化纖生產(chǎn)中高低壓壓縮空氣獨立設(shè)置系統(tǒng)節(jié)能分析

孫日近，劉成剛，蔣紹元

(蘇州科技學院，江蘇 蘇州 215009)

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化纖生產(chǎn)中高低壓壓縮空氣獨立設(shè)置系統(tǒng)節(jié)能分析

孫日近，劉成剛*，蔣紹元

(蘇州科技學院，江蘇 蘇州 215009)

介紹了化纖生產(chǎn)中壓縮空氣高低壓混合系統(tǒng)和高低壓獨立設(shè)置系統(tǒng)的運行過程，對運行能耗進行了理論分析，并結(jié)合實際案例分析了高低壓獨立設(shè)置系統(tǒng)的節(jié)能效果。結(jié)果表明：壓縮空氣高低壓混合系統(tǒng)將生產(chǎn)0.8 MPa與0.45 MPa壓縮空氣的系統(tǒng)混合設(shè)置，低壓壓縮空氣由高壓壓縮空氣節(jié)流降壓產(chǎn)生；高低壓獨立設(shè)置系統(tǒng)將生產(chǎn)0.8 MPa與生產(chǎn)0.45 MPa壓縮空氣的系統(tǒng)獨立設(shè)置；高低壓獨立設(shè)置系統(tǒng)的運行能耗低于高低壓混合系統(tǒng)；以0.45 MPa空壓機產(chǎn)氣量為基準，獨立增設(shè)1臺0.45 MPa空壓機，獨立設(shè)置系統(tǒng)全年節(jié)能量達2 488 216 kW·h，節(jié)能效果顯著。

壓縮空氣系統(tǒng) 高壓 低壓 獨立設(shè)置 節(jié)能

在化纖生產(chǎn)中，壓縮空氣已成為僅次于電力的第二大動力能源[1-2]?？諌簷C以空氣為介質(zhì)生產(chǎn)壓縮空氣所消耗電能約占化纖企業(yè)電力消耗的40%。如何降低這部分耗能已成為化纖企業(yè)的重點節(jié)能問題[3-4]?；w生產(chǎn)所用壓縮空氣通常分為不同的壓力等級。目前，大多數(shù)企業(yè)沒有對不同壓力壓縮空氣的需求設(shè)計多級壓力等級的系統(tǒng)，只輸出一條壓縮空氣管路，導致一些低壓使用終端需要由高壓狀態(tài)的壓縮空氣節(jié)流減壓后的使用[5-6]。這種由高壓生產(chǎn)低壓的高低壓混合系統(tǒng)的運行能耗較高。

作者介紹了化纖生產(chǎn)中高低壓壓縮空氣獨立設(shè)置系統(tǒng)的運行過程，并與高低壓混合系統(tǒng)進行了節(jié)能效果對比分析。

1 壓縮空氣系統(tǒng)運行過程

高低壓混合系統(tǒng)的運行是指空壓機生產(chǎn)高壓狀態(tài)壓縮空氣，一部分直接輸送到用氣車間，一部分通過節(jié)流閥降壓至低壓狀態(tài)后輸送到用氣車間，見圖1。

圖1 高低壓混合系統(tǒng)示意

高低壓獨立設(shè)置系統(tǒng)的運行是將不同壓力等級的壓縮空氣系統(tǒng)分開，分別生產(chǎn)高壓和低壓狀態(tài)的壓縮空氣，見圖2。

圖2 高低壓獨立設(shè)置系統(tǒng)示意

2 壓縮空氣系統(tǒng)運行能耗理論分析

2.1 混合系統(tǒng)的運行能耗

在壓縮空氣混合系統(tǒng)中，設(shè)生產(chǎn)高壓狀態(tài)壓縮空氣時空壓機的實際功率為Wh，生產(chǎn)高壓狀態(tài)壓縮空氣量為Vh，若此處的產(chǎn)氣量全部降壓至低壓狀態(tài)，則生產(chǎn)每立方米高壓狀態(tài)壓縮空氣能耗(Nh)為：

Nh=Wh/60Vh

(1)

高壓狀態(tài)壓縮空氣通過節(jié)流閥降壓至低壓狀態(tài)，節(jié)流降壓過程為等焓過程。節(jié)流閥前后氣體焓值不變，即：

Hh=Hl

(2)

式中：Hh為高壓狀態(tài)壓縮空氣的焓值； Hl為低壓狀態(tài)壓縮空氣的焓值。

假設(shè)壓縮空氣為理想氣體，則焓(H)是溫度的單值函數(shù)，故節(jié)流前后溫度不變。同理，理想氣體的熱力學能也是溫度的單值函數(shù)，故節(jié)流前后熱力學能也不變。由H的定義式可得：

Vh→l=PhVh/Pl

(3)

式中：Ph為高壓狀態(tài)壓縮空氣的絕對壓力；Pl為低壓狀態(tài)壓縮空氣的絕對壓力；Vh→l為高壓狀態(tài)壓縮空氣節(jié)流降壓至低壓狀態(tài)的壓縮空氣量。

(4)

式中：Th為高壓狀態(tài)時壓縮空氣絕對溫度；P0為標準狀態(tài)下的絕對壓力；T0為標準狀態(tài)下的絕對溫度。

將式(4)代入式(3)得

(5)

故由高壓狀態(tài)壓縮空氣節(jié)流產(chǎn)生每立方米低壓狀態(tài)壓縮空氣能耗(Nh→l)為：

(6)

2.2 獨立設(shè)置系統(tǒng)的運行能耗

設(shè)獨立生產(chǎn)低壓狀態(tài)壓縮空氣的空壓機實際功率為Wl，產(chǎn)出低壓狀態(tài)壓縮空氣量為Vl。則生產(chǎn)每立方米低壓狀態(tài)壓縮空氣能耗(Nl)為：

Nl=Wl/60Vl

(7)

(8)

式中：Tl為低壓狀態(tài)時壓縮空氣絕對溫度。

將式(8)代入式(7)得：

Nl=Wl/60Vl=WlPlT0/60P0TlV0l

(9)

P0Tl=PlT0

(10)

將式(10)代入式(6)和式(9)，分別得：

Nh→l=WhTl/60V0hTh

(11)

Nl=Wl/60V0l

(12)

式(11)中，Tl/Th約等于1，在產(chǎn)氣量相同的條件下，生產(chǎn)高壓狀態(tài)壓縮空氣空壓機的Wh大于生產(chǎn)低壓狀態(tài)壓縮空氣空壓機的Wl，可以明顯看出采用高低壓獨立設(shè)置系統(tǒng)生產(chǎn)低壓狀態(tài)壓縮空氣的運行能耗低于采用高低壓混合系統(tǒng)生產(chǎn)低壓狀態(tài)壓縮空氣的運行能耗。

3 節(jié)能效果案例分析

3.1 案例分析

一家化纖企業(yè)采用高低壓混合系統(tǒng)生產(chǎn)低壓狀態(tài)壓縮空氣。企業(yè)空壓站有12臺型號為Z10000，額定功率為1 120 kW，額定產(chǎn)氣量為192 Nm3/min的空壓機，輸出0.8 MPa壓縮空氣。生產(chǎn)壓縮空氣量大約50%直接輸送到0.8 MPa壓縮空氣用氣車間，另外50%的0.8 MPa壓縮空氣通過節(jié)流降壓到0.45 MPa后輸送到用氣車間。為降低企業(yè)能耗，對壓縮空氣系統(tǒng)進行改造，單獨設(shè)置0.45 MPa壓縮空氣系統(tǒng)。改造后，企業(yè)新增3臺型號為P600，額定功率為970 kW，額定產(chǎn)氣量為200 Nm3/min的空壓機，直接生產(chǎn)0.45 MPa壓縮空氣。由于各壓力壓縮空氣系統(tǒng)所用空壓機型號相同，故以改造前1臺0.8 MPa空壓機與改造后1臺0.45 MPa空壓機的運行為基準進行全年的能耗分析。

在實際運行中，空壓機的負荷分布是不同的。不同的運行負荷對應不同的運行功率和產(chǎn)氣量。故全年累計產(chǎn)氣量(∑V)和累計耗電量(∑W)的計算方法如下：

(13)

(14)

式中：Vi為不同運行負荷對應的產(chǎn)氣量；Wi為不同運行負荷對應的實際功率；ti為不同運行負荷對應的時間。

實際功率通過電機電流計算得到，產(chǎn)氣量由壓縮空氣流量計計量獲得，具體能耗分析如下：

(1)0.8 MPa壓縮空氣系統(tǒng)

通過監(jiān)控平臺對0.8 MPa空壓機全年的電機電流值進行測量記錄。在不同季節(jié)、不同月份中，0.8 MPa空壓機的電機電流基本在69.5～74.0 A變化。其中，不同電機電流對應的運行時間不同。已知0.8 MPa空壓機的額定功率為1 120 kW，額定電壓為10 000 V，額定電流為74.0 A。通過額定功率及功率因數(shù)計算得到空壓機實際功率。鑒于電機電流在一定區(qū)間內(nèi)是連續(xù)變化的，選取從69.5～74A中的10個電流值為代表值，統(tǒng)計不同電機電流對應實際產(chǎn)氣量，計算其實際功率。將實測數(shù)據(jù)和計算數(shù)據(jù)代入式(13)和(14)，0.8 MPa壓縮空氣系統(tǒng)的∑V和∑W見表1。

表1 0.8 MPa空壓機的∑V和∑W

Tab.1 ∑Vand ∑Wof 0.8 MPa air compressor

i電流/A時間/h實際產(chǎn)氣量/(Nm3·min-1)∑V/Nm3實際功率/kW∑W/(kW·h)k0．8174．01503192．00173145601120．0016833605．83273．51224180．59132625301112．4013615756．16373．0958．5175．35100843791104．8310589806．30472．5908．5166．9891020801097．269968636．57572．0685．0163．6867272481089．707464416．66671．51187．5158．63113023881082．1312850276．82771．0824．5155．6677005001074．568859756．90870．5963．5152．6388235401066．9910280486．99970．0367．5150．5433194071059．433893397．041069．5138．0145．7512068101051．861451577．22合計8760888434429580765

在實際運行中，空壓機功率與其產(chǎn)氣量具有一定的關(guān)系，選取表示空壓機實際功率與實際產(chǎn)氣量的比例為k。k值越小，表示空壓機生產(chǎn)每立方米壓縮空氣的能耗越低。設(shè)0.8 MPa空壓機實際功率與實際產(chǎn)氣量的比例為k0.8，由表1可以看出，當空壓機功率為額定功率(1 120 kW)時，k0.8最小，代表空壓機生產(chǎn)每立方米壓縮空氣能耗最低。隨著功率不斷減小，k0.8逐漸增加，其增加的速率由快到慢。

(2) 0.45 MPa壓縮空氣系統(tǒng)

對0.45 MPa空壓機全年運行的監(jiān)控數(shù)據(jù)進行記錄和統(tǒng)計，0.45 MPa壓縮空氣系統(tǒng)的∑V和∑W見表2。同理，由表2中的實際功率與實際產(chǎn)量之比可得到k0.45。

表2 0.45 MPa空壓機的∑V和∑W

Tab.2 ∑Vand ∑Wof 0.45 MPa air compressor

i電流/A時間/h實際產(chǎn)氣量/(Nm3·min-1)∑V/Nm3實際功率/kW∑W/(kW·h)k0．45165．02660198．6231702660963．7125637124．85264．51003196．4511821465956．309590964．87364．01145194．1813334508948．8910860154．89463．51032192．3311909461941．479716324．90563．01007190．0811479643934．069401904．91662．5920188．5210403743926．658523064．92762．0462185．645143348919．234244724．95861．5298184．173290794911．822715444．95961．0122182．231333233904．411102814．961060．534180．05372107896．99308974．981160．019177．38203550889．56170145．011258．010170．62103977859．9387345．041354．048158．56461333800．62388245．05合計87601015598228274717

由表2可見，當空壓機功率為額定功率(970 kW)時，k0.45最小，為4.85。隨著實際功率的減小，k0.45不斷增加，表示空壓機壓縮空氣時的能耗增大。k0.45增加的速率不斷降低，從970 kW到900 kW降幅明顯，900 kW往后變化相對平緩。

3.2 節(jié)能效果分析

按照空壓機全年運行0.8 MPa空壓機的∑W為9 580 765 kW·h，∑V為88 843 442 Nm3。 0.45 MPa空壓機的∑W為8 274 717 kW·h，∑V為101 559 822 Nm3。以0.45 MPa空壓機產(chǎn)氣量為基準，采用相同產(chǎn)量條件下比較耗電量的方法，0.8 MPa空壓機的∑W則為10 952 084 kW·h。 通過監(jiān)控平臺數(shù)得到T0.45為313 K，T0.8為318 K。將以上數(shù)據(jù)代入式(11)和式(12)可得N0.8→0.45為0.106 kW·h/Nm3，N0.45為0.081 5 kW·h/Nm3。

故壓縮空氣系統(tǒng)優(yōu)化改造后生產(chǎn)每標準立方米0.45 MPa壓縮空氣的節(jié)能量(e)為0.024 5 kW·h/Nm3。則全年生產(chǎn)0.45 MPa壓縮空氣的節(jié)能量(E)為：

E=e∑V=2 488 216 kW·h

(15)

另外，新增一臺0.45 MPa空壓機的設(shè)備費和安裝維護費合計約為200萬元，該化纖企業(yè)新增3臺0.45 MPa空壓機，考慮到管道安裝等其他事宜，其投入共計650萬元。根據(jù)本文計算，1臺生產(chǎn)0.45 MPa壓縮空氣的空壓機全年節(jié)能量為2 488 216 kW·h，結(jié)合每度電0.7元的電費可計算得出該項目的回報期為1.24年。

4 結(jié)論

a. 由理論計算得出，高低壓獨立設(shè)置系統(tǒng)的運行能耗低于高低壓混合設(shè)置系統(tǒng)的運行能耗。

b. 空壓機的運行能耗和節(jié)能效果與其運行負荷有關(guān)。在計算全年能耗時需要考慮功率與產(chǎn)氣量對應的不同負荷分布。

c. 不同電機功率對應不同的產(chǎn)氣量。令電機功率與相應產(chǎn)氣量的比值為k，在一定程度上可以表示壓縮空氣單耗。電機功率越大，k值越小，其減小的速率隨功率的增大越來越快。

d. 壓縮空氣混合系統(tǒng)改造為獨立設(shè)置系統(tǒng)后，其運行數(shù)據(jù)表明，生產(chǎn)每標準立方米0.45 MPa壓縮空氣可節(jié)約電量0.024 5 kW·h，全年可節(jié)約電量2 488 216 kW·h，節(jié)能效果顯著。

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Energy efficiency analysis of independent compressed air systems for chemical fiber plants

Sun Rijin, Liu Chenggang, Jiang Shaoyuan

(SuzhouUniversityofScienceandTechnology,Suzhou215009)

The operation process of a combined high-pressure and low-pressure compressed air system and independent high-pressure and low-pressure compressed air systems was introduced during chemical fiber production. The energy consumption of these compressed air systems was theoretically analyzed. The energy efficiency of the independent high-pressure and low-pressure compressed air systems was analyzed according to the practical production. The results showed that the combined high-pressure and low-pressure compressed air system was supposed to mixedly set the production of 0.8 MPa compressed air and 0.4 MPa compressed air, and the low-pressure compressed air was produced through the throttling expansion of high-pressure compressed air; the independent high-pressure and low-pressure compressed air systems were supposed to independently set 0.8 MPa air compressor and 0.4 MPa air compressor; the operation energy consumption of the independent high-pressure and low-pressure compressed air system was lower than that of the combined high-pressure and low-pressure compressed air system; and the independent high-pressure and low-pressure compressed air systems provided profound energy efficiency with an energy consumption reduction of 2 488 216 kW·h annually based on the capacity of an independent 0.45 MPa air compressor.

compressed air system; high pressure; low pressure; independent set; energy saving

2015-11-22； 修改稿收到日期：2016- 05- 04。

孫日近(1991—)，女，在讀研究生，研究方向為能源管理。E-mail：dollmeme@163.com。

*通訊聯(lián)系人。E-mail：cliu1977@163.com。

TQ340.69

A

1001- 0041(2016)03- 0052- 04