組合式空調(diào)機(jī)組對紡織空氣壓縮機(jī)進(jìn)氣預(yù)處理的效果

崔琪琪，顏蘇芊，宋伯勇

(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.咸陽紡織集團(tuán)有限公司，陜西 咸陽 712000)

在工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域中，壓縮空氣作為一種清潔、環(huán)保的動力能源得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是在紡織行業(yè)，其能耗約占企業(yè)總能耗的30%～40%[1]。壓縮空氣系統(tǒng)中的大部分設(shè)備為電力驅(qū)動，其中空氣壓縮機(jī)作為壓縮空氣的生產(chǎn)設(shè)備，消耗的電能占到系統(tǒng)總電能的90%以上，在空氣壓縮機(jī)壽命周期成本中，能耗成本約占70%[2-3], 因此，降低空氣壓縮機(jī)的能耗對于整個工業(yè)領(lǐng)域系統(tǒng)節(jié)能具有重要的意義。

在紡織廠等工業(yè)場所的空壓站內(nèi)，由于空氣壓縮機(jī)電動機(jī)以及壓縮空氣系統(tǒng)中的其他設(shè)備發(fā)熱量均較大，夏季空壓站內(nèi)溫度會達(dá)到40 ℃以上，空氣壓縮機(jī)進(jìn)氣口的溫度更高，吸入40 ℃以上的高溫空氣會增加運(yùn)行能耗，使其排氣量和排氣壓力降低，進(jìn)氣溫度每增加3 ℃，空壓機(jī)的能耗約增加1%[4-5]。目前，很多企業(yè)對空壓站進(jìn)行通風(fēng)降溫，但這種方法對空氣壓縮機(jī)性能的提升并沒有太大的作用。本文以咸陽市某紡織企業(yè)為例，介紹了組合式空調(diào)機(jī)組對空氣壓縮機(jī)入口空氣預(yù)處理方法，通過實地測試和研究，有效降低了空氣壓縮機(jī)進(jìn)氣溫濕度，延長了空氣壓縮機(jī)的使用壽命，并且具有顯著的節(jié)能效果。

1 某紡織企業(yè)空氣壓縮系統(tǒng)概況

咸陽市某紡織企業(yè)空壓站的建筑面積為1 945.44 m2，設(shè)有阿特拉斯公司(Atlas)生產(chǎn)的空氣壓縮機(jī)共11臺，其中離心式5臺，螺桿式6臺。在日常生產(chǎn)中，僅開啟5臺離心式和1臺螺桿式空氣壓縮機(jī)即可滿足生產(chǎn)要求。離心式空氣壓縮機(jī)的單臺產(chǎn)氣量為295 m3/min，額定功率為1 359 kW。空壓站內(nèi)的空氣，由進(jìn)氣口經(jīng)濾塵桶過濾后進(jìn)入空氣壓縮機(jī)進(jìn)行三級壓縮。該廠每年夏季會開啟冷凍水站，持續(xù)時間1個月，空壓站內(nèi)設(shè)有組合式空調(diào)機(jī)組(新疆華奕新能源科技有限公司)，通過側(cè)送風(fēng)口為空壓站送風(fēng)降溫。

2019年8月冷凍站開啟后對5臺離心式空氣壓縮機(jī)進(jìn)行了測試，測試內(nèi)容包括進(jìn)氣口溫度、相對濕度、壓力及風(fēng)速，測試儀器為testo175H1型電子溫濕度記錄儀(上海五久自動化設(shè)備有限公司)、testo410-1型葉輪風(fēng)速儀(上海雙旭電子有限公司)、畢托管及DP2000智能數(shù)字微壓計(上海永智儀表設(shè)備有限公司)。

空氣壓縮機(jī)的進(jìn)氣口設(shè)置在進(jìn)氣柜頂端，長1 530 mm，寬180 mm，將每臺離心式空氣壓縮機(jī)進(jìn)氣口分為10個測試點，空氣壓縮機(jī)進(jìn)氣口尺寸及測試點位置見圖1。

圖1 空氣壓縮機(jī)進(jìn)氣口尺寸及測試點位置

進(jìn)行3次測試，測試結(jié)果為3次測試的算術(shù)平均值，4號空氣壓縮機(jī)進(jìn)氣口參數(shù)測試結(jié)果見表1。連續(xù)10天進(jìn)行測試，5臺離心式空氣壓縮機(jī)日均進(jìn)氣口參數(shù)測試結(jié)果見表2。

表1 4號空氣壓縮機(jī)進(jìn)氣口參數(shù)測試結(jié)果

表2 5臺離心式空氣壓縮機(jī)日均進(jìn)氣口參數(shù)測試結(jié)果

從表2可以看出，冷凍站開啟時空氣壓縮機(jī)進(jìn)氣口平均溫度高達(dá)40.2 ℃，平均相對濕度為31.2%，平均風(fēng)速為21.4 m/s，平均負(fù)壓為519 Pa。空氣壓縮機(jī)運(yùn)行時溫度范圍應(yīng)保持在18～30 ℃[6]，該進(jìn)氣口溫度較高，不利于空氣壓縮機(jī)運(yùn)行。由此可見，整體通風(fēng)降溫效果并不明顯，只有針對進(jìn)氣口進(jìn)行預(yù)處理，才能真正改善空氣壓縮機(jī)的性能，提高其工作效率，減少能耗。

2 空氣壓縮機(jī)進(jìn)氣預(yù)處理實驗

2.1 實驗方案

經(jīng)過對該紡織企業(yè)空壓站的調(diào)研，決定利用現(xiàn)有的組合式空調(diào)機(jī)組對空氣壓縮機(jī)進(jìn)行預(yù)處理。該空壓站空調(diào)室設(shè)有2臺組合式空調(diào)機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行，其均由過濾段、表冷段和風(fēng)機(jī)段組成。

組合式空調(diào)機(jī)組的原系統(tǒng)利用側(cè)墻上的送風(fēng)口，將處理過的空氣通入空壓站進(jìn)行通風(fēng)降溫，由表2測試數(shù)據(jù)可知5臺離心式空氣壓縮機(jī)進(jìn)氣口溫度均在39 ℃以上，降溫效果不明顯?，F(xiàn)利用風(fēng)管將組合式空調(diào)機(jī)組處理后的空氣送至空氣壓縮機(jī)進(jìn)氣口，對其入口空氣進(jìn)行降溫除濕，預(yù)處理系統(tǒng)風(fēng)管布置見圖2。因空氣壓縮機(jī)進(jìn)氣口負(fù)壓較大，為避免風(fēng)管對其進(jìn)氣壓力狀態(tài)產(chǎn)生影響，故在風(fēng)管與進(jìn)氣口之間留有200 mm左右的距離。若風(fēng)管提供的風(fēng)量不足，由空壓站內(nèi)空氣進(jìn)行補(bǔ)充。

圖2 預(yù)處理系統(tǒng)風(fēng)管布置

2019年8月，在冷凍站開啟后連續(xù)1周分別對組合式空調(diào)機(jī)組、空氣壓縮機(jī)進(jìn)行測試，并根據(jù)測試結(jié)果對二者的性能和能耗進(jìn)行計算，分析空氣壓縮機(jī)入口空氣預(yù)處理對空壓系統(tǒng)能耗的影響。

2.2 組合式空調(diào)機(jī)組處理效果核算

2.2.1 運(yùn)行參數(shù)測試

根據(jù)實驗方案對組合式空調(diào)機(jī)組進(jìn)行為期1周的測試，測得表冷段平均進(jìn)水水溫為15 ℃，出水水溫為18.8 ℃。組合式空調(diào)機(jī)組運(yùn)行參數(shù)測試結(jié)果見表3?？梢钥闯?，單臺組合式空調(diào)機(jī)組的實際風(fēng)量為91 820 m3/h，可將室外空氣干球溫度從36.8 ℃降至25.4 ℃，平均降低11.4 ℃，降溫效果較為明顯，同時含濕量也降低了0.6 g/kg。

表3 組合式空調(diào)機(jī)組運(yùn)行參數(shù)測試結(jié)果

2.2.2 換熱量和換熱效率計算

根據(jù)上述測試結(jié)果，現(xiàn)對組合式空調(diào)機(jī)組中表冷段的換熱過程進(jìn)行校核計算。每臺組合式空調(diào)機(jī)組表冷段均由上下2臺整體式翅片管換熱器并聯(lián)而成，單臺換熱器尺寸為2 950 mm×1 260 mm×200 mm，材質(zhì)為銅管鋁翅片，管排數(shù)為4排，排列方式為等邊三角形的叉排排列。從表3可以看出，進(jìn)入單臺組合式空調(diào)機(jī)組的風(fēng)量為91 820 m3/h，即單臺換熱器的處理風(fēng)量為45 910 m3/h?，F(xiàn)以單臺換熱器校核計算為例，由熱平衡方程式，得到換熱量Q及傳熱系數(shù)K，見式(1)～(3)：

Q=G1(i1-i2)=G2Cw(t1-t2)

(1)

(2)

(3)

式中：G1為換熱器的處理空氣量，kg/s；G2為冷凍水流量，kg/s；Cw為水的平均比熱容，kJ/(kg·℃)；i1為空氣的進(jìn)口焓值，kJ/kg；i2為空氣的出口焓值，kJ/kg；T1為空氣的進(jìn)口溫度，℃；T2為空氣的出口溫度，℃；t1為冷凍水的進(jìn)口溫度，℃；t2為冷凍水的出口溫度，℃；Δtm為換熱器的對數(shù)平均溫差，℃；A為換熱器的換熱面積，m2，根據(jù)該換熱器的結(jié)構(gòu)得到單臺換熱器換熱面積為225 m2。

將已知數(shù)據(jù)代入式(1)～(3)計算得出，單臺換熱器的換熱量Q為201.6 kW，冷凍水流量G2為12.6 kg/s，傳熱系數(shù)K為64.6 W/(m2·℃)。在換熱器對空氣的熱濕處理過程中，換熱效率的高低直接影響著能耗大小與空氣品質(zhì)的好壞，是衡量換熱器性能的重要參數(shù)[7]。換熱效率的實質(zhì)是換熱器的傳熱效能，指換熱器中的實際換熱量與理論上最大可能換熱量的比值。通常，4排管換熱器按逆流流動處理，換熱效率η計算公式如下：

(4)

(5)

(6)

式中：C*為換熱器的熱容比，即較小熱容量Wmin與較大熱容量Wmax的比值；Cp為空氣的平均比熱容，kJ/(kg·℃)；ξ為析濕系數(shù)，經(jīng)計算得該換熱過程的析濕系數(shù)ξ為1.16。將已知數(shù)據(jù)代入式(4)～(6)計算得出該組合式空調(diào)機(jī)組的換熱效率η為58.2%，效率略低，一方面換熱器長時間無人清理導(dǎo)致污垢熱阻較大影響水和空氣的熱交換；另一方面該換熱器的迎面風(fēng)速為3.9 m/s，超出設(shè)計風(fēng)速合理范圍2.0～3.0 m/s[8]，且水流速也僅為0.79 m/s，均影響換熱器的換熱效率。據(jù)此，在換熱器設(shè)計中應(yīng)適當(dāng)提高水流速，降低迎面風(fēng)速，提高其換熱效率，增加換熱器的實際換熱量，降低能耗。

2.3 處理前后空氣壓縮機(jī)運(yùn)行參數(shù)測試

2.3.1 產(chǎn)氣量和功率

為了衡量空氣壓縮機(jī)的性能，測試其進(jìn)氣參數(shù)、產(chǎn)氣量與功率，并以此為依據(jù)計算全效率。按照實驗方案，對空氣壓縮機(jī)進(jìn)氣口干球溫度、含濕量、風(fēng)速以及產(chǎn)氣量和功率進(jìn)行測試并取平均值，預(yù)處理前后空氣壓縮機(jī)運(yùn)行參數(shù)測試結(jié)果見表4。從表4可以看出，經(jīng)過組合式空調(diào)機(jī)組預(yù)處理的進(jìn)氣口在夏季炎熱時干球溫度從39.8 ℃降至27.8 ℃，平均降低12 ℃，降溫效果較為顯著，含濕量也降至15.7 g/kg，比未經(jīng)預(yù)處理時低0.6 g/kg。

表4 預(yù)處理前后空氣壓縮機(jī)運(yùn)行參數(shù)測試結(jié)果

該空壓站單臺空氣壓縮機(jī)的原產(chǎn)氣量為295 m3/min，使用組合式空調(diào)機(jī)組為其送風(fēng)后，產(chǎn)氣量增加為334.6 m3/min。通過計算可得，采用該組合式空調(diào)機(jī)組向空氣壓縮機(jī)提供27.8 ℃的低溫低濕空氣進(jìn)行預(yù)處理，與未經(jīng)預(yù)處理時進(jìn)氣溫度39.8 ℃相比，單臺產(chǎn)氣量增加39.6 m3/min，提高13.4%。同時，單臺空氣壓縮機(jī)運(yùn)行功率也減少了50 kW，降低了4.08%，即進(jìn)氣溫度每降低1 ℃，空氣壓縮機(jī)能耗降低0.34%，與文獻(xiàn)[4]中進(jìn)氣溫度每增加3 ℃，空壓機(jī)能耗增加1%的結(jié)論一致。

2.3.2 全效率計算

空氣壓縮機(jī)的種類、工作原理各不相同，評價其能耗的指標(biāo)有很多種，本文采用全效率作為衡量空氣壓縮機(jī)能效的指標(biāo)，即氣動功率與電動機(jī)輸入功率之間的比值，其大小反映輸入電量轉(zhuǎn)換為壓縮空氣有效能的多少[9]。全效率η的計算公式如下：

(7)

(8)

式中：Pair為輸出壓縮空氣的有效氣動功率，是壓縮空氣流動時，含有的有效能表現(xiàn)為動力的形式[10]，kW；Pele為空氣壓縮機(jī)的電力消耗，kW·h；z為空氣壓縮機(jī)的壓縮級數(shù)；B為標(biāo)準(zhǔn)大氣絕對壓力，MPa；qv為壓縮空氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的產(chǎn)氣量，m3/min；Pe為空氣壓縮機(jī)的排氣絕對壓力，MPa。預(yù)處理前后空氣壓縮機(jī)全效率計算結(jié)果見表5。

表5 預(yù)處理前后空氣壓縮機(jī)全效率計算結(jié)果

從表5可以看出，組合式空調(diào)機(jī)組為空氣壓縮機(jī)進(jìn)氣口送風(fēng)以后，其全效率變?yōu)?5.98%，提高了約11%，大大提高了空氣壓縮機(jī)的工作效率。

3 能耗及經(jīng)濟(jì)性分析

采用組合式空調(diào)機(jī)組為空氣壓縮機(jī)進(jìn)氣口降溫除濕雖然可以提高產(chǎn)氣量，并且使其耗電量降低，節(jié)約能源，但是預(yù)處理系統(tǒng)中的風(fēng)機(jī)、水泵、制冷機(jī)組等也消耗電能，所以需要將預(yù)處理系統(tǒng)和空氣壓縮機(jī)結(jié)合起來綜合分析系統(tǒng)的能耗以及運(yùn)行費用。

通過測試可知，單臺空氣壓縮機(jī)的產(chǎn)氣量提高了39.6 m3/min，功率降低了50 kW。組合式空調(diào)機(jī)組送風(fēng)機(jī)功率為7.5 kW；制冷系統(tǒng)中，制冷機(jī)組功率為15.05 kW，冷卻塔功率為0.36 kW，水泵功率為2.8 kW，預(yù)處理系統(tǒng)合計功率為28.5 kW，月耗電量為20 520 kW·h。按該廠夏季空調(diào)運(yùn)行1個月，分別計算無預(yù)處理和進(jìn)行預(yù)處理的空氣壓縮機(jī)及預(yù)處理系統(tǒng)能耗，綜合比較節(jié)能效果，加裝組合式空調(diào)機(jī)組的單臺空氣壓縮機(jī)夏季能耗分析見表6。

表6 加裝組合式空調(diào)機(jī)組的單臺空氣壓縮機(jī)夏季能耗分析

從表6可以看出，采用組合式空調(diào)機(jī)組對空氣壓縮機(jī)進(jìn)行預(yù)處理，考慮預(yù)處理設(shè)備能耗綜合分析，單臺空氣壓縮機(jī)每月產(chǎn)氣量可增加171.07 萬m3，節(jié)約電量1.550 萬kW·h，按咸陽市工業(yè)電價平均0.65元/(kW·h)計算，每月可節(jié)約電費1.006萬元。若5臺離心式空氣壓縮機(jī)均經(jīng)預(yù)處理，則月產(chǎn)氣量共增加855.36萬m3，節(jié)約電量7.74萬kW·h，電費可降低5.031萬元。

由此可見，采用組合式空調(diào)機(jī)組對空氣壓縮機(jī)進(jìn)行預(yù)處理具有很高的節(jié)能潛力和經(jīng)濟(jì)效益，不僅可以提高后續(xù)干燥冷卻的工作效率，還可減少空氣壓縮機(jī)機(jī)械構(gòu)件的磨損和故障率，提高其使用壽命，安全生產(chǎn)得到了保障，也體現(xiàn)著另一方面的節(jié)能效益。

4 結(jié) 論

使用組合式空調(diào)機(jī)組對空氣壓縮機(jī)入口空氣進(jìn)行預(yù)處理，通過對其運(yùn)行參數(shù)和能耗方面進(jìn)行測試，可以得出以下結(jié)論：

①通過對咸陽某紡織廠調(diào)研和測試發(fā)現(xiàn)，在夏季冷凍站開啟并為空壓站進(jìn)行側(cè)送風(fēng)時，空氣壓縮機(jī)進(jìn)氣口平均溫度仍高達(dá)40.2 ℃，空壓站內(nèi)通風(fēng)降溫效果不明顯，企業(yè)應(yīng)通過采取進(jìn)氣口預(yù)處理的方法提升空氣壓縮機(jī)的性能。

②用組合式空調(diào)機(jī)組對空氣壓縮機(jī)進(jìn)行預(yù)處理，可使單臺空氣壓縮機(jī)進(jìn)氣溫度平均降低12 ℃，含濕量降低0.6 g/kg，從而使其產(chǎn)氣量增加13.4%，耗電量降低4.08%，每月節(jié)約電費1.006萬元。5臺離心式空氣壓縮機(jī)同時運(yùn)行，每月可為該紡織企業(yè)增加產(chǎn)氣量855.36萬m3，節(jié)約電量7.74萬kW·h，節(jié)省電費5.031萬元，節(jié)能和經(jīng)濟(jì)效益非常好。紡織企業(yè)應(yīng)積極采用措施降低空氣壓縮機(jī)進(jìn)氣溫濕度，提高其工作效率，為企業(yè)節(jié)約能耗、提高效益。