基于TRIZ理想度方法对自洁式空气过滤器阻力的优化设计

郭 媛

(浙江外企德科人力资源服务有限公司，杭州 拱墅 丰潭路 380号 杭州银泰城D座 1101室 310011)

空气压缩机启动后，原料空气吸入自洁式过滤器滤芯当中，在惯性力和重力的作用下，一部分粒径较大的颗粒被阻挡沉积在芯体表面和底部，粒径较小的尘埃颗粒由于芯体上纤维的拦截效应和布朗扩散效应，逐渐在芯体表面沉积，形成粉尘膜，阻力随着运行时间逐渐上升，当阻力压差值达到设定点时，脉冲反吹程序自动开启，滤筒内外表面受到反吹气流的冲击，粘附在表面的部分灰尘被振落，阻力在一定程度上下降。洁净的气体经过过滤后进入净气室，最后由集分管送入压缩机内，因此，原料空气过滤器可以被称作空压机运行的“口罩”。

1 常见故障和原因

1.1 过滤器的运行阻力偏大

在恶劣气候情况下，如持续沙尘暴或连续阴雨大雾，经常会出现自洁式过滤器阻力大于1500 Pa，吸入气量减少，运行能耗增加，甚至会出现压缩机进气压力过低发生报警的情况，使空压机的运行点向喘振曲线发生漂移，严重时造成空压机一级叶轮振动值超标或者机组发生喘振的情况。

1.1.1滤料选材不合适

原料空气过滤器的滤筒材质多数情况下采用木浆纤维的滤料，这种材质的滤筒是由数层纤维复合而成，每层纤维滤纸纵横交错排列，平均孔径在20～70 μm，保证了一定的透气度。空气在很低的过滤流速下，穿过滤纸的阻力值很小(初阻力不大于100 Pa)，当大气环境比较干燥时，过滤效果很好。当空气相对湿度较大时(96%以上)，滤纸中的木浆纤维由于受潮膨胀，透气孔径缩甚至发生堵塞，透气度大幅下降，脉冲反吹清灰效果也大大下降甚至造成糊筒的情况。

关于滤料的合理选型，应根据使用地的气候条件，因地制宜地选配滤纸材料。在传统的木浆纤维滤料中增加一定比例的聚酯纤维(20%聚酯+80%木浆纤维)，如美国HV公司生产的滤纸，这种复合材料的滤纸具有更高的抗拉强度和挺度，且具有一定的防水性，在潮湿环境下使用表现出了良好的耐候性。对于沿海地区，大气中的含盐量对滤材有较大的腐蚀性，可以选用表面覆膜滤纸或者纳米滤纸，这种滤材具有良好的疏水性能，能将水分和腐蚀性介质阻挡隔离。

1.1.2滤筒运行的容尘量超出设计额定值

面对沙尘暴等恶劣天气，在过滤器吸入口粗滤网四周内侧增设一层无纺布材质的复合纤维滤料，有PSB/275S P300型(或PSB/290S P400型)等，增加了过滤器的固有容尘量，一定程度上降低了自洁滤筒的过滤负荷，减轻了自洁反吹的清灰负荷，同时延长了滤筒的使用寿命。当沙暴天气解除后，可将无纺布拆下清洗后备用。这种临时增加过滤器本体容尘量的做法，可以稳定系统的阻力并降低运行能耗。

1.2 脉冲反吹清灰效果不佳

1.2.1反吹气源压力偏低

空分装置提供的反吹气源压力一般偏低，尤其当在大气相对湿度较大时，有必要提高自洁反吹气源压力，增强脉冲清灰效果。采用干燥的氮气或空气作为反吹气源，理想的气源压力在0.55～0.8 MPa (A)，过大则会影响电磁阀的使用寿命，此时自洁反吹效果能提高1倍以上。若无法保证反吹气源的洁净度、干燥度以及压力的稳定度时，推荐在反吹气源入口处配置油滤器、压力调节器、疏水器等组合联件，清灰效果事半功倍。

1.2.2反吹气源储气量不足

通过增大反吹管径、储气管径来增加反吹系统的储气容量，同时减小了压力波动，稳定反吹压力。如将储气管径增至Ф159×6及以上，增设一只3～5 m3的缓冲罐，同时反吹管及电磁阀的口径增加到1.5 inch，减小每只脉冲电磁阀反吹滤筒的数量(5只及以下)，通过以上措施，来增强反吹清灰的力度和效果。

1.2.3自洁反吹程序设定参数值不合理

应根据过滤器运行情况，适当调节可编程控制仪上的设定参数值，减小反吹时间间隔，控制完成所有滤筒的清灰时间在9～13 min，增强每只滤筒的清灰频率。

1.2.4反吹结构设计不合理

适当增加滤筒的间距，减少由于滤筒反吹清灰对周围滤筒的影响。各组别之间的滤筒用隔板隔开，隔板应具备一定的强度，安装可靠牢固。

在无文氏管或者诱导喷嘴情况下，反吹气流强度在滤筒中部完全膨胀并随气流往下运动时逐渐耗散，抵达滤筒底部时，气流基本已经耗散。所以，对于口径较大的滤筒(≥Φ325)，建议其长度不应超过1 m。

通过改进反吹结构，使用诱导喷嘴，具有气流散射器和超音速引流喷嘴，增强清灰效果，一定程度上确保了滤筒长度方向上内表面清灰压力的均匀稳定性，延长了滤筒的使用周期，提高过滤器的过滤效率。

1.3 软连接异常

软连接型式分为不锈钢金属软管和橡胶波纹管，橡胶波纹管的耐候性不如不锈钢金属软管，应根据不同的环境条件来正确选用。

2 滤筒的选配及更换

2.1 过滤等级

不同国家、组织、协会颁布了相关的过滤器标准，如欧洲2002年颁布实施的EN779(2012年进行了更新)，美国2007年颁布实施的ANSI/ASHRAE Standard 52.2-2007，我国于2008年颁布实施了GB/T 14295—2008《空气过滤器》，这些标准都规定了空气过滤器的分级、要求，试验方法、检验规则等。这些不同标准在过滤器分级以及测试方法等方面存在较大的不同。

EN779-2012对过滤等级进行了调整，不同等级的过滤要求，对滤筒材质及过滤级数的要求也不同，见表1。

表1 EN779-2012 对空气过滤器的过滤等级分类

GB/T 14295—2008对过滤器的等级划分有所不同，见表2。

表2 GB/T 14295对空气过滤器的分级

Table 2 GB/T 14295 classification of air filters

2.2 合理选择滤筒的更换时机

对自洁式过滤器的滤筒更换时机进行优化分析。这里引入TRIZ中理想度的概念。

理想度公式为：理想度=系统有用功能的集合/(为实现系统有用功能的所有花费+有害功能的集合)。任何技术系统在进化过程中都沿着越可靠、越简单、越有效的方向进化，则其理想度越高。

TRIZ中讲述了如何利用IFR来指导技术创新方向，从而提高技术创新效率。在产品技术优化过程中同样也可以使用IFR的理想度概念来指导设计优化。

理想度概念公式：

过滤器的有用功能：清除大气中的绝大部分杂质，提高压缩机运行安全可靠性。过滤器的有害功能：过滤过程中产生的气体阻力，对应压缩能耗费用。过滤器的成本：滤筒更换成本。为简化分析和集中关注点，强调过滤器的主要有用功能、有害功能和成本项。

以五万等级空分为例，表3是自洁式过滤器的设计相关数据。

表3 自洁式过滤器技术参数表

优化路径：保持有用功不变，调整成本和有害功能。

具体实施过程中分为两个步骤。

步骤1：有害功能和成本两项都降低或一项降低另一项不动。

步骤2：提高(降低)成本，降低(提高)有害功能。

实际操作中步骤1取得较大效果的可能性不高，如出现可能是以下两种情况，一是在不成熟产品，二是在有突破性技术出现。

步骤2操作，需先设定最优方案这一目标：

利用Unisim软件，对过滤器系统和压缩机系统进行工艺计算流程模拟，如图1所示，对滤筒运行状态下的各阶段阻力值引起的压缩机能耗进行分析，结果如表4所示。

表4 滤筒阻力能耗统计表

注：1.720 h/月计，电费0.62元/(kW·h)。2.压缩机的效率按80%计算，滤筒单价350元，全部更换需要12.2万元，各阻力下的运行时间为统计平均值，在恶劣天气条件下，有波动。

对表4进行分析，投资回收期小于运行时间为更换滤筒的最佳时机，对于案例所示的工况，建议运行阻力在600 Pa以上可以更换滤筒。以过滤器达到终阻力1500 Pa为更换周期，两年内可节约费用14万元左右。

图1 压缩机系统工艺流程计算模拟

3 结束语

在设计TRIZ这理论，主要采用优化第一路径：用功能不变，调整成本和有害功能。作用对象是自洁式空气过滤器。成本就是更换费用和运行能耗，有害功能就是过滤器的阻力，构建优化方法。

对于空分设备管理人员来说，选择合理的滤芯更换时间，不仅能保证压缩机平稳安全运行，而且能节约压缩机能耗，降低运行费用。