基于TRIZ理想度方法對(duì)自潔式空氣過濾器阻力的優(yōu)化設(shè)計(jì)

郭 媛

(浙江外企德科人力資源服務(wù)有限公司，杭州 拱墅 豐潭路 380號(hào) 杭州銀泰城D座 1101室 310011)

空氣壓縮機(jī)啟動(dòng)后，原料空氣吸入自潔式過濾器濾芯當(dāng)中，在慣性力和重力的作用下，一部分粒徑較大的顆粒被阻擋沉積在芯體表面和底部，粒徑較小的塵埃顆粒由于芯體上纖維的攔截效應(yīng)和布朗擴(kuò)散效應(yīng)，逐漸在芯體表面沉積，形成粉塵膜，阻力隨著運(yùn)行時(shí)間逐漸上升，當(dāng)阻力壓差值達(dá)到設(shè)定點(diǎn)時(shí)，脈沖反吹程序自動(dòng)開啟，濾筒內(nèi)外表面受到反吹氣流的沖擊，粘附在表面的部分灰塵被振落，阻力在一定程度上下降。潔凈的氣體經(jīng)過過濾后進(jìn)入凈氣室，最后由集分管送入壓縮機(jī)內(nèi)，因此，原料空氣過濾器可以被稱作空壓機(jī)運(yùn)行的“口罩”。

1 常見故障和原因

1.1 過濾器的運(yùn)行阻力偏大

在惡劣氣候情況下，如持續(xù)沙塵暴或連續(xù)陰雨大霧，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)自潔式過濾器阻力大于1500 Pa，吸入氣量減少，運(yùn)行能耗增加，甚至?xí)霈F(xiàn)壓縮機(jī)進(jìn)氣壓力過低發(fā)生報(bào)警的情況，使空壓機(jī)的運(yùn)行點(diǎn)向喘振曲線發(fā)生漂移，嚴(yán)重時(shí)造成空壓機(jī)一級(jí)葉輪振動(dòng)值超標(biāo)或者機(jī)組發(fā)生喘振的情況。

1.1.1濾料選材不合適

原料空氣過濾器的濾筒材質(zhì)多數(shù)情況下采用木漿纖維的濾料，這種材質(zhì)的濾筒是由數(shù)層纖維復(fù)合而成，每層纖維濾紙縱橫交錯(cuò)排列，平均孔徑在20～70 μm，保證了一定的透氣度?？諝庠诤艿偷倪^濾流速下，穿過濾紙的阻力值很小(初阻力不大于100 Pa)，當(dāng)大氣環(huán)境比較干燥時(shí)，過濾效果很好。當(dāng)空氣相對(duì)濕度較大時(shí)(96%以上)，濾紙中的木漿纖維由于受潮膨脹，透氣孔徑縮甚至發(fā)生堵塞，透氣度大幅下降，脈沖反吹清灰效果也大大下降甚至造成糊筒的情況。

關(guān)于濾料的合理選型，應(yīng)根據(jù)使用地的氣候條件，因地制宜地選配濾紙材料。在傳統(tǒng)的木漿纖維濾料中增加一定比例的聚酯纖維(20%聚酯+80%木漿纖維)，如美國(guó)HV公司生產(chǎn)的濾紙，這種復(fù)合材料的濾紙具有更高的抗拉強(qiáng)度和挺度，且具有一定的防水性，在潮濕環(huán)境下使用表現(xiàn)出了良好的耐候性。對(duì)于沿海地區(qū)，大氣中的含鹽量對(duì)濾材有較大的腐蝕性，可以選用表面覆膜濾紙或者納米濾紙，這種濾材具有良好的疏水性能，能將水分和腐蝕性介質(zhì)阻擋隔離。

1.1.2濾筒運(yùn)行的容塵量超出設(shè)計(jì)額定值

面對(duì)沙塵暴等惡劣天氣，在過濾器吸入口粗濾網(wǎng)四周內(nèi)側(cè)增設(shè)一層無紡布材質(zhì)的復(fù)合纖維濾料，有PSB/275S P300型(或PSB/290S P400型)等，增加了過濾器的固有容塵量，一定程度上降低了自潔濾筒的過濾負(fù)荷，減輕了自潔反吹的清灰負(fù)荷，同時(shí)延長(zhǎng)了濾筒的使用壽命。當(dāng)沙暴天氣解除后，可將無紡布拆下清洗后備用。這種臨時(shí)增加過濾器本體容塵量的做法，可以穩(wěn)定系統(tǒng)的阻力并降低運(yùn)行能耗。

1.2 脈沖反吹清灰效果不佳

1.2.1反吹氣源壓力偏低

空分裝置提供的反吹氣源壓力一般偏低，尤其當(dāng)在大氣相對(duì)濕度較大時(shí)，有必要提高自潔反吹氣源壓力，增強(qiáng)脈沖清灰效果。采用干燥的氮?dú)饣蚩諝庾鳛榉创禋庠?，理想的氣源壓力?.55～0.8 MPa (A)，過大則會(huì)影響電磁閥的使用壽命，此時(shí)自潔反吹效果能提高1倍以上。若無法保證反吹氣源的潔凈度、干燥度以及壓力的穩(wěn)定度時(shí)，推薦在反吹氣源入口處配置油濾器、壓力調(diào)節(jié)器、疏水器等組合聯(lián)件，清灰效果事半功倍。

1.2.2反吹氣源儲(chǔ)氣量不足

通過增大反吹管徑、儲(chǔ)氣管徑來增加反吹系統(tǒng)的儲(chǔ)氣容量，同時(shí)減小了壓力波動(dòng)，穩(wěn)定反吹壓力。如將儲(chǔ)氣管徑增至Ф159×6及以上，增設(shè)一只3～5 m3的緩沖罐，同時(shí)反吹管及電磁閥的口徑增加到1.5 inch，減小每只脈沖電磁閥反吹濾筒的數(shù)量(5只及以下)，通過以上措施，來增強(qiáng)反吹清灰的力度和效果。

1.2.3自潔反吹程序設(shè)定參數(shù)值不合理

應(yīng)根據(jù)過濾器運(yùn)行情況，適當(dāng)調(diào)節(jié)可編程控制儀上的設(shè)定參數(shù)值，減小反吹時(shí)間間隔，控制完成所有濾筒的清灰時(shí)間在9～13 min，增強(qiáng)每只濾筒的清灰頻率。

1.2.4反吹結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理

適當(dāng)增加濾筒的間距，減少由于濾筒反吹清灰對(duì)周圍濾筒的影響。各組別之間的濾筒用隔板隔開，隔板應(yīng)具備一定的強(qiáng)度，安裝可靠牢固。

在無文氏管或者誘導(dǎo)噴嘴情況下，反吹氣流強(qiáng)度在濾筒中部完全膨脹并隨氣流往下運(yùn)動(dòng)時(shí)逐漸耗散，抵達(dá)濾筒底部時(shí)，氣流基本已經(jīng)耗散。所以，對(duì)于口徑較大的濾筒(≥Φ325)，建議其長(zhǎng)度不應(yīng)超過1 m。

通過改進(jìn)反吹結(jié)構(gòu)，使用誘導(dǎo)噴嘴，具有氣流散射器和超音速引流噴嘴，增強(qiáng)清灰效果，一定程度上確保了濾筒長(zhǎng)度方向上內(nèi)表面清灰壓力的均勻穩(wěn)定性，延長(zhǎng)了濾筒的使用周期，提高過濾器的過濾效率。

1.3 軟連接異常

軟連接型式分為不銹鋼金屬軟管和橡膠波紋管，橡膠波紋管的耐候性不如不銹鋼金屬軟管，應(yīng)根據(jù)不同的環(huán)境條件來正確選用。

2 濾筒的選配及更換

2.1 過濾等級(jí)

不同國(guó)家、組織、協(xié)會(huì)頒布了相關(guān)的過濾器標(biāo)準(zhǔn)，如歐洲2002年頒布實(shí)施的EN779(2012年進(jìn)行了更新)，美國(guó)2007年頒布實(shí)施的ANSI/ASHRAE Standard 52.2-2007，我國(guó)于2008年頒布實(shí)施了GB/T 14295—2008《空氣過濾器》，這些標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定了空氣過濾器的分級(jí)、要求，試驗(yàn)方法、檢驗(yàn)規(guī)則等。這些不同標(biāo)準(zhǔn)在過濾器分級(jí)以及測(cè)試方法等方面存在較大的不同。

EN779-2012對(duì)過濾等級(jí)進(jìn)行了調(diào)整，不同等級(jí)的過濾要求，對(duì)濾筒材質(zhì)及過濾級(jí)數(shù)的要求也不同，見表1。

表1 EN779-2012 對(duì)空氣過濾器的過濾等級(jí)分類

GB/T 14295—2008對(duì)過濾器的等級(jí)劃分有所不同，見表2。

表2 GB/T 14295對(duì)空氣過濾器的分級(jí)

Table 2 GB/T 14295 classification of air filters

2.2 合理選擇濾筒的更換時(shí)機(jī)

對(duì)自潔式過濾器的濾筒更換時(shí)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化分析。這里引入TRIZ中理想度的概念。

理想度公式為：理想度=系統(tǒng)有用功能的集合/(為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)有用功能的所有花費(fèi)+有害功能的集合)。任何技術(shù)系統(tǒng)在進(jìn)化過程中都沿著越可靠、越簡(jiǎn)單、越有效的方向進(jìn)化，則其理想度越高。

TRIZ中講述了如何利用IFR來指導(dǎo)技術(shù)創(chuàng)新方向，從而提高技術(shù)創(chuàng)新效率。在產(chǎn)品技術(shù)優(yōu)化過程中同樣也可以使用IFR的理想度概念來指導(dǎo)設(shè)計(jì)優(yōu)化。

理想度概念公式：

過濾器的有用功能：清除大氣中的絕大部分雜質(zhì)，提高壓縮機(jī)運(yùn)行安全可靠性。過濾器的有害功能：過濾過程中產(chǎn)生的氣體阻力，對(duì)應(yīng)壓縮能耗費(fèi)用。過濾器的成本：濾筒更換成本。為簡(jiǎn)化分析和集中關(guān)注點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)過濾器的主要有用功能、有害功能和成本項(xiàng)。

以五萬等級(jí)空分為例，表3是自潔式過濾器的設(shè)計(jì)相關(guān)數(shù)據(jù)。

表3 自潔式過濾器技術(shù)參數(shù)表

優(yōu)化路徑：保持有用功不變，調(diào)整成本和有害功能。

具體實(shí)施過程中分為兩個(gè)步驟。

步驟1：有害功能和成本兩項(xiàng)都降低或一項(xiàng)降低另一項(xiàng)不動(dòng)。

步驟2：提高(降低)成本，降低(提高)有害功能。

實(shí)際操作中步驟1取得較大效果的可能性不高，如出現(xiàn)可能是以下兩種情況，一是在不成熟產(chǎn)品，二是在有突破性技術(shù)出現(xiàn)。

步驟2操作，需先設(shè)定最優(yōu)方案這一目標(biāo)：

利用Unisim軟件，對(duì)過濾器系統(tǒng)和壓縮機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行工藝計(jì)算流程模擬，如圖1所示，對(duì)濾筒運(yùn)行狀態(tài)下的各階段阻力值引起的壓縮機(jī)能耗進(jìn)行分析，結(jié)果如表4所示。

表4 濾筒阻力能耗統(tǒng)計(jì)表

注：1.720 h/月計(jì)，電費(fèi)0.62元/(kW·h)。2.壓縮機(jī)的效率按80%計(jì)算，濾筒單價(jià)350元，全部更換需要12.2萬元，各阻力下的運(yùn)行時(shí)間為統(tǒng)計(jì)平均值，在惡劣天氣條件下，有波動(dòng)。

對(duì)表4進(jìn)行分析，投資回收期小于運(yùn)行時(shí)間為更換濾筒的最佳時(shí)機(jī)，對(duì)于案例所示的工況，建議運(yùn)行阻力在600 Pa以上可以更換濾筒。以過濾器達(dá)到終阻力1500 Pa為更換周期，兩年內(nèi)可節(jié)約費(fèi)用14萬元左右。

圖1 壓縮機(jī)系統(tǒng)工藝流程計(jì)算模擬

3 結(jié)束語

在設(shè)計(jì)TRIZ這理論，主要采用優(yōu)化第一路徑：用功能不變，調(diào)整成本和有害功能。作用對(duì)象是自潔式空氣過濾器。成本就是更換費(fèi)用和運(yùn)行能耗，有害功能就是過濾器的阻力，構(gòu)建優(yōu)化方法。

對(duì)于空分設(shè)備管理人員來說，選擇合理的濾芯更換時(shí)間，不僅能保證壓縮機(jī)平穩(wěn)安全運(yùn)行，而且能節(jié)約壓縮機(jī)能耗，降低運(yùn)行費(fèi)用。