吸气参数对纺织厂空压站性能影响的研究分析

秦　莉，颜苏芊，刘　宁，魏世祥

(西安工程大学环境与化学工程学院，西安　710048)



吸气参数对纺织厂空压站性能影响的研究分析

秦莉，颜苏芊，刘宁，魏世祥

(西安工程大学环境与化学工程学院，西安710048)

摘要：采用实验测试与理论计算相结合的方法，探讨纺织厂空压机吸气参数对空压站能耗的影响。对咸阳某纺织厂空压机吸气参数和能耗进行实验测试。结果显示：天气寒冷、空气湿度低较天气炎热、空气潮湿时空压站能耗有显著减小，空压机吸气温度由28.6℃降低至2.1℃时，空压机的排气量可提升约6%。且当空压机的吸气温度每增加1℃时，每生产1m3压缩空气其能耗将增加0.00375kWh，能耗将增加0.295%；当空压机的吸气含湿量每增加1g/(kg(干空气))时，生产1m3压缩空气电耗将增加0.00568kWh，能耗将增加0.47%。

关键词：纺织厂；空压机；吸气参数；温度；湿度

0前言

我国是一个纺织大国，而纺织业又是一个高能耗行业，目前随着能源短缺与价格上涨的不断加剧，纺织行业节能得到了社会的广泛关注。压缩空气生产是一个高能耗过程。对某纺织企业进行调研，发现某月该企业全厂总用电量为810.43万kWh，其中压缩空气系统耗电244.43万kWh，占企业总能耗的30.16%以上，因此空压系统节能直接关系到纺织企业的节能。

压缩空气来源于大气，是把常压下的空气经过空压机压缩成为高于大气压力的空气，大气中含有粉尘、水蒸气等杂质。目前，大部分纺织企业为了满足工艺要求，仅对空压机进口空气进行除尘处理。空压机吸入过滤后的空气，保证了生产工艺的正常运行。然而，大部分纺织企业却忽略了吸气温、湿度对空压机乃至整套系统的影响，导致纺织企业压缩空气系统能耗过高。空压机吸气温度每增加3℃，空压机的功耗就要增加1%左右[1]。同时，若空压机吸气温度较高，排气温度就会上升，这样会使空压机冷却环境恶化和积碳现象严重，给安全生产带来严重隐患。本文结合压缩空气的生产过程，对咸阳某纺织厂空压系统能耗进行实地测试与研究，以期为纺织行业空压系统选择合理的吸气预处理方案提供依据。

1吸气参数对空压机能耗的影响

压缩空气系统主要由空气过滤器、空压机、冷却器、干燥机和储气罐组成。自由空气经过空气过滤器对其进行除杂后进入空压机，空压机将自由空气压缩成为高温高湿的压缩空气后进入冷却器和干燥机(简称冷干机)，使高温高湿压缩空气被降温干燥成为低温低湿的压缩空气，然后进入储气罐。储气罐通过管网将压缩空气输送至各用气点。空压机对空气进行压缩的过程可以看作一个整体，有自由空气入口、压缩空气出口、空压机电能输入、余热输出等过程组成。当空压机处于稳定的工况时，其功耗为定值。在实际压缩过程中，空压机功耗随着吸气温度和含湿量的不同而变化。当吸气温度和含湿量升高时，其能耗增加；反之，则减少。

1.1吸气温度对空压机能耗的影响

压缩过程与外界不发生热交换为绝热压缩；压缩过程进行缓慢，且机械功转换成的热量可及时传出，整个压缩过程气体温度保持不变为等温压缩。空压机在实际压缩过程中，大都带冷却装置，因此该过程是一种介于绝热压缩和等温压缩之间的多变压缩过程。压缩过程的p-V曲线见图1，其中压缩功为压缩过程线与坐标轴p围成的面积[2]。

图1　压缩空气吸气温度对压缩功的影响

图1中a点为空压机压缩初始状态点，a-b过程为等温压缩过程线，a-d过程为绝热压缩过程线，a-c过程为多变压缩过程线,其压缩功为a-c-f-o包络的面积。当吸气温度升高时，空压机运行能耗过高而效率低，对吸气进行降温处理后，压缩初始状态点由a点降温变为s点(s点为对a点在等压条件下降温的压缩初始状态点)，s-e过程线为对吸气进行降温处理后的多变压缩过程线，其压缩功为s-e-f-o包络的面积。在p-V图上可以直观地看出，由于吸气温度下降，所节省的压缩功为a-c-e-s包络的面积，节能效果显著。

1.2吸气含湿量对空压机能耗的影响

空气由干空气和水蒸气两部分组成，由于水蒸气所占组分很低，因此空气可近似地看作是理想气体来处理。然而在实际压缩过程中，水蒸气对压缩功的影响不能忽视。将相同质量的不同含湿量的空气在相同的压缩机内进行压缩时，其过程的p-V曲线见图2。

图2　压缩空气吸气含湿量对压缩功的影响

图2中a点为空压机压缩初始状态点，a-b过程线为将高含湿量的空气进行压缩的过程线，c-d过程线为将低含湿量的空气进行压缩的过程线[3-4]。在图2中可以明显看出，低含湿量的空气比高含湿量的空气可以减少压缩功a-b-c-d包络的面积，节能量非常可观。在实际生产过程中，含湿量的变化除了对压缩功有影响外，对干燥机耗能的影响也不能忽视。因此，含湿量对空压机运行耗能影响非常明显。

2咸阳某纺织厂空压站简介

咸阳某纺织厂空压站为了满足不同的生产工艺要求，设置有一个有油螺杆空压机站和一个无油螺杆空压机站，它们的平面布置见图3和图4。有油空压站占地591.96m2，基座高30mm，设有7台SULLAIR公司的有油螺杆空压机，其中6台为LS25S型空压机和1台为TS32S型空压机，该站房空压机出气压力为0.8MPa，有油空压站平面布置见图3。无油空压站面积为448.53m2，基座高30mm，设有8台Atlas公司的无油螺杆空压机，有ZR-4型空压机4台，ZR-5型和ZR-250型空压机各两台，额定输出压力是0.75MPa。空压机自由空气进口设置在屋顶上，自由空气经过滤料对其进行除尘后进入空压机，空压机将过滤后的自由空气进行压缩后，将自由空气压缩成压缩空气进入冷干机分别对其进行冷却和干燥处理，进入储气罐，供用户使用。

1.LS25S型有油螺杆空压机；2.TS32S型有油螺杆空压机；3.自由空气进口；4.后冷却器；5.干燥机；6.储气罐图3　有油空压站平面布置

1.ZR-4型无油螺杆空压机；2.ZR-5型无油螺杆空压机；3.ZR-250型无油螺杆空压机；4.自由空气进口；5.后冷却器；6.干燥机；7.储气罐图4　无油空压站平面布置

3空压机能耗、吸气参数的实验测试与分析

由于吸气温度、湿度对空压机能耗有显著影响，咸阳市地处暖温带地区，属于大陆性季风气候，四季冷热干湿分明，而该纺织厂由于考虑到初期设备投资及维护费用，仅对压缩空气吸气进行过滤除尘处理。因此，本实验分别在最冷月(一月、十二月)和最热月(七月、八月)对空压机吸气温度、湿度、空压机产气量和耗电量进行测试，并以此研究空压机吸气参数对能耗的影响。3.1空压机日平均吸气参数与能耗的实验测试分析

空压机排气量和运行能耗与空压机吸气温度、含湿量密不可分，本实验分别在最冷月和最热月对空压机日平均吸气温度、湿度、产气量和耗电量进行测试(日平均为测试日的平均值)，测试结果见表1。

由于最热月空压机吸气温度、湿度较高，咸阳某纺织厂空压站若使用与其他月份相同台数的空压机，其排气量不能满足该纺织厂生产工艺对压缩空气的需求。因此，为了消除吸气温度过高、含湿量较大对排气量的影响，该厂在最热月较其它月增开一台ZR-4型空压机，以满足正常生产需求。通过对该厂空压机日平均吸气温度、湿度、产气量和耗电量的测试发现，虽然最热月增开一台空压机，但其排气量仍不及低温月的排气量，但空压站的平均能耗却高出最冷月30%以上。

表1空压机日平均吸气温度、湿度、产气量和耗电量

测试时间温度/℃相对湿度/%含湿量/(g/(kg干空气))产气量/(m3·min-1)耗电量/kWh一月1日0.0371.3347.244678916日3.5511.9336.2149010七月1日30.56216.0323.416675116日28.07517.8329.8363792八月1日27.08318.0330.166368016日32.05716.3317.2366890十二月1日7.0523.1333.265089616日4.0462.1339.4350683

“比能量”(kWh·m-3)表示输出单位体积压缩空气所需的平均耗电量，是衡量空压机能耗的重要指标。该指标因空压机类型、吸气参数和产气压力而异；该指标数值越小，表示空压机的效率越高[5]。空压机实际运行中，温度、湿度对其效率影响显著，咸阳某纺织厂空压机日均比能量见表2。

表2空压机日均比能量

测试日期一月1日16日七月1日16日八月1日16日十二月1日16日比能量/(kWh·m-3)0.0940.1010.1430.1340.1340.1460.1060.104

通过对咸阳某纺织厂空压机日均比能量的分析，当吸气温度较高且湿度较大时，空压机比能量超过了低温低湿时的40%以上，这对空压系统节能运行非常不利。且当空压机吸气温度每增加1℃，生产1m3压缩空气的耗电将增加0.00375kWh，能耗上涨0.295%；当空压机的吸气含湿量每增加1g/kg(干空气)，每生产1m3压缩空气的耗电量将增加0.00568kWh，能耗升高0.47%。

3.2空压机月均吸气参数与能耗的实验测试分析

本实验在最冷月、最热月对空压机的月平均吸气温度、湿度、产气量、耗电量进行测试(月平均为测试月的平均值)，测试结果见表3。

表3空压机月均吸气温度、湿度、产气量和耗电量

测试月份温度/℃相对湿度/%含湿量/(g/kg(干空气))产气量/(m3·min-1)耗电量/kWh比能量/(kWh·m-3)一月2.1713.2335.17489700.1015七月28.26716327.35640300.1358八月28.67017.1318.96652900.1422十二月3.9562.8340.25507800.1036

通过对咸阳某纺织厂月平均产气量、耗电量的测试以及对月平均比能量的研究分析发现，在吸气温度、湿度较高时，空压机月均比能量为0.142kWh/m3，而在低温低湿时仅为0.102kWh/m3，因此，高温高湿时每生产1m3压缩空气消耗的电能较低温低湿时增加0.041kWh。除电费外，压缩空气生产成本还有空压机润滑油、定期保养及折旧费等其它费用，按照空压机年工作时间4000h来计算其生产成本，其它费用与电费所占比例分别为19%和81%，按照咸阳市工业用电电价0.6元/kWh来计算，某纺织厂各月生产1m3压缩空气成本见图5。

1.其它费用；2.电费；3.总费用图5　各月压缩空气生产成本

由图5可知，高温高湿时生产1m3压缩空气的电费成本为0.085元，而低温低湿时仅为0.061元，在生产相同压缩空气量的条件下，其电费成本相差35%。分析空压站夏季排气量低与能耗高的主要原因有以下几个方面：

b)空压机吸入空气的含湿量对空压站能耗有明显影响；空压机吸入空气的含湿量越低，空压机生产出的压缩空气经过冷却后空气所析出的凝结水就越少，同时干燥机的湿负荷也会减小，冷干机的效率均有所提高，它们的能耗就会相应减小。

c)当空压机的吸气量为定值时，吸入空气的温度越低，经过第一级压缩后空气温度就越低，从而使得第二级压缩的吸气温度就越低。这样不仅使得空压机运行温度低处于较高性能的状态，而且使空压机内润滑油保持稳定的状态，减少了空压机内部的磨损，空压机的运行状态得到提升，因此空压机能耗降低。

5结论

通过在咸阳某纺织企业对空压机组不同吸气参数下能耗的测试及分析，可以得出以下结论。

a)压缩空气是一种能源成本很高的动力源，在咸阳某纺织企业，它的生产能耗占全厂总能耗的30.16%，企业应积极采取措施减少压缩空气在生产过程中的能耗。

b)通过对不同吸气参数下空压机能耗的测试、分析，天气寒冷、空气湿度低较天气炎热、空气潮湿时空压站能耗减小显著，空压机的吸气温度由28.6℃降低至2.1℃时，空压机排气量可提升约6%。以上数据仅为考虑温度影响一项，实际的工作过程中，空压机吸气温度降低后冷干机能耗、空压机内部磨损都会减小，因此实际节能量会更大。

c)当空压机的吸气温度每增加1℃时，每生产1m3压缩空气其电耗将增加0.00375kWh，能耗将增加0.295%；当空压机的吸气含湿量每增加1g/kg(干空气)时，每生产1m3压缩空气其电耗将增加0.00568kWh，能耗将增加0.47%。因此，企业应尽可能地降低空压机吸气温度和湿度。

根据以上结论，本文提出如下改进建议：纺织企业应采取积极措施对空压机吸气进行降温干燥处理，尤其在夏季，应对自由空气进行冷却除湿后再送入空压机并进行压缩处理；但无限制地降低空压机进口温湿度不经济，同时也不现实，因此应采用压缩空气与蒸发冷却这类节能环保的冷却除湿方式进行对空压机吸气进行预处理[6-7]，在保证空压机高效运行的同时，也能延长空压机的使用寿命，达到为企业节能节支的目的。

参考文献：

[1] 秦宏波,黄军徽,周华,等.基于系统测试的工业压缩空气系统节能技术应用研究[J].上海节能,2006(4):28-31.

[2] 沈维道,蒋智敏,童均耕.工程热力学[M].北京:高等教育出版社,2000:80-89.

[3] 史世坤.工业压缩机系统节能技术研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2013:23-26.

[4] 廉乐明,谭羽非,吴家正,等.工程热力学[M].北京:中国建筑工业出版社,2006:72.

[5] 秦宏波,胡寿根.工业压缩空气系统优化潜力研究[J].流体机械,2010,38(2):49-53.

[6] 吴生,黄翔,李成成,等.高压喷气+直接蒸发冷却在工业厂房的应用[J].流体机械,2012,40(5):75-79.

[7] 卫晨,黄翔,霍海红,等.高压喷气结合蒸发冷却空调用于空压系统的运行成本分析[J].流体机械,2014,42(2):77-82.

(责任编辑：张祖尧)

Research and Analysis on Effect of Suction Parameters on Air Compression Station Performance of Textile Mill

QINLi,YANSuqian,LIUNing,WEIShixiang

(College of Environmental and Chemical Engineering, Xi’an Polytechnic University, Xi’an 710048,China)

Abstract：This paper discusses the influence of suction parameters of air compressor in textile mill on energy consumption of air compression station with the method of combination of experimental test and theoretical calculation and conducts experimental test on suction parameters and energy consumption of air compressor in a textile mill in Xianyang. The result shows that energy consumption of air compression station reduces significantly under the condition of cold weather and low air humidity compared to the condition of hot weather and humid air; when suction temperature of air compressor reduces to 2.1℃ from 28.6℃, gas displacement of air compressor can increase by about 6%; when suction temperature of air compressor increases by 1℃ each, its energy consumption for producing each 1m3 compressed air will increase by 0.00375 kWh, i.e. 0.295%; when moisture content of suction of air compressor increases by 1g/(kg (dry air)) each, power consumption for producing 1m3 compressed air will increase by 0.00568 kWh, i.e. 0.47%.

Key words：textile mill; air compressor; suction parameters; temperature; humidity

收稿日期：2015-08-05

作者简介：秦莉(1991-)，女，江苏无锡人，硕士研究生，主要从事压缩空气系统的节能及优化的研究。 通信作者：颜苏芊，E-mail:746266396@qq.com

中图分类号：TS108.3

文献标志码：A

文章编号：1009-265X(2016)04-0022-05