基于進氣溫度預處理的空壓機節(jié)能適用性分析

陳倩倩 顏蘇芊 靳貴銘 秦 莉

（1.西安工程大學，陜西西安， 710000；2.西安恒信通節(jié)能技術有限公司，陜西西安， 710000）

據(jù)調(diào)查，國內(nèi)紡織企業(yè)用于生產(chǎn)壓縮空氣的能耗占企業(yè)總能耗30%以上［1］，生產(chǎn)壓縮空氣是一個高耗能的過程，空壓站進氣口的溫度對空壓機能耗有顯著影響。有研究指出：空壓機吸氣溫度每降低1 ℃，耗電量可減少0.295%［2?3］。任金鑫等人通過對空壓機采用組合式空調(diào)機組進行降溫預處理，發(fā)現(xiàn)在夏季工況下平均吸氣溫度可降低15.41 ℃，機組比功率降低0.25 kW/（Nm3·min-1），全效率增加3.9%［4］。

本研究結(jié)合離心式空壓機能耗的實際測試情況，從理論角度分析進氣溫度對空壓機能耗的影響，通過應用Excel 中“回歸”分析，建立空壓機能耗與進氣溫度之間的回歸方程。根據(jù)2020 年廣州、無錫與咸陽地區(qū)的室外空氣溫度，分析討論不同地區(qū)對空壓機進氣口空氣進行預處理的適用性，為離心式空壓機在夏熱冬暖地區(qū)和夏熱冬冷地區(qū)采用進氣口空氣預處理提供參考。

1 研究對象與測試數(shù)據(jù)

選用咸陽某紡織廠空壓站作為研究對象，該空壓站共有5 臺離心式空壓機，設備型號ZH1500?6?7，啟 動 軸 轉(zhuǎn) 速2 985 r/min，公 稱 容 積 流 量295 Nm3/min，輸入功率1 430 kW。借鑒以往的研究方法，本研究采用耗電量來分析離心式空壓機的運行情況［5?8］。

1.1 空壓機進氣溫度與能耗數(shù)據(jù)測試

為探究空壓機能耗與進氣溫度之間的變化規(guī)律，對該廠5 臺離心式空壓機進行日測試并匯總，部分結(jié)果如表1 所示。

表1 2020 年3 號離心式空壓機能耗統(tǒng)計表

測試內(nèi)容包括空壓站內(nèi)空氣溫度和每臺空壓機功率。將每日24 h 均分為8 個時間點，取8 個測試值中進氣溫度最大值，并讀取對應時刻的空壓機功率，表1 中即為2020 年3 號離心式空壓機的測試數(shù)據(jù)。由表1 可以看出，空壓機能耗隨進氣溫度升高而逐漸變大，進氣溫度t1變化范圍從27.1 ℃到40.9 ℃，空 壓 機 功 率N1從1 038.17 kW 增長至1 609.53 kW，溫度每升高1 ℃時，功率增長2.57%。

1.2 空壓機進氣溫度與能耗回歸分析

采用回歸分析方法［9］研究空壓機能耗隨進氣溫度變化的趨勢和規(guī)律，得出了空壓機功率N1與進氣溫度t1之間的回歸方程式（1）和相應的變化趨勢圖（圖1）。

圖1 空壓機能耗隨進氣溫度變化趨勢

N1=1.471 5t12-60.016t1+1 590.6 （1）

從圖1 可知，隨著進氣溫度的升高，空壓機功率逐漸增大，且進氣溫度越大，曲線的切線斜率越大，空壓機功率增量越大。

1.3 回歸方程顯著性檢驗

回歸方程的顯著性檢驗通常有F檢驗和相關系數(shù)檢驗兩種方法，采用F檢驗法對公式（1）的顯著性進行檢驗。當采用F檢驗法時，計算出25 組數(shù)據(jù)之間各差異源的自由度df、平方和SS以及均方和MS，結(jié)果如表2 所示。

表2 空壓機能耗與進氣溫度回歸方程的分析

由表2 可知，F(xiàn)=817.075 5，SignificanceF=1.78×10-19＜0.01，該回歸方程非常顯著。且SignificanceF明顯小于0.01，說明該回歸方程與實測數(shù)據(jù)擬合度較好。

在此基礎上進一步研究該紡織廠空壓機進氣溫度在有無預處理時的能耗變化情況。

2 進氣溫度預處理效果分析

在3 號空壓機的進氣口搭建表冷器降溫預處理試驗臺，對空壓機進氣溫度進行降溫處理，采用冷源為該廠配置的常溫冷水機組，由于使用管道保溫措施不好，制取的冷水進入表冷器時已達到20 ℃。測試冷水機組開啟前后空壓機進氣溫度和能耗，通過大量測試數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，當進氣溫度t1為27 ℃、29 ℃、31 ℃、33 ℃時，空氣溫降Δt分別為2 ℃、3 ℃、4 ℃、5 ℃、6 ℃、7 ℃、8 ℃。這說明表冷器采用20 ℃冷水時，對表冷器前不同的空氣溫度具有不同的降幅，且當進氣溫度t1與20 ℃冷水溫差越大時，降溫幅度越大。

從大量測試數(shù)據(jù)中選出7 組不同溫降時對應的空壓機預處理前吸氣溫度與能耗數(shù)據(jù)，經(jīng)預處理后在含濕量不變時，分析預處理溫度變化對空壓機組能耗的影響情況，如表3 所示。表3 中，節(jié)約能耗ΔN=空氣預處理前空壓機功率N1-（空氣預處理后空壓機功率N2+預處理系統(tǒng)功率N3）。預處理系統(tǒng)能耗包括冷水機組的運行耗電量和制冷量，制冷量Q可根據(jù)公式（2）計算，qm為被處理空氣的質(zhì)量流量（kg/s），Δh為被處理空氣處理前后的焓差（kJ/kg）。

表3 空壓機吸氣溫度預處理前后空壓機能耗對比

由表3 可知：進氣溫度t1逐漸升高，預處理溫降幅度（t2-t1）逐漸變大，對應的預處理系統(tǒng)能耗N3和空壓機機組（包括預處理系統(tǒng)）的節(jié)約能耗ΔN也逐漸增大；當進氣溫度t1高于31.5 ℃時，此時對應的空壓機機組的節(jié)約能耗ΔN大于0，預處理才開始出現(xiàn)節(jié)能效果。根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析，建立進氣溫度t1與空壓機機組節(jié)約能耗ΔN之間的回歸方程式（3），求出當空壓機機組節(jié)約能耗ΔN大于0 時的臨界進氣溫度t1，如圖2 所示。從圖2可以看出節(jié)約能耗隨進氣溫度變化的整體趨勢：空壓機機組節(jié)約能耗ΔN隨進氣溫度t1增高先緩慢增長，后快速增長。

圖2 空壓機機組節(jié)約能耗隨進氣溫度變化趨勢

根據(jù)公式（3）求得，當節(jié)約能耗ΔN為0 kW時，對應的進氣溫度t1為29.9 ℃。所以當進氣溫度高于29.9 ℃時，空壓機進氣預處理才開始發(fā)揮節(jié)能效果，且溫度越高，節(jié)能效果越好。

3 預處理的適用性分析

由于咸陽屬于北方地區(qū)，高溫季節(jié)相對較短，空壓機空氣預處理時間較短?？筛鶕?jù)空壓機具體使用地區(qū)的室外氣象參數(shù)來判斷空氣預處理設備的適用情況。廣東、福建和浙江、江蘇分別位于夏熱冬暖及夏熱冬冷地區(qū)，紡織企業(yè)較為密集，紡織空壓機的使用更為廣泛，探究空壓機進氣口預處理在這些地區(qū)的適用性具有典型意義。以廣州、無錫、咸陽地區(qū)為例，從室外日最高氣溫入手，查得這3 個代表性城市在2020 年氣溫參數(shù)。

根據(jù)回歸方程（3）計算出的空壓機空氣預處理節(jié)能臨界溫度為29.9 ℃，結(jié)合這3 個城市全年氣溫的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，廣州日最高氣溫在29.9 ℃以上的共有166 天，占全年的45.48%，主要集中在4 月—10 月；無錫日最高氣溫在29.9 ℃以上的共有89 天，占全年的24.38%，主要集中在6 月—8 月；咸陽日最高氣溫在29.9 ℃以上的共有65天，占全年的17.81%，主要集中在7 月—8 月。由此可見，廣州地區(qū)全年氣溫較高，空壓機空氣預處理使用時間可占45.48%，而無錫地區(qū)空壓機空氣預處理使用時間可占24.38%；咸陽地區(qū)空壓機空氣預處理僅占17.81%；全年最高氣溫在29.9 ℃以上天數(shù)越多，空壓機空氣預處理開機時間越長，空氣預處理也越能起到良好節(jié)能效益。

4 結(jié)論

（1）通過對咸陽某紡織廠空壓機運行情況分析得知，空壓機能耗隨進氣溫度的升高而逐漸變大，且進氣溫度越高，空壓機能耗增長速度越快。通過回歸分析，建立了空壓機能耗與進氣溫度之間的回歸方程，并進行了顯著性檢驗，得到N1=1.471 5t12-60.016t1+1 590.6。（2）在咸陽某紡織廠對3 號空壓機進行表冷器降溫預處理，測試發(fā)現(xiàn)當表冷器的冷源為20 ℃冷水時，進氣溫度越高，溫降越大，從而空壓機節(jié)約能耗效果越好。建立空壓機節(jié)約能耗與進氣溫度的回歸方程，得到ΔN=0.673 4t12-31.654t1+344.55，并求解得到節(jié)約能耗為0 kW 時的臨界溫度為29.9 ℃。

（3）根據(jù)空壓機空氣預處理節(jié)能參考臨界溫度29.9 ℃，結(jié)合全年室外氣象參數(shù)，在廣州、無錫、咸陽地區(qū)空壓機使用空氣預處理的天數(shù)分別占全年45.48%、24.38%、17.81%，該天數(shù)越多采用空氣預處理可達到的節(jié)能效果越好。