纺织厂空压机进气预处理与区域适用性研究

颜苏芊 刘倩倩 秦 莉 李 彪

（1.西安工程大学，陕西西安，710048；2.西安恒信通节能技术有限公司，陕西西安，710043；3.江苏格罗瑞节能科技有限公司，江苏无锡，214101）

压缩空气被广泛应用于纺织企业中，其耗电量占企业总耗电的20%～30%，是除工艺耗电外耗能最多的部分［1-2］。我国幅员辽阔，不同地区、不同季节室外空气参数差异较大，如果对空压机进气进行降温干燥处理，虽然能降低空压机进气温湿度及其运行能耗，但是预处理设备有初期投资和本身运行费用等，可能会存在节能效果不明显和经济效益不高的问题。

本研究在西安某纺织厂搭建试验台，测试空压机增设进气预处理设备后的综合节电量，并以气象条件为依据，分析广州、福州、盐城、西安等4个地区空压机进气预处理设备的适用性，以及增设预处理设备后系统的节能情况和经济效益。

1 纺织厂空压机的进气方式

对多家纺织企业进行实地调研发现，现有空压机的进气方式主要有直接吸入空压站内空气和风管引室外空气两种。

空压机直接吸入空压站内空气，机组进气受室外气象参数影响较小。但空压站内除了空压机，还有冷却器和干燥机等辅助设备，这些设备发热量大，空压站内空气温度明显高于室外。空压机本身功率大，加之压缩余热，会导致空压机组周围产生局部高温，由于热空气密度小，高温空气上升，往往会在空压机进气口周围出现局部高温区。在夏季，空压机组产气量明显下降、耗电量显著提高，严重时还会造成空压机报警甚至停车，不利于企业的安全稳定生产。

为了保证企业用气稳定、满足正常生产需求，部分企业对空压机进气口安装风管，依靠空压机进气口局部负压，使用风管将室外空气引至空压机进气口，使机组吸入室外空气。这种吸气方式有效解决了空压机吸入站内高温空气而导致企业生产不稳定的问题。但这种吸气方式受室外气象条件影响很大，在夏季高温高湿季节，空压机产气量降低和耗电量增加的问题尤为明显，不利于企业的节能运行。

2 试验场地和方案

2.1 试验场地

为了确保试验数据的准确性和可靠性，试验场地需同时满足以下条件：压缩空气产量稳定，至少2 台型号和使用年限完全相同的机组，且工况相同即进口空气参数相同。我们调研了东莞、西安、咸阳、兰溪等4 个地区5 家纺织厂的空压站，综合考虑选择在西安某纺织厂搭建试验台。

2.2 试验方案

西安某纺织厂9#～16#空压机集中布置在空压站内，空压机吸入室外空气进行压缩，室外空气由空压机自身负压吸入，从外墙上的矩形风口经过滤通过风管吸入空压机内。对其中4 台Atlas ZR4-51 型螺杆空压机的进气温湿度、入口负压及风速进行测试，在每台空压机吸气口取6 个测点测试3 次取平均值，空压机进气参数测试结果如表1 所示。

由表1 可知，13#和15#空压机吸气温度相同，相对湿度、风速及入口负压相差不大，这两台机组运行参数较为接近，选择在13#空压机上搭建试验台，并与15#空压机进行对比。以空压机额定进气量30 Nm³/min 作为表冷器进气量，选择铜管铝翅片的整体式翅片管表冷器进行设计计算，其外形尺寸为600 mm×500 mm×70 mm，共计72 根管，分3 排，呈叉排正三角形排列，翅片尺寸600 mm×70 mm，翅片密度392 片/m，翅化比15.22。经核算该表冷器传热系数为49.43 W/（m2·℃），冷水量0.59 kg/s，管内阻力5.4 kPa，空气侧翅片阻力为65.2 Pa。

表1 空压机进气参数测试结果

将表冷器固定在空压机进气口，通入20 ℃左右冷水，利用表冷器对空压机入口空气进行预处理，达到对空压机进气降温的目的。

2.3 测试进气参数

测试空压机进气温湿度时，将温湿度计探头从风管上的开孔伸进风管，使探头与管内空气充分接触，待读数稳定后记录数据。在测试流速时，将毕托管伸进风管内，使毕托管头正对且平行气流方向，流速稳定后记录测试值，利用公式（1）计算空压机进气量；同时读取控制柜上电压、电流、功率因数，通过公式（2）计算出空压机的实际功率。在风管内均分为12 个测点，对吸气温度、风速分别进行3 组测试取平均值。

式中：q为空压机进气量（m3/s）；S为圆形风管的截面积（m2）；v为各测点的平均风速（m/s）。

式中：N为空压机的实际功率（kW）；U为三相平均电压（kV）；I为三相平均电流（A）；cosφ为功率因数。

3 增设进气预处理设备的节能研究

通过测试计算空压机进气参数、比功率、空压机和预处理设备耗电量，分析增设预处理设备后空压机的节能效益，并结合预处理设备的能耗，综合研究空压系统的节能效益。

3.1 进气预处理对空压机能耗的影响

对空压机吸气进行预处理后，由于室外空气温度不同，空压机入口空气温降也不同，空压机节电量也就不相同。在不同温度下对空压机增设预处理设备前后的耗电量进行测试计算，结果如表2 所示。

表2 进气预处理前后空压机运行参数测试及比功率

分析表2 可知，进气预处理后空压机进气温度明显降低，空压机产气量提高，同时机组功率显著下降。当预处理前空压机进气温度为37.5 ℃时，空压机能耗为200.50 kW；经过预处理后，空压机进气温度下降到30.2 ℃，空压机能耗下降到193.29 kW，比预处理前节能7.21 kW，节能率3.60%。当预处理前空压机进气温度为29.5 ℃时，空压机能耗为192.85 kW；预处理后进气温度为24.7 ℃，功率为188.97 kW，比预处理前节能3.88 kW，节能率2.01%。当预处理前空压机进气温度为33.5 ℃，经过预处理后进气温度降低至28.1 ℃，空压机比功率由6.73 kW/（m³/min）降低至6.45 kW/（m³/min），按照空压机额定进气量30 Nm³/min 来计算，增设预处理设备可使空压机节能8.4 kW，节能效果较为显著。

3.2 进气预处理设备能耗分析

3.2.1 冷水机组能耗计算

使用冷水机组为表冷器提供冷冻水，冷水机组制冷量大，为企业空调、空压系统提供冷水，要划分冷水机组为表冷器提供冷冻水部分的实际能耗较为困难，我们通过预处理前后空气焓差来估算冷水机组耗电量，按公式（3）计算冷水机组功率［3］。空压机不同进气温度时，冷水机组实际功率计算结果如表3 所示。

表3 冷水机组功率计算

式中：P为冷水机组功率（kW）；qm为被处理空气的质量流量（kg/s）；Δh为空气经过表冷器前后的焓差（kJ/kg）；COP为制冷能效，经测试，机组实际COP值为4.4。

随着空压机进气温度的升高，空压机进气量减小，同时空气与冷冻水温差变大，空气经过表冷器后温降变大，表冷器需要的制冷量也随之增大。当空压机进气温度从29.5 ℃提高至37.5 ℃时，空压机进气量降低了0.006 kg/s，冷水机组所需功率从1.20 kW 增加至1.38 kW。

3.2.2 水泵的能耗

为了保证表冷器冷冻水水量，在搭建试验台时为表冷器配置水泵1 台。表冷器水量为0.59 kg/s，体积流量为2.124 m³/h。水泵的扬程包括冷冻水流经管道的沿程和局部阻力、表冷器阻力、垂直提升高度三者之和［4］，通过计算选择1 台功率0.75 kW 的定频水泵为表冷器供水，水泵额定供水量2.8 m³/h，扬程20.6 m。

3.3 增设预处理设备的节能性研究

增设表冷器对空压机进气进行降温处理，可以使空压机产气量明显增加，耗电量显著下降。由于表冷器需要消耗冷冻水，冷冻水送至表冷器需要用水泵提供动力。在研究增设预处理设备后系统节能性时，需综合考虑空压机组和增设预处理设备的耗能。对预处理前后空压机和预处理设备耗能进行汇总，如表4 所示。

表4 不同吸气温度进气预处理和空压机耗能汇总

当室外温度为29.5 ℃时，系统综合节能1.93 kW，节能率1.0%；当室外温度为33.5 ℃时，系统综合节能3.76 kW，节能率1.9%；当室外温度为37.5 ℃时，系统综合节能5.08 kW，节能率2.53%。

空压机进气预处理设备的节能性与进气温度呈正相关。吸气温度越高，经过预处理后空压系统综合节能越大。当室外空气温度低于29.5 ℃时，使用预处理设备还有一定的节能效果，但由于冷冻水和表冷器温差变小，经过表冷器后空气温降减小，预处理设备的节能效益也相应减小。考虑设备运行维护和检修费用，当空气温度低于29 ℃时，空压机进气可不采取预处理，直接吸入室外空气。

4 进气预处理设备区域适用性研究

为了充分发挥进气预处理设备的节能效果，研究进气预处理设备的区域适用性，对其推广和使用十分必要。以广州、福州、盐城、西安地区为例，对空压机进气预处理设备的节能和经济效益进行对比分析。依据室外温度超过29 ℃需要开启预处理设备，且设备每天使用24 h，对空压机进气预处理设备的使用时间段和总时长进行统计，如表5 所示。

表5 空压机吸气预处理设备的使用时长

广州、福州、盐城和西安地区使用预处理设备时间分别为6 072 h、5 112 h、2 760 h 和2 640 h。按照纺织企业每年正常生产350 天，每天工作24 h 计算，空压机每年使用8 400 h，广州、福州、盐城和西安地区空压机进气预处理设备的使用率分别为72.29%、60.86%、32.86%、31.43%。当设备年使用率超过55%时适于安装进气预处理设备，在广州和福州等空调使用时间较长地区是适用的［5］。

对广州和福州地区室外温度大于29 ℃时间段取平均值，可得室外平均温度分别为34.2 ℃、34.8 ℃。对广州、福州增设进气预处理设备，按照空压机产气量30 Nm³/min 计算，空压系统节能效益计算结果如表6 所示。

由表6 可以看出，广州、福州地区纺织企业空压机都可以通过增设进气预处理设备实现明显节电，按照工业用电0.7 元/（kW·h）计算，每年可实现降低运行成本分别为17 342 元、15 566 元，经济效益明显。空压机进气温湿度降低后，其他冷却设备、干燥机等辅助设备负荷也会相应减少，实际节能效果更显著。

表6 空压机增设吸气预处理设备节能效益

5 结论

对西安某纺织厂空压站增设预处理设备后分析空压机系统的节能性，并对不同地区空压机进气预处理设备的适用性进行了研究，可以得出以下结论。

（1）增设表冷器作为进气预处理设备，可使空压机进气温度明显降低，空压机产气量提高，同时机组功率显著下降。

（2）空压机进气预处理设备的节能性与空气温度呈正相关，空气温度越高，经过预处理后空压系统的节电越明显；当空压机空气温度低于29 ℃时，采取预处理措施后空压机节能效果不明显，空压机可直接吸入室外空气。

（3）广州、福州、盐城和西安地区的空压机吸气预处理设备的使用率分别为72.29%、60.86%、32.86%、31.43%，在广州和福州地区安装空压机进气预处理设备，使用时间较长，经济效益较好，而在盐城、西安地区使用时间较短，经济效益不显著。

（4）在广州、福州两个地区，对产气量为30 Nm³/min 单台空压机增设进气预处理设备，每年节约用电分别为24 773 kW·h、22 237 kW·h，分别降低运行成本17 342 元、15 566 元，节能和经济效益较为明显。