紡織廠空壓機進氣預處理與區域適用性研究

顏蘇芊 劉倩倩 秦 莉 李 彪

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

壓縮空氣被廣泛應用于紡織企業中，其耗電量占企業總耗電的20%～30%，是除工藝耗電外耗能最多的部分［1-2］。我國幅員遼闊，不同地區、不同季節室外空氣參數差異較大，如果對空壓機進氣進行降溫干燥處理，雖然能降低空壓機進氣溫濕度及其運行能耗，但是預處理設備有初期投資和本身運行費用等，可能會存在節能效果不明顯和經濟效益不高的問題。

本研究在西安某紡織廠搭建試驗臺，測試空壓機增設進氣預處理設備后的綜合節電量，并以氣象條件為依據，分析廣州、福州、鹽城、西安等4個地區空壓機進氣預處理設備的適用性，以及增設預處理設備后系統的節能情況和經濟效益。

1 紡織廠空壓機的進氣方式

對多家紡織企業進行實地調研發現，現有空壓機的進氣方式主要有直接吸入空壓站內空氣和風管引室外空氣兩種。

空壓機直接吸入空壓站內空氣，機組進氣受室外氣象參數影響較小。但空壓站內除了空壓機，還有冷卻器和干燥機等輔助設備，這些設備發熱量大，空壓站內空氣溫度明顯高于室外。空壓機本身功率大，加之壓縮余熱，會導致空壓機組周圍產生局部高溫，由于熱空氣密度小，高溫空氣上升，往往會在空壓機進氣口周圍出現局部高溫區。在夏季，空壓機組產氣量明顯下降、耗電量顯著提高，嚴重時還會造成空壓機報警甚至停車，不利于企業的安全穩定生產。

為了保證企業用氣穩定、滿足正常生產需求，部分企業對空壓機進氣口安裝風管，依靠空壓機進氣口局部負壓，使用風管將室外空氣引至空壓機進氣口，使機組吸入室外空氣。這種吸氣方式有效解決了空壓機吸入站內高溫空氣而導致企業生產不穩定的問題。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，空壓機產氣量降低和耗電量增加的問題尤為明顯，不利于企業的節能運行。

2 試驗場地和方案

2.1 試驗場地

為了確保試驗數據的準確性和可靠性，試驗場地需同時滿足以下條件：壓縮空氣產量穩定，至少2 臺型號和使用年限完全相同的機組，且工況相同即進口空氣參數相同。我們調研了東莞、西安、咸陽、蘭溪等4 個地區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臺。

2.2 試驗方案

西安某紡織廠9#～16#空壓機集中布置在空壓站內，空壓機吸入室外空氣進行壓縮，室外空氣由空壓機自身負壓吸入，從外墻上的矩形風口經過濾通過風管吸入空壓機內。對其中4 臺Atlas ZR4-51 型螺桿空壓機的進氣溫濕度、入口負壓及風速進行測試，在每臺空壓機吸氣口取6 個測點測試3 次取平均值，空壓機進氣參數測試結果如表1 所示。

由表1 可知，13#和15#空壓機吸氣溫度相同，相對濕度、風速及入口負壓相差不大，這兩臺機組運行參數較為接近，選擇在13#空壓機上搭建試驗臺，并與15#空壓機進行對比。以空壓機額定進氣量30 Nm3/min 作為表冷器進氣量，選擇銅管鋁翅片的整體式翅片管表冷器進行設計計算，其外形尺寸為600 mm×500 mm×70 mm，共計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。經核算該表冷器傳熱系數為49.43 W/（m2·℃），冷水量0.59 kg/s，管內阻力5.4 kPa，空氣側翅片阻力為65.2 Pa。

表1 空壓機進氣參數測試結果

將表冷器固定在空壓機進氣口，通入20 ℃左右冷水，利用表冷器對空壓機入口空氣進行預處理，達到對空壓機進氣降溫的目的。

2.3 測試進氣參數

測試空壓機進氣溫濕度時，將溫濕度計探頭從風管上的開孔伸進風管，使探頭與管內空氣充分接觸，待讀數穩定后記錄數據。在測試流速時，將畢托管伸進風管內，使畢托管頭正對且平行氣流方向，流速穩定后記錄測試值，利用公式（1）計算空壓機進氣量；同時讀取控制柜上電壓、電流、功率因數，通過公式（2）計算出空壓機的實際功率。在風管內均分為12 個測點，對吸氣溫度、風速分別進行3 組測試取平均值。

式中：q為空壓機進氣量（m3/s）；S為圓形風管的截面積（m2）；v為各測點的平均風速（m/s）。

式中：N為空壓機的實際功率（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。

3 增設進氣預處理設備的節能研究

通過測試計算空壓機進氣參數、比功率、空壓機和預處理設備耗電量，分析增設預處理設備后空壓機的節能效益，并結合預處理設備的能耗，綜合研究空壓系統的節能效益。

3.1 進氣預處理對空壓機能耗的影響

對空壓機吸氣進行預處理后，由于室外空氣溫度不同，空壓機入口空氣溫降也不同，空壓機節電量也就不相同。在不同溫度下對空壓機增設預處理設備前后的耗電量進行測試計算，結果如表2 所示。

表2 進氣預處理前后空壓機運行參數測試及比功率

分析表2 可知，進氣預處理后空壓機進氣溫度明顯降低，空壓機產氣量提高，同時機組功率顯著下降。當預處理前空壓機進氣溫度為37.5 ℃時，空壓機能耗為200.50 kW；經過預處理后，空壓機進氣溫度下降到30.2 ℃，空壓機能耗下降到193.29 kW，比預處理前節能7.21 kW，節能率3.60%。當預處理前空壓機進氣溫度為29.5 ℃時，空壓機能耗為192.85 kW；預處理后進氣溫度為24.7 ℃，功率為188.97 kW，比預處理前節能3.88 kW，節能率2.01%。當預處理前空壓機進氣溫度為33.5 ℃，經過預處理后進氣溫度降低至28.1 ℃，空壓機比功率由6.73 kW/（m3/min）降低至6.45 kW/（m3/min），按照空壓機額定進氣量30 Nm3/min 來計算，增設預處理設備可使空壓機節能8.4 kW，節能效果較為顯著。

3.2 進氣預處理設備能耗分析

3.2.1 冷水機組能耗計算

使用冷水機組為表冷器提供冷凍水，冷水機組制冷量大，為企業空調、空壓系統提供冷水，要劃分冷水機組為表冷器提供冷凍水部分的實際能耗較為困難，我們通過預處理前后空氣焓差來估算冷水機組耗電量，按公式（3）計算冷水機組功率［3］。空壓機不同進氣溫度時，冷水機組實際功率計算結果如表3 所示。

表3 冷水機組功率計算

式中：P為冷水機組功率（kW）；qm為被處理空氣的質量流量（kg/s）；Δh為空氣經過表冷器前后的焓差（kJ/kg）；COP為制冷能效，經測試，機組實際COP值為4.4。

隨著空壓機進氣溫度的升高，空壓機進氣量減小，同時空氣與冷凍水溫差變大，空氣經過表冷器后溫降變大，表冷器需要的制冷量也隨之增大。當空壓機進氣溫度從29.5 ℃提高至37.5 ℃時，空壓機進氣量降低了0.006 kg/s，冷水機組所需功率從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，在搭建試驗臺時為表冷器配置水泵1 臺。表冷器水量為0.59 kg/s，體積流量為2.124 m3/h。水泵的揚程包括冷凍水流經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］，通過計算選擇1 臺功率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，揚程20.6 m。

3.3 增設預處理設備的節能性研究

增設表冷器對空壓機進氣進行降溫處理，可以使空壓機產氣量明顯增加，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力。在研究增設預處理設備后系統節能性時，需綜合考慮空壓機組和增設預處理設備的耗能。對預處理前后空壓機和預處理設備耗能進行匯總，如表4 所示。

表4 不同吸氣溫度進氣預處理和空壓機耗能匯總

當室外溫度為29.5 ℃時，系統綜合節能1.93 kW，節能率1.0%；當室外溫度為33.5 ℃時，系統綜合節能3.76 kW，節能率1.9%；當室外溫度為37.5 ℃時，系統綜合節能5.08 kW，節能率2.53%。

空壓機進氣預處理設備的節能性與進氣溫度呈正相關。吸氣溫度越高，經過預處理后空壓系統綜合節能越大。當室外空氣溫度低于29.5 ℃時，使用預處理設備還有一定的節能效果，但由于冷凍水和表冷器溫差變小，經過表冷器后空氣溫降減小，預處理設備的節能效益也相應減小。考慮設備運行維護和檢修費用，當空氣溫度低于29 ℃時，空壓機進氣可不采取預處理，直接吸入室外空氣。

4 進氣預處理設備區域適用性研究

為了充分發揮進氣預處理設備的節能效果，研究進氣預處理設備的區域適用性，對其推廣和使用十分必要。以廣州、福州、鹽城、西安地區為例，對空壓機進氣預處理設備的節能和經濟效益進行對比分析。依據室外溫度超過29 ℃需要開啟預處理設備，且設備每天使用24 h，對空壓機進氣預處理設備的使用時間段和總時長進行統計，如表5 所示。

表5 空壓機吸氣預處理設備的使用時長

廣州、福州、鹽城和西安地區使用預處理設備時間分別為6 072 h、5 112 h、2 760 h 和2 640 h。按照紡織企業每年正常生產350 天，每天工作24 h 計算，空壓機每年使用8 400 h，廣州、福州、鹽城和西安地區空壓機進氣預處理設備的使用率分別為72.29%、60.86%、32.86%、31.43%。當設備年使用率超過55%時適于安裝進氣預處理設備，在廣州和福州等空調使用時間較長地區是適用的［5］。

對廣州和福州地區室外溫度大于29 ℃時間段取平均值，可得室外平均溫度分別為34.2 ℃、34.8 ℃。對廣州、福州增設進氣預處理設備，按照空壓機產氣量30 Nm3/min 計算，空壓系統節能效益計算結果如表6 所示。

由表6 可以看出，廣州、福州地區紡織企業空壓機都可以通過增設進氣預處理設備實現明顯節電，按照工業用電0.7 元/（kW·h）計算，每年可實現降低運行成本分別為17 342 元、15 566 元，經濟效益明顯。空壓機進氣溫濕度降低后，其他冷卻設備、干燥機等輔助設備負荷也會相應減少，實際節能效果更顯著。

表6 空壓機增設吸氣預處理設備節能效益

5 結論

對西安某紡織廠空壓站增設預處理設備后分析空壓機系統的節能性，并對不同地區空壓機進氣預處理設備的適用性進行了研究，可以得出以下結論。

（1）增設表冷器作為進氣預處理設備，可使空壓機進氣溫度明顯降低，空壓機產氣量提高，同時機組功率顯著下降。

（2）空壓機進氣預處理設備的節能性與空氣溫度呈正相關，空氣溫度越高，經過預處理后空壓系統的節電越明顯；當空壓機空氣溫度低于29 ℃時，采取預處理措施后空壓機節能效果不明顯，空壓機可直接吸入室外空氣。

（3）廣州、福州、鹽城和西安地區的空壓機吸氣預處理設備的使用率分別為72.29%、60.86%、32.86%、31.43%，在廣州和福州地區安裝空壓機進氣預處理設備，使用時間較長，經濟效益較好，而在鹽城、西安地區使用時間較短，經濟效益不顯著。

（4）在廣州、福州兩個地區，對產氣量為30 Nm3/min 單臺空壓機增設進氣預處理設備，每年節約用電分別為24 773 kW·h、22 237 kW·h，分別降低運行成本17 342 元、15 566 元，節能和經濟效益較為明顯。