降低现代喷气织机能耗探析

徐浩贻

(浙江理工大学 科技与艺术学院，杭州 310018)

降低现代喷气织机能耗探析

徐浩贻

(浙江理工大学 科技与艺术学院，杭州 310018)

降低喷气织机的能耗仅在一些单项方面节能，效果有限，经济意义不大，应从供气系统到用气系统及其他辅助环节全方位采取措施。探析了传统供气系统存在的问题，通过变频改造，节能效果明显；生产车间采用大小环境分区空调对节能也有一定的贡献；对于用气系统，重点应优化引纬参数和选配节能性能优良的元器件；喷气织机制造厂应用RTC纬纱实时控制系统，主驱动采用Sumo开关磁阻电机等技术，亦不失为一种节能的好措施。

喷气织机；节能；空气压缩机；供气系统；用气系统；气耗

理论研究和生产实践都表明，喷气织机能耗居于无梭织机之首，是有梭织机的2～3倍。尽管喷气织机有车速快、效率高、操作简便安全等显著特点，但由于其耗能居高不下，企业生产成本增加，效益受到较大的影响。因此，降低喷气织机能耗，已成为重要的研究课题。喷气织机的能耗以耗气为主，大致可分为3个部分：供气系统的耗能，用气系统的耗能和其他辅助耗能。本研究拟从上述3个方面探讨喷气织机的节能途径。

1 供气系统的节能探析

喷气织机供气系统主要由四大部分组成：一是气源产生部分：空气压缩机；二是气源处理部分：干燥器，过滤器，分离器等；三是控制部分：各种控制元器件；四是集输部分：所有输送压缩空气的管路，管件，储气罐，管路阀等。供气系统里的大部分设备都采用电力驱动，其中空压机消耗的电能占到供气系统总电能的90 %以上。

大多数纺织生产厂的供气系统，不管新旧，其运转的效率均偏低，存在着空压设备不匹配，管道损失偏大及系统控制不合理等问题。

1.1 空压机变频节能

1.1.1 耗能分析

通常喷气织机供气系统根据织机台数即用气量的多少，配有多台空压机，每台空压机都由一台电机拖动，独立进行控制。在实际工作中，供气系统是按最大工作负荷设计的，在系统中预设管网压力值，系统将自动根据预设压力值的下限与上限，进行自动加载与卸载，来满足用气需要。系统的这种控制方式将带来诸多问题，如螺杆式空压机气量的供求关系主要表现为排气压力的变化，当排气量正好满足生产用气量要求时，储气压力保持不变，但由于生产用气量的不均衡，而装机容量需根据生产最大用气量并留有余量设计，因此实际运行中，空压机供气量远大于实际用气量，若空压机仍恒速运转，则储气罐内的气体压力越来越大，直至罐内压力上升达到设定最大压力值。

由此可知，在加载、卸载供气控制方式下，空压机所浪费的能量主要由2个部分组成。

1)压缩空气压力超过最小压力值所消耗的能量。在压力达到最小压力值后，原控制方式决定其压力会继续上升(直到最大压力值)。这一过程同样是一个耗能过程。

2)卸载时调节方法不合理所消耗的能量。通常情况下，当压力达到最大压力值时，空压机通过如下方法来降压卸载：关闭进气阀使电机处于空转状态，但其用电量仍为满负荷的30 %～50 %。同时将分离罐中多余的压缩空气通过放空阀放空。这种调节方法要造成很大的能量浪费。又因为空压机是转动贯量负荷，电机空载起动时所需的功率大致相当满载运行所耗能的2～3倍，启动运行时间为50～60 s，在频繁起动控制排气量时，对电网冲击大，能耗明显增加，这部分电能白白浪费掉。上述供气系统存在的问题恰恰说明节能还存在较大的空间，只要措施得当，节能完全可行，且收益可观。

1.1.2 变频节能原理

变频调速系统以空气压缩机输出压力作为调控对象，实现对空压机电机转速进行调节。其原理为：由压力传感器取出的反馈信号，接至PID(比例积分微分调节器)与预置的压力给定信号相比较，经PID调节后的信号接到变频器的输入端，按压力的变动值确定电机的运转频率大小和转速，实现全自动负反馈调节方式，其控制原理如图1所示。

图1 反馈控制原理Fig.1 Feedback control schematic

休眠控制的原理为：当喷气织机开车效率偏低时，耗气量减少，空压机卸载时间长，造成能源浪费。可在这个区段时间实施休眠控制。当喷气织机开车效率非常低时，耗气量必然也非常少，变频器的运行频率逐步下降，当降到20 Hz时(设定变频器最低运行频率为20 Hz)，频率不再下降，这时织造车间耗气量若仍然没有提高，空压机侧的压力则会逐步升高。当升高到设定值时，压力传感器采取管道的压力信号赋予PLC(可编程控制器)，PLC将压力传感器的信号进行比较，若高于设定值，PLC则输出信号给变频器的多功能端，使变频器休眠，输出频率会降为0 Hz，电机停止运转，实现系统节能。若压力信号低于设定值，变频器由休眠状态进入PID闭环运行阶段[1]。由于变频调速系统是根据织造车间用气量的需求来给定的，降低了空载时的无用功，节能效果十分显著。如邯郸圣绵纺织有限公司实施变频改造节电措施后，每年可节电达8.4×105kW•h。该企业采用的是螺杆式空压机，主电机为250 kW，运行方式为星-三角启动。具体技术措施是：

1)建立变频调速系统，即将EV2000型变频器和PLC、人机世界面连接在一起，对空压机进行休眠和PID控制，从而对电机转速进行调节。

2)系统调试应注意的事项：一是变频器的启动时间不宜过短，以减小启动电流；二是在PID闭环控制中，调节比例增益和积分增益，使其压力平稳减小波动；三是将变频器的载波频率适当调低，以减少对其他设备的干扰；四是通常变频器采用软启动，以延长使用寿命[2]。

1.2 降低管路压力降

从理论上说，只要是传输都会存在压力降，降低压力降有利于节能降耗。

资料表明，压力降增加0.01 MPa时，功耗相应增加0.3 %～0.5 %。对任何一台空压机，每年增加的功耗相当大，油分离器、精密过滤器、干燥机是压力降增加的主要环节，因此，应适时地更换油分离器、精密过滤器，定时清理干燥机空气通道，尽管会增加一些耗材成本，但对降低压力降以达到节能目的是很值得的[3]。

此外，改善空压机房的气流循环和机房温度，可以确保空压机的工作效率。经测试，环境温度每上升11 ℃，压缩效率下降3 %。因此，空压机房工作环境温度的控制对节能亦是十分重要的。

2 用气系统的节能探析

喷气织机的用气系统实际上就是指其引纬系统。喷气织机引纬系统是由固定主喷嘴、摆动主喷嘴辅助喷嘴、电磁阀、异形筘等部件组成。用气系统的节能主要应从优化引伟工艺及选择节气性能好的引纬元器件二方面进行探索。

2.1 优化喷气引纬工艺

2.1.1 调节主喷嘴的最佳位置及气压

1)安装位置：主喷嘴位置安装不良，会使它射出的气流扩散加剧，影响纬纱稳定进入梭口，增加用气量。主喷嘴安装位置主要取决于摆动主喷嘴与第一片异形筘齿之间的距离。通常按下式作为计算依据：ds＝6.8(a•s＋0.147do)(s为被测点距离喷嘴出口处距离，为射程；a为喷嘴紊流因数；do为喷嘴出口处直径；ds为距喷嘴出口S截面处射流锥的直径)，在实际安装操作中可通过频闪仪观察进入筘槽气流锥体大小来调整该距离的大小[4]。

2)主喷嘴压力确定：必须根据使用纬纱的纤维材料、线密度、幅宽、车速等综合考虑。在满足纬纱正常飞行要求的前提下减小主喷压力，既可节约耗气，也可以使纬纱飞行速度降低，延长纬纱飞行角，减小纬纱在飞行过程中承受的张力，满足纬纱单强的要求。主喷嘴压力一般在0.4 MPa左右。

2.1.2 优化辅喷工艺

1)辅喷压力：在引纬过程中，既要使辅助喷嘴的气流速度大于纬纱的初速度，还要使纬纱的头端始终处于高速气流的作用下，使其保持伸直状态。这就要求辅喷气压大于主喷气压，同时还要求随着纬纱头端的向前飞行，辅助喷嘴要循序地开闭供气阀门，这样才不会使纬纱产生前拥后挤的现象。在不出现纬缩的情况下，应尽可能减少辅喷压力，以达到降低纬纱断头、节约耗气的目的。辅喷压力通常为主喷压力加0.05～0.1 MPa。

2)辅喷安装位置：辅喷的位置安装是否精准关系到辅喷气流能否准确、及时地射入筘槽中心与主射流汇交。在安装中，应使其孔口轴线上仰构成喷射角α(8°左右)，后斜构成喷向角β(5°左右)。若β＝0°时，应通过喷嘴的安装角度来弥补。

3)辅喷安装间距：辅助喷嘴沿着钢筘排列每隔60～80 mm安装一个，在确保纬纱飞行稳定的前提下，尽量选择间距上限，以便减少喷嘴个数，达到节能的目的[5]。

4)增设辅喷阀门数：在喷气引纬中，通常75 %～80 %的压缩空气是供辅助喷嘴使用的，通过增加喷嘴阀门数量可获得最佳节气喷射时间。辅助喷嘴总量保持不变时，使每个阀门控制的喷嘴数不多于3只，而不是原来的4～5只喷嘴，这样，减少了耗气，缩短了单个阀门供气时间。如意大利舒美特Mythos-TEC织机和比利时毕加乐OMNI-plus织机均为1个辅喷阀控制2个辅助喷嘴。日本丰田JAT710型织机上安装了新研制的小型高灵敏电磁阀，它的阀腔容积比原来减少了85 %，电能消耗降低了15 %，而反应时间缩短了50 %，压缩空气消耗量比丰田JAT500下降了40 %。日本津田驹ZAX-N型织机采用的是节能集流腔一体型电磁阀，省气且引纬稳定[6]。

5)辅喷供气时间：在保证引纬质量的前提下，为降低耗气，辅助喷嘴都要分组依次供气，第一组辅助喷嘴的始喷角可与主喷始喷角相同，第一组辅助喷嘴的关闭时间和以后各组辅助喷嘴的开闭时间可以按照辅喷先行角和辅喷滞后角通过频闪仪进行确定，要求各组辅喷嘴的供气时间超前于纬纱到达各组辅喷嘴的时间，即先行角一般为10°～20°。

2.1.3 正确调节电磁阀开闭时间

通常电磁阀的开启时间＝喷嘴的开启时间－电磁阀的开启滞后时间，电磁阀的关闭时间＝喷嘴的关闭时间－电磁阀的关闭滞后时间[7]。

此外，在优化引纬气路设计时，用胸梁做辅气包，缩短了辅喷引纬气路路径，可减少气阻也可降低辅喷气耗。

2.1.4 确定织机经济速度

一般情况下，车速越高气流量越大。但在实际生产中，经测试，就单位长度的织物来讲，车速高耗气量反而是减少的。换句话说，适当地提高织机速度有利节能[8]。在实际生产中存在着一个最佳节能经济速度，所以应根据所生产的织物品种和织机型号来确定这个速度。

2.2 使用节气性能良好的元器件

2.2.1 喷气织机主喷嘴选配

压缩气体经过主喷嘴后产生了一定的压力降，这个压力降消耗了气流的能量，而造成压力降的原因是喷嘴沿程阻力和局部阻力引起的。沿程阻力是气体与喷嘴内壁之间所呈现的内摩擦阻力，局部阻力是气体在流动过程中因遇到局部障碍，如管道截面突然扩大或缩小、流动方向转变等引起流体运动的显著变形，产生漩涡会消耗气体能量，使气流压力下降[9]。因此，在选配主喷嘴时应采用通过改进后的集束节能型主喷嘴，这种喷嘴的特征是有一个由渐扩管、等径管和渐缩管3段组成的集束节能管，渐扩管与气室连通构成进气端，渐缩管构成出气端，具有良好的集束性能和节能效果。

2.2.2 喷气织机辅助喷嘴选配

由于辅助喷嘴耗气占了引纬系统耗气的75 %以上，辅助喷嘴的性能优劣是节能降耗的关键所在。资料表明，获中国实用新型专利(ZL02234438.1)的国产节能型辅助喷嘴，具有良好的节能效果。其结构如图2所示。

图2 节能型辅助喷嘴Fig.2 Energy-saving relay nozzle

其原理是该喷嘴中央有一个大孔，周围7个小孔，以使喷出的多束气流“群龙有首”。利用中央较粗的主导气流来聚集周围的多束较细的气流，从而提高了集束性，减少扩散，达到了节能的目的[10]。

2.2.3 异形筘选配

异形筘的截面如图3所示。

图3 异型筘齿截面形状Fig.3 Read tooth shaped cross-section shape

单R型因有良好的节能作用，又称为节能型，这是因为其异形筘齿在沿气流流动方向上，因R的存在犹似在每一筘齿的厚度上形成一个收缩状的喷嘴，对防止气流扩散和增加气流速度有益[8]。

3 喷气织机其他节能措施

3.1 采用RTC纬纱实时控制

RTC控制为纬纱实时控制。该系统无论纬纱是否织入，织机都会调整每一次引纬以实现最小的耗气。根据纬纱和机器宽度，空气消耗可减少10 %～40 %。RTC系统实现对辅助喷嘴的预控制。主喷嘴和辅助喷嘴通过极少的耗气量来保证纬纱的轻微加速。反应时间和喷气时间的缩短使压缩空气的消耗量得到降低[11]。RTC控制缩短了引纬过程中辅助喷嘴的喷气时间，RTC终端只需对2个参数(压力、时间)进行编程，易于掌控。因此，纬纱实时控制实现了完全自动化，排除了织造个体间的干预。

3.2 采用Sumo主电机

毕佳乐公司OMNI-plus标准型喷气织机上采用了Sumo主电机直接驱动技术，使织机运转无偏差。Sumo电机由电子计算机控制而无需变频调速，可以降低能耗，Sumo电机又称开关磁阻电机，属于低速大扭矩启动的交流同步电机[12]。

Sumo电机无需离合器、制动器和飞轮，可直接驱动主轴机构和筘座机构，传动链短，结构紧凑。织机从织第一纬开始就可达到全速，与传统的离合器和制动器驱动方式相比，能量损耗降低10 %。采用油冷技术，可节省10 %以上的能量，通过采用毕佳乐专利技术的冷却系统，织机产生的一半热量可以从机器内部排除，降低了车间空调的能耗。由于是直接驱动，织机速度可以自动控制和设定，不需频率转换器，减少了电能消耗，具有自动加速功能及较宽的速度范围，对于新品种的改变是很有利的。这样织机在最高的速度运行时，能够满足纱线质量、综框数量和织物结构等工艺改变的需要，实现了高产低耗[13]，提高了织机适应性。

3.3 采用局部直接送风与车间普通送风的分区空调

由于现代喷气织机采用高转速、大张力工艺，为保证织造时经纱不断头，织机工作区域(送经，打纬区域)要求较高的相对湿度，以保证经纱的强力。而工作区之外的操作区，由于人员舒适性要求，最好维持较低的相对湿度。

针对此情况，采用织机工作区局部直接送风和车间普通送风相结合的空调送风方式较为合适。即把相对湿度高、温度低的空气直接送至织机的送经部位，在织机工作区域保持一个相对较高的小环境相对湿度(≥75 %)，以保证织造的工艺要求，而在车间人员操作区和工作区上部的大环境保持一个相对较低的相对湿度(60 %～65 %)[14]。这样既保证了织机高速生产的需要，又可使车间大环境保持相对舒适的温湿度条件，从而减少了能耗，比传统的上送下回式送风方式减少送风量30 %左右，减少空调系统装机功率20 %左右。因节能效果明显，目前有许多厂采用了这种大小环境分区空调方式。

4 结 语

据初步统计，目前中国有各类喷气织机12万台左右。喷气织机是耗能大户，理论研究和生产实践都表明，主、辅喷嘴引纬中的耗气量总和约是总耗气量的90 %，其中辅喷嘴耗气量约占总耗气量的70 %。优化引纬上机参数，选用具有良好节能性能的主、辅喷嘴元器件，自然成了降低能耗的关键，亦是节能效果易显现之处。改造传统的供气系统，对空压机实施变频调速尚存在较大的节能空间，已有不少成功例子，值得推广。同时，生产车间采用大小环境分区空调对节能亦有一定贡献率。此外，对于喷气织机制造厂，如能应用RTC纬时实时控制系统和主驱动采用Sumo开关磁阻电机等技术不失为一种节能的好措施。

喷气织机的单项节能效果在10 %左右，只有采取全面系统的节能措施，方能在生产企业产生有经济意义的效果。

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Discussion and analysis of modern air-jet looms to reduce energy consumption

XU Hao-yi
(Technology and the Arts Institute, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China)

This paper believes it should be all-round carried on to reduce energy-consumption of air-jet Loom.The steps of energy-saving should be taken comprehensively for gas supply systems, gas using systems as well as some other subsidiary things, because the result of economy is limited if some step's only taken to save energy unilaterally. The paper also expounds the problems existing in the gas supply systems while putting forward some methods to improve frequency conversion as to get the clear results; it contributes a lot to the energy-saving to apply the decision air-conditioning style of large and small environment to the production workshops; as to the gas using systems, importance should be attached to the optimization of parameters of weft insertion and the option of the components with nice energy-saving; It's also an effective strategy to apply the real-time control of RTC weft to Air-jet Looms factories, and Sumo motor of switched-reluctance to the main driver as well.

Air-jet loom; Energy-saving; Air compressors; Gas supply systems; Gas using systems; Gas consumption

TS103.337.11

A

1001-7003(2011)02-0032-05

2010-09-03；

2010-10-24

徐浩贻(1956－ )，男，教授，主要从事现代织造理论及工艺的研究。