噴氣織機中壓縮空氣的泄漏評估及其修復優化

顏蘇芊， 王力平

(西安工程大學 環境與化學工程學院， 陜西 西安 710048)

噴氣織機因運行速度快，生產效率高，引緯方式合理及操作過程安全、簡便[1]等特點，被廣泛使用。壓縮空氣作為噴氣織機動力源，在引緯過程中起重要作用，然而，理論研究及生產實踐表明，噴氣織機能耗巨大，其中壓縮空氣消耗約占總體的72%[2]，除生產消耗外，泄漏占主要部分。泄漏不僅浪費能源，還會導致運行損失；因此，降低噴氣織機能耗主要從減少甚至消除壓縮空氣泄漏入手，并采取優化措施，以達到降耗要求。

目前國內外已對壓縮空氣泄漏問題做了一些研究，但針對噴氣織機卻少有提及，此外檢測手段的應用、有關泄漏參數的分析、能耗評估及優化建議等有待進一步細化和完善。本文在對壓縮空氣泄漏現有研究基礎上，從單臺噴氣織機出發，采用多種技術手段有機結合在一起對壓縮空氣在引緯機構輸送及使用過程中的泄漏情況進行討論，分析泄漏量與壓降、溫度變化的影響機制，以此為基礎提出泄漏修復優化建議，對壓縮空氣在噴氣織機中的泄漏作出評價。

1 引緯機構

1.1 引緯原理

引緯機構是噴氣織機的關鍵機構之一。噴氣織機引緯是以壓縮空氣為載體，利用壓縮空氣通過噴嘴產生的高速氣流將緯紗牽引穿過梭口[3]，完成引緯。引緯時壓縮空氣壓力低，速度高[4]。

1.2 引緯方式

壓縮空氣進入噴氣織機前，先通過過濾器濾除雜質然后進入調壓箱，經分路調壓后分別輸送至主氣包和輔氣包，再經電磁閥輸送至主噴嘴及輔噴嘴。其中，主噴嘴所需的壓縮空氣由主氣包經電磁閥供給；輔助噴嘴及儲緯器所需的壓縮空氣由輔氣包供給[5]。壓縮空氣在引緯機構走向如圖1所示。引緯時，壓縮空氣從主噴嘴噴出，緯紗在氣流作用下從儲緯器上退繞下來，穿過主噴嘴在異型筘的筘槽中飛行，輔助噴嘴通過向筘槽補充氣流使緯紗從供緯側移動到另一側，從而完成引緯[6]。

圖1 壓縮空氣在引緯機構走向Fig.1 Compressed air in weft insertion mechanism

2 某織布車間噴氣織機泄漏實測

2.1 噴氣織機類型

選擇西安某織布車間8種型號噴氣織機共計643臺，其中：PS209e-190型206臺；ZA203-280型104臺；ZAX-190型48臺；CA082型72臺；ZAX-e-190型 50臺；ZA205i-190型13臺；ZA203-190型54臺以及JA610-190型96臺。

各型號噴氣織機車間布置見圖2。針對泄漏問題，從每臺噴氣織機的引緯機構入手進行探究。

圖2 各型號織機車間布置圖Fig.2 Air-jet loom workshop layout

2.2 檢測方法

泄漏檢測主要涉及泄漏有無、泄漏定位及泄漏定量。目前現有的檢測方法只是針對石油、天然氣管道泄漏，主要分為硬件和軟件、直接和間斷、內部和外部以及檢測管壁狀況和內部流體狀態檢測的方法。針對壓縮空氣泄漏的檢測，國內外文獻少有提及。由于氣體相似性，壓縮空氣泄漏檢測的處理方法可等同于油氣等工業流體。現有的檢測方法在使用工況和應用范圍內存在一定的局限，結合噴氣織機壓縮空氣使用環境及要求，采用泄漏檢測儀、超聲波掃描槍及紅外熱像儀有機結合的方式從噴氣織機引緯機構入手探究泄漏情況，使其優勢互補，提高檢測性能。

2.3 泄漏情況

2.3.1定量實驗

定量實驗時選取停車織機。檢測過程中部分織機無法定量，經排查原因主要有：閑置接口堵塞，吹掃不干凈；球閥及接口的意外破壞造成部件缺失或破損；織布車間生產要求及停車時間等影響。涉及ZA203-280、ZA203-190、JAT-610-190及ZA205i-190 共4種型號267 臺織機。對于這部分織機，暫不考慮泄漏情況，只對可檢測的織機進行計算評估。

本次測試抽取了大量織機進行泄漏實驗，因篇幅有限，在大量抽檢基礎上，只對剩余每種型號可檢測織機隨機抽選10臺進行具體分析。4種型號織機泄漏量及耗電量見表1。

表14種型號織機泄漏量及耗電量

Tab.1leakageandpowerconsumptionoffourtypesoflooms

織機型號編號壓力/MPa泄漏量/(L·min-1)耗電量/(kW·h)織機型號編號壓力/MPa泄漏量/(L·min-1)耗電量/(kW·h)PS209e?1901060167930407206089998059930585945505674058809104855059994270565606028011048070593741504448056647300283905929711058210060561110366ZAX?e?19010569517803102059263530381305875012030040579549903295057759440356606014568027570595315101898059570900425905847119042710058272610435CA08210599>500—20517>500—30592>500—40601>500—50599>500—60592>500—70587>500—80589>500—90579>500—10058930070180ZAX?1901060276510459206067390044305833591021540543<10000050569<10000060564<10000070513295701778057730860233905706820040100589<100000

由表1可得出：單臺PS209e-190型織機平均泄漏量為79.742 L/min,由于泄漏，每臺每年多耗電 4 186 kW·h；單臺ZAX-e-190型織機平均泄漏量為57.175 L/min,每臺每年因壓縮空氣泄漏浪費的電能為3 002 kW·h；隨機測試中ZAX-190型有4臺織機泄漏量小于1.0 L/min，經多次測量結果一致，且經排查未發現泄漏點，處理時則認為沒有泄漏，耗電損失為0，因此，ZAX-190型單臺平均泄漏量為 31.177 L/min；對于抽選的CA082型織機有9 臺泄漏量超出檢測量程。為進一步探究泄漏情況，重新抽選20臺CA082型織機繼續泄漏實驗。CA082型織機泄漏量與耗電量見表2。

表2 CA082型織機泄漏量與耗電量

由表2可知：重新抽選的CA082型織機中泄漏量大于500 L/min的占60%，實際處理時對于這部分織機泄漏量按500 L/min估算，且忽略其對耗電損失的影響；因此，CA082型單臺織機平均泄漏量為324.283 L/min，1 a泄漏量為170 443.145 m3，實際每臺每年因泄漏浪費電遠大于3 188 kW·h。

壓縮空氣成本由生產1 m3壓縮空氣耗電量和空氣壓縮機維護成本等部分組成。該紡織廠空壓系統共有螺桿式空壓機和離心式空壓機2種，共計169臺。以Atlas公司ZR3B型螺桿式空壓機為例，其額定功率為110 kW,排氣量為15.06 m3/min，也就是說這臺空壓機的耗電量為110 kW·h，根據中國企業情況，電費平均為1.0 元/(kW·h)，則這臺空壓機1 h就要花費110 元。空壓機排氣量為 903.6 m3/h，因此，每立方米壓縮空氣成本為 0.1元，考慮到空壓機的維護成本以及管道漏氣等情況(占實際成本的30%)，實際成本大概為 0.14 元/m3。根據該廠離心式空壓機規格計算得到的結果與上述一致，因此，標準狀態下每立方米壓縮空氣成本按0.14 元計算。具體泄漏損失匯總見表3。

表3 泄漏損失匯總Tab.3 Summary of leakage loss

由表3可知：該織布車間壓縮空氣1 a泄漏量約為 2.303×107m3，消耗電量遠超過1.322×106kW·h；每年因壓縮空氣泄漏造成的經濟損失達 322.435萬元。

2.3.2定位實驗

壓縮空氣泄漏部位有管道、法蘭、螺紋連接、閥體、接頭、過濾器、調壓箱、儲緯器及噴嘴。4種型號織機泄漏原因見表4。對各型號織機泄漏原因進行匯總分析得到：泄漏主要來源于管路輸送、連接部件以及壓縮空氣使用點設備[6]，歸根到底，泄漏是設備在使用過程中零部件老化和破損而沒有及時修復更換[7]引起的。

對重新抽選的20臺CA082型織機泄漏原因分析發現：泄漏量大于500 L/min的織機其部件破損相對嚴重，破損部位主要為過濾器。過濾器對壓縮空氣具有凈化作用，包括空氣過濾器和油霧濾氣器 2部分。過濾器破損，不僅產生泄漏致使能耗增加，嚴重時可造成氣路堵塞，零件生銹影響織物質量。表5示出其不同部件用途及損壞后果的匯總。

壓縮空氣在噴氣織機的泄漏原因包括：噴氣織機的自然老化；運行過程中因操作不規范或意外破壞，管道、閥體等出現裂紋；受車間溫度、濕度影響，密封部件材料腐蝕老化；結構缺陷；壓力波動造成螺栓松動；故障處理不當等。

2.3.3泄漏探討

對4種型號織機泄漏實驗研究發現，泄漏原因繁雜多樣，同臺織機存在多種泄漏情況，同種型號的織機泄漏原因不盡相同。為保證實驗結果的普遍性，測試時對織機進行大量抽檢，以排除個別情況的干擾而影響泄漏評估。測量過程中，部分織機存在泄漏，然而定位時并沒有明顯泄漏點，經過分析是由于織機本身的生產要求所致。此外，對同1臺織機多次測量發現，相同條件下測量結果并不相同，通過重復實驗發現，造成結果差異的原因主要有季節、操作及織機周期3方面；因此，為避免誤差對測試結果的影響，實驗時采取多次測量的辦法，并在同等條件下對數據進行分析比較，若數值差距太大，則在織機未發生新的泄漏前提下繼續測量以保證數據穩定及準確。若同一條件下，數據差別不大且連續，則對數據采取求均值的辦法進行處理。

2.4 參數對泄漏量及能耗的影響

2.4.1壓降與泄漏量及能耗的關系

壓縮空氣在噴氣織機引緯機構傳輸過程中，由于管線阻力及局部阻力產生壓降，泄漏加劇壓降變化，壓降變化消耗了氣流能量產生能耗。

圖3示出西安某織布車間壓降與泄漏量的關系。壓縮空氣實際供氣壓力為0.6 MPa。可以看出，當壓降為0.01 MPa時，氣體泄漏量為 35.91 L/min,壓降為0.02 MPa時，氣體泄漏量增加 9.77 L/min。可見，壓縮空氣泄漏量隨壓降的增加而增大。這是因為定量實驗時，泄漏檢測儀并聯接入噴氣織機閑置接口與引緯機構組成回路，壓縮空氣泄漏到環境使得回路中壓力下降，泄漏量越多壓降越大。泄漏量與壓降存在類似正比關系，故采取線性擬合。通過下式對實驗值進行擬合：

Q=a+bΔP

(1)

式中：Q為壓縮空氣泄漏量；ΔP為壓降；a、b為擬合常數。

擬合結果為：

Q=28.492 86+889.547 62ΔP

(2)

復相關系數R2=0.991 5，實驗值與擬合曲線重合度較好，因此，式(2)即為泄漏量與壓降的關系式。

壓縮空氣的能耗表現為耗電。圖4示出耗電量與壓降關系。可以看出，耗電量隨壓降的增加而增大。計算發現，壓降增加0.01 MPa，能耗相應增加0.3%～0.5%[8]。從圖4看到，實驗值在擬合曲線上下浮動，呈線性增長。擬合得到壓降與耗電量之間關系式為：

表4 4種型號織機泄漏原因Tab.4 Leakage causes of four types of looms

表5 不同部件匯總Tab.5 Summary of different components

圖3 泄漏量與壓降關系Fig.3 Relationship between leakage and pressure drop

Q′=0.171+5.325ΔP

(3)

式中，Q′為耗電量。 復相關系數R2=0.991 58。

圖4 耗電量與壓降關系Fig.4 Relationship between power consumptionand pressure drop

2.4.2溫度變化與泄漏量及能耗的關系

壓縮空氣在噴氣織機引緯機構輸送過程中，氣體溫度與周圍環境溫度不同。壓縮空氣泄漏時表面溫度場會發生變化，表面溫度是推斷部件內部特性的重要信息，通過分析泄漏位置表面溫度變化從而對泄漏進行定性分析。實驗時，織布車間環境溫度為 32 ℃。溫度變化與泄漏量關系見圖5。可以看出，泄漏位置溫度變化越大，泄漏量越多。這是因為壓縮空氣隨泄漏發生整體膨脹，并與環境產生熱量交換導致氣體溫度降低，泄漏量越多，泄漏表面溫度越低。擬合得到泄漏量與溫度變化之間的關系式為：

Q=68.914 34Δt-35.710 44

(4)

式中，ΔT為溫度變化。復相關系數R2=0.973 22。

圖5 泄漏量與溫度變化關系Fig.5 Relationship between leakage and temperature change

圖6示出耗電量與溫度變化關系。可以看出，泄漏位置溫度變化升高0.1 ℃，耗電量增加70%～90%。耗電量隨溫度變化的增加而增大。擬合得到溫度變化與耗電量之間的關系式為：

Q′=0.412 54Δt-0.213 34

(5)

復相關系數R2=0.973 34。

圖6 耗電量與溫度變化關系Fig.6 Relationship between power consumptionand temperature change

3 修復及優化

泄漏不僅影響織機效率，增加運行成本，而且能耗損失嚴重，因此，泄漏修復及優化非常關鍵。針對檢測過程泄漏情況，應采取相應的修復方案。修復方案的選擇既要確保徹底修復漏點，又要保證各部件之間正常運行。

泄漏優化措施見表6。對于管道的泄漏修復一般采用再緊固、上堵頭、加盲板、夾卡具、打包套、液壓注膠等方法[9]；法蘭、接頭此類密封部件，應加強日常運行中的管理及維護，通過更換墊片、擰緊的方式進行修復，并對密封點部件進行標識；對于電磁閥等使用點設備，定期檢查、及時清理積垢確保元件活動靈敏，磨損配件及時維修更換確保配件精密性，必要時根據實際情況進行更換[10]。修復后，需對組件進行復測，以確保成功修復。

表6 泄漏優化措施

注：CIPP指原位固化法。

4 結束語

引緯功能決定著噴氣織機的優劣。由于噴氣織機壓縮空氣使用環境及要求，采用多種技術手段有機結合方式對壓縮空氣在引緯機構輸送及使用過程中的泄漏問題進行定性研究。對西安某織布車間定位實驗得到泄漏分布部位，同時分析了泄漏來源，探討了泄漏規律。對可測織機定量實驗發現，該織布車間1 a壓縮空氣泄漏量為2.303×107m3，消耗的電量遠超1.322×106kW·h。由于泄漏造成的經濟損失達322.435 萬元。可見，采取修復及優化對降低紡織企業運行成本，減少能源浪費尤為關鍵。此外，壓縮空氣泄漏量與壓降、泄漏位置表面溫度變化存在線性關系，通過對各參數間關系的探討，對減少甚至消除泄漏進而達到降低能耗具有重要意義。

FZXB

參考文獻：

[1] 李先敏,李學耕. 用好新型噴氣織機的探討[J]. 現代紡織技術,2004,12(2):28-31.

LI Xianmin,LI Xuegeng. Discussion on using new type air-jet loom[J]. Advanced Textile Technology[J],2004,12(2):28-31.

[2] 徐浩貽. 噴氣織機能耗及降低輔助噴嘴氣耗的探討[J]. 紡織學報,2010,31(5):126-130.

XU Haoyi. Research on energy-consumption of air-jet loom and decrease in air-consumption of relay nozzle[J].Journal of Textile Research, 2010,31(5):126-130.

[3] 孔令劍. 噴氣織機引緯機構探討[J]. 麻紡織技術,1998,21(3):23-25.

KONG Lingjian. Weft insertion mechanism of air jet loom[J]. Bast Textile Technology,1998,21(3):23-25.

[4] 吳重敏. 噴氣織機引緯流場的研究[D].上海:東華大學,2010:9-10.

WU Chongmin. Reserach on weft insertion flow fleld of air-jet loom[D].Shanghai:Donghua University，2010:9-10.

[5] 張敏,王鴻博,高衛東,等. 噴氣織機輔助噴嘴流場特性與耗氣量分析[J]. 紡織學報, 2016,37(12):123-128.

ZHANG Min,WANG Hongbo, GAO Weidong, et al. Analysis on weft insertion flo w and gas consumption of auxiliary nozzle in air-jet loom[J]. Journal of Textile Research.2016,37(12):123-128.

[6] 張平國. 噴氣織機引緯原理與工藝[M]. 北京：中國紡織出版社,2005:13-16.

ZHANG Pingguo. Air-jet Loom Weft Insertion Principle and Technology[M].Beijing:China Textile & Apparel Press,2005:13-16.

[7] 陳才發,華優基. 壓縮空氣系統的檢漏與節能[J]. 通用機械,2015(3):61-63.

CHEN Caifa, HUA Youji. Compressed air system of leak detection and energy-saving[J]. General Machinery,2015(3):61-63.

[8] 蔡茂林. 壓縮空氣系統的能耗現狀及節能潛力[J]. 中國設備工程,2009(7):42-44.

CAI Maolin. Energy consumption status and energy saving potential of compressed air system[J]. China Plant Engineering,2009(7):42-44.

[9] 徐浩貽. 噴氣織機節能現狀與展望[J]. 紡織學報,2010,31(9):143-150.

XU Haoyi. Actuality and outlook for energy-saving of air-jet looms[J].Journal of Textile Research,2010,31(9):143-150.

[10] 張曉燕,高飛,呂金雯. 揮發性有機物泄漏檢測與修復技術經驗研究[J]. 環境科學與管理,2017,42(4):138-142.

ZHANG Xiaoyan, GAO Fei, Lü Jinwen. Theoretical and empirical study on technologies of VOCLDAR[J]. Environmental Science and Management, 2017,42(4):138-142.

[11] 王建勛,蔡秀凡. 噴氣織機常見故障分析及對策[J]. 機械管理開發,2017,32(5):185-186.

WANG Jianxun, CAI Xiufan. Analysis and counter measures of common troubles in air jet loom[J]. Mechanical Mangement and Development. 2017,32(5):185-186.