吸氣參數對紡織廠空壓站性能影響的研究分析

秦　莉，顏蘇芊，劉　寧，魏世祥

(西安工程大學環境與化學工程學院，西安　710048)

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吸氣參數對紡織廠空壓站性能影響的研究分析

秦莉，顏蘇芊，劉寧，魏世祥

(西安工程大學環境與化學工程學院，西安710048)

摘要：采用實驗測試與理論計算相結合的方法，探討紡織廠空壓機吸氣參數對空壓站能耗的影響。對咸陽某紡織廠空壓機吸氣參數和能耗進行實驗測試。結果顯示：天氣寒冷、空氣濕度低較天氣炎熱、空氣潮濕時空壓站能耗有顯著減小，空壓機吸氣溫度由28.6℃降低至2.1℃時，空壓機的排氣量可提升約6%。且當空壓機的吸氣溫度每增加1℃時，每生產1m3壓縮空氣其能耗將增加0.00375kWh，能耗將增加0.295%；當空壓機的吸氣含濕量每增加1g/(kg(干空氣))時，生產1m3壓縮空氣電耗將增加0.00568kWh，能耗將增加0.47%。

關鍵詞：紡織廠；空壓機；吸氣參數；溫度；濕度

0前言

我國是一個紡織大國，而紡織業又是一個高能耗行業，目前隨著能源短缺與價格上漲的不斷加劇，紡織行業節能得到了社會的廣泛關注。壓縮空氣生產是一個高能耗過程。對某紡織企業進行調研，發現某月該企業全廠總用電量為810.43萬kWh，其中壓縮空氣系統耗電244.43萬kWh，占企業總能耗的30.16%以上，因此空壓系統節能直接關系到紡織企業的節能。

壓縮空氣來源于大氣，是把常壓下的空氣經過空壓機壓縮成為高于大氣壓力的空氣，大氣中含有粉塵、水蒸氣等雜質。目前，大部分紡織企業為了滿足工藝要求，僅對空壓機進口空氣進行除塵處理。空壓機吸入過濾后的空氣，保證了生產工藝的正常運行。然而，大部分紡織企業卻忽略了吸氣溫、濕度對空壓機乃至整套系統的影響，導致紡織企業壓縮空氣系統能耗過高。空壓機吸氣溫度每增加3℃，空壓機的功耗就要增加1%左右[1]。同時，若空壓機吸氣溫度較高，排氣溫度就會上升，這樣會使空壓機冷卻環境惡化和積碳現象嚴重，給安全生產帶來嚴重隱患。本文結合壓縮空氣的生產過程，對咸陽某紡織廠空壓系統能耗進行實地測試與研究，以期為紡織行業空壓系統選擇合理的吸氣預處理方案提供依據。

1吸氣參數對空壓機能耗的影響

壓縮空氣系統主要由空氣過濾器、空壓機、冷卻器、干燥機和儲氣罐組成。自由空氣經過空氣過濾器對其進行除雜后進入空壓機，空壓機將自由空氣壓縮成為高溫高濕的壓縮空氣后進入冷卻器和干燥機(簡稱冷干機)，使高溫高濕壓縮空氣被降溫干燥成為低溫低濕的壓縮空氣，然后進入儲氣罐。儲氣罐通過管網將壓縮空氣輸送至各用氣點。空壓機對空氣進行壓縮的過程可以看作一個整體，有自由空氣入口、壓縮空氣出口、空壓機電能輸入、余熱輸出等過程組成。當空壓機處于穩定的工況時，其功耗為定值。在實際壓縮過程中，空壓機功耗隨著吸氣溫度和含濕量的不同而變化。當吸氣溫度和含濕量升高時，其能耗增加；反之，則減少。

1.1吸氣溫度對空壓機能耗的影響

壓縮過程與外界不發生熱交換為絕熱壓縮；壓縮過程進行緩慢，且機械功轉換成的熱量可及時傳出，整個壓縮過程氣體溫度保持不變為等溫壓縮。空壓機在實際壓縮過程中，大都帶冷卻裝置，因此該過程是一種介于絕熱壓縮和等溫壓縮之間的多變壓縮過程。壓縮過程的p-V曲線見圖1，其中壓縮功為壓縮過程線與坐標軸p圍成的面積[2]。

圖1　壓縮空氣吸氣溫度對壓縮功的影響

圖1中a點為空壓機壓縮初始狀態點，a-b過程為等溫壓縮過程線，a-d過程為絕熱壓縮過程線，a-c過程為多變壓縮過程線,其壓縮功為a-c-f-o包絡的面積。當吸氣溫度升高時，空壓機運行能耗過高而效率低，對吸氣進行降溫處理后，壓縮初始狀態點由a點降溫變為s點(s點為對a點在等壓條件下降溫的壓縮初始狀態點)，s-e過程線為對吸氣進行降溫處理后的多變壓縮過程線，其壓縮功為s-e-f-o包絡的面積。在p-V圖上可以直觀地看出，由于吸氣溫度下降，所節省的壓縮功為a-c-e-s包絡的面積，節能效果顯著。

1.2吸氣含濕量對空壓機能耗的影響

空氣由干空氣和水蒸氣兩部分組成，由于水蒸氣所占組分很低，因此空氣可近似地看作是理想氣體來處理。然而在實際壓縮過程中，水蒸氣對壓縮功的影響不能忽視。將相同質量的不同含濕量的空氣在相同的壓縮機內進行壓縮時，其過程的p-V曲線見圖2。

圖2　壓縮空氣吸氣含濕量對壓縮功的影響

圖2中a點為空壓機壓縮初始狀態點，a-b過程線為將高含濕量的空氣進行壓縮的過程線，c-d過程線為將低含濕量的空氣進行壓縮的過程線[3-4]。在圖2中可以明顯看出，低含濕量的空氣比高含濕量的空氣可以減少壓縮功a-b-c-d包絡的面積，節能量非常可觀。在實際生產過程中，含濕量的變化除了對壓縮功有影響外，對干燥機耗能的影響也不能忽視。因此，含濕量對空壓機運行耗能影響非常明顯。

2咸陽某紡織廠空壓站簡介

咸陽某紡織廠空壓站為了滿足不同的生產工藝要求，設置有一個有油螺桿空壓機站和一個無油螺桿空壓機站，它們的平面布置見圖3和圖4。有油空壓站占地591.96m2，基座高30mm，設有7臺SULLAIR公司的有油螺桿空壓機，其中6臺為LS25S型空壓機和1臺為TS32S型空壓機，該站房空壓機出氣壓力為0.8MPa，有油空壓站平面布置見圖3。無油空壓站面積為448.53m2，基座高30mm，設有8臺Atlas公司的無油螺桿空壓機，有ZR-4型空壓機4臺，ZR-5型和ZR-250型空壓機各兩臺，額定輸出壓力是0.75MPa。空壓機自由空氣進口設置在屋頂上，自由空氣經過濾料對其進行除塵后進入空壓機，空壓機將過濾后的自由空氣進行壓縮后，將自由空氣壓縮成壓縮空氣進入冷干機分別對其進行冷卻和干燥處理，進入儲氣罐，供用戶使用。

1.LS25S型有油螺桿空壓機；2.TS32S型有油螺桿空壓機；3.自由空氣進口；4.后冷卻器；5.干燥機；6.儲氣罐圖3　有油空壓站平面布置

1.ZR-4型無油螺桿空壓機；2.ZR-5型無油螺桿空壓機；3.ZR-250型無油螺桿空壓機；4.自由空氣進口；5.后冷卻器；6.干燥機；7.儲氣罐圖4　無油空壓站平面布置

3空壓機能耗、吸氣參數的實驗測試與分析

由于吸氣溫度、濕度對空壓機能耗有顯著影響，咸陽市地處暖溫帶地區，屬于大陸性季風氣候，四季冷熱干濕分明，而該紡織廠由于考慮到初期設備投資及維護費用，僅對壓縮空氣吸氣進行過濾除塵處理。因此，本實驗分別在最冷月(一月、十二月)和最熱月(七月、八月)對空壓機吸氣溫度、濕度、空壓機產氣量和耗電量進行測試，并以此研究空壓機吸氣參數對能耗的影響。3.1空壓機日平均吸氣參數與能耗的實驗測試分析

空壓機排氣量和運行能耗與空壓機吸氣溫度、含濕量密不可分，本實驗分別在最冷月和最熱月對空壓機日平均吸氣溫度、濕度、產氣量和耗電量進行測試(日平均為測試日的平均值)，測試結果見表1。

由于最熱月空壓機吸氣溫度、濕度較高，咸陽某紡織廠空壓站若使用與其他月份相同臺數的空壓機，其排氣量不能滿足該紡織廠生產工藝對壓縮空氣的需求。因此，為了消除吸氣溫度過高、含濕量較大對排氣量的影響，該廠在最熱月較其它月增開一臺ZR-4型空壓機，以滿足正常生產需求。通過對該廠空壓機日平均吸氣溫度、濕度、產氣量和耗電量的測試發現，雖然最熱月增開一臺空壓機，但其排氣量仍不及低溫月的排氣量，但空壓站的平均能耗卻高出最冷月30%以上。

表1空壓機日平均吸氣溫度、濕度、產氣量和耗電量

測試時間溫度/℃相對濕度/%含濕量/(g/(kg干空氣))產氣量/(m3·min-1)耗電量/kWh一月1日0.0371.3347.244678916日3.5511.9336.2149010七月1日30.56216.0323.416675116日28.07517.8329.8363792八月1日27.08318.0330.166368016日32.05716.3317.2366890十二月1日7.0523.1333.265089616日4.0462.1339.4350683

“比能量”(kWh·m-3)表示輸出單位體積壓縮空氣所需的平均耗電量，是衡量空壓機能耗的重要指標。該指標因空壓機類型、吸氣參數和產氣壓力而異；該指標數值越小，表示空壓機的效率越高[5]。空壓機實際運行中，溫度、濕度對其效率影響顯著，咸陽某紡織廠空壓機日均比能量見表2。

表2空壓機日均比能量

測試日期一月1日16日七月1日16日八月1日16日十二月1日16日比能量/(kWh·m-3)0.0940.1010.1430.1340.1340.1460.1060.104

通過對咸陽某紡織廠空壓機日均比能量的分析，當吸氣溫度較高且濕度較大時，空壓機比能量超過了低溫低濕時的40%以上，這對空壓系統節能運行非常不利。且當空壓機吸氣溫度每增加1℃，生產1m3壓縮空氣的耗電將增加0.00375kWh，能耗上漲0.295%；當空壓機的吸氣含濕量每增加1g/kg(干空氣)，每生產1m3壓縮空氣的耗電量將增加0.00568kWh，能耗升高0.47%。

3.2空壓機月均吸氣參數與能耗的實驗測試分析

本實驗在最冷月、最熱月對空壓機的月平均吸氣溫度、濕度、產氣量、耗電量進行測試(月平均為測試月的平均值)，測試結果見表3。

表3空壓機月均吸氣溫度、濕度、產氣量和耗電量

測試月份溫度/℃相對濕度/%含濕量/(g/kg(干空氣))產氣量/(m3·min-1)耗電量/kWh比能量/(kWh·m-3)一月2.1713.2335.17489700.1015七月28.26716327.35640300.1358八月28.67017.1318.96652900.1422十二月3.9562.8340.25507800.1036

通過對咸陽某紡織廠月平均產氣量、耗電量的測試以及對月平均比能量的研究分析發現，在吸氣溫度、濕度較高時，空壓機月均比能量為0.142kWh/m3，而在低溫低濕時僅為0.102kWh/m3，因此，高溫高濕時每生產1m3壓縮空氣消耗的電能較低溫低濕時增加0.041kWh。除電費外，壓縮空氣生產成本還有空壓機潤滑油、定期保養及折舊費等其它費用，按照空壓機年工作時間4000h來計算其生產成本，其它費用與電費所占比例分別為19%和81%，按照咸陽市工業用電電價0.6元/kWh來計算，某紡織廠各月生產1m3壓縮空氣成本見圖5。

1.其它費用；2.電費；3.總費用圖5　各月壓縮空氣生產成本

由圖5可知，高溫高濕時生產1m3壓縮空氣的電費成本為0.085元，而低溫低濕時僅為0.061元，在生產相同壓縮空氣量的條件下，其電費成本相差35%。分析空壓站夏季排氣量低與能耗高的主要原因有以下幾個方面：

b)空壓機吸入空氣的含濕量對空壓站能耗有明顯影響；空壓機吸入空氣的含濕量越低，空壓機生產出的壓縮空氣經過冷卻后空氣所析出的凝結水就越少，同時干燥機的濕負荷也會減小，冷干機的效率均有所提高，它們的能耗就會相應減小。

c)當空壓機的吸氣量為定值時，吸入空氣的溫度越低，經過第一級壓縮后空氣溫度就越低，從而使得第二級壓縮的吸氣溫度就越低。這樣不僅使得空壓機運行溫度低處于較高性能的狀態，而且使空壓機內潤滑油保持穩定的狀態，減少了空壓機內部的磨損，空壓機的運行狀態得到提升，因此空壓機能耗降低。

5結論

通過在咸陽某紡織企業對空壓機組不同吸氣參數下能耗的測試及分析，可以得出以下結論。

a)壓縮空氣是一種能源成本很高的動力源，在咸陽某紡織企業，它的生產能耗占全廠總能耗的30.16%，企業應積極采取措施減少壓縮空氣在生產過程中的能耗。

b)通過對不同吸氣參數下空壓機能耗的測試、分析，天氣寒冷、空氣濕度低較天氣炎熱、空氣潮濕時空壓站能耗減小顯著，空壓機的吸氣溫度由28.6℃降低至2.1℃時，空壓機排氣量可提升約6%。以上數據僅為考慮溫度影響一項，實際的工作過程中，空壓機吸氣溫度降低后冷干機能耗、空壓機內部磨損都會減小，因此實際節能量會更大。

c)當空壓機的吸氣溫度每增加1℃時，每生產1m3壓縮空氣其電耗將增加0.00375kWh，能耗將增加0.295%；當空壓機的吸氣含濕量每增加1g/kg(干空氣)時，每生產1m3壓縮空氣其電耗將增加0.00568kWh，能耗將增加0.47%。因此，企業應盡可能地降低空壓機吸氣溫度和濕度。

根據以上結論，本文提出如下改進建議：紡織企業應采取積極措施對空壓機吸氣進行降溫干燥處理，尤其在夏季，應對自由空氣進行冷卻除濕后再送入空壓機并進行壓縮處理；但無限制地降低空壓機進口溫濕度不經濟，同時也不現實，因此應采用壓縮空氣與蒸發冷卻這類節能環保的冷卻除濕方式進行對空壓機吸氣進行預處理[6-7]，在保證空壓機高效運行的同時，也能延長空壓機的使用壽命，達到為企業節能節支的目的。

參考文獻：

[1] 秦宏波,黃軍徽,周華,等.基于系統測試的工業壓縮空氣系統節能技術應用研究[J].上海節能,2006(4):28-31.

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(責任編輯：張祖堯)

Research and Analysis on Effect of Suction Parameters on Air Compression Station Performance of Textile Mill

QINLi,YANSuqian,LIUNing,WEIShixiang

(College of Environmental and Chemical Engineering, Xi’an Polytechnic University, Xi’an 710048,China)

Abstract：This paper discusses the influence of suction parameters of air compressor in textile mill on energy consumption of air compression station with the method of combination of experimental test and theoretical calculation and conducts experimental test on suction parameters and energy consumption of air compressor in a textile mill in Xianyang. The result shows that energy consumption of air compression station reduces significantly under the condition of cold weather and low air humidity compared to the condition of hot weather and humid air; when suction temperature of air compressor reduces to 2.1℃ from 28.6℃, gas displacement of air compressor can increase by about 6%; when suction temperature of air compressor increases by 1℃ each, its energy consumption for producing each 1m3 compressed air will increase by 0.00375 kWh, i.e. 0.295%; when moisture content of suction of air compressor increases by 1g/(kg (dry air)) each, power consumption for producing 1m3 compressed air will increase by 0.00568 kWh, i.e. 0.47%.

Key words：textile mill; air compressor; suction parameters; temperature; humidity

收稿日期：2015-08-05

作者簡介：秦莉(1991-)，女，江蘇無錫人，碩士研究生，主要從事壓縮空氣系統的節能及優化的研究。 通信作者：顏蘇芊，E-mail:746266396@qq.com

中圖分類號：TS108.3

文獻標志碼：A

文章編號：1009-265X(2016)04-0022-05