離心式空壓機(jī)進(jìn)氣預(yù)處理節(jié)能優(yōu)化研究

池立軍， 姜 超

（唐山唐鋼氣體有限公司， 河北 唐山 063000）

0 引言

離心式空壓機(jī)因其自身穩(wěn)定和高效的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于冶金行業(yè)。但是，從目前制氧企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)情況來看，空壓系統(tǒng)耗能較大。經(jīng)過研究分析發(fā)現(xiàn)，高溫、高濕氣體在進(jìn)入空壓機(jī)后會(huì)使其能耗增大，加速設(shè)備內(nèi)部磨損，并且還會(huì)影響排氣量和排氣壓力[1]。如何有效降低空壓機(jī)的進(jìn)氣溫度、濕度，成為冶金企業(yè)重點(diǎn)解決的問題。

1 問題的提出

某制氧企業(yè)在生產(chǎn)中，每年10 月到次年5 月僅需要開啟8 臺(tái)離心式空壓機(jī)便能夠達(dá)到生產(chǎn)所需的工期壓力，并且在每年12 月到次年2 月，空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)整至額定轉(zhuǎn)速的80%～90%便能夠滿足生產(chǎn)要求。但在6—9 月期間，僅依靠離心式空壓機(jī)無法滿足生產(chǎn)需求，還需要額外開啟2 臺(tái)螺桿式空壓機(jī)輔助產(chǎn)氣。

經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，因夏季離心式空壓機(jī)進(jìn)氣口的溫度高，導(dǎo)致離心式空壓機(jī)無法滿足生產(chǎn)需求。對(duì)進(jìn)氣口溫度進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖1 所示。

圖1 離心式空壓機(jī)溫度變化趨勢(shì)及耗能情況

由圖1 可知，離心式空壓機(jī)的耗能情況與環(huán)境溫度和進(jìn)氣口溫度的變化趨勢(shì)一致，溫度越高，設(shè)備月平均耗能越大。這是由于進(jìn)氣溫度越高，空氣密度越小，壓縮同體積的氣體所需要的耗能量越大，進(jìn)而導(dǎo)致空壓機(jī)耗能增加。因此，可以通過降低進(jìn)氣口溫度的方式改善離心式空壓機(jī)耗能大的問題[2]。

2 離心式空壓機(jī)進(jìn)氣預(yù)處理節(jié)能優(yōu)化措施

2.1 冷卻裝置材料和尺寸的確定

通過對(duì)比不銹鋼、銅和鋁等材質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)，本次冷卻裝置翅片選用鋁材質(zhì)，鋁材質(zhì)具有較強(qiáng)的導(dǎo)熱性能，內(nèi)部管路采用銅材質(zhì)，可增大熱量傳導(dǎo)。檢測(cè)可知，某制氧企業(yè)離心式空壓機(jī)進(jìn)入口氣體流速為20 m/s，較高的空氣流速導(dǎo)致氣體換熱時(shí)間較短。因此，冷卻裝置尺寸應(yīng)大于空壓機(jī)進(jìn)氣口尺寸，才能降低冷卻裝置迎面風(fēng)速。經(jīng)過對(duì)材料導(dǎo)熱系數(shù)、空氣流動(dòng)阻力以及設(shè)備積灰和磨損等因素進(jìn)行考量，冷卻裝置尺寸設(shè)計(jì)為1 600 mm×825 mm×200 mm，迎風(fēng)面積為1.32 m2，迎面風(fēng)速設(shè)定為3.7 m/s。

2.2 冷卻裝置管徑、供水源的設(shè)計(jì)

某制氧企業(yè)處于我國(guó)東部地區(qū)，6—9 月，空壓機(jī)進(jìn)氣口平均溫度為40 ℃左右，本次改造是將進(jìn)氣口溫度降低10 ℃。在冷卻水供水源的選取當(dāng)中，為了降低能耗，將原冷卻回水管與冷卻裝置連接，為空氣進(jìn)行降溫。原回水管冷卻水為18 ℃，經(jīng)過對(duì)原冷卻水流速分析，冷卻裝置水管內(nèi)徑設(shè)計(jì)為15 mm，外徑設(shè)計(jì)為19 mm，內(nèi)部流體流動(dòng)方式為叉流。

2.3 冷卻裝置管路與翅片的設(shè)計(jì)

在實(shí)際工作當(dāng)中，冷卻裝置的管排數(shù)、翅片數(shù)與降溫效果和空氣通行阻力有著之間的關(guān)系，翅片密度和管排數(shù)與換熱效果呈正相關(guān)，與空氣流動(dòng)阻力呈負(fù)相關(guān)。由于本次降溫目標(biāo)為10 ℃，溫度調(diào)節(jié)幅度相對(duì)較低，經(jīng)過計(jì)算，排管排數(shù)設(shè)計(jì)為4，翅片厚度選用0.2 mm，翅片數(shù)量設(shè)計(jì)為280 片/m。經(jīng)過翅化比公式計(jì)算可知，翅化比為21.5，在最佳翅化比[17，28]范圍內(nèi)。

3 冷卻裝置應(yīng)用效果驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)臺(tái)搭建及實(shí)驗(yàn)方式

為了在不影響空壓機(jī)正常運(yùn)行的情況下對(duì)冷卻裝置的應(yīng)用效果進(jìn)行驗(yàn)證，本次在實(shí)驗(yàn)室模擬空壓機(jī)的進(jìn)口狀態(tài)，分析冷卻裝置能否有效降低進(jìn)口氣體溫度。試驗(yàn)臺(tái)搭建包含電加熱段、過濾段、冷卻裝置和離心式風(fēng)機(jī)部分。其中，電加熱段在進(jìn)風(fēng)口過濾段后方，加熱段后端設(shè)置有冷卻裝置，加熱段與冷卻裝置中間流通氣道位置設(shè)置有Kanomax 熱式風(fēng)速儀（1 號(hào)，型號(hào)為KA33，能夠檢測(cè)風(fēng)速、溫度和壓力值，檢測(cè)范圍能夠滿足實(shí)驗(yàn)要求），冷卻裝置后方裝有離心式變頻風(fēng)機(jī)，中間通道位置設(shè)置有Kanomax 熱式風(fēng)速儀（2 號(hào)）。冷卻裝置供水由4 kW 水泵提供，管路內(nèi)部水為軟水箱體單獨(dú)提供，軟水箱體內(nèi)部水溫度控制在18 ℃左右，實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)置在一個(gè)較為空曠、且空氣流通的房間內(nèi)部。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)裝置運(yùn)行10 min 后，開始采集數(shù)據(jù)，每5 min 記錄一次，共記錄1 h 的數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 冷卻裝置前后端溫度與壓力值的變化情況

由圖2 可知，在冷卻裝置應(yīng)用后，空氣溫度降低幅度平均為12 ℃，能夠滿足進(jìn)口氣溫降低10 ℃的要求。對(duì)進(jìn)口壓力檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過冷卻裝置后，進(jìn)氣口壓力值降低幅度為28 kPa。對(duì)離心式空壓機(jī)分析發(fā)現(xiàn)，壓降較小，并不會(huì)影響空壓機(jī)正常運(yùn)行。因此，可以在不加裝分機(jī)的情況下，通過空壓機(jī)自身負(fù)壓進(jìn)行抽吸。

4 離心式空壓機(jī)進(jìn)氣預(yù)處理節(jié)能優(yōu)化經(jīng)濟(jì)性分析

某制氧企業(yè)為了提高設(shè)備利用率，在2020 年9月對(duì)空壓機(jī)進(jìn)行改造。在2021 年夏季，對(duì)進(jìn)氣端空氣溫度檢測(cè)，冷卻裝置應(yīng)用前后空氣溫度（每月平均值）對(duì)比如圖3 所示。

圖3 冷卻裝置應(yīng)用前后空氣溫度對(duì)比

由圖3 可知，經(jīng)過實(shí)際檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用冷卻裝置后，進(jìn)口空氣溫度能夠有效降低10 ℃以上。對(duì)該企業(yè)8 臺(tái)離心式空壓機(jī)能耗進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如表1 所示。

表1 冷卻裝置應(yīng)用前后單臺(tái)離心空壓機(jī)能耗情況

由表1 可知，將冷卻裝置應(yīng)用其中，6—9 月，單臺(tái)設(shè)備每月可降低12.81 萬元，該企業(yè)共有8 臺(tái)離心式空壓機(jī)，總計(jì)可降低12.81 萬元/臺(tái)×8 臺(tái)=102.48 萬元。在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，回水管壓力相對(duì)較小，由于冷卻水流速過慢，如果直接將回水管與冷卻裝置連接，會(huì)對(duì)降溫效果產(chǎn)生影響。因此，本次改造在回水管上增加1 臺(tái)4 kW 管道增壓泵。該企業(yè)所在地工業(yè)電能費(fèi)用為0.72 元/（kW·h），經(jīng)過計(jì)算，增壓泵在4 個(gè)月內(nèi)動(dòng)能消耗費(fèi)用為4 月×30 d/月×24 h/d×8 臺(tái)×4 kW/臺(tái)×0.72 元/（kW·h）≈6.6 萬元。原先，在6—9 月需外部開啟2 臺(tái)螺桿式空壓機(jī)進(jìn)行產(chǎn)氣補(bǔ)充。改造完成后，便不需要額外增加空壓機(jī)。經(jīng)測(cè)算，2019—2020 年，另外2 臺(tái)空壓機(jī)產(chǎn)生約33.6 萬kW·h 能耗。從整體看，改造完成后，某企業(yè)每年可降低成本102.48 萬元+6.6 萬元+33.6 萬kW·h/a÷2 a×0.72 元/（kW·h）=121.176 萬元。

5 結(jié)論

1）對(duì)某制氧企業(yè)空壓機(jī)運(yùn)行情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)因進(jìn)口處空氣溫度過高，導(dǎo)致空壓機(jī)能耗較大，并且夏季故障率較高。

2）以降低進(jìn)氣口空氣溫度為目的設(shè)計(jì)冷卻裝置，裝置尺寸設(shè)計(jì)為1 600 mm×825 mm×200 mm，迎風(fēng)面積為1.32 m2，迎面風(fēng)速設(shè)定為3.7 m/s，材質(zhì)采用銅鋁結(jié)合。

3）根據(jù)冷卻裝置的設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，冷卻裝置的應(yīng)用能夠有效降低進(jìn)口空氣的溫度，并且壓降情況也能滿足空壓機(jī)的正常運(yùn)行需求。

4）將冷卻裝置應(yīng)用于某制氧企業(yè)中，經(jīng)檢測(cè)分析發(fā)現(xiàn)，6—9 月期間，進(jìn)口空氣溫度能夠降低10 ℃以上。改造完成后，經(jīng)過2021 年6—9 月成本投入與2019 年6—9 月成本投入相比較，降低成本121.176萬元，節(jié)能優(yōu)化經(jīng)濟(jì)效果顯著。