紡織廠離心式空壓機吸氣預處理設備及其應用

任金鑫，顏蘇芊，靳貴銘，秦 莉

(1.西安工程大學 城市規(guī)劃與市政工程學院，陜西 西安 710048； 2.西安恒信通節(jié)能技術有限公司，陜西 西安 710043)

我國是一個紡織工業(yè)大國，其中壓縮空氣作為紡織企業(yè)廣泛應用的動力源之一，具有安全、無公害等優(yōu)點，同時也是最為昂貴的能源之一[1-2]。據(jù)調查顯示，用于紡織企業(yè)每年生產壓縮空氣的耗電量占全國總耗電量的6%以上[3-4]，所以空氣壓縮系統(tǒng)的優(yōu)化和節(jié)能直接關系到紡織企業(yè)的節(jié)能。有研究指出, 空壓機吸氣溫度每增加1 ℃時, 每生產1 m3壓縮空氣, 其電耗將增加0.295%[5]，因此吸氣參數(shù)對空壓機性能影響尤為明顯。

在夏季，由于室外環(huán)境溫度較高，空壓站內離心式空壓機驅動電動機、后冷卻器、空氣凈化器等工作時溫度較高，其散熱無法良好排出，使得空壓站內溫度升高，導致離心式空壓機吸氣溫度升高，耗電量增大、產氣量減少等問題出現(xiàn)。目前大部分紡織企業(yè)，直接利用空壓站內自由空氣經過除塵、過濾、消聲后吸入離心式空壓機內，但往往忽視了空壓站內自由空氣的預處理過程[6-7]。本文通過理論分析和實地測試相結合，實測空壓機耗電量、產氣量，分析出離心式空壓機吸氣溫度對耗電量、產氣量的影響，從而達到節(jié)約能耗的目的。

1 離心式空壓機吸氣預處理可行性分析

1.1 離心式空壓機吸氣溫度對耗電量的影響

離心式空壓機吸氣溫度與耗電量的關系密不可分，根據(jù)離心式空壓機的耗電量計算公式[8]：

(1)

式中：ρ為標準狀況下的空氣密度，kg/m3；Vk為空壓機產氣量，m3/h；R為氣體常數(shù)，J/(kg·K)；T為環(huán)境溫度，K；P2為排氣壓力，MPa；P1為進氣壓力，MPa；ηT為空壓機的等溫效率，%；ηM為空壓機的機械效率，%。當其他因素不變時，環(huán)境溫度降低，離心式空壓機耗電量降低，達到降低離心式空壓機耗電量的目的。

通過對某紡織廠空壓站5臺離心式空壓機2019年上半年總耗電量分析，在冬季和過渡季節(jié)時，由于室外環(huán)境溫度明顯低于夏季，導致空壓站內溫度降低，離心式空壓機吸氣溫度降低，從而總耗電量明顯降低。離心式空壓機每月總耗電量見圖1。

圖1 離心式空壓機每月總耗電量

1.2 離心式空壓機吸氣溫度對產氣量的影響

當離心式空壓機吸氣溫度變化時，對產氣量有著明顯的影響，對于離心式空壓機，在級工況和介質相同時，根據(jù)離心式空壓機產氣量公式[9]：

(2)

式中：Qm為離心式空壓機產氣量，m3/h；Pin為進口壓力，MPa；Tin為吸氣溫度，K；R為氣體常數(shù)，J/(kg·K)；帶“′”為新工況參數(shù)。由式(2)可得，當其他因素不變時，離心式空壓機吸氣溫度的二分之一次方與產氣量成反比，當吸氣溫度降低時，離心式空壓機產氣量增大。

通過對某紡織廠空壓站測試調研得出，該空壓站空壓機產氣量的80%主要滿足噴氣織機的用氣量，并隨用氣用戶的需氣量實時調節(jié)產氣量。在冬季及過渡季節(jié)時，室外溫度較低，導致空壓機吸氣溫度降低，為滿足用氣用戶需氣量，空壓站只需開啟5臺離心式空壓機或4臺離心式空壓機和1臺變頻式螺桿空壓機即可滿足紡織廠的正常供氣需求。而在夏季時，由于室外溫度較高，導致空壓機吸氣溫度升高，為滿足生產需求，在開啟5臺離心式空壓機的同時需要開啟2～3臺螺桿式空壓機輔助生產，從而滿足紡織廠正常的供氣需求。因此，降低吸氣溫度對增大空壓機產氣量非常重要。

2 某紡織廠空壓站設備及通風系統(tǒng)

目前，某紡織廠空壓站為滿足不同需氣用戶的用氣需求，設有5臺離心式空壓機，為ZH1500-6-7型離心式空壓機，其示意圖見圖2。該離心式空壓機在設計條件下的最大工作壓力7.7×105Pa，額定輸入功率1 430 kW，啟動軸轉速2 985 r/min，設計流量295 m3/min，最大吸氣溫度40 ℃，最大環(huán)境溫度40 ℃。通過調研發(fā)現(xiàn)，在2019年7月該紡織廠空壓站空壓機總用電量共為5 836.44 MW，其中離心式空壓機該月用電量為4 893.92 MW，占空壓機總用電量的80%以上，節(jié)能潛力巨大。故選擇對離心式空壓機采取進氣預處理，達到最佳的節(jié)能目的。

在夏季，未進行通風降溫時，空壓站內溫度較高，導致離心式空壓機吸氣溫度較高，測試發(fā)現(xiàn)，最高時可達到45 ℃，高于設計條件下的最大吸氣溫度。為解決空壓站降溫問題，該空壓站采用組合式空調機組側送風方式，其中空壓站占地面積3 160 m2，按新風流動方向組合式空調機組依次設有混風段、初效過濾段、中效過濾段、表冷段、送風機段，設計風量120 000 m3/h，送風距離為44.6 m，共8個風道為5臺離心式空壓機和6臺螺桿式空壓機同時通風降溫。但由于占地面積大、送風距離長、送風風量不能滿足空壓站所需風量等原因，導致降溫效果不明顯。開啟通風降溫時，離心式空壓機吸氣溫度仍然高于設計條件下的最大吸氣溫度40 ℃，最高時達到43 ℃。根據(jù)該空壓站現(xiàn)有情況，設計離心式空壓機吸氣預處理方案是十分有必要的。空壓站通風降溫及離心式空壓機示意圖見圖2。

1—組合式空調室；2—風管；3—壓縮空氣干燥器；4—離心式空氣壓縮機吸氣口；5—ZH1500-6-7型離心式空氣壓縮機；6—儲氣罐。圖2 空壓站通風降溫及離心式空壓機示意圖

3 離心式空壓機吸氣預處理研究

3.1 離心式空壓機吸氣預處理方案

本文方案對1#離心式空壓機進行預處理，利用組合式空調機組提供冷空氣，連接風管通入到1#離心式空壓機吸氣口上部，直接提供冷空氣對離心式空壓機吸氣口進行降溫處理，實測分析離心式空壓機耗電量等情況。風管材料采用鍍鋅鐵皮，厚度為15 mm，保溫層采用橡塑材料，厚度為30 mm。離心式空壓機預處理設計方案見圖3，離心式空壓機吸氣口風管圖見圖4。

圖3 離心式空壓機預處理設計方案

圖4 離心式空壓機吸氣口風管圖

3.2 離心式空壓機吸氣預處理測試分析

本次實驗在2019年8月份每日不同時間段對某紡織廠空壓站離心式空壓機進行數(shù)據(jù)測試，每次測試結果取各測點測試數(shù)據(jù)的算術平均值，各測試內容的平均值為所有測試結果之和取平均所得。測試內容包括風管出口溫度、風速，離心式空壓機吸氣口溫度、流速，并在空壓站耗電室記錄離心式空壓機的耗電量。風管出口測點布置見圖5，離心式空壓機吸氣口尺寸及測點布置見圖6。

圖5 風管出口測點布置

圖6 離心式空壓機吸氣口尺寸及測點布置

3.2.1 風管模式對吸氣溫度和耗電量的影響

本文方案前期采用風管模式1(離心式空壓機吸氣口風管模式1見圖7)對離心式空壓機進行吸氣預處理，其中風管出口距離離心式空壓機吸氣口上部600 mm，偏移離心式空壓機吸氣口前端50 mm，未正對離心式空壓機吸氣口。通過測試，在相同室內溫度條件下，未進行預處理時，1#離心式空壓機平均吸氣溫度為37.63 ℃，風管模式1下平均吸氣溫度為32.1 ℃，降溫5.53 ℃，降溫效果不理想。后期經過改造，采用風管模式2(離心式空壓機吸氣口風管模式2見圖8)，風管出口距離離心式空壓機吸氣口上部200 mm，正對離心式空壓機吸氣口，風管模式2下平均吸氣溫度為26.72 ℃，較未預處理時，降溫10.91 ℃，降溫效果得到提升。在相同室內溫度條件下，各種情況下1#離心式空壓機吸氣溫度如圖9所示，將2種風管模式進行對比，結果見表1。1#離心式空壓機吸氣溫度對比見圖9，風管模式及耗電量對比見表1。

單位：mm。圖7 離心式空壓機吸氣口風管模式1

單位：mm。圖8 離心式空壓機吸氣口風管模式2

圖9 1#離心式空壓機吸氣溫度對比

通過對2種不同風管模式測試分析，在保證利用吸氣口負壓及空壓機安全運行的前提下，風管模式2相比風管模式1對吸氣口降溫效果明顯：在相同送風溫度下，平均吸氣溫度多降低5.38 ℃，同時耗電量每月多降低25.77 MW，對離心式空壓機的節(jié)能有很大的提升。故本設計方案采用風管模式2對1#離心式空壓機進行吸氣預處理。

表1 風管模式及耗電量對比

3.2.2 吸氣溫度測試結果及對耗電量影響分析

在相同測試條件下，對1#離心式空壓機進行預處理后，平均吸氣溫度較未預處理時降低10.91 ℃。1#離心式空壓機預處理前后吸氣溫度及耗電量見表2。

表2 1#離心式空壓機預處理前后吸氣溫度及耗電量

從表2取2019-08-01 9：00 am與2019-08-16 9:00 am數(shù)據(jù)，計算可知：吸氣溫差為11.87 ℃，日耗電量差值為1.86 MW，即每降低1 ℃時，每日節(jié)約耗電量1.86/11.87=0.156 MW/℃，以上為某2日具體計算過程，本次采用1個月數(shù)據(jù)對比進行計算可知：平均吸氣溫差為10.91 ℃，平均日耗電量差值為1.654 MW，即每降低1 ℃時，每日節(jié)約耗電量1.654/10.91=0.151 6 MW/℃。得到以下結論：每降低1 ℃吸氣溫度，1#離心式空壓機每日降低耗電量0.151 6 MW，降低耗電量占總耗電量的0.54%，每月可節(jié)約49.62 MW。

經過測試，未進行預處理的2#～5#離心式空壓機中，4#離心式空壓機平均吸氣溫度最高，其平均吸氣溫度為41.47 ℃，較預處理后1#離心式空壓機平均吸氣溫度高出14.75 ℃。同時耗電量高于1#離心式空壓機。在相同測試條件下，未進行預處理4#離心式空壓機吸氣溫度及耗電量如表3所示。

表3 4#離心式空壓機吸氣溫度及耗電量

在相同測試條件下，采用1個月數(shù)據(jù)對1#與4#離心式空壓機比較，計算可知：平均吸氣溫差為14.75 ℃，平均日耗電量差值為2.19 MW，即每降低1 ℃時，每日節(jié)約耗電量2.19/14.75=0.148 5 MW/℃?？梢姴扇☆A處理后對離心式空壓機的節(jié)能有很大的提升。

3.2.3 離心式空壓機吸氣預處理對產氣量影響

通過測試，在1#離心式空壓機電動機功率不變的條件下，測得1#離心式空壓機在未進行預處理時平均產氣量為18 279 m3/h，經過預處理后產氣量增大為18 369.4 m3/h，通過計算可得，預處理后產氣量每小時增加90.4 m3，每月可增加產氣量6.5萬m3，較預處理前提升0.49%。若對5臺離心式空壓機同時進行吸氣預處理，每月可增加產氣量32.5萬m3。

4 離心式空壓機吸氣預處理經濟性分析

4.1 成本分析

本次離心式空壓機吸氣預處理方案根據(jù)該空壓站現(xiàn)有情況進行改造，在原有通風降溫的基礎上，在組合式空調機組出風口安裝風管，連接到離心式空壓機吸氣口處。本文預處理方案中，風機選取額定風量為18 000 m3/h的軸流式風機，功率2.2 kW，水泵功率1.5 kW。按夏季(7、8月份)空調機組運行不間斷開啟計算，運行時間為1 440 h。制冷量Q計算公式[10]為：

Q=qmΔh

(3)

式中：qm為被處理空氣的質量流量，kg/s，qm=6.45 kg/s；Δh為被處理空氣處理前后的焓差，kJ/kg，Δh=15.857 kJ/kg。代入數(shù)據(jù)計算得：Q=102.3 kW?？照{機組的冷凍水由離心式冷水機組提供，冷水機組的性能系數(shù)(COP)選取為4.4[11]，則所需要的軸功率為Q/COP=23.24 kW。取工業(yè)用電波峰、波谷平均電價0.7元/(kW·h)計算，可得初投資與運行費用，空壓機吸氣預處理初投資與運行費用見表4。

表4 空壓機吸氣預處理初投資與運行費用

4.2 節(jié)約成本分析

對1#離心式空壓機進行預處理后，平均吸氣溫度較未預處理時降低10.91 ℃，離心式空壓機產氣量增加6.5萬m3/月。每月節(jié)約耗電量49.62 MW，折合電費為3.47萬元/月，扣除預處理相關設備運行費用1.54萬元/月，平均可節(jié)約1.93萬元/月。同時初投資為2.25萬元，投資回收期為35天，節(jié)能效益可觀。

5 結 論

通過分析吸氣溫度對離心式空壓機耗電量及吸氣量的影響，確定離心式空壓機預處理的可行性。同時根據(jù)某紡織廠具體情況，設計離心式空壓機預處理方案，并對離心式空壓機預處理后的耗電量、產氣量進行經濟性分析，得到以下結論：①對離心式空壓機進行預處理時，風管與吸氣口的距離應盡量接近，這樣可以使吸氣溫度盡可能降低，達到最優(yōu)節(jié)能效果，但是不宜與吸氣口相連，以防破壞吸氣口壓力分布及凝結水流入吸氣口，使得空壓機安全運行。②通過測試，對離心式空壓機吸氣口進行預處理后，平均吸氣溫度較未預處理時降低10.91 ℃，每月節(jié)約耗電量49.62 MW，產氣量增加6.5萬m3/月。③通過經濟性分析可得：對離心式空壓機采取預處理后，每月節(jié)約電量折合電費3.47萬元/月，扣除預處理相關設備運行費用1.54萬元/月，平均可節(jié)約1.93萬元/月。同時初投資為2.25萬元，投資回收期為35天，節(jié)能及經濟效益非常明顯。