纺织厂空压机预处理吸气参数对其能耗的影响

刘倩倩 靳贵铭 颜苏芊 秦莉

摘 要：为探究离心式空压机预处理后入口参数对整体能耗的影响，根据某纺织厂空压站具体情况，在入口空气经组合式空调机组处理后，分别对不同温、湿度环境下离心式空压机运行时的能耗，以及预处理装置提供冷量所产生的能耗进行实测分析。分析数据表明：从空压机及预处理系统整体耗能的角度出发，在吸气含湿量不变，进气温度降低8 ℃左右时，整体耗能较小;在吸气温度保持不变，含湿量约为15.0 g/kg时，整体能耗达到最低值。结果认为：控制好空压机预处理后的吸气参数，可以有效降低空压机及预处理系统整体能耗。

关鍵词：离心式空压机;预处理;耗电量;吸气温度

中图分类号：TH138.21

文献标志码：A

文章编号：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

空压机作为生产压缩空气的核心设备，被广泛应用在生产领域。在中国，工业压缩空气系统的耗电量大约214 TWh，其中空压机的耗能约占压缩空气系统能耗的96%[1-2]。随着能源的日益紧张以及纺织业的不断发展和进步、节能和提效必将是空气压缩机行业的改进策略，如何提高压缩空气的生产效率，降低压缩空气系统的能耗已经成为企业制胜的关键因素。

目前空压机系统主要的节能措施有空压机的变频控制、余热回收、优化管网降低压力损失和减少泄露等等。针对空压机入口吸气参数对能耗的影响，中国的一些学者也做了一些研究。樊瑞等[3]、秦莉等[4]通过工程实例和测试分析，发现工况相同时，压缩湿空气比压缩干空气的耗能大，并得出空压机的吸气温度和能耗关系：在其他状态参数相同时，空压机的吸气温度每升高3 ℃，能耗将增长约1%;Guo等[5]通过螺杆式空气压缩机的能量模型，研究吸气温度对空压机能耗的影响，发现对空压机吸入口空气采用降温的措施，可减少空压机的能耗。吴丹等[6]通过理论分析和实验研究得出，入口温度在10～35 ℃时，螺杆式空压机的输入比能量，随着入口空气温度的升高，呈现先减小后增大的趋势，提出了空压机吸气温度应控制在一定范围内。崔琪琪等[7]通过实际测试，发现空压机吸气参数经过组合式空调机组预处理后，空压机产气量提高13.4%，全效率提高11%，节能效益可观;吴云滔等[8]通过对进气口采用除湿的方法，实现了空压机系统的热湿负荷分开处理， 避免了干燥系统的过渡冷却和再热的能量损失，不仅优化了压缩机的进气条件， 而且降低了压缩过程的功耗。目前，关于入口参数对空压系统能耗的研究，主要集中在空压机的能耗，对吸气预处理后空压机系统综合能耗方面鲜有人进行研究。

本文结合空压机预处理的实际运行情况，通过理论分析与实际测试，综合考虑空压机系统产气设备及空压机吸气预处理设备的总能耗，对离心式空压机预处理时的最佳吸气参数进行研究，为空压站的节能改造提供参考。

1 某纺织厂空压站现状

咸阳某纺织空压站内有离心式空压机5台，螺杆式空压机6台。在日常生产中，离心式空压机保持全开，螺杆式空压机按需开启。其中离心式空压机型号为H1500-6-7，额定输入功率为1430 kW，最大吸气温度及最大环境温度均为40 ℃。

离心式空压机的入口空气直接取自空压站内。此外，为改善夏季时空压机的吸气环境，空压站辅房内设置组合式空调机组，并连接送风管送至空压站侧墙送风口，每年7～8月份对空压站进行送风降温，图1为纺织厂空压站的平面布置示意图。

空压站夏季空调的送风口集中布置在空压站西侧墙上，空压站东西方向开间尺寸较大，通过对空压站内5台离心式空压机入口空气进行测试，发现夏季启用空调时空压站内降温不均匀，测试结果如表1所示。通过表1发现，距离送风口较近的1#离心式空压机入口空气温度降低明显，而4#离心式空压机入口温度最高可达44.39 ℃，远远超出空压机运行时应保持的18～30 ℃的温度范围[9]，也高于离心式空压机最大吸气温度，不利于空压机运行。故该企业对离心式空压机入口空气进行预处理，来改善离心式空压机的运行条件，达到节能目的。

2 实验装置与方案

本次测试中，将该厂空压站现有的组合式空调机组的送风管，接至靠近1#离心式空压机吸气口位置，实现空压机入口空气的降温除湿。图2为1#离心式空压机采用预冷装置示意图。由于离心式空压机吸气口负压比较大，为了避免连接的风管对离心式空压机吸气压力状态产生影响，风管与空压机吸气口不进行直接相连，预留200 mm左右的距离，图3为预处理系统风管示意图。

为了满足生产要求，在7～8月份，該厂会对生产车间及空压站进行降温处理，采用的冷源为离心式冷水机组，其性能系数（COP）为4.4。故在7月份冷水机组运行期间，对离心式空压机及组合式空调机组的运行状态参数进行多次测试，主要测试仪器有：Testo175便携式温湿度记录仪、Testo410-1叶轮风速仪、多功能电力仪表。利用Testo175温湿度记录仪测试室内空气温湿度，空压机进气口温湿度并通过多功能电力仪表测出空压机能耗;利用Testo410-1叶轮风速仪测试空压机的实际流速，计算空压机产气量。为了减小误差，各测试数据取3次测试的算术平均值。图4为空压机进气口尺寸及测点分布，测试内容主要有：预处理后的吸气温度、含湿量、流速、以及空压机耗能。

预处理侧能耗主要为冷水机组产生的能耗，可按照式（1）计算，

P=qmΔh/COP（1）

式中：P为冷水机组的输入功率，kW;qm为被处理空气的质量流量，kg/s;Δh为预处理前和预处理后空气的焓差;COP为冷水机组的性能系数，COP=4.4。

3 结果与分析

3.1 预处理到不同吸气温度下空压机及预处理系统的能耗分析

从测试数据中，选择3组空压机预处理前的吸气参数及能耗作为分析基础，分析经预处理装置处理后，在空压机吸气口空气状态参数中的含湿量不变时，温度变化对各项能耗的影响。3组数据分别为：第1组：T=34 ℃、d=14.16 g/kg、W=1418.95 kW;第2组：T=35.16 ℃、d=15.05 g/kg、W=1423.12 kW;第3组：T=36.1 ℃、d=17.34 g/kg、W=1430.56 kW。预处理处理后空压机系统的各项能耗见表2。

由表2可知：随着预处理后吸气温度的降低，空压机的能耗逐渐减小，预处理装置的能耗逐渐增大;随着预处理后吸气温度的降低，空压机能耗减少的速率先增大后减小，预处理装置能耗增长的速率逐渐增大。以吸气温度为35.16 ℃，空压机能耗1423.12 kW为例，经预处理后吸气温度降低到25.10 ℃时，空压机能耗1371.38 kW，此时温度降低10.06 ℃，空压机节约能耗51.74 kW，预处理装置能耗14.53 kW，每降低1 ℃空压机节约能耗51.74/10.06=5.14 kW/℃，空压机降低的能耗占总能耗的0.36%。经预处理后吸气温度在27.32 ℃时，空压机能耗1377.99 kW，预处理装置能耗9.85 kW，此时空压机节约能耗45.13 kW，每降低1 ℃空压机节约能耗45.13/7.48=6.03 kW/℃;同理，预处理后吸气温度在30.57 ℃时，空压机能耗1403.35 kW，预处理装置能耗4.71 kW，此时空压机节约能耗19.77 kW，每降低1 ℃空压机节约能耗19.77/4.59=4.31 kW/℃;故随着吸气温度降低，空压机节约能耗先增大后减小，预处理装置所产生的能耗逐渐增大。

图5为预处理后吸气温度对空压机系统整体能耗的影响曲线。3组数据所呈现的曲线显示，吸气温度降低小于8 ℃时，空压机预处理系统整体能耗均呈快速下降趋势;吸气温度降低大于8 ℃时，空压机预处理系统整体能耗逐渐呈缓慢上升趋势。故有以下结论：吸气湿度保持不变，从空压机预处理系统整体能耗出发，预处理温度降低8 ℃左右时，此时空压机总体能耗最小。此时，空压机的降低耗电量约占总耗电量的3.68%，单台离心式空压机每月节省费用可达1.12万元。

3.2 预处理到不同吸气湿度下空压机及预处理系统的能耗分析

空压机耗能的影响因素除了吸气温度，还有吸气含湿量。从未预处理的空压机进气参数的测试数据中，选择3组作为分析基础，分析经预处理装置处理后，空压机吸气状态参数在吸气温度不变时，含湿量的变化对各项能耗的影响。预处理后的测试结果见表3。

由表3可知：3组数据均显示，当吸气温度相同时，随着吸气含湿量的增大，空压机的能耗升高，预处理装置的能耗降低。在实际工程中，室内空气经预处理处理后，含湿量可减少约3.98 g/kg，与未处理相比，空压机每小时节约能耗22.71 kW。在吸气温度一定的条件下，3组数据显示，含湿量约为15.0 g/kg时，空压机预处理系统整体能耗达到最低值。当预处理后吸气含湿量小于15.0 g/kg时，空压机的节约能耗小于预处理设备产生的能耗，故随着含湿量的减小，整体能耗呈上升趋势;当预处理后吸气含湿量大于15.0 g/kg时，空压机的节约能耗大于预处理设备产生的能耗，故随着含湿量的增大，整体能耗呈上升趋势，如图6所示，由图6可知：吸气温度保持不变，空压机及预处理系统整体能耗达到最低值时，含湿量约为15.0 g/kg，是空压机入口空气最佳湿度参数。

3.3 对设备连接口处的能耗测试及分析

由于风管与离心式空压机吸气口没有直接相连，使得处理后的空气与空压机入口环境产生热交换，造成能耗损失，因此测试方案中还对送风管出口及空压机吸气入口处空气参数进行了同时测试，测试结果如表4所示。

从表4中7月9日 9：00 AM与7月11号 5：00 PM数据可知：风管出口与空压机入口平均温差Δt=4.4 ℃，且最高可达4.8 ℃，即如果空压机入口空气预处理目标为温度T时，需将预处理装置吸入的空气预处理至T减4～5℃，冷水机组因此产生了额外的能耗。此时冷水机组所需要的轴功率为P=qmΔh/COP=7.23 kW，其中qm为6.45 kg/s，平均焓差Δh为4.93 kJ/kg。按夏季空调机组7～8月连续开启计算，运行时间为1440 h，连接口处所造成的能耗损失约7.23×1440=10411.2 kW，取工业用电波峰、波谷平均电价0.7元/kWh计算，经济损失约7287元。据此，可以通过适当增大送风管的出口尺寸，或减小风管与空压机入口预留距离，来降低周围空气和预处理后空气的换热，从而减少冷量的损失，达到节能的目的。

4 结 论

使用组合式空调机组对空压机吸入口空气进行预处理后，通过实地测试及理论计算，分析不同温、湿度环境下离心式空压机和预处理装置的运行能耗，可以得到以下结论：

a）通过实地测试，空压机入口空气经空调机组预处理后温度可降低10.06 ℃。从整体耗能的角度出发，预处理温差过大或过小都会使得空压机及预处理系统整体能耗增大，故空压机运行时吸气温度降低需保持在合适的范围内，通过测试数据分析可以得出，室内温度在35 ℃左右时，吸气温度降低8 ℃左右，整体耗能较小。

b）在实际工程中，室内空气经过预处理装置后，空压机吸气含湿量可减少约3.98 g/kg，每小时可节约能耗22.71 kW。在吸气温度保持不变，含湿量约为15.0 g/kg时，空压机及预处理系统整体能耗达到最低值。

c）针对于风管与空压机吸气口之间的能耗损失，应适量调整两者之间的间距，避免不必要的能源浪费所带来的经济损失，以达到节能的目的。

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