任金鑫，顏蘇芊，靳貴銘，秦 莉

(1.西安工程大學(xué) 城市規(guī)劃與市政工程學(xué)院，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)

我國(guó)是一個(gè)紡織工業(yè)大國(guó)，其中壓縮空氣作為紡織企業(yè)廣泛應(yīng)用的動(dòng)力源之一，具有安全、無(wú)公害等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也是最為昂貴的能源之一[1-2]。據(jù)調(diào)查顯示，用于紡織企業(yè)每年生產(chǎn)壓縮空氣的耗電量占全國(guó)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(guān)系到紡織企業(yè)的節(jié)能。有研究指出, 空壓機(jī)吸氣溫度每增加1 ℃時(shí), 每生產(chǎn)1 m3壓縮空氣, 其電耗將增加0.295%[5]，因此吸氣參數(shù)對(duì)空壓機(jī)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(nèi)離心式空壓機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、后冷卻器、空氣凈化器等工作時(shí)溫度較高，其散熱無(wú)法良好排出，使得空壓站內(nèi)溫度升高，導(dǎo)致離心式空壓機(jī)吸氣溫度升高，耗電量增大、產(chǎn)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(nèi)自由空氣經(jīng)過除塵、過濾、消聲后吸入離心式空壓機(jī)內(nèi)，但往往忽視了空壓站內(nèi)自由空氣的預(yù)處理過程[6-7]。本文通過理論分析和實(shí)地測(cè)試相結(jié)合，實(shí)測(cè)空壓機(jī)耗電量、產(chǎn)氣量，分析出離心式空壓機(jī)吸氣溫度對(duì)耗電量、產(chǎn)氣量的影響，從而達(dá)到節(jié)約能耗的目的。

1 離心式空壓機(jī)吸氣預(yù)處理可行性分析

1.1 離心式空壓機(jī)吸氣溫度對(duì)耗電量的影響

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

(1)

式中：ρ為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的空氣密度，kg/m3；Vk為空壓機(jī)產(chǎn)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(jìn)氣壓力，MPa；ηT為空壓機(jī)的等溫效率，%；ηM為空壓機(jī)的機(jī)械效率，%。當(dāng)其他因素不變時(shí)，環(huán)境溫度降低，離心式空壓機(jī)耗電量降低，達(dá)到降低離心式空壓機(jī)耗電量的目的。

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

圖1 離心式空壓機(jī)每月總耗電量

1.2 離心式空壓機(jī)吸氣溫度對(duì)產(chǎn)氣量的影響

當(dāng)離心式空壓機(jī)吸氣溫度變化時(shí)，對(duì)產(chǎn)氣量有著明顯的影響，對(duì)于離心式空壓機(jī)，在級(jí)工況和介質(zhì)相同時(shí)，根據(jù)離心式空壓機(jī)產(chǎn)氣量公式[9]：

(2)

式中：Qm為離心式空壓機(jī)產(chǎn)氣量，m3/h；Pin為進(jìn)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(dāng)其他因素不變時(shí)，離心式空壓機(jī)吸氣溫度的二分之一次方與產(chǎn)氣量成反比，當(dāng)吸氣溫度降低時(shí)，離心式空壓機(jī)產(chǎn)氣量增大。

通過對(duì)某紡織廠空壓站測(cè)試調(diào)研得出，該空壓站空壓機(jī)產(chǎn)氣量的80%主要滿足噴氣織機(jī)的用氣量，并隨用氣用戶的需氣量實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)產(chǎn)氣量。在冬季及過渡季節(jié)時(shí)，室外溫度較低，導(dǎo)致空壓機(jī)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(tái)離心式空壓機(jī)或4臺(tái)離心式空壓機(jī)和1臺(tái)變頻式螺桿空壓機(jī)即可滿足紡織廠的正常供氣需求。而在夏季時(shí)，由于室外溫度較高，導(dǎo)致空壓機(jī)吸氣溫度升高，為滿足生產(chǎn)需求，在開啟5臺(tái)離心式空壓機(jī)的同時(shí)需要開啟2～3臺(tái)螺桿式空壓機(jī)輔助生產(chǎn)，從而滿足紡織廠正常的供氣需求。因此，降低吸氣溫度對(duì)增大空壓機(jī)產(chǎn)氣量非常重要。

2 某紡織廠空壓站設(shè)備及通風(fēng)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(shè)有5臺(tái)離心式空壓機(jī)，為ZH1500-6-7型離心式空壓機(jī)，其示意圖見圖2。該離心式空壓機(jī)在設(shè)計(jì)條件下的最大工作壓力7.7×105Pa，額定輸入功率1 430 kW，啟動(dòng)軸轉(zhuǎn)速2 985 r/min，設(shè)計(jì)流量295 m3/min，最大吸氣溫度40 ℃，最大環(huán)境溫度40 ℃。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在2019年7月該紡織廠空壓站空壓機(jī)總用電量共為5 836.44 MW，其中離心式空壓機(jī)該月用電量為4 893.92 MW，占空壓機(jī)總用電量的80%以上，節(jié)能潛力巨大。故選擇對(duì)離心式空壓機(jī)采取進(jìn)氣預(yù)處理，達(dá)到最佳的節(jié)能目的。

在夏季，未進(jìn)行通風(fēng)降溫時(shí)，空壓站內(nèi)溫度較高，導(dǎo)致離心式空壓機(jī)吸氣溫度較高，測(cè)試發(fā)現(xiàn)，最高時(shí)可達(dá)到45 ℃，高于設(shè)計(jì)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(diào)機(jī)組側(cè)送風(fēng)方式，其中空壓站占地面積3 160 m2，按新風(fēng)流動(dòng)方向組合式空調(diào)機(jī)組依次設(shè)有混風(fēng)段、初效過濾段、中效過濾段、表冷段、送風(fēng)機(jī)段，設(shè)計(jì)風(fēng)量120 000 m3/h，送風(fēng)距離為44.6 m，共8個(gè)風(fēng)道為5臺(tái)離心式空壓機(jī)和6臺(tái)螺桿式空壓機(jī)同時(shí)通風(fēng)降溫。但由于占地面積大、送風(fēng)距離長(zhǎng)、送風(fēng)風(fēng)量不能滿足空壓站所需風(fēng)量等原因，導(dǎo)致降溫效果不明顯。開啟通風(fēng)降溫時(shí)，離心式空壓機(jī)吸氣溫度仍然高于設(shè)計(jì)條件下的最大吸氣溫度40 ℃，最高時(shí)達(dá)到43 ℃。根據(jù)該空壓站現(xiàn)有情況，設(shè)計(jì)離心式空壓機(jī)吸氣預(yù)處理方案是十分有必要的。空壓站通風(fēng)降溫及離心式空壓機(jī)示意圖見圖2。

1—組合式空調(diào)室；2—風(fēng)管；3—壓縮空氣干燥器；4—離心式空氣壓縮機(jī)吸氣口；5—ZH1500-6-7型離心式空氣壓縮機(jī)；6—儲(chǔ)氣罐。圖2 空壓站通風(fēng)降溫及離心式空壓機(jī)示意圖

3 離心式空壓機(jī)吸氣預(yù)處理研究

3.1 離心式空壓機(jī)吸氣預(yù)處理方案

本文方案對(duì)1#離心式空壓機(jī)進(jìn)行預(yù)處理，利用組合式空調(diào)機(jī)組提供冷空氣，連接風(fēng)管通入到1#離心式空壓機(jī)吸氣口上部，直接提供冷空氣對(duì)離心式空壓機(jī)吸氣口進(jìn)行降溫處理，實(shí)測(cè)分析離心式空壓機(jī)耗電量等情況。風(fēng)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(jī)預(yù)處理設(shè)計(jì)方案見圖3，離心式空壓機(jī)吸氣口風(fēng)管圖見圖4。

圖3 離心式空壓機(jī)預(yù)處理設(shè)計(jì)方案

圖4 離心式空壓機(jī)吸氣口風(fēng)管圖

3.2 離心式空壓機(jī)吸氣預(yù)處理測(cè)試分析

本次實(shí)驗(yàn)在2019年8月份每日不同時(shí)間段對(duì)某紡織廠空壓站離心式空壓機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)試，每次測(cè)試結(jié)果取各測(cè)點(diǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值，各測(cè)試內(nèi)容的平均值為所有測(cè)試結(jié)果之和取平均所得。測(cè)試內(nèi)容包括風(fēng)管出口溫度、風(fēng)速，離心式空壓機(jī)吸氣口溫度、流速，并在空壓站耗電室記錄離心式空壓機(jī)的耗電量。風(fēng)管出口測(cè)點(diǎn)布置見圖5，離心式空壓機(jī)吸氣口尺寸及測(cè)點(diǎn)布置見圖6。

圖5 風(fēng)管出口測(cè)點(diǎn)布置

圖6 離心式空壓機(jī)吸氣口尺寸及測(cè)點(diǎn)布置

3.2.1 風(fēng)管模式對(duì)吸氣溫度和耗電量的影響

本文方案前期采用風(fēng)管模式1(離心式空壓機(jī)吸氣口風(fēng)管模式1見圖7)對(duì)離心式空壓機(jī)進(jìn)行吸氣預(yù)處理，其中風(fēng)管出口距離離心式空壓機(jī)吸氣口上部600 mm，偏移離心式空壓機(jī)吸氣口前端50 mm，未正對(duì)離心式空壓機(jī)吸氣口。通過測(cè)試，在相同室內(nèi)溫度條件下，未進(jìn)行預(yù)處理時(shí)，1#離心式空壓機(jī)平均吸氣溫度為37.63 ℃，風(fēng)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(jīng)過改造，采用風(fēng)管模式2(離心式空壓機(jī)吸氣口風(fēng)管模式2見圖8)，風(fēng)管出口距離離心式空壓機(jī)吸氣口上部200 mm，正對(duì)離心式空壓機(jī)吸氣口，風(fēng)管模式2下平均吸氣溫度為26.72 ℃，較未預(yù)處理時(shí)，降溫10.91 ℃，降溫效果得到提升。在相同室內(nèi)溫度條件下，各種情況下1#離心式空壓機(jī)吸氣溫度如圖9所示，將2種風(fēng)管模式進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表1。1#離心式空壓機(jī)吸氣溫度對(duì)比見圖9，風(fēng)管模式及耗電量對(duì)比見表1。

單位：mm。圖7 離心式空壓機(jī)吸氣口風(fēng)管模式1

單位：mm。圖8 離心式空壓機(jī)吸氣口風(fēng)管模式2

圖9 1#離心式空壓機(jī)吸氣溫度對(duì)比

通過對(duì)2種不同風(fēng)管模式測(cè)試分析，在保證利用吸氣口負(fù)壓及空壓機(jī)安全運(yùn)行的前提下，風(fēng)管模式2相比風(fēng)管模式1對(duì)吸氣口降溫效果明顯：在相同送風(fēng)溫度下，平均吸氣溫度多降低5.38 ℃，同時(shí)耗電量每月多降低25.77 MW，對(duì)離心式空壓機(jī)的節(jié)能有很大的提升。故本設(shè)計(jì)方案采用風(fēng)管模式2對(duì)1#離心式空壓機(jī)進(jìn)行吸氣預(yù)處理。

表1 風(fēng)管模式及耗電量對(duì)比

3.2.2 吸氣溫度測(cè)試結(jié)果及對(duì)耗電量影響分析

在相同測(cè)試條件下，對(duì)1#離心式空壓機(jī)進(jìn)行預(yù)處理后，平均吸氣溫度較未預(yù)處理時(shí)降低10.91 ℃。1#離心式空壓機(jī)預(yù)處理前后吸氣溫度及耗電量見表2。

表2 1#離心式空壓機(jī)預(yù)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(jì)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(shí)，每日節(jié)約耗電量1.86/11.87=0.156 MW/℃，以上為某2日具體計(jì)算過程，本次采用1個(gè)月數(shù)據(jù)對(duì)比進(jìn)行計(jì)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(shí)，每日節(jié)約耗電量1.654/10.91=0.151 6 MW/℃。得到以下結(jié)論：每降低1 ℃吸氣溫度，1#離心式空壓機(jī)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(jīng)過測(cè)試，未進(jìn)行預(yù)處理的2#～5#離心式空壓機(jī)中，4#離心式空壓機(jī)平均吸氣溫度最高，其平均吸氣溫度為41.47 ℃，較預(yù)處理后1#離心式空壓機(jī)平均吸氣溫度高出14.75 ℃。同時(shí)耗電量高于1#離心式空壓機(jī)。在相同測(cè)試條件下，未進(jìn)行預(yù)處理4#離心式空壓機(jī)吸氣溫度及耗電量如表3所示。

表3 4#離心式空壓機(jī)吸氣溫度及耗電量

在相同測(cè)試條件下，采用1個(gè)月數(shù)據(jù)對(duì)1#與4#離心式空壓機(jī)比較，計(jì)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(shí)，每日節(jié)約耗電量2.19/14.75=0.148 5 MW/℃?？梢姴扇☆A(yù)處理后對(duì)離心式空壓機(jī)的節(jié)能有很大的提升。

3.2.3 離心式空壓機(jī)吸氣預(yù)處理對(duì)產(chǎn)氣量影響

通過測(cè)試，在1#離心式空壓機(jī)電動(dòng)機(jī)功率不變的條件下，測(cè)得1#離心式空壓機(jī)在未進(jìn)行預(yù)處理時(shí)平均產(chǎn)氣量為18 279 m3/h，經(jīng)過預(yù)處理后產(chǎn)氣量增大為18 369.4 m3/h，通過計(jì)算可得，預(yù)處理后產(chǎn)氣量每小時(shí)增加90.4 m3，每月可增加產(chǎn)氣量6.5萬(wàn)m3，較預(yù)處理前提升0.49%。若對(duì)5臺(tái)離心式空壓機(jī)同時(shí)進(jìn)行吸氣預(yù)處理，每月可增加產(chǎn)氣量32.5萬(wàn)m3。

4 離心式空壓機(jī)吸氣預(yù)處理經(jīng)濟(jì)性分析

4.1 成本分析

本次離心式空壓機(jī)吸氣預(yù)處理方案根據(jù)該空壓站現(xiàn)有情況進(jìn)行改造，在原有通風(fēng)降溫的基礎(chǔ)上，在組合式空調(diào)機(jī)組出風(fēng)口安裝風(fēng)管，連接到離心式空壓機(jī)吸氣口處。本文預(yù)處理方案中，風(fēng)機(jī)選取額定風(fēng)量為18 000 m3/h的軸流式風(fēng)機(jī)，功率2.2 kW，水泵功率1.5 kW。按夏季(7、8月份)空調(diào)機(jī)組運(yùn)行不間斷開啟計(jì)算，運(yùn)行時(shí)間為1 440 h。制冷量Q計(jì)算公式[10]為：

Q=qmΔh

(3)

式中：qm為被處理空氣的質(zhì)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(jì)算得：Q=102.3 kW?？照{(diào)機(jī)組的冷凍水由離心式冷水機(jī)組提供，冷水機(jī)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(jià)0.7元/(kW·h)計(jì)算，可得初投資與運(yùn)行費(fèi)用，空壓機(jī)吸氣預(yù)處理初投資與運(yùn)行費(fèi)用見表4。

表4 空壓機(jī)吸氣預(yù)處理初投資與運(yùn)行費(fèi)用

4.2 節(jié)約成本分析

對(duì)1#離心式空壓機(jī)進(jìn)行預(yù)處理后，平均吸氣溫度較未預(yù)處理時(shí)降低10.91 ℃，離心式空壓機(jī)產(chǎn)氣量增加6.5萬(wàn)m3/月。每月節(jié)約耗電量49.62 MW，折合電費(fèi)為3.47萬(wàn)元/月，扣除預(yù)處理相關(guān)設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用1.54萬(wàn)元/月，平均可節(jié)約1.93萬(wàn)元/月。同時(shí)初投資為2.25萬(wàn)元，投資回收期為35天，節(jié)能效益可觀。

5 結(jié) 論

通過分析吸氣溫度對(duì)離心式空壓機(jī)耗電量及吸氣量的影響，確定離心式空壓機(jī)預(yù)處理的可行性。同時(shí)根據(jù)某紡織廠具體情況，設(shè)計(jì)離心式空壓機(jī)預(yù)處理方案，并對(duì)離心式空壓機(jī)預(yù)處理后的耗電量、產(chǎn)氣量進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，得到以下結(jié)論：①對(duì)離心式空壓機(jī)進(jìn)行預(yù)處理時(shí)，風(fēng)管與吸氣口的距離應(yīng)盡量接近，這樣可以使吸氣溫度盡可能降低，達(dá)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(jié)水流入吸氣口，使得空壓機(jī)安全運(yùn)行。②通過測(cè)試，對(duì)離心式空壓機(jī)吸氣口進(jìn)行預(yù)處理后，平均吸氣溫度較未預(yù)處理時(shí)降低10.91 ℃，每月節(jié)約耗電量49.62 MW，產(chǎn)氣量增加6.5萬(wàn)m3/月。③通過經(jīng)濟(jì)性分析可得：對(duì)離心式空壓機(jī)采取預(yù)處理后，每月節(jié)約電量折合電費(fèi)3.47萬(wàn)元/月，扣除預(yù)處理相關(guān)設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用1.54萬(wàn)元/月，平均可節(jié)約1.93萬(wàn)元/月。同時(shí)初投資為2.25萬(wàn)元，投資回收期為35天，節(jié)能及經(jīng)濟(jì)效益非常明顯。