纺织厂离心式空压机吸气预处理设备及其应用

任金鑫，颜苏芊，靳贵铭，秦 莉

(1.西安工程大学 城市规划与市政工程学院，陕西 西安 710048； 2.西安恒信通节能技术有限公司，陕西 西安 710043)

我国是一个纺织工业大国，其中压缩空气作为纺织企业广泛应用的动力源之一，具有安全、无公害等优点，同时也是最为昂贵的能源之一[1-2]。据调查显示，用于纺织企业每年生产压缩空气的耗电量占全国总耗电量的6%以上[3-4]，所以空气压缩系统的优化和节能直接关系到纺织企业的节能。有研究指出, 空压机吸气温度每增加1 ℃时, 每生产1 m3压缩空气, 其电耗将增加0.295%[5]，因此吸气参数对空压机性能影响尤为明显。

在夏季，由于室外环境温度较高，空压站内离心式空压机驱动电动机、后冷却器、空气净化器等工作时温度较高，其散热无法良好排出，使得空压站内温度升高，导致离心式空压机吸气温度升高，耗电量增大、产气量减少等问题出现。目前大部分纺织企业，直接利用空压站内自由空气经过除尘、过滤、消声后吸入离心式空压机内，但往往忽视了空压站内自由空气的预处理过程[6-7]。本文通过理论分析和实地测试相结合，实测空压机耗电量、产气量，分析出离心式空压机吸气温度对耗电量、产气量的影响，从而达到节约能耗的目的。

1 离心式空压机吸气预处理可行性分析

1.1 离心式空压机吸气温度对耗电量的影响

离心式空压机吸气温度与耗电量的关系密不可分，根据离心式空压机的耗电量计算公式[8]：

(1)

式中：ρ为标准状况下的空气密度，kg/m3；Vk为空压机产气量，m3/h；R为气体常数，J/(kg·K)；T为环境温度，K；P2为排气压力，MPa；P1为进气压力，MPa；ηT为空压机的等温效率，%；ηM为空压机的机械效率，%。当其他因素不变时，环境温度降低，离心式空压机耗电量降低，达到降低离心式空压机耗电量的目的。

通过对某纺织厂空压站5台离心式空压机2019年上半年总耗电量分析，在冬季和过渡季节时，由于室外环境温度明显低于夏季，导致空压站内温度降低，离心式空压机吸气温度降低，从而总耗电量明显降低。离心式空压机每月总耗电量见图1。

图1 离心式空压机每月总耗电量

1.2 离心式空压机吸气温度对产气量的影响

当离心式空压机吸气温度变化时，对产气量有着明显的影响，对于离心式空压机，在级工况和介质相同时，根据离心式空压机产气量公式[9]：

(2)

式中：Qm为离心式空压机产气量，m3/h；Pin为进口压力，MPa；Tin为吸气温度，K；R为气体常数，J/(kg·K)；带“′”为新工况参数。由式(2)可得，当其他因素不变时，离心式空压机吸气温度的二分之一次方与产气量成反比，当吸气温度降低时，离心式空压机产气量增大。

通过对某纺织厂空压站测试调研得出，该空压站空压机产气量的80%主要满足喷气织机的用气量，并随用气用户的需气量实时调节产气量。在冬季及过渡季节时，室外温度较低，导致空压机吸气温度降低，为满足用气用户需气量，空压站只需开启5台离心式空压机或4台离心式空压机和1台变频式螺杆空压机即可满足纺织厂的正常供气需求。而在夏季时，由于室外温度较高，导致空压机吸气温度升高，为满足生产需求，在开启5台离心式空压机的同时需要开启2～3台螺杆式空压机辅助生产，从而满足纺织厂正常的供气需求。因此，降低吸气温度对增大空压机产气量非常重要。

2 某纺织厂空压站设备及通风系统

目前，某纺织厂空压站为满足不同需气用户的用气需求，设有5台离心式空压机，为ZH1500-6-7型离心式空压机，其示意图见图2。该离心式空压机在设计条件下的最大工作压力7.7×105Pa，额定输入功率1 430 kW，启动轴转速2 985 r/min，设计流量295 m3/min，最大吸气温度40 ℃，最大环境温度40 ℃。通过调研发现，在2019年7月该纺织厂空压站空压机总用电量共为5 836.44 MW，其中离心式空压机该月用电量为4 893.92 MW，占空压机总用电量的80%以上，节能潜力巨大。故选择对离心式空压机采取进气预处理，达到最佳的节能目的。

在夏季，未进行通风降温时，空压站内温度较高，导致离心式空压机吸气温度较高，测试发现，最高时可达到45 ℃，高于设计条件下的最大吸气温度。为解决空压站降温问题，该空压站采用组合式空调机组侧送风方式，其中空压站占地面积3 160 m2，按新风流动方向组合式空调机组依次设有混风段、初效过滤段、中效过滤段、表冷段、送风机段，设计风量120 000 m3/h，送风距离为44.6 m，共8个风道为5台离心式空压机和6台螺杆式空压机同时通风降温。但由于占地面积大、送风距离长、送风风量不能满足空压站所需风量等原因，导致降温效果不明显。开启通风降温时，离心式空压机吸气温度仍然高于设计条件下的最大吸气温度40 ℃，最高时达到43 ℃。根据该空压站现有情况，设计离心式空压机吸气预处理方案是十分有必要的。空压站通风降温及离心式空压机示意图见图2。

1—组合式空调室；2—风管；3—压缩空气干燥器；4—离心式空气压缩机吸气口；5—ZH1500-6-7型离心式空气压缩机；6—储气罐。图2 空压站通风降温及离心式空压机示意图

3 离心式空压机吸气预处理研究

3.1 离心式空压机吸气预处理方案

本文方案对1#离心式空压机进行预处理，利用组合式空调机组提供冷空气，连接风管通入到1#离心式空压机吸气口上部，直接提供冷空气对离心式空压机吸气口进行降温处理，实测分析离心式空压机耗电量等情况。风管材料采用镀锌铁皮，厚度为15 mm，保温层采用橡塑材料，厚度为30 mm。离心式空压机预处理设计方案见图3，离心式空压机吸气口风管图见图4。

图3 离心式空压机预处理设计方案

图4 离心式空压机吸气口风管图

3.2 离心式空压机吸气预处理测试分析

本次实验在2019年8月份每日不同时间段对某纺织厂空压站离心式空压机进行数据测试，每次测试结果取各测点测试数据的算术平均值，各测试内容的平均值为所有测试结果之和取平均所得。测试内容包括风管出口温度、风速，离心式空压机吸气口温度、流速，并在空压站耗电室记录离心式空压机的耗电量。风管出口测点布置见图5，离心式空压机吸气口尺寸及测点布置见图6。

图5 风管出口测点布置

图6 离心式空压机吸气口尺寸及测点布置

3.2.1 风管模式对吸气温度和耗电量的影响

本文方案前期采用风管模式1(离心式空压机吸气口风管模式1见图7)对离心式空压机进行吸气预处理，其中风管出口距离离心式空压机吸气口上部600 mm，偏移离心式空压机吸气口前端50 mm，未正对离心式空压机吸气口。通过测试，在相同室内温度条件下，未进行预处理时，1#离心式空压机平均吸气温度为37.63 ℃，风管模式1下平均吸气温度为32.1 ℃，降温5.53 ℃，降温效果不理想。后期经过改造，采用风管模式2(离心式空压机吸气口风管模式2见图8)，风管出口距离离心式空压机吸气口上部200 mm，正对离心式空压机吸气口，风管模式2下平均吸气温度为26.72 ℃，较未预处理时，降温10.91 ℃，降温效果得到提升。在相同室内温度条件下，各种情况下1#离心式空压机吸气温度如图9所示，将2种风管模式进行对比，结果见表1。1#离心式空压机吸气温度对比见图9，风管模式及耗电量对比见表1。

单位：mm。图7 离心式空压机吸气口风管模式1

单位：mm。图8 离心式空压机吸气口风管模式2

图9 1#离心式空压机吸气温度对比

通过对2种不同风管模式测试分析，在保证利用吸气口负压及空压机安全运行的前提下，风管模式2相比风管模式1对吸气口降温效果明显：在相同送风温度下，平均吸气温度多降低5.38 ℃，同时耗电量每月多降低25.77 MW，对离心式空压机的节能有很大的提升。故本设计方案采用风管模式2对1#离心式空压机进行吸气预处理。

表1 风管模式及耗电量对比

3.2.2 吸气温度测试结果及对耗电量影响分析

在相同测试条件下，对1#离心式空压机进行预处理后，平均吸气温度较未预处理时降低10.91 ℃。1#离心式空压机预处理前后吸气温度及耗电量见表2。

表2 1#离心式空压机预处理前后吸气温度及耗电量

从表2取2019-08-01 9：00 am与2019-08-16 9:00 am数据，计算可知：吸气温差为11.87 ℃，日耗电量差值为1.86 MW，即每降低1 ℃时，每日节约耗电量1.86/11.87=0.156 MW/℃，以上为某2日具体计算过程，本次采用1个月数据对比进行计算可知：平均吸气温差为10.91 ℃，平均日耗电量差值为1.654 MW，即每降低1 ℃时，每日节约耗电量1.654/10.91=0.151 6 MW/℃。得到以下结论：每降低1 ℃吸气温度，1#离心式空压机每日降低耗电量0.151 6 MW，降低耗电量占总耗电量的0.54%，每月可节约49.62 MW。

经过测试，未进行预处理的2#～5#离心式空压机中，4#离心式空压机平均吸气温度最高，其平均吸气温度为41.47 ℃，较预处理后1#离心式空压机平均吸气温度高出14.75 ℃。同时耗电量高于1#离心式空压机。在相同测试条件下，未进行预处理4#离心式空压机吸气温度及耗电量如表3所示。

表3 4#离心式空压机吸气温度及耗电量

在相同测试条件下，采用1个月数据对1#与4#离心式空压机比较，计算可知：平均吸气温差为14.75 ℃，平均日耗电量差值为2.19 MW，即每降低1 ℃时，每日节约耗电量2.19/14.75=0.148 5 MW/℃。可见采取预处理后对离心式空压机的节能有很大的提升。

3.2.3 离心式空压机吸气预处理对产气量影响

通过测试，在1#离心式空压机电动机功率不变的条件下，测得1#离心式空压机在未进行预处理时平均产气量为18 279 m3/h，经过预处理后产气量增大为18 369.4 m3/h，通过计算可得，预处理后产气量每小时增加90.4 m3，每月可增加产气量6.5万m3，较预处理前提升0.49%。若对5台离心式空压机同时进行吸气预处理，每月可增加产气量32.5万m3。

4 离心式空压机吸气预处理经济性分析

4.1 成本分析

本次离心式空压机吸气预处理方案根据该空压站现有情况进行改造，在原有通风降温的基础上，在组合式空调机组出风口安装风管，连接到离心式空压机吸气口处。本文预处理方案中，风机选取额定风量为18 000 m3/h的轴流式风机，功率2.2 kW，水泵功率1.5 kW。按夏季(7、8月份)空调机组运行不间断开启计算，运行时间为1 440 h。制冷量Q计算公式[10]为：

Q=qmΔh

(3)

式中：qm为被处理空气的质量流量，kg/s，qm=6.45 kg/s；Δh为被处理空气处理前后的焓差，kJ/kg，Δh=15.857 kJ/kg。代入数据计算得：Q=102.3 kW。空调机组的冷冻水由离心式冷水机组提供，冷水机组的性能系数(COP)选取为4.4[11]，则所需要的轴功率为Q/COP=23.24 kW。取工业用电波峰、波谷平均电价0.7元/(kW·h)计算，可得初投资与运行费用，空压机吸气预处理初投资与运行费用见表4。

表4 空压机吸气预处理初投资与运行费用

4.2 节约成本分析

对1#离心式空压机进行预处理后，平均吸气温度较未预处理时降低10.91 ℃，离心式空压机产气量增加6.5万m3/月。每月节约耗电量49.62 MW，折合电费为3.47万元/月，扣除预处理相关设备运行费用1.54万元/月，平均可节约1.93万元/月。同时初投资为2.25万元，投资回收期为35天，节能效益可观。

5 结 论

通过分析吸气温度对离心式空压机耗电量及吸气量的影响，确定离心式空压机预处理的可行性。同时根据某纺织厂具体情况，设计离心式空压机预处理方案，并对离心式空压机预处理后的耗电量、产气量进行经济性分析，得到以下结论：①对离心式空压机进行预处理时，风管与吸气口的距离应尽量接近，这样可以使吸气温度尽可能降低，达到最优节能效果，但是不宜与吸气口相连，以防破坏吸气口压力分布及凝结水流入吸气口，使得空压机安全运行。②通过测试，对离心式空压机吸气口进行预处理后，平均吸气温度较未预处理时降低10.91 ℃，每月节约耗电量49.62 MW，产气量增加6.5万m3/月。③通过经济性分析可得：对离心式空压机采取预处理后，每月节约电量折合电费3.47万元/月，扣除预处理相关设备运行费用1.54万元/月，平均可节约1.93万元/月。同时初投资为2.25万元，投资回收期为35天，节能及经济效益非常明显。