。
双级空气压缩机也提供与单级机型相同的控制方案，但正如你所想象的那样，选择的选项较少……你不能把一台125马力及以上的空气压缩机安装到储气罐上！根据你考虑的双级空气压缩机类型（上/下设计与串联设计），其占地面积可能会比单级机型大……箱子里东西更多！
双级压缩相比单级压缩的能效优势在高流量、相对稳定的流量应用中得到了最大化，尤其是在双级压缩机作为“基础负载”空气压缩机使用时。换句话说，“让大狗吃肉”。双级能效优势在空气压缩机始终运行在100%满负荷时表现最佳。与等效大小的单级空气压缩机相比，双级旋转螺杆空气压缩机的初始成本可能高出30%，这对于预算有限的情况来说是一个明显的劣势。
从表面上看，这个差距似乎很大，但由于双级空气压缩机更高效，你很可能可以用更少的马力提供所需的流量，这将帮助缩小差距，约为15%到20%。但是，仍然为什么会有人愿意为更小的空气压缩机支付更多费用呢？答案很简单……因为空气压缩机的初始购买价格只是总拥有成本的一小部分。你只需为空气压缩机支付一次费用，但你需要支付它在整个使用寿命期间所消耗的动力费用。
电力成本占旋转螺杆空气压缩机总拥有成本的最大可达75%，而双级空气压缩机在其生命周期中的能源节省可能是相当可观的。
例如，假设您的工厂每天24小时、每周7天（每年8,736小时）运行，生产需求需要1,000 cfm的空气流量，压力为125 psi，并且您每千瓦时支付0.10美元的电费。
选项A提供以下内容：
· 250马力单级旋转螺杆空气压缩机。
· 满负荷时，额定1,029 cfm，压力125 psi。
· 满负荷时，功率消耗为212.6 kW（1,029 cfm）。
· 电机效率为96%。
· 售价为65,000美元。
选项B提供以下内容：
· 200马力双级旋转螺杆空气压缩机。
· 满负荷时，额定1,074 cfm，压力125 psi。
· 满负荷时，功率消耗为188 kW（1,074 cfm）。
· 电机效率为96%。
· 售价为78,000美元。
与其他单级选择相比，选项A的单级空气压缩机可能是一个非常高效且具有成本效益的解决方案，但双级压缩机的机械优势（“分担工作”）使其值得认真考虑。这个简单的公式[(kW X 小时) * 电价] / 电机效率，可以很好地估算每年的电力成本：
· 选项A的单级压缩机电力成本 - 250马力：212.6 X 8,736 X 0.10 / 0.96 = 193,466美元/年。
· 选项B的双级压缩机电力成本 - 200马力：188 X 8,736 X 0.10 / 0.96 = 171,080美元/年。
两台空气压缩机都能提供所需的cfm和压力，但双级压缩机更高效，每年节省电力成本22,386美元。选项B比单级压缩机贵20%（多13,000美元），但仅凭电力节省就可以在7个月内回本（13,000美元 / 22,386美元）。事实上，通过能源节省，双级空气压缩机将在大约3.5年内完全支付完比单级压缩机多出的78,000美元费用（78,000美元 / 22,386美元）。从那时起，每年22,386美元的节省都会直接增加到您的利润！双级技术相较于单级的额外好处是更长的空气端使用寿命。
将双级技术的节能优势与其比单级技术更长的空气端使用寿命相结合，随着时间的推移，节省的费用将变得非常可观！与单级旋转螺杆空气压缩机一样，买家应该确保所有被考虑的制造商都是CAGI第三方性能验证计划的成员，以确保所引用的性能数据准确无误。
那么，为什么双级压缩机的使用寿命会比单级压缩机长呢？这与压缩比和推力（轴向）负载有关。压缩比是绝对排气压力与绝对进气压力之比（绝对压力考虑了大气压力和表压），其公式为：表压 + 大气压 / 大气压。随着压缩在空气端沿长度发生并对转子的表面面积施加压力，产生与所产生的压缩比成正比的推力负载。
例如：要在海平面达到100 psig（大气压 = 14.7 psia）的压力，单级旋转螺杆空气压缩机的压缩比为（100加14.7）/14.7 = 7.8。换句话说，您需要将1立方英尺的海平面大气空气压缩7.8倍，以将压力提升至100 psig。所需的最终压力越高，压缩比越高。压缩比越高，对空气端轴承施加的推力负载也越大。
所有旋转螺杆空气压缩机都有推力轴承来处理这种轴向负载，但由于单级空气压缩机是在一个压缩过程中将空气从大气压力压缩到最终排气压力，因此其推力负载大于双级压缩机。双级压缩机通过分担工作并利用中间冷却从第一阶段去除压缩热来降低推力负载。双级旋转空气压缩机的压缩比在第一阶段可低至3.1，在第二阶段为2.5。较低的压缩比意味着轴承上的推力负载较低，从而使空气压缩机更强大、更可靠且使用寿命更长。
回到我们之前的汽车类比……当您努力将汽车从A点推到B点时，您对“轴承”施加了负载……您的背部、腿部、手臂、肩膀等。如果有朋友帮忙，您对“轴承”施加的负载会更少，您比自己一个人推时能坚持得更久！
最终，单级和双级螺杆空气压缩机技术都是适用于广大工业领域的强大且可靠的解决方案。两者之间存在明显的差异，且“一种尺寸不适合所有人”。
这两种技术在工业中都有着坚实的基础，各自有其应用的领域。购买螺杆空气压缩机时，有许多变量需要考虑。在本文中，我们已经涵盖了技术差异（单级与双级技术）、初始购买价格、电力成本和气端寿命等方面。还有许多其他因素需要考虑，如输入电力要求、噪音水平、维护的便捷性、压缩空气房间布局与环境以及附属设备。这不是一个详尽的列表，买家应进行充分的调查，确保与之合作的压缩空气专业人士能够理解所有这些变量如何影响到最经济、高效和可靠的压缩空气解决方案。
