吸氣參數(shù)對(duì)紡織廠(chǎng)空壓站性能影響的研究分析

秦　莉，顏蘇芊，劉　寧，魏世祥

(西安工程大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，西安　710048)

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吸氣參數(shù)對(duì)紡織廠(chǎng)空壓站性能影響的研究分析

秦莉，顏蘇芊，劉寧，魏世祥

(西安工程大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，西安710048)

摘要：采用實(shí)驗(yàn)測(cè)試與理論計(jì)算相結(jié)合的方法，探討紡織廠(chǎng)空壓機(jī)吸氣參數(shù)對(duì)空壓站能耗的影響。對(duì)咸陽(yáng)某紡織廠(chǎng)空壓機(jī)吸氣參數(shù)和能耗進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。結(jié)果顯示：天氣寒冷、空氣濕度低較天氣炎熱、空氣潮濕時(shí)空壓站能耗有顯著減小，空壓機(jī)吸氣溫度由28.6℃降低至2.1℃時(shí)，空壓機(jī)的排氣量可提升約6%。且當(dāng)空壓機(jī)的吸氣溫度每增加1℃時(shí)，每生產(chǎn)1m3壓縮空氣其能耗將增加0.00375kWh，能耗將增加0.295%；當(dāng)空壓機(jī)的吸氣含濕量每增加1g/(kg(干空氣))時(shí)，生產(chǎn)1m3壓縮空氣電耗將增加0.00568kWh，能耗將增加0.47%。

關(guān)鍵詞：紡織廠(chǎng)；空壓機(jī)；吸氣參數(shù)；溫度；濕度

0前言

我國(guó)是一個(gè)紡織大國(guó)，而紡織業(yè)又是一個(gè)高能耗行業(yè)，目前隨著能源短缺與價(jià)格上漲的不斷加劇，紡織行業(yè)節(jié)能得到了社會(huì)的廣泛關(guān)注。壓縮空氣生產(chǎn)是一個(gè)高能耗過(guò)程。對(duì)某紡織企業(yè)進(jìn)行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)某月該企業(yè)全廠(chǎng)總用電量為810.43萬(wàn)kWh，其中壓縮空氣系統(tǒng)耗電244.43萬(wàn)kWh，占企業(yè)總能耗的30.16%以上，因此空壓系統(tǒng)節(jié)能直接關(guān)系到紡織企業(yè)的節(jié)能。

壓縮空氣來(lái)源于大氣，是把常壓下的空氣經(jīng)過(guò)空壓機(jī)壓縮成為高于大氣壓力的空氣，大氣中含有粉塵、水蒸氣等雜質(zhì)。目前，大部分紡織企業(yè)為了滿(mǎn)足工藝要求，僅對(duì)空壓機(jī)進(jìn)口空氣進(jìn)行除塵處理。空壓機(jī)吸入過(guò)濾后的空氣，保證了生產(chǎn)工藝的正常運(yùn)行。然而，大部分紡織企業(yè)卻忽略了吸氣溫、濕度對(duì)空壓機(jī)乃至整套系統(tǒng)的影響，導(dǎo)致紡織企業(yè)壓縮空氣系統(tǒng)能耗過(guò)高?？諌簷C(jī)吸氣溫度每增加3℃，空壓機(jī)的功耗就要增加1%左右[1]。同時(shí)，若空壓機(jī)吸氣溫度較高，排氣溫度就會(huì)上升，這樣會(huì)使空壓機(jī)冷卻環(huán)境惡化和積碳現(xiàn)象嚴(yán)重，給安全生產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重隱患。本文結(jié)合壓縮空氣的生產(chǎn)過(guò)程，對(duì)咸陽(yáng)某紡織廠(chǎng)空壓系統(tǒng)能耗進(jìn)行實(shí)地測(cè)試與研究，以期為紡織行業(yè)空壓系統(tǒng)選擇合理的吸氣預(yù)處理方案提供依據(jù)。

1吸氣參數(shù)對(duì)空壓機(jī)能耗的影響

壓縮空氣系統(tǒng)主要由空氣過(guò)濾器、空壓機(jī)、冷卻器、干燥機(jī)和儲(chǔ)氣罐組成。自由空氣經(jīng)過(guò)空氣過(guò)濾器對(duì)其進(jìn)行除雜后進(jìn)入空壓機(jī)，空壓機(jī)將自由空氣壓縮成為高溫高濕的壓縮空氣后進(jìn)入冷卻器和干燥機(jī)(簡(jiǎn)稱(chēng)冷干機(jī))，使高溫高濕壓縮空氣被降溫干燥成為低溫低濕的壓縮空氣，然后進(jìn)入儲(chǔ)氣罐。儲(chǔ)氣罐通過(guò)管網(wǎng)將壓縮空氣輸送至各用氣點(diǎn)。空壓機(jī)對(duì)空氣進(jìn)行壓縮的過(guò)程可以看作一個(gè)整體，有自由空氣入口、壓縮空氣出口、空壓機(jī)電能輸入、余熱輸出等過(guò)程組成。當(dāng)空壓機(jī)處于穩(wěn)定的工況時(shí)，其功耗為定值。在實(shí)際壓縮過(guò)程中，空壓機(jī)功耗隨著吸氣溫度和含濕量的不同而變化。當(dāng)吸氣溫度和含濕量升高時(shí)，其能耗增加；反之，則減少。

1.1吸氣溫度對(duì)空壓機(jī)能耗的影響

壓縮過(guò)程與外界不發(fā)生熱交換為絕熱壓縮；壓縮過(guò)程進(jìn)行緩慢，且機(jī)械功轉(zhuǎn)換成的熱量可及時(shí)傳出，整個(gè)壓縮過(guò)程氣體溫度保持不變?yōu)榈葴貕嚎s?？諌簷C(jī)在實(shí)際壓縮過(guò)程中，大都帶冷卻裝置，因此該過(guò)程是一種介于絕熱壓縮和等溫壓縮之間的多變壓縮過(guò)程。壓縮過(guò)程的p-V曲線(xiàn)見(jiàn)圖1，其中壓縮功為壓縮過(guò)程線(xiàn)與坐標(biāo)軸p圍成的面積[2]。

圖1　壓縮空氣吸氣溫度對(duì)壓縮功的影響

圖1中a點(diǎn)為空壓機(jī)壓縮初始狀態(tài)點(diǎn)，a-b過(guò)程為等溫壓縮過(guò)程線(xiàn)，a-d過(guò)程為絕熱壓縮過(guò)程線(xiàn)，a-c過(guò)程為多變壓縮過(guò)程線(xiàn),其壓縮功為a-c-f-o包絡(luò)的面積。當(dāng)吸氣溫度升高時(shí)，空壓機(jī)運(yùn)行能耗過(guò)高而效率低，對(duì)吸氣進(jìn)行降溫處理后，壓縮初始狀態(tài)點(diǎn)由a點(diǎn)降溫變?yōu)閟點(diǎn)(s點(diǎn)為對(duì)a點(diǎn)在等壓條件下降溫的壓縮初始狀態(tài)點(diǎn))，s-e過(guò)程線(xiàn)為對(duì)吸氣進(jìn)行降溫處理后的多變壓縮過(guò)程線(xiàn)，其壓縮功為s-e-f-o包絡(luò)的面積。在p-V圖上可以直觀(guān)地看出，由于吸氣溫度下降，所節(jié)省的壓縮功為a-c-e-s包絡(luò)的面積，節(jié)能效果顯著。

1.2吸氣含濕量對(duì)空壓機(jī)能耗的影響

空氣由干空氣和水蒸氣兩部分組成，由于水蒸氣所占組分很低，因此空氣可近似地看作是理想氣體來(lái)處理。然而在實(shí)際壓縮過(guò)程中，水蒸氣對(duì)壓縮功的影響不能忽視。將相同質(zhì)量的不同含濕量的空氣在相同的壓縮機(jī)內(nèi)進(jìn)行壓縮時(shí)，其過(guò)程的p-V曲線(xiàn)見(jiàn)圖2。

圖2　壓縮空氣吸氣含濕量對(duì)壓縮功的影響

圖2中a點(diǎn)為空壓機(jī)壓縮初始狀態(tài)點(diǎn)，a-b過(guò)程線(xiàn)為將高含濕量的空氣進(jìn)行壓縮的過(guò)程線(xiàn)，c-d過(guò)程線(xiàn)為將低含濕量的空氣進(jìn)行壓縮的過(guò)程線(xiàn)[3-4]。在圖2中可以明顯看出，低含濕量的空氣比高含濕量的空氣可以減少壓縮功a-b-c-d包絡(luò)的面積，節(jié)能量非?？捎^(guān)。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，含濕量的變化除了對(duì)壓縮功有影響外，對(duì)干燥機(jī)耗能的影響也不能忽視。因此，含濕量對(duì)空壓機(jī)運(yùn)行耗能影響非常明顯。

2咸陽(yáng)某紡織廠(chǎng)空壓站簡(jiǎn)介

咸陽(yáng)某紡織廠(chǎng)空壓站為了滿(mǎn)足不同的生產(chǎn)工藝要求，設(shè)置有一個(gè)有油螺桿空壓機(jī)站和一個(gè)無(wú)油螺桿空壓機(jī)站，它們的平面布置見(jiàn)圖3和圖4。有油空壓站占地591.96m2，基座高30mm，設(shè)有7臺(tái)SULLAIR公司的有油螺桿空壓機(jī)，其中6臺(tái)為L(zhǎng)S25S型空壓機(jī)和1臺(tái)為T(mén)S32S型空壓機(jī)，該站房空壓機(jī)出氣壓力為0.8MPa，有油空壓站平面布置見(jiàn)圖3。無(wú)油空壓站面積為448.53m2，基座高30mm，設(shè)有8臺(tái)Atlas公司的無(wú)油螺桿空壓機(jī)，有ZR-4型空壓機(jī)4臺(tái)，ZR-5型和ZR-250型空壓機(jī)各兩臺(tái)，額定輸出壓力是0.75MPa?？諌簷C(jī)自由空氣進(jìn)口設(shè)置在屋頂上，自由空氣經(jīng)過(guò)濾料對(duì)其進(jìn)行除塵后進(jìn)入空壓機(jī)，空壓機(jī)將過(guò)濾后的自由空氣進(jìn)行壓縮后，將自由空氣壓縮成壓縮空氣進(jìn)入冷干機(jī)分別對(duì)其進(jìn)行冷卻和干燥處理，進(jìn)入儲(chǔ)氣罐，供用戶(hù)使用。

1.LS25S型有油螺桿空壓機(jī)；2.TS32S型有油螺桿空壓機(jī)；3.自由空氣進(jìn)口；4.后冷卻器；5.干燥機(jī)；6.儲(chǔ)氣罐圖3　有油空壓站平面布置

1.ZR-4型無(wú)油螺桿空壓機(jī)；2.ZR-5型無(wú)油螺桿空壓機(jī)；3.ZR-250型無(wú)油螺桿空壓機(jī)；4.自由空氣進(jìn)口；5.后冷卻器；6.干燥機(jī)；7.儲(chǔ)氣罐圖4　無(wú)油空壓站平面布置

3空壓機(jī)能耗、吸氣參數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

由于吸氣溫度、濕度對(duì)空壓機(jī)能耗有顯著影響，咸陽(yáng)市地處暖溫帶地區(qū)，屬于大陸性季風(fēng)氣候，四季冷熱干濕分明，而該紡織廠(chǎng)由于考慮到初期設(shè)備投資及維護(hù)費(fèi)用，僅對(duì)壓縮空氣吸氣進(jìn)行過(guò)濾除塵處理。因此，本實(shí)驗(yàn)分別在最冷月(一月、十二月)和最熱月(七月、八月)對(duì)空壓機(jī)吸氣溫度、濕度、空壓機(jī)產(chǎn)氣量和耗電量進(jìn)行測(cè)試，并以此研究空壓機(jī)吸氣參數(shù)對(duì)能耗的影響。3.1空壓機(jī)日平均吸氣參數(shù)與能耗的實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析

空壓機(jī)排氣量和運(yùn)行能耗與空壓機(jī)吸氣溫度、含濕量密不可分，本實(shí)驗(yàn)分別在最冷月和最熱月對(duì)空壓機(jī)日平均吸氣溫度、濕度、產(chǎn)氣量和耗電量進(jìn)行測(cè)試(日平均為測(cè)試日的平均值)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

由于最熱月空壓機(jī)吸氣溫度、濕度較高，咸陽(yáng)某紡織廠(chǎng)空壓站若使用與其他月份相同臺(tái)數(shù)的空壓機(jī)，其排氣量不能滿(mǎn)足該紡織廠(chǎng)生產(chǎn)工藝對(duì)壓縮空氣的需求。因此，為了消除吸氣溫度過(guò)高、含濕量較大對(duì)排氣量的影響，該廠(chǎng)在最熱月較其它月增開(kāi)一臺(tái)ZR-4型空壓機(jī)，以滿(mǎn)足正常生產(chǎn)需求。通過(guò)對(duì)該廠(chǎng)空壓機(jī)日平均吸氣溫度、濕度、產(chǎn)氣量和耗電量的測(cè)試發(fā)現(xiàn)，雖然最熱月增開(kāi)一臺(tái)空壓機(jī)，但其排氣量仍不及低溫月的排氣量，但空壓站的平均能耗卻高出最冷月30%以上。

表1空壓機(jī)日平均吸氣溫度、濕度、產(chǎn)氣量和耗電量

測(cè)試時(shí)間溫度/℃相對(duì)濕度/%含濕量/(g/(kg干空氣))產(chǎn)氣量/(m3·min-1)耗電量/kWh一月1日0.0371.3347.244678916日3.5511.9336.2149010七月1日30.56216.0323.416675116日28.07517.8329.8363792八月1日27.08318.0330.166368016日32.05716.3317.2366890十二月1日7.0523.1333.265089616日4.0462.1339.4350683

“比能量”(kWh·m-3)表示輸出單位體積壓縮空氣所需的平均耗電量，是衡量空壓機(jī)能耗的重要指標(biāo)。該指標(biāo)因空壓機(jī)類(lèi)型、吸氣參數(shù)和產(chǎn)氣壓力而異；該指標(biāo)數(shù)值越小，表示空壓機(jī)的效率越高[5]?？諌簷C(jī)實(shí)際運(yùn)行中，溫度、濕度對(duì)其效率影響顯著，咸陽(yáng)某紡織廠(chǎng)空壓機(jī)日均比能量見(jiàn)表2。

表2空壓機(jī)日均比能量

測(cè)試日期一月1日16日七月1日16日八月1日16日十二月1日16日比能量/(kWh·m-3)0.0940.1010.1430.1340.1340.1460.1060.104

通過(guò)對(duì)咸陽(yáng)某紡織廠(chǎng)空壓機(jī)日均比能量的分析，當(dāng)吸氣溫度較高且濕度較大時(shí)，空壓機(jī)比能量超過(guò)了低溫低濕時(shí)的40%以上，這對(duì)空壓系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行非常不利。且當(dāng)空壓機(jī)吸氣溫度每增加1℃，生產(chǎn)1m3壓縮空氣的耗電將增加0.00375kWh，能耗上漲0.295%；當(dāng)空壓機(jī)的吸氣含濕量每增加1g/kg(干空氣)，每生產(chǎn)1m3壓縮空氣的耗電量將增加0.00568kWh，能耗升高0.47%。

3.2空壓機(jī)月均吸氣參數(shù)與能耗的實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析

本實(shí)驗(yàn)在最冷月、最熱月對(duì)空壓機(jī)的月平均吸氣溫度、濕度、產(chǎn)氣量、耗電量進(jìn)行測(cè)試(月平均為測(cè)試月的平均值)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表3空壓機(jī)月均吸氣溫度、濕度、產(chǎn)氣量和耗電量

測(cè)試月份溫度/℃相對(duì)濕度/%含濕量/(g/kg(干空氣))產(chǎn)氣量/(m3·min-1)耗電量/kWh比能量/(kWh·m-3)一月2.1713.2335.17489700.1015七月28.26716327.35640300.1358八月28.67017.1318.96652900.1422十二月3.9562.8340.25507800.1036

通過(guò)對(duì)咸陽(yáng)某紡織廠(chǎng)月平均產(chǎn)氣量、耗電量的測(cè)試以及對(duì)月平均比能量的研究分析發(fā)現(xiàn)，在吸氣溫度、濕度較高時(shí)，空壓機(jī)月均比能量為0.142kWh/m3，而在低溫低濕時(shí)僅為0.102kWh/m3，因此，高溫高濕時(shí)每生產(chǎn)1m3壓縮空氣消耗的電能較低溫低濕時(shí)增加0.041kWh。除電費(fèi)外，壓縮空氣生產(chǎn)成本還有空壓機(jī)潤(rùn)滑油、定期保養(yǎng)及折舊費(fèi)等其它費(fèi)用，按照空壓機(jī)年工作時(shí)間4000h來(lái)計(jì)算其生產(chǎn)成本，其它費(fèi)用與電費(fèi)所占比例分別為19%和81%，按照咸陽(yáng)市工業(yè)用電電價(jià)0.6元/kWh來(lái)計(jì)算，某紡織廠(chǎng)各月生產(chǎn)1m3壓縮空氣成本見(jiàn)圖5。

1.其它費(fèi)用；2.電費(fèi)；3.總費(fèi)用圖5　各月壓縮空氣生產(chǎn)成本

由圖5可知，高溫高濕時(shí)生產(chǎn)1m3壓縮空氣的電費(fèi)成本為0.085元，而低溫低濕時(shí)僅為0.061元，在生產(chǎn)相同壓縮空氣量的條件下，其電費(fèi)成本相差35%。分析空壓站夏季排氣量低與能耗高的主要原因有以下幾個(gè)方面：

b)空壓機(jī)吸入空氣的含濕量對(duì)空壓站能耗有明顯影響；空壓機(jī)吸入空氣的含濕量越低，空壓機(jī)生產(chǎn)出的壓縮空氣經(jīng)過(guò)冷卻后空氣所析出的凝結(jié)水就越少，同時(shí)干燥機(jī)的濕負(fù)荷也會(huì)減小，冷干機(jī)的效率均有所提高，它們的能耗就會(huì)相應(yīng)減小。

c)當(dāng)空壓機(jī)的吸氣量為定值時(shí)，吸入空氣的溫度越低，經(jīng)過(guò)第一級(jí)壓縮后空氣溫度就越低，從而使得第二級(jí)壓縮的吸氣溫度就越低。這樣不僅使得空壓機(jī)運(yùn)行溫度低處于較高性能的狀態(tài)，而且使空壓機(jī)內(nèi)潤(rùn)滑油保持穩(wěn)定的狀態(tài)，減少了空壓機(jī)內(nèi)部的磨損，空壓機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)得到提升，因此空壓機(jī)能耗降低。

5結(jié)論

通過(guò)在咸陽(yáng)某紡織企業(yè)對(duì)空壓機(jī)組不同吸氣參數(shù)下能耗的測(cè)試及分析，可以得出以下結(jié)論。

a)壓縮空氣是一種能源成本很高的動(dòng)力源，在咸陽(yáng)某紡織企業(yè)，它的生產(chǎn)能耗占全廠(chǎng)總能耗的30.16%，企業(yè)應(yīng)積極采取措施減少壓縮空氣在生產(chǎn)過(guò)程中的能耗。

b)通過(guò)對(duì)不同吸氣參數(shù)下空壓機(jī)能耗的測(cè)試、分析，天氣寒冷、空氣濕度低較天氣炎熱、空氣潮濕時(shí)空壓站能耗減小顯著，空壓機(jī)的吸氣溫度由28.6℃降低至2.1℃時(shí)，空壓機(jī)排氣量可提升約6%。以上數(shù)據(jù)僅為考慮溫度影響一項(xiàng)，實(shí)際的工作過(guò)程中，空壓機(jī)吸氣溫度降低后冷干機(jī)能耗、空壓機(jī)內(nèi)部磨損都會(huì)減小，因此實(shí)際節(jié)能量會(huì)更大。

c)當(dāng)空壓機(jī)的吸氣溫度每增加1℃時(shí)，每生產(chǎn)1m3壓縮空氣其電耗將增加0.00375kWh，能耗將增加0.295%；當(dāng)空壓機(jī)的吸氣含濕量每增加1g/kg(干空氣)時(shí)，每生產(chǎn)1m3壓縮空氣其電耗將增加0.00568kWh，能耗將增加0.47%。因此，企業(yè)應(yīng)盡可能地降低空壓機(jī)吸氣溫度和濕度。

根據(jù)以上結(jié)論，本文提出如下改進(jìn)建議：紡織企業(yè)應(yīng)采取積極措施對(duì)空壓機(jī)吸氣進(jìn)行降溫干燥處理，尤其在夏季，應(yīng)對(duì)自由空氣進(jìn)行冷卻除濕后再送入空壓機(jī)并進(jìn)行壓縮處理；但無(wú)限制地降低空壓機(jī)進(jìn)口溫濕度不經(jīng)濟(jì)，同時(shí)也不現(xiàn)實(shí)，因此應(yīng)采用壓縮空氣與蒸發(fā)冷卻這類(lèi)節(jié)能環(huán)保的冷卻除濕方式進(jìn)行對(duì)空壓機(jī)吸氣進(jìn)行預(yù)處理[6-7]，在保證空壓機(jī)高效運(yùn)行的同時(shí)，也能延長(zhǎng)空壓機(jī)的使用壽命，達(dá)到為企業(yè)節(jié)能節(jié)支的目的。

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(責(zé)任編輯：張祖堯)

Research and Analysis on Effect of Suction Parameters on Air Compression Station Performance of Textile Mill

QINLi,YANSuqian,LIUNing,WEIShixiang

(College of Environmental and Chemical Engineering, Xi’an Polytechnic University, Xi’an 710048,China)

Abstract：This paper discusses the influence of suction parameters of air compressor in textile mill on energy consumption of air compression station with the method of combination of experimental test and theoretical calculation and conducts experimental test on suction parameters and energy consumption of air compressor in a textile mill in Xianyang. The result shows that energy consumption of air compression station reduces significantly under the condition of cold weather and low air humidity compared to the condition of hot weather and humid air; when suction temperature of air compressor reduces to 2.1℃ from 28.6℃, gas displacement of air compressor can increase by about 6%; when suction temperature of air compressor increases by 1℃ each, its energy consumption for producing each 1m3 compressed air will increase by 0.00375 kWh, i.e. 0.295%; when moisture content of suction of air compressor increases by 1g/(kg (dry air)) each, power consumption for producing 1m3 compressed air will increase by 0.00568 kWh, i.e. 0.47%.

Key words：textile mill; air compressor; suction parameters; temperature; humidity

收稿日期：2015-08-05

作者簡(jiǎn)介：秦莉(1991-)，女，江蘇無(wú)錫人，碩士研究生，主要從事壓縮空氣系統(tǒng)的節(jié)能及優(yōu)化的研究。 通信作者：顏蘇芊，E-mail:746266396@qq.com

中圖分類(lèi)號(hào)：TS108.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-265X(2016)04-0022-05