劉倩倩 靳貴銘 顏蘇芊 秦莉

摘 要：為探究離心式空壓機(jī)預(yù)處理后入口參數(shù)對整體能耗的影響，根據(jù)某紡織廠空壓站具體情況，在入口空氣經(jīng)組合式空調(diào)機(jī)組處理后，分別對不同溫、濕度環(huán)境下離心式空壓機(jī)運(yùn)行時的能耗，以及預(yù)處理裝置提供冷量所產(chǎn)生的能耗進(jìn)行實(shí)測分析。分析數(shù)據(jù)表明：從空壓機(jī)及預(yù)處理系統(tǒng)整體耗能的角度出發(fā)，在吸氣含濕量不變，進(jìn)氣溫度降低8 ℃左右時，整體耗能較小;在吸氣溫度保持不變，含濕量約為15.0 g/kg時，整體能耗達(dá)到最低值。結(jié)果認(rèn)為：控制好空壓機(jī)預(yù)處理后的吸氣參數(shù)，可以有效降低空壓機(jī)及預(yù)處理系統(tǒng)整體能耗。

關(guān)鍵詞：離心式空壓機(jī);預(yù)處理;耗電量;吸氣溫度

中圖分類號：TH138.21

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-265X（2022）01-0122-07

Abstract： To investigate the impact of the suction parameters of the centrifugal air compressor pretreatment on its overall energy consumption， according to the actual condition of the air compressor station in a textile factory， after the inlet air was processed by the combined air conditioning unit， an actual measurement analysis was performed on the energy consumption of the running centrifugal air compressor under different temperature and humidity environment and the energy consumption generated by the pretreatment unit corresponding to the cooling capacity. Through data analysis， it was found that： in view of the overall energy consumption of the air compressor and the pretreatment system， when the suction moisture content remained the same and the inlet temperature was reduced by about 8 ℃， the overall energy consumption was small; when the suction temperature remained unchanged， with a moisture content of about 15.0 g/kg， the overall energy consumption reached the minimum value. The results show that through controlling the suction parameters of the air compressor after pretreatment， the overall energy consumption of the air compressor and the pretreatment system can be effectively reduced.

Key words： centrifugal air compressor; pre-treatment; power consumption; suction temperature

空壓機(jī)作為生產(chǎn)壓縮空氣的核心設(shè)備，被廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)領(lǐng)域。在中國，工業(yè)壓縮空氣系統(tǒng)的耗電量大約214 TWh，其中空壓機(jī)的耗能約占壓縮空氣系統(tǒng)能耗的96%[1-2]。隨著能源的日益緊張以及紡織業(yè)的不斷發(fā)展和進(jìn)步、節(jié)能和提效必將是空氣壓縮機(jī)行業(yè)的改進(jìn)策略，如何提高壓縮空氣的生產(chǎn)效率，降低壓縮空氣系統(tǒng)的能耗已經(jīng)成為企業(yè)制勝的關(guān)鍵因素。

目前空壓機(jī)系統(tǒng)主要的節(jié)能措施有空壓機(jī)的變頻控制、余熱回收、優(yōu)化管網(wǎng)降低壓力損失和減少泄露等等。針對空壓機(jī)入口吸氣參數(shù)對能耗的影響，中國的一些學(xué)者也做了一些研究。樊瑞等[3]、秦莉等[4]通過工程實(shí)例和測試分析，發(fā)現(xiàn)工況相同時，壓縮濕空氣比壓縮干空氣的耗能大，并得出空壓機(jī)的吸氣溫度和能耗關(guān)系：在其他狀態(tài)參數(shù)相同時，空壓機(jī)的吸氣溫度每升高3 ℃，能耗將增長約1%;Guo等[5]通過螺桿式空氣壓縮機(jī)的能量模型，研究吸氣溫度對空壓機(jī)能耗的影響，發(fā)現(xiàn)對空壓機(jī)吸入口空氣采用降溫的措施，可減少空壓機(jī)的能耗。吳丹等[6]通過理論分析和實(shí)驗(yàn)研究得出，入口溫度在10～35 ℃時，螺桿式空壓機(jī)的輸入比能量，隨著入口空氣溫度的升高，呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，提出了空壓機(jī)吸氣溫度應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)。崔琪琪等[7]通過實(shí)際測試，發(fā)現(xiàn)空壓機(jī)吸氣參數(shù)經(jīng)過組合式空調(diào)機(jī)組預(yù)處理后，空壓機(jī)產(chǎn)氣量提高13.4%，全效率提高11%，節(jié)能效益可觀;吳云滔等[8]通過對進(jìn)氣口采用除濕的方法，實(shí)現(xiàn)了空壓機(jī)系統(tǒng)的熱濕負(fù)荷分開處理， 避免了干燥系統(tǒng)的過渡冷卻和再熱的能量損失，不僅優(yōu)化了壓縮機(jī)的進(jìn)氣條件， 而且降低了壓縮過程的功耗。目前，關(guān)于入口參數(shù)對空壓系統(tǒng)能耗的研究，主要集中在空壓機(jī)的能耗，對吸氣預(yù)處理后空壓機(jī)系統(tǒng)綜合能耗方面鮮有人進(jìn)行研究。

本文結(jié)合空壓機(jī)預(yù)處理的實(shí)際運(yùn)行情況，通過理論分析與實(shí)際測試，綜合考慮空壓機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)氣設(shè)備及空壓機(jī)吸氣預(yù)處理設(shè)備的總能耗，對離心式空壓機(jī)預(yù)處理時的最佳吸氣參數(shù)進(jìn)行研究，為空壓站的節(jié)能改造提供參考。

1 某紡織廠空壓站現(xiàn)狀

咸陽某紡織空壓站內(nèi)有離心式空壓機(jī)5臺，螺桿式空壓機(jī)6臺。在日常生產(chǎn)中，離心式空壓機(jī)保持全開，螺桿式空壓機(jī)按需開啟。其中離心式空壓機(jī)型號為H1500-6-7，額定輸入功率為1430 kW，最大吸氣溫度及最大環(huán)境溫度均為40 ℃。

離心式空壓機(jī)的入口空氣直接取自空壓站內(nèi)。此外，為改善夏季時空壓機(jī)的吸氣環(huán)境，空壓站輔房內(nèi)設(shè)置組合式空調(diào)機(jī)組，并連接送風(fēng)管送至空壓站側(cè)墻送風(fēng)口，每年7～8月份對空壓站進(jìn)行送風(fēng)降溫，圖1為紡織廠空壓站的平面布置示意圖。

空壓站夏季空調(diào)的送風(fēng)口集中布置在空壓站西側(cè)墻上，空壓站東西方向開間尺寸較大，通過對空壓站內(nèi)5臺離心式空壓機(jī)入口空氣進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)夏季啟用空調(diào)時空壓站內(nèi)降溫不均勻，測試結(jié)果如表1所示。通過表1發(fā)現(xiàn)，距離送風(fēng)口較近的1#離心式空壓機(jī)入口空氣溫度降低明顯，而4#離心式空壓機(jī)入口溫度最高可達(dá)44.39 ℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出空壓機(jī)運(yùn)行時應(yīng)保持的18～30 ℃的溫度范圍[9]，也高于離心式空壓機(jī)最大吸氣溫度，不利于空壓機(jī)運(yùn)行。故該企業(yè)對離心式空壓機(jī)入口空氣進(jìn)行預(yù)處理，來改善離心式空壓機(jī)的運(yùn)行條件，達(dá)到節(jié)能目的。

2 實(shí)驗(yàn)裝置與方案

本次測試中，將該廠空壓站現(xiàn)有的組合式空調(diào)機(jī)組的送風(fēng)管，接至靠近1#離心式空壓機(jī)吸氣口位置，實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)入口空氣的降溫除濕。圖2為1#離心式空壓機(jī)采用預(yù)冷裝置示意圖。由于離心式空壓機(jī)吸氣口負(fù)壓比較大，為了避免連接的風(fēng)管對離心式空壓機(jī)吸氣壓力狀態(tài)產(chǎn)生影響，風(fēng)管與空壓機(jī)吸氣口不進(jìn)行直接相連，預(yù)留200 mm左右的距離，圖3為預(yù)處理系統(tǒng)風(fēng)管示意圖。

為了滿足生產(chǎn)要求，在7～8月份，該廠會對生產(chǎn)車間及空壓站進(jìn)行降溫處理，采用的冷源為離心式冷水機(jī)組，其性能系數(shù)（COP）為4.4。故在7月份冷水機(jī)組運(yùn)行期間，對離心式空壓機(jī)及組合式空調(diào)機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行多次測試，主要測試儀器有：Testo175便攜式溫濕度記錄儀、Testo410-1葉輪風(fēng)速儀、多功能電力儀表。利用Testo175溫濕度記錄儀測試室內(nèi)空氣溫濕度，空壓機(jī)進(jìn)氣口溫濕度并通過多功能電力儀表測出空壓機(jī)能耗;利用Testo410-1葉輪風(fēng)速儀測試空壓機(jī)的實(shí)際流速，計(jì)算空壓機(jī)產(chǎn)氣量。為了減小誤差，各測試數(shù)據(jù)取3次測試的算術(shù)平均值。圖4為空壓機(jī)進(jìn)氣口尺寸及測點(diǎn)分布，測試內(nèi)容主要有：預(yù)處理后的吸氣溫度、含濕量、流速、以及空壓機(jī)耗能。

預(yù)處理側(cè)能耗主要為冷水機(jī)組產(chǎn)生的能耗，可按照式（1）計(jì)算，

P=qmΔh/COP（1）

式中：P為冷水機(jī)組的輸入功率，kW;qm為被處理空氣的質(zhì)量流量，kg/s;Δh為預(yù)處理前和預(yù)處理后空氣的焓差;COP為冷水機(jī)組的性能系數(shù)，COP=4.4。

3 結(jié)果與分析

3.1 預(yù)處理到不同吸氣溫度下空壓機(jī)及預(yù)處理系統(tǒng)的能耗分析

從測試數(shù)據(jù)中，選擇3組空壓機(jī)預(yù)處理前的吸氣參數(shù)及能耗作為分析基礎(chǔ)，分析經(jīng)預(yù)處理裝置處理后，在空壓機(jī)吸氣口空氣狀態(tài)參數(shù)中的含濕量不變時，溫度變化對各項(xiàng)能耗的影響。3組數(shù)據(jù)分別為：第1組：T=34 ℃、d=14.16 g/kg、W=1418.95 kW;第2組：T=35.16 ℃、d=15.05 g/kg、W=1423.12 kW;第3組：T=36.1 ℃、d=17.34 g/kg、W=1430.56 kW。預(yù)處理處理后空壓機(jī)系統(tǒng)的各項(xiàng)能耗見表2。

由表2可知：隨著預(yù)處理后吸氣溫度的降低，空壓機(jī)的能耗逐漸減小，預(yù)處理裝置的能耗逐漸增大;隨著預(yù)處理后吸氣溫度的降低，空壓機(jī)能耗減少的速率先增大后減小，預(yù)處理裝置能耗增長的速率逐漸增大。以吸氣溫度為35.16 ℃，空壓機(jī)能耗1423.12 kW為例，經(jīng)預(yù)處理后吸氣溫度降低到25.10 ℃時，空壓機(jī)能耗1371.38 kW，此時溫度降低10.06 ℃，空壓機(jī)節(jié)約能耗51.74 kW，預(yù)處理裝置能耗14.53 kW，每降低1 ℃空壓機(jī)節(jié)約能耗51.74/10.06=5.14 kW/℃，空壓機(jī)降低的能耗占總能耗的0.36%。經(jīng)預(yù)處理后吸氣溫度在27.32 ℃時，空壓機(jī)能耗1377.99 kW，預(yù)處理裝置能耗9.85 kW，此時空壓機(jī)節(jié)約能耗45.13 kW，每降低1 ℃空壓機(jī)節(jié)約能耗45.13/7.48=6.03 kW/℃;同理，預(yù)處理后吸氣溫度在30.57 ℃時，空壓機(jī)能耗1403.35 kW，預(yù)處理裝置能耗4.71 kW，此時空壓機(jī)節(jié)約能耗19.77 kW，每降低1 ℃空壓機(jī)節(jié)約能耗19.77/4.59=4.31 kW/℃;故隨著吸氣溫度降低，空壓機(jī)節(jié)約能耗先增大后減小，預(yù)處理裝置所產(chǎn)生的能耗逐漸增大。

圖5為預(yù)處理后吸氣溫度對空壓機(jī)系統(tǒng)整體能耗的影響曲線。3組數(shù)據(jù)所呈現(xiàn)的曲線顯示，吸氣溫度降低小于8 ℃時，空壓機(jī)預(yù)處理系統(tǒng)整體能耗均呈快速下降趨勢;吸氣溫度降低大于8 ℃時，空壓機(jī)預(yù)處理系統(tǒng)整體能耗逐漸呈緩慢上升趨勢。故有以下結(jié)論：吸氣濕度保持不變，從空壓機(jī)預(yù)處理系統(tǒng)整體能耗出發(fā)，預(yù)處理溫度降低8 ℃左右時，此時空壓機(jī)總體能耗最小。此時，空壓機(jī)的降低耗電量約占總耗電量的3.68%，單臺離心式空壓機(jī)每月節(jié)省費(fèi)用可達(dá)1.12萬元。

3.2 預(yù)處理到不同吸氣濕度下空壓機(jī)及預(yù)處理系統(tǒng)的能耗分析

空壓機(jī)耗能的影響因素除了吸氣溫度，還有吸氣含濕量。從未預(yù)處理的空壓機(jī)進(jìn)氣參數(shù)的測試數(shù)據(jù)中，選擇3組作為分析基礎(chǔ)，分析經(jīng)預(yù)處理裝置處理后，空壓機(jī)吸氣狀態(tài)參數(shù)在吸氣溫度不變時，含濕量的變化對各項(xiàng)能耗的影響。預(yù)處理后的測試結(jié)果見表3。

由表3可知：3組數(shù)據(jù)均顯示，當(dāng)吸氣溫度相同時，隨著吸氣含濕量的增大，空壓機(jī)的能耗升高，預(yù)處理裝置的能耗降低。在實(shí)際工程中，室內(nèi)空氣經(jīng)預(yù)處理處理后，含濕量可減少約3.98 g/kg，與未處理相比，空壓機(jī)每小時節(jié)約能耗22.71 kW。在吸氣溫度一定的條件下，3組數(shù)據(jù)顯示，含濕量約為15.0 g/kg時，空壓機(jī)預(yù)處理系統(tǒng)整體能耗達(dá)到最低值。當(dāng)預(yù)處理后吸氣含濕量小于15.0 g/kg時，空壓機(jī)的節(jié)約能耗小于預(yù)處理設(shè)備產(chǎn)生的能耗，故隨著含濕量的減小，整體能耗呈上升趨勢;當(dāng)預(yù)處理后吸氣含濕量大于15.0 g/kg時，空壓機(jī)的節(jié)約能耗大于預(yù)處理設(shè)備產(chǎn)生的能耗，故隨著含濕量的增大，整體能耗呈上升趨勢，如圖6所示，由圖6可知：吸氣溫度保持不變，空壓機(jī)及預(yù)處理系統(tǒng)整體能耗達(dá)到最低值時，含濕量約為15.0 g/kg，是空壓機(jī)入口空氣最佳濕度參數(shù)。

3.3 對設(shè)備連接口處的能耗測試及分析

由于風(fēng)管與離心式空壓機(jī)吸氣口沒有直接相連，使得處理后的空氣與空壓機(jī)入口環(huán)境產(chǎn)生熱交換，造成能耗損失，因此測試方案中還對送風(fēng)管出口及空壓機(jī)吸氣入口處空氣參數(shù)進(jìn)行了同時測試，測試結(jié)果如表4所示。

從表4中7月9日 9：00 AM與7月11號 5：00 PM數(shù)據(jù)可知：風(fēng)管出口與空壓機(jī)入口平均溫差Δt=4.4 ℃，且最高可達(dá)4.8 ℃，即如果空壓機(jī)入口空氣預(yù)處理目標(biāo)為溫度T時，需將預(yù)處理裝置吸入的空氣預(yù)處理至T減4～5℃，冷水機(jī)組因此產(chǎn)生了額外的能耗。此時冷水機(jī)組所需要的軸功率為P=qmΔh/COP=7.23 kW，其中qm為6.45 kg/s，平均焓差Δh為4.93 kJ/kg。按夏季空調(diào)機(jī)組7～8月連續(xù)開啟計(jì)算，運(yùn)行時間為1440 h，連接口處所造成的能耗損失約7.23×1440=10411.2 kW，取工業(yè)用電波峰、波谷平均電價0.7元/kWh計(jì)算，經(jīng)濟(jì)損失約7287元。據(jù)此，可以通過適當(dāng)增大送風(fēng)管的出口尺寸，或減小風(fēng)管與空壓機(jī)入口預(yù)留距離，來降低周圍空氣和預(yù)處理后空氣的換熱，從而減少冷量的損失，達(dá)到節(jié)能的目的。

4 結(jié) 論

使用組合式空調(diào)機(jī)組對空壓機(jī)吸入口空氣進(jìn)行預(yù)處理后，通過實(shí)地測試及理論計(jì)算，分析不同溫、濕度環(huán)境下離心式空壓機(jī)和預(yù)處理裝置的運(yùn)行能耗，可以得到以下結(jié)論：

a）通過實(shí)地測試，空壓機(jī)入口空氣經(jīng)空調(diào)機(jī)組預(yù)處理后溫度可降低10.06 ℃。從整體耗能的角度出發(fā)，預(yù)處理溫差過大或過小都會使得空壓機(jī)及預(yù)處理系統(tǒng)整體能耗增大，故空壓機(jī)運(yùn)行時吸氣溫度降低需保持在合適的范圍內(nèi)，通過測試數(shù)據(jù)分析可以得出，室內(nèi)溫度在35 ℃左右時，吸氣溫度降低8 ℃左右，整體耗能較小。

b）在實(shí)際工程中，室內(nèi)空氣經(jīng)過預(yù)處理裝置后，空壓機(jī)吸氣含濕量可減少約3.98 g/kg，每小時可節(jié)約能耗22.71 kW。在吸氣溫度保持不變，含濕量約為15.0 g/kg時，空壓機(jī)及預(yù)處理系統(tǒng)整體能耗達(dá)到最低值。

c）針對于風(fēng)管與空壓機(jī)吸氣口之間的能耗損失，應(yīng)適量調(diào)整兩者之間的間距，避免不必要的能源浪費(fèi)所帶來的經(jīng)濟(jì)損失，以達(dá)到節(jié)能的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1]李莉.提高工業(yè)壓縮空氣系統(tǒng)能效途徑的探討[J].能源技術(shù)與管理，2017（3）：87-88，104.

LI Li. Energy efficiency improvements in compressed air systems[J]. Energy Technology and management， 2017（3） ： 87-88，104.

[2]秦莉.紡織廠壓縮空氣系統(tǒng)優(yōu)化與吸氣預(yù)處理在節(jié)能方面的研究[D].西安：西安工程大學(xué)，2016.

QIN Li. Study on Optimizing Compressed Air System and Suction Pretreatment of Energy-saving in Textile Mill[D]. Xi'an： Xi'an Polytechnic University， 2016.

[3]樊瑞，高龍，周義德，等.進(jìn)氣狀態(tài)對紡織空壓機(jī)性能影響分析[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2008，8（11）：2963-2965.

FAN Rui， GAO Long， ZHOU Yide， et al. Analysis of air-enter state effect on spin air-compressor performance[J]. Science technology and engineering， 2008， 8（11） ： 2963-2965.

[4]秦莉，顏蘇芊，劉寧，等.吸氣參數(shù)對紡織企業(yè)不同類型空壓機(jī)性能影響的研究分析[J].現(xiàn)代紡織技術(shù)，2016，24（3）：36-40.

QIN Li， YAN Suqian， LIU Ning， et al. Research and analysis of effects of suction parameters on the performances of different air compressors in textile mill[J]. Advanced textile technology， 2016， 24（3）： 36-40.

[5]郭達(dá)，馬志賢，張吉立，等.空氣預(yù)冷對螺桿式空氣壓縮機(jī)的能耗影響[J].工程技術(shù)，2017（205）：937-944.

GUO D，ZHIXIAN M，ZHANG J L，et al. Energy impact of air pre-cooling on screw air compressor[J]. Procedia Engineering，2017（ 205）：937-944.

[6]吳丹，趙軍.吸氣參數(shù)對空壓站能效影響的研究分析[J].節(jié)能技術(shù)，2019，37（5）：309-402.

WU Dan， ZHAO Jun. Research and analysis of influence of suction parameters on performance of air compressor station[J]. Energy Conservation Technology， 2019， 37（5）： 309-402.

[7]崔琪琪，顏蘇芊，宋伯勇，等.組合式空調(diào)機(jī)組對紡織空氣壓縮機(jī)進(jìn)氣預(yù)處理的效果[J].毛紡科技，2020，48（10）：81-85.

CUI Qiqi， YAN Suqian， SONG Boyong， et al. Application of combined air-conditioning unit to air pretreatment of textile air compressor[J]. Wool Textile Journal， 2020， 48（10） ： 81-85.

[8]吳云滔，趙軍，賈海亮，等.空氣壓縮機(jī)吸氣端除濕系統(tǒng)研究[J].能源工程，2017（8）：72-75.

WU Yuntao， ZHAO Jun， JIA Hailiang， et al. Research on dehumidification system for air compressor suction end[J]. Energy Engineering， 2017（8） ： 72-75.

[9]吳丹，趙軍.吸氣參數(shù)對螺桿空壓機(jī)運(yùn)行能耗影響的研究分析[J].壓縮機(jī)技術(shù)，2019（2）：7-11.

WU Dan， ZHAO Jun. Research and analysis of the influence of suction parameters on energy consumption of screw air compressor[J]. Compressor Technology， 2019（2） ： 7-11.