紡織廠空壓機(jī)進(jìn)氣預(yù)處理與區(qū)域適用性研究

顏蘇芊 劉倩倩 秦 莉 李 彪

（1.西安工程大學(xué)，陜西西安，710048；2.西安恒信通節(jié)能技術(shù)有限公司，陜西西安，710043；3.江蘇格羅瑞節(jié)能科技有限公司，江蘇無(wú)錫，214101）

壓縮空氣被廣泛應(yīng)用于紡織企業(yè)中，其耗電量占企業(yè)總耗電的20%～30%，是除工藝耗電外耗能最多的部分［1-2］。我國(guó)幅員遼闊，不同地區(qū)、不同季節(jié)室外空氣參數(shù)差異較大，如果對(duì)空壓機(jī)進(jìn)氣進(jìn)行降溫干燥處理，雖然能降低空壓機(jī)進(jìn)氣溫濕度及其運(yùn)行能耗，但是預(yù)處理設(shè)備有初期投資和本身運(yùn)行費(fèi)用等，可能會(huì)存在節(jié)能效果不明顯和經(jīng)濟(jì)效益不高的問(wèn)題。

本研究在西安某紡織廠搭建試驗(yàn)臺(tái)，測(cè)試空壓機(jī)增設(shè)進(jìn)氣預(yù)處理設(shè)備后的綜合節(jié)電量，并以氣象條件為依據(jù)，分析廣州、福州、鹽城、西安等4個(gè)地區(qū)空壓機(jī)進(jìn)氣預(yù)處理設(shè)備的適用性，以及增設(shè)預(yù)處理設(shè)備后系統(tǒng)的節(jié)能情況和經(jīng)濟(jì)效益。

1 紡織廠空壓機(jī)的進(jìn)氣方式

對(duì)多家紡織企業(yè)進(jìn)行實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有空壓機(jī)的進(jìn)氣方式主要有直接吸入空壓站內(nèi)空氣和風(fēng)管引室外空氣兩種。

空壓機(jī)直接吸入空壓站內(nèi)空氣，機(jī)組進(jìn)氣受室外氣象參數(shù)影響較小。但空壓站內(nèi)除了空壓機(jī)，還有冷卻器和干燥機(jī)等輔助設(shè)備，這些設(shè)備發(fā)熱量大，空壓站內(nèi)空氣溫度明顯高于室外?？諌簷C(jī)本身功率大，加之壓縮余熱，會(huì)導(dǎo)致空壓機(jī)組周圍產(chǎn)生局部高溫，由于熱空氣密度小，高溫空氣上升，往往會(huì)在空壓機(jī)進(jìn)氣口周圍出現(xiàn)局部高溫區(qū)。在夏季，空壓機(jī)組產(chǎn)氣量明顯下降、耗電量顯著提高，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成空壓機(jī)報(bào)警甚至停車，不利于企業(yè)的安全穩(wěn)定生產(chǎn)。

為了保證企業(yè)用氣穩(wěn)定、滿足正常生產(chǎn)需求，部分企業(yè)對(duì)空壓機(jī)進(jìn)氣口安裝風(fēng)管，依靠空壓機(jī)進(jìn)氣口局部負(fù)壓，使用風(fēng)管將室外空氣引至空壓機(jī)進(jìn)氣口，使機(jī)組吸入室外空氣。這種吸氣方式有效解決了空壓機(jī)吸入站內(nèi)高溫空氣而導(dǎo)致企業(yè)生產(chǎn)不穩(wěn)定的問(wèn)題。但這種吸氣方式受室外氣象條件影響很大，在夏季高溫高濕季節(jié)，空壓機(jī)產(chǎn)氣量降低和耗電量增加的問(wèn)題尤為明顯，不利于企業(yè)的節(jié)能運(yùn)行。

2 試驗(yàn)場(chǎng)地和方案

2.1 試驗(yàn)場(chǎng)地

為了確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，試驗(yàn)場(chǎng)地需同時(shí)滿足以下條件：壓縮空氣產(chǎn)量穩(wěn)定，至少2 臺(tái)型號(hào)和使用年限完全相同的機(jī)組，且工況相同即進(jìn)口空氣參數(shù)相同。我們調(diào)研了東莞、西安、咸陽(yáng)、蘭溪等4 個(gè)地區(qū)5 家紡織廠的空壓站，綜合考慮選擇在西安某紡織廠搭建試驗(yàn)臺(tái)。

2.2 試驗(yàn)方案

西安某紡織廠9#～16#空壓機(jī)集中布置在空壓站內(nèi)，空壓機(jī)吸入室外空氣進(jìn)行壓縮，室外空氣由空壓機(jī)自身負(fù)壓吸入，從外墻上的矩形風(fēng)口經(jīng)過(guò)濾通過(guò)風(fēng)管吸入空壓機(jī)內(nèi)。對(duì)其中4 臺(tái)Atlas ZR4-51 型螺桿空壓機(jī)的進(jìn)氣溫濕度、入口負(fù)壓及風(fēng)速進(jìn)行測(cè)試，在每臺(tái)空壓機(jī)吸氣口取6 個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)試3 次取平均值，空壓機(jī)進(jìn)氣參數(shù)測(cè)試結(jié)果如表1 所示。

由表1 可知，13#和15#空壓機(jī)吸氣溫度相同，相對(duì)濕度、風(fēng)速及入口負(fù)壓相差不大，這兩臺(tái)機(jī)組運(yùn)行參數(shù)較為接近，選擇在13#空壓機(jī)上搭建試驗(yàn)臺(tái)，并與15#空壓機(jī)進(jìn)行對(duì)比。以空壓機(jī)額定進(jìn)氣量30 Nm3/min 作為表冷器進(jìn)氣量，選擇銅管鋁翅片的整體式翅片管表冷器進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，其外形尺寸為600 mm×500 mm×70 mm，共計(jì)72 根管，分3 排，呈叉排正三角形排列，翅片尺寸600 mm×70 mm，翅片密度392 片/m，翅化比15.22。經(jīng)核算該表冷器傳熱系數(shù)為49.43 W/（m2·℃），冷水量0.59 kg/s，管內(nèi)阻力5.4 kPa，空氣側(cè)翅片阻力為65.2 Pa。

表1 空壓機(jī)進(jìn)氣參數(shù)測(cè)試結(jié)果

將表冷器固定在空壓機(jī)進(jìn)氣口，通入20 ℃左右冷水，利用表冷器對(duì)空壓機(jī)入口空氣進(jìn)行預(yù)處理，達(dá)到對(duì)空壓機(jī)進(jìn)氣降溫的目的。

2.3 測(cè)試進(jìn)氣參數(shù)

測(cè)試空壓機(jī)進(jìn)氣溫濕度時(shí)，將溫濕度計(jì)探頭從風(fēng)管上的開(kāi)孔伸進(jìn)風(fēng)管，使探頭與管內(nèi)空氣充分接觸，待讀數(shù)穩(wěn)定后記錄數(shù)據(jù)。在測(cè)試流速時(shí)，將畢托管伸進(jìn)風(fēng)管內(nèi)，使畢托管頭正對(duì)且平行氣流方向，流速穩(wěn)定后記錄測(cè)試值，利用公式（1）計(jì)算空壓機(jī)進(jìn)氣量；同時(shí)讀取控制柜上電壓、電流、功率因數(shù)，通過(guò)公式（2）計(jì)算出空壓機(jī)的實(shí)際功率。在風(fēng)管內(nèi)均分為12 個(gè)測(cè)點(diǎn)，對(duì)吸氣溫度、風(fēng)速分別進(jìn)行3 組測(cè)試取平均值。

式中：q為空壓機(jī)進(jìn)氣量（m3/s）；S為圓形風(fēng)管的截面積（m2）；v為各測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)速（m/s）。

式中：N為空壓機(jī)的實(shí)際功率（kW）；U為三相平均電壓（kV）；I為三相平均電流（A）；cosφ為功率因數(shù)。

3 增設(shè)進(jìn)氣預(yù)處理設(shè)備的節(jié)能研究

通過(guò)測(cè)試計(jì)算空壓機(jī)進(jìn)氣參數(shù)、比功率、空壓機(jī)和預(yù)處理設(shè)備耗電量，分析增設(shè)預(yù)處理設(shè)備后空壓機(jī)的節(jié)能效益，并結(jié)合預(yù)處理設(shè)備的能耗，綜合研究空壓系統(tǒng)的節(jié)能效益。

3.1 進(jìn)氣預(yù)處理對(duì)空壓機(jī)能耗的影響

對(duì)空壓機(jī)吸氣進(jìn)行預(yù)處理后，由于室外空氣溫度不同，空壓機(jī)入口空氣溫降也不同，空壓機(jī)節(jié)電量也就不相同。在不同溫度下對(duì)空壓機(jī)增設(shè)預(yù)處理設(shè)備前后的耗電量進(jìn)行測(cè)試計(jì)算，結(jié)果如表2 所示。

表2 進(jìn)氣預(yù)處理前后空壓機(jī)運(yùn)行參數(shù)測(cè)試及比功率

分析表2 可知，進(jìn)氣預(yù)處理后空壓機(jī)進(jìn)氣溫度明顯降低，空壓機(jī)產(chǎn)氣量提高，同時(shí)機(jī)組功率顯著下降。當(dāng)預(yù)處理前空壓機(jī)進(jìn)氣溫度為37.5 ℃時(shí)，空壓機(jī)能耗為200.50 kW；經(jīng)過(guò)預(yù)處理后，空壓機(jī)進(jìn)氣溫度下降到30.2 ℃，空壓機(jī)能耗下降到193.29 kW，比預(yù)處理前節(jié)能7.21 kW，節(jié)能率3.60%。當(dāng)預(yù)處理前空壓機(jī)進(jìn)氣溫度為29.5 ℃時(shí)，空壓機(jī)能耗為192.85 kW；預(yù)處理后進(jìn)氣溫度為24.7 ℃，功率為188.97 kW，比預(yù)處理前節(jié)能3.88 kW，節(jié)能率2.01%。當(dāng)預(yù)處理前空壓機(jī)進(jìn)氣溫度為33.5 ℃，經(jīng)過(guò)預(yù)處理后進(jìn)氣溫度降低至28.1 ℃，空壓機(jī)比功率由6.73 kW/（m3/min）降低至6.45 kW/（m3/min），按照空壓機(jī)額定進(jìn)氣量30 Nm3/min 來(lái)計(jì)算，增設(shè)預(yù)處理設(shè)備可使空壓機(jī)節(jié)能8.4 kW，節(jié)能效果較為顯著。

3.2 進(jìn)氣預(yù)處理設(shè)備能耗分析

3.2.1 冷水機(jī)組能耗計(jì)算

使用冷水機(jī)組為表冷器提供冷凍水，冷水機(jī)組制冷量大，為企業(yè)空調(diào)、空壓系統(tǒng)提供冷水，要?jiǎng)澐掷渌畽C(jī)組為表冷器提供冷凍水部分的實(shí)際能耗較為困難，我們通過(guò)預(yù)處理前后空氣焓差來(lái)估算冷水機(jī)組耗電量，按公式（3）計(jì)算冷水機(jī)組功率［3］?？諌簷C(jī)不同進(jìn)氣溫度時(shí)，冷水機(jī)組實(shí)際功率計(jì)算結(jié)果如表3 所示。

表3 冷水機(jī)組功率計(jì)算

式中：P為冷水機(jī)組功率（kW）；qm為被處理空氣的質(zhì)量流量（kg/s）；Δh為空氣經(jīng)過(guò)表冷器前后的焓差（kJ/kg）；COP為制冷能效，經(jīng)測(cè)試，機(jī)組實(shí)際COP值為4.4。

隨著空壓機(jī)進(jìn)氣溫度的升高，空壓機(jī)進(jìn)氣量減小，同時(shí)空氣與冷凍水溫差變大，空氣經(jīng)過(guò)表冷器后溫降變大，表冷器需要的制冷量也隨之增大。當(dāng)空壓機(jī)進(jìn)氣溫度從29.5 ℃提高至37.5 ℃時(shí)，空壓機(jī)進(jìn)氣量降低了0.006 kg/s，冷水機(jī)組所需功率從1.20 kW 增加至1.38 kW。

3.2.2 水泵的能耗

為了保證表冷器冷凍水水量，在搭建試驗(yàn)臺(tái)時(shí)為表冷器配置水泵1 臺(tái)。表冷器水量為0.59 kg/s，體積流量為2.124 m3/h。水泵的揚(yáng)程包括冷凍水流經(jīng)管道的沿程和局部阻力、表冷器阻力、垂直提升高度三者之和［4］，通過(guò)計(jì)算選擇1 臺(tái)功率0.75 kW 的定頻水泵為表冷器供水，水泵額定供水量2.8 m3/h，揚(yáng)程20.6 m。

3.3 增設(shè)預(yù)處理設(shè)備的節(jié)能性研究

增設(shè)表冷器對(duì)空壓機(jī)進(jìn)氣進(jìn)行降溫處理，可以使空壓機(jī)產(chǎn)氣量明顯增加，耗電量顯著下降。由于表冷器需要消耗冷凍水，冷凍水送至表冷器需要用水泵提供動(dòng)力。在研究增設(shè)預(yù)處理設(shè)備后系統(tǒng)節(jié)能性時(shí)，需綜合考慮空壓機(jī)組和增設(shè)預(yù)處理設(shè)備的耗能。對(duì)預(yù)處理前后空壓機(jī)和預(yù)處理設(shè)備耗能進(jìn)行匯總，如表4 所示。

表4 不同吸氣溫度進(jìn)氣預(yù)處理和空壓機(jī)耗能匯總

當(dāng)室外溫度為29.5 ℃時(shí)，系統(tǒng)綜合節(jié)能1.93 kW，節(jié)能率1.0%；當(dāng)室外溫度為33.5 ℃時(shí)，系統(tǒng)綜合節(jié)能3.76 kW，節(jié)能率1.9%；當(dāng)室外溫度為37.5 ℃時(shí)，系統(tǒng)綜合節(jié)能5.08 kW，節(jié)能率2.53%。

空壓機(jī)進(jìn)氣預(yù)處理設(shè)備的節(jié)能性與進(jìn)氣溫度呈正相關(guān)。吸氣溫度越高，經(jīng)過(guò)預(yù)處理后空壓系統(tǒng)綜合節(jié)能越大。當(dāng)室外空氣溫度低于29.5 ℃時(shí)，使用預(yù)處理設(shè)備還有一定的節(jié)能效果，但由于冷凍水和表冷器溫差變小，經(jīng)過(guò)表冷器后空氣溫降減小，預(yù)處理設(shè)備的節(jié)能效益也相應(yīng)減小?？紤]設(shè)備運(yùn)行維護(hù)和檢修費(fèi)用，當(dāng)空氣溫度低于29 ℃時(shí)，空壓機(jī)進(jìn)氣可不采取預(yù)處理，直接吸入室外空氣。

4 進(jìn)氣預(yù)處理設(shè)備區(qū)域適用性研究

為了充分發(fā)揮進(jìn)氣預(yù)處理設(shè)備的節(jié)能效果，研究進(jìn)氣預(yù)處理設(shè)備的區(qū)域適用性，對(duì)其推廣和使用十分必要。以廣州、福州、鹽城、西安地區(qū)為例，對(duì)空壓機(jī)進(jìn)氣預(yù)處理設(shè)備的節(jié)能和經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行對(duì)比分析。依據(jù)室外溫度超過(guò)29 ℃需要開(kāi)啟預(yù)處理設(shè)備，且設(shè)備每天使用24 h，對(duì)空壓機(jī)進(jìn)氣預(yù)處理設(shè)備的使用時(shí)間段和總時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表5 所示。

表5 空壓機(jī)吸氣預(yù)處理設(shè)備的使用時(shí)長(zhǎng)

廣州、福州、鹽城和西安地區(qū)使用預(yù)處理設(shè)備時(shí)間分別為6 072 h、5 112 h、2 760 h 和2 640 h。按照紡織企業(yè)每年正常生產(chǎn)350 天，每天工作24 h 計(jì)算，空壓機(jī)每年使用8 400 h，廣州、福州、鹽城和西安地區(qū)空壓機(jī)進(jìn)氣預(yù)處理設(shè)備的使用率分別為72.29%、60.86%、32.86%、31.43%。當(dāng)設(shè)備年使用率超過(guò)55%時(shí)適于安裝進(jìn)氣預(yù)處理設(shè)備，在廣州和福州等空調(diào)使用時(shí)間較長(zhǎng)地區(qū)是適用的［5］。

對(duì)廣州和福州地區(qū)室外溫度大于29 ℃時(shí)間段取平均值，可得室外平均溫度分別為34.2 ℃、34.8 ℃。對(duì)廣州、福州增設(shè)進(jìn)氣預(yù)處理設(shè)備，按照空壓機(jī)產(chǎn)氣量30 Nm3/min 計(jì)算，空壓系統(tǒng)節(jié)能效益計(jì)算結(jié)果如表6 所示。

由表6 可以看出，廣州、福州地區(qū)紡織企業(yè)空壓機(jī)都可以通過(guò)增設(shè)進(jìn)氣預(yù)處理設(shè)備實(shí)現(xiàn)明顯節(jié)電，按照工業(yè)用電0.7 元/（kW·h）計(jì)算，每年可實(shí)現(xiàn)降低運(yùn)行成本分別為17 342 元、15 566 元，經(jīng)濟(jì)效益明顯?？諌簷C(jī)進(jìn)氣溫濕度降低后，其他冷卻設(shè)備、干燥機(jī)等輔助設(shè)備負(fù)荷也會(huì)相應(yīng)減少，實(shí)際節(jié)能效果更顯著。

表6 空壓機(jī)增設(shè)吸氣預(yù)處理設(shè)備節(jié)能效益

5 結(jié)論

對(duì)西安某紡織廠空壓站增設(shè)預(yù)處理設(shè)備后分析空壓機(jī)系統(tǒng)的節(jié)能性，并對(duì)不同地區(qū)空壓機(jī)進(jìn)氣預(yù)處理設(shè)備的適用性進(jìn)行了研究，可以得出以下結(jié)論。

（1）增設(shè)表冷器作為進(jìn)氣預(yù)處理設(shè)備，可使空壓機(jī)進(jìn)氣溫度明顯降低，空壓機(jī)產(chǎn)氣量提高，同時(shí)機(jī)組功率顯著下降。

（2）空壓機(jī)進(jìn)氣預(yù)處理設(shè)備的節(jié)能性與空氣溫度呈正相關(guān)，空氣溫度越高，經(jīng)過(guò)預(yù)處理后空壓系統(tǒng)的節(jié)電越明顯；當(dāng)空壓機(jī)空氣溫度低于29 ℃時(shí)，采取預(yù)處理措施后空壓機(jī)節(jié)能效果不明顯，空壓機(jī)可直接吸入室外空氣。

（3）廣州、福州、鹽城和西安地區(qū)的空壓機(jī)吸氣預(yù)處理設(shè)備的使用率分別為72.29%、60.86%、32.86%、31.43%，在廣州和福州地區(qū)安裝空壓機(jī)進(jìn)氣預(yù)處理設(shè)備，使用時(shí)間較長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)效益較好，而在鹽城、西安地區(qū)使用時(shí)間較短，經(jīng)濟(jì)效益不顯著。

（4）在廣州、福州兩個(gè)地區(qū)，對(duì)產(chǎn)氣量為30 Nm3/min 單臺(tái)空壓機(jī)增設(shè)進(jìn)氣預(yù)處理設(shè)備，每年節(jié)約用電分別為24 773 kW·h、22 237 kW·h，分別降低運(yùn)行成本17 342 元、15 566 元，節(jié)能和經(jīng)濟(jì)效益較為明顯。