喷气织机中压缩空气的泄漏评估及其修复优化

颜苏芊， 王力平

(西安工程大学 环境与化学工程学院， 陕西 西安 710048)

喷气织机因运行速度快，生产效率高，引纬方式合理及操作过程安全、简便[1]等特点，被广泛使用。压缩空气作为喷气织机动力源，在引纬过程中起重要作用，然而，理论研究及生产实践表明，喷气织机能耗巨大，其中压缩空气消耗约占总体的72%[2]，除生产消耗外，泄漏占主要部分。泄漏不仅浪费能源，还会导致运行损失；因此，降低喷气织机能耗主要从减少甚至消除压缩空气泄漏入手，并采取优化措施，以达到降耗要求。

目前国内外已对压缩空气泄漏问题做了一些研究，但针对喷气织机却少有提及，此外检测手段的应用、有关泄漏参数的分析、能耗评估及优化建议等有待进一步细化和完善。本文在对压缩空气泄漏现有研究基础上，从单台喷气织机出发，采用多种技术手段有机结合在一起对压缩空气在引纬机构输送及使用过程中的泄漏情况进行讨论，分析泄漏量与压降、温度变化的影响机制，以此为基础提出泄漏修复优化建议，对压缩空气在喷气织机中的泄漏作出评价。

1 引纬机构

1.1 引纬原理

引纬机构是喷气织机的关键机构之一。喷气织机引纬是以压缩空气为载体，利用压缩空气通过喷嘴产生的高速气流将纬纱牵引穿过梭口[3]，完成引纬。引纬时压缩空气压力低，速度高[4]。

1.2 引纬方式

压缩空气进入喷气织机前，先通过过滤器滤除杂质然后进入调压箱，经分路调压后分别输送至主气包和辅气包，再经电磁阀输送至主喷嘴及辅喷嘴。其中，主喷嘴所需的压缩空气由主气包经电磁阀供给；辅助喷嘴及储纬器所需的压缩空气由辅气包供给[5]。压缩空气在引纬机构走向如图1所示。引纬时，压缩空气从主喷嘴喷出，纬纱在气流作用下从储纬器上退绕下来，穿过主喷嘴在异型筘的筘槽中飞行，辅助喷嘴通过向筘槽补充气流使纬纱从供纬侧移动到另一侧，从而完成引纬[6]。

图1 压缩空气在引纬机构走向Fig.1 Compressed air in weft insertion mechanism

2 某织布车间喷气织机泄漏实测

2.1 喷气织机类型

选择西安某织布车间8种型号喷气织机共计643台，其中：PS209e-190型206台；ZA203-280型104台；ZAX-190型48台；CA082型72台；ZAX-e-190型 50台；ZA205i-190型13台；ZA203-190型54台以及JA610-190型96台。

各型号喷气织机车间布置见图2。针对泄漏问题，从每台喷气织机的引纬机构入手进行探究。

图2 各型号织机车间布置图Fig.2 Air-jet loom workshop layout

2.2 检测方法

泄漏检测主要涉及泄漏有无、泄漏定位及泄漏定量。目前现有的检测方法只是针对石油、天然气管道泄漏，主要分为硬件和软件、直接和间断、内部和外部以及检测管壁状况和内部流体状态检测的方法。针对压缩空气泄漏的检测，国内外文献少有提及。由于气体相似性，压缩空气泄漏检测的处理方法可等同于油气等工业流体。现有的检测方法在使用工况和应用范围内存在一定的局限，结合喷气织机压缩空气使用环境及要求，采用泄漏检测仪、超声波扫描枪及红外热像仪有机结合的方式从喷气织机引纬机构入手探究泄漏情况，使其优势互补，提高检测性能。

2.3 泄漏情况

2.3.1定量实验

定量实验时选取停车织机。检测过程中部分织机无法定量，经排查原因主要有：闲置接口堵塞，吹扫不干净；球阀及接口的意外破坏造成部件缺失或破损；织布车间生产要求及停车时间等影响。涉及ZA203-280、ZA203-190、JAT-610-190及ZA205i-190 共4种型号267 台织机。对于这部分织机，暂不考虑泄漏情况，只对可检测的织机进行计算评估。

本次测试抽取了大量织机进行泄漏实验，因篇幅有限，在大量抽检基础上，只对剩余每种型号可检测织机随机抽选10台进行具体分析。4种型号织机泄漏量及耗电量见表1。

表14种型号织机泄漏量及耗电量

Tab.1leakageandpowerconsumptionoffourtypesoflooms

织机型号编号压力/MPa泄漏量/(L·min-1)耗电量/(kW·h)织机型号编号压力/MPa泄漏量/(L·min-1)耗电量/(kW·h)PS209e⁃1901060167930407206089998059930585945505674058809104855059994270565606028011048070593741504448056647300283905929711058210060561110366ZAX⁃e⁃19010569517803102059263530381305875012030040579549903295057759440356606014568027570595315101898059570900425905847119042710058272610435CA08210599>500—20517>500—30592>500—40601>500—50599>500—60592>500—70587>500—80589>500—90579>500—10058930070180ZAX⁃1901060276510459206067390044305833591021540543<10000050569<10000060564<10000070513295701778057730860233905706820040100589<100000

由表1可得出：单台PS209e-190型织机平均泄漏量为79.742 L/min,由于泄漏，每台每年多耗电 4 186 kW·h；单台ZAX-e-190型织机平均泄漏量为57.175 L/min,每台每年因压缩空气泄漏浪费的电能为3 002 kW·h；随机测试中ZAX-190型有4台织机泄漏量小于1.0 L/min，经多次测量结果一致，且经排查未发现泄漏点，处理时则认为没有泄漏，耗电损失为0，因此，ZAX-190型单台平均泄漏量为 31.177 L/min；对于抽选的CA082型织机有9 台泄漏量超出检测量程。为进一步探究泄漏情况，重新抽选20台CA082型织机继续泄漏实验。CA082型织机泄漏量与耗电量见表2。

表2 CA082型织机泄漏量与耗电量

由表2可知：重新抽选的CA082型织机中泄漏量大于500 L/min的占60%，实际处理时对于这部分织机泄漏量按500 L/min估算，且忽略其对耗电损失的影响；因此，CA082型单台织机平均泄漏量为324.283 L/min，1 a泄漏量为170 443.145 m3，实际每台每年因泄漏浪费电远大于3 188 kW·h。

压缩空气成本由生产1 m3压缩空气耗电量和空气压缩机维护成本等部分组成。该纺织厂空压系统共有螺杆式空压机和离心式空压机2种，共计169台。以Atlas公司ZR3B型螺杆式空压机为例，其额定功率为110 kW,排气量为15.06 m3/min，也就是说这台空压机的耗电量为110 kW·h，根据中国企业情况，电费平均为1.0 元/(kW·h)，则这台空压机1 h就要花费110 元。空压机排气量为 903.6 m3/h，因此，每立方米压缩空气成本为 0.1元，考虑到空压机的维护成本以及管道漏气等情况(占实际成本的30%)，实际成本大概为 0.14 元/m3。根据该厂离心式空压机规格计算得到的结果与上述一致，因此，标准状态下每立方米压缩空气成本按0.14 元计算。具体泄漏损失汇总见表3。

表3 泄漏损失汇总Tab.3 Summary of leakage loss

由表3可知：该织布车间压缩空气1 a泄漏量约为 2.303×107m3，消耗电量远超过1.322×106kW·h；每年因压缩空气泄漏造成的经济损失达 322.435万元。

2.3.2定位实验

压缩空气泄漏部位有管道、法兰、螺纹连接、阀体、接头、过滤器、调压箱、储纬器及喷嘴。4种型号织机泄漏原因见表4。对各型号织机泄漏原因进行汇总分析得到：泄漏主要来源于管路输送、连接部件以及压缩空气使用点设备[6]，归根到底，泄漏是设备在使用过程中零部件老化和破损而没有及时修复更换[7]引起的。

对重新抽选的20台CA082型织机泄漏原因分析发现：泄漏量大于500 L/min的织机其部件破损相对严重，破损部位主要为过滤器。过滤器对压缩空气具有净化作用，包括空气过滤器和油雾滤气器 2部分。过滤器破损，不仅产生泄漏致使能耗增加，严重时可造成气路堵塞，零件生锈影响织物质量。表5示出其不同部件用途及损坏后果的汇总。

压缩空气在喷气织机的泄漏原因包括：喷气织机的自然老化；运行过程中因操作不规范或意外破坏，管道、阀体等出现裂纹；受车间温度、湿度影响，密封部件材料腐蚀老化；结构缺陷；压力波动造成螺栓松动；故障处理不当等。

2.3.3泄漏探讨

对4种型号织机泄漏实验研究发现，泄漏原因繁杂多样，同台织机存在多种泄漏情况，同种型号的织机泄漏原因不尽相同。为保证实验结果的普遍性，测试时对织机进行大量抽检，以排除个别情况的干扰而影响泄漏评估。测量过程中，部分织机存在泄漏，然而定位时并没有明显泄漏点，经过分析是由于织机本身的生产要求所致。此外，对同1台织机多次测量发现，相同条件下测量结果并不相同，通过重复实验发现，造成结果差异的原因主要有季节、操作及织机周期3方面；因此，为避免误差对测试结果的影响，实验时采取多次测量的办法，并在同等条件下对数据进行分析比较，若数值差距太大，则在织机未发生新的泄漏前提下继续测量以保证数据稳定及准确。若同一条件下，数据差别不大且连续，则对数据采取求均值的办法进行处理。

2.4 参数对泄漏量及能耗的影响

2.4.1压降与泄漏量及能耗的关系

压缩空气在喷气织机引纬机构传输过程中，由于管线阻力及局部阻力产生压降，泄漏加剧压降变化，压降变化消耗了气流能量产生能耗。

图3示出西安某织布车间压降与泄漏量的关系。压缩空气实际供气压力为0.6 MPa。可以看出，当压降为0.01 MPa时，气体泄漏量为 35.91 L/min,压降为0.02 MPa时，气体泄漏量增加 9.77 L/min。可见，压缩空气泄漏量随压降的增加而增大。这是因为定量实验时，泄漏检测仪并联接入喷气织机闲置接口与引纬机构组成回路，压缩空气泄漏到环境使得回路中压力下降，泄漏量越多压降越大。泄漏量与压降存在类似正比关系，故采取线性拟合。通过下式对实验值进行拟合：

Q=a+bΔP

(1)

式中：Q为压缩空气泄漏量；ΔP为压降；a、b为拟合常数。

拟合结果为：

Q=28.492 86+889.547 62ΔP

(2)

复相关系数R2=0.991 5，实验值与拟合曲线重合度较好，因此，式(2)即为泄漏量与压降的关系式。

压缩空气的能耗表现为耗电。图4示出耗电量与压降关系。可以看出，耗电量随压降的增加而增大。计算发现，压降增加0.01 MPa，能耗相应增加0.3%～0.5%[8]。从图4看到，实验值在拟合曲线上下浮动，呈线性增长。拟合得到压降与耗电量之间关系式为：

表4 4种型号织机泄漏原因Tab.4 Leakage causes of four types of looms

表5 不同部件汇总Tab.5 Summary of different components

图3 泄漏量与压降关系Fig.3 Relationship between leakage and pressure drop

Q′=0.171+5.325ΔP

(3)

式中，Q′为耗电量。 复相关系数R2=0.991 58。

图4 耗电量与压降关系Fig.4 Relationship between power consumptionand pressure drop

2.4.2温度变化与泄漏量及能耗的关系

压缩空气在喷气织机引纬机构输送过程中，气体温度与周围环境温度不同。压缩空气泄漏时表面温度场会发生变化，表面温度是推断部件内部特性的重要信息，通过分析泄漏位置表面温度变化从而对泄漏进行定性分析。实验时，织布车间环境温度为 32 ℃。温度变化与泄漏量关系见图5。可以看出，泄漏位置温度变化越大，泄漏量越多。这是因为压缩空气随泄漏发生整体膨胀，并与环境产生热量交换导致气体温度降低，泄漏量越多，泄漏表面温度越低。拟合得到泄漏量与温度变化之间的关系式为：

Q=68.914 34Δt-35.710 44

(4)

式中，ΔT为温度变化。复相关系数R2=0.973 22。

图5 泄漏量与温度变化关系Fig.5 Relationship between leakage and temperature change

图6示出耗电量与温度变化关系。可以看出，泄漏位置温度变化升高0.1 ℃，耗电量增加70%～90%。耗电量随温度变化的增加而增大。拟合得到温度变化与耗电量之间的关系式为：

Q′=0.412 54Δt-0.213 34

(5)

复相关系数R2=0.973 34。

图6 耗电量与温度变化关系Fig.6 Relationship between power consumptionand temperature change

3 修复及优化

泄漏不仅影响织机效率，增加运行成本，而且能耗损失严重，因此，泄漏修复及优化非常关键。针对检测过程泄漏情况，应采取相应的修复方案。修复方案的选择既要确保彻底修复漏点，又要保证各部件之间正常运行。

泄漏优化措施见表6。对于管道的泄漏修复一般采用再紧固、上堵头、加盲板、夹卡具、打包套、液压注胶等方法[9]；法兰、接头此类密封部件，应加强日常运行中的管理及维护，通过更换垫片、拧紧的方式进行修复，并对密封点部件进行标识；对于电磁阀等使用点设备，定期检查、及时清理积垢确保元件活动灵敏，磨损配件及时维修更换确保配件精密性，必要时根据实际情况进行更换[10]。修复后，需对组件进行复测，以确保成功修复。

表6 泄漏优化措施

注：CIPP指原位固化法。

4 结束语

引纬功能决定着喷气织机的优劣。由于喷气织机压缩空气使用环境及要求，采用多种技术手段有机结合方式对压缩空气在引纬机构输送及使用过程中的泄漏问题进行定性研究。对西安某织布车间定位实验得到泄漏分布部位，同时分析了泄漏来源，探讨了泄漏规律。对可测织机定量实验发现，该织布车间1 a压缩空气泄漏量为2.303×107m3，消耗的电量远超1.322×106kW·h。由于泄漏造成的经济损失达322.435 万元。可见，采取修复及优化对降低纺织企业运行成本，减少能源浪费尤为关键。此外，压缩空气泄漏量与压降、泄漏位置表面温度变化存在线性关系，通过对各参数间关系的探讨，对减少甚至消除泄漏进而达到降低能耗具有重要意义。

FZXB

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