紡織廠壓縮空氣系統(tǒng)的管網(wǎng)優(yōu)化研究分析

秦 莉，顏蘇芊，劉 寧，雙 慶

(1.西安工程大學(xué)，陜西 西安 710048；2.西安市建筑設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710054)

紡織廠壓縮空氣系統(tǒng)的管網(wǎng)優(yōu)化研究分析

秦 莉1，顏蘇芊1，劉 寧1，雙 慶2

(1.西安工程大學(xué)，陜西 西安 710048；2.西安市建筑設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710054)

文章以西安某紡織廠為例，通過對壓縮空氣系統(tǒng)管網(wǎng)阻力進(jìn)行優(yōu)化，可使原壓縮空氣系統(tǒng)高壓管網(wǎng)及低壓管網(wǎng)的壓力損失減小。進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化改造后，節(jié)省運(yùn)行成本，節(jié)能效果顯著。

壓縮空氣系統(tǒng)；節(jié)能改造；系統(tǒng)優(yōu)化；壓力損失

壓縮空氣由于具有清潔、安全、使用方便等特點(diǎn)，目前已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)中，在許多企業(yè)已經(jīng)被稱為“第四能源”，其能耗在大多數(shù)工廠中約占其全部能耗的10%～35%[1]。21世紀(jì)的今天，世界范圍內(nèi)的能源短缺日益嚴(yán)重，隨著能源價(jià)格的不斷上漲，許多企業(yè)開始積極尋求降低壓縮空氣系統(tǒng)能耗的方法。

本文緊密結(jié)合壓縮空氣實(shí)際生產(chǎn)過程，通過實(shí)際計(jì)算對紡織廠空壓系統(tǒng)進(jìn)行研究和分析，為減少在紡織廠空壓系統(tǒng)能耗提供了依據(jù)和參考。

1 壓縮空氣系統(tǒng)的構(gòu)成及優(yōu)化措施

1.1 壓縮空氣系統(tǒng)構(gòu)成

壓縮空氣系統(tǒng)主要由空氣過濾器、空壓機(jī)、消聲器、中間冷卻器、后冷卻器、儲(chǔ)氣罐組成。空氣過濾器是減少空壓機(jī)內(nèi)部磨損并清除自由空氣中含有的粉塵和其它雜質(zhì)的裝置?？諌簷C(jī)吸入經(jīng)過凈化處理后的空氣并使之變成高溫高壓的氣體。消聲器是使氣流通過而使聲能衰減的裝置，有效降低空壓機(jī)的空氣動(dòng)力性噪聲。中間冷卻器是降低進(jìn)入二級壓縮的氣體溫度，提高機(jī)組的效率。后冷卻器是降低進(jìn)入儲(chǔ)氣罐前壓縮空氣的溫度，使壓縮空氣析出油和水的裝置。儲(chǔ)氣罐與降低壓縮機(jī)排氣的脈沖性波動(dòng)和穩(wěn)定管道中的壓力和用氣負(fù)荷調(diào)節(jié)。壓縮空氣生產(chǎn)流程圖見圖1。

圖1 壓縮空氣生產(chǎn)流程圖

1.2 空壓系統(tǒng)優(yōu)化措施

我國工業(yè)企業(yè)的空壓站因裝備水平、控制技術(shù)等多方面原因普遍存在高能耗、可靠性差的現(xiàn)象，目前空壓系統(tǒng)節(jié)能改造主要可以根據(jù)用氣量、壓力、波動(dòng)情況等因素，合理選用空壓機(jī)；合理布置優(yōu)化空壓系統(tǒng)管路，減少管網(wǎng)的壓力損失；調(diào)整管網(wǎng)，降低泄漏率；利用空壓機(jī)主電動(dòng)機(jī)的變頻器，調(diào)節(jié)空壓機(jī)轉(zhuǎn)速的快慢，控制空壓機(jī)的出氣量，以消除空壓機(jī)頻繁加卸載，節(jié)約能耗；優(yōu)化空壓機(jī)的調(diào)節(jié)方式，優(yōu)化流量控制，壓力控制，可以大幅度提高空壓系統(tǒng)的節(jié)能。

2 西安某紡織廠空壓系統(tǒng)優(yōu)化簡介

2.1 西安某紡織廠空壓系統(tǒng)簡介

西安某紡織廠空壓站有Atlas公司的無油空壓機(jī)10臺(tái)，其中ZH-15000型離心式空壓機(jī)3臺(tái)，ZR-630型無油螺桿空壓機(jī)3臺(tái)，ZR-250型無油螺桿空壓機(jī)3臺(tái)和ZR-700VSD型無油螺桿空壓機(jī)1臺(tái)；壓縮空氣站采用單層布置，壓縮機(jī)布置在地面基礎(chǔ)上，采光通風(fēng)效果好，壓縮空氣站內(nèi)機(jī)組布置集中，便于多機(jī)組聯(lián)合控制，各種室內(nèi)管道相對比較集中，長度較小，材料消耗低，投資費(fèi)用省，便于管理和檢修，因此該空壓站無需進(jìn)行優(yōu)化。自由空氣進(jìn)入自潔式過濾器經(jīng)過除塵進(jìn)入空壓機(jī)，空壓機(jī)將過濾后的空氣壓縮后，進(jìn)入冷卻器和干燥機(jī)經(jīng)冷卻和干燥后進(jìn)入儲(chǔ)氣罐，供用戶使用。西安某紡織廠空壓系統(tǒng)由三套壓縮空氣管網(wǎng)構(gòu)成，一套是壓力為0.75 MPa的高壓管網(wǎng)，壓縮空氣由3臺(tái)ZR-250型無油螺桿空壓機(jī)供氣，總耗氣量為4.9 m3/min，主要供給絡(luò)筒機(jī)、漿紗機(jī)、并紗機(jī)、倍捻機(jī)使用；另外兩套是壓力為0.65 MPa對稱布置、方向相反的低壓管網(wǎng)，壓縮空氣由3臺(tái)ZH-15000型離心式空壓機(jī)、3臺(tái)ZR-630型無油螺桿空壓機(jī)和1臺(tái)ZR-700VSD型無油螺桿空壓機(jī)供氣的低壓管網(wǎng)，兩套管網(wǎng)耗氣量均為147.84 m3/min，低壓壓縮空氣管網(wǎng)供噴氣織機(jī)，以滿足正常生產(chǎn)需要。

2.2 壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能改造方案

壓縮空氣通過管網(wǎng)輸送到用氣設(shè)備，因此管網(wǎng)對壓縮空氣系統(tǒng)起著至關(guān)重要的作用。一套好的管網(wǎng)，可以有效減小壓降。在其它條件不變的情況下，通過優(yōu)化管網(wǎng)的管徑后，壓縮空氣的壓力損也大大減小。系統(tǒng)壓降減小后，保證用氣設(shè)備用氣壓力不變的前提下，空壓機(jī)出口的壓縮空氣壓力就可以相應(yīng)減小。出口壓力降低后，在生產(chǎn)相同的壓縮空氣量下，空壓機(jī)能耗也就相應(yīng)減小。

該壓縮空氣系統(tǒng)按照工廠生產(chǎn)工藝所需的不同壓力對設(shè)備進(jìn)行供氣，從而有效地實(shí)現(xiàn)了節(jié)能。壓縮空氣高壓管網(wǎng)車間管道系統(tǒng)圖見圖2，壓縮空氣低壓管網(wǎng)車間管道系統(tǒng)圖見圖3。

圖2 壓縮空氣高壓管網(wǎng)車間管道系統(tǒng)圖

圖3 壓縮空氣低壓管網(wǎng)車間管道系統(tǒng)圖

2.3 阻力計(jì)算方法

壓縮空氣管道內(nèi)流速v：

(1)

式中：dn—管道直徑，mm；

Qg—壓縮空氣在工作狀態(tài)下的體積流量，m3/min；管道內(nèi)壓縮空氣的體積流量根據(jù)各末端設(shè)備的用氣量來確定；

v—壓縮空氣在工作狀態(tài)下的管內(nèi)流速，m/s。

車間管道壓縮空氣流速采用5～15 m/s[3]。將計(jì)算結(jié)果與車間管道壓縮空氣流速進(jìn)行對比，當(dāng)流速滿足要求時(shí)，無需優(yōu)化；若壓縮空氣流速不在該范圍內(nèi)時(shí)，將流速控制在允許范圍內(nèi)，對壓縮空氣系統(tǒng)的管徑完成優(yōu)化。

優(yōu)化后壓縮空氣管道直徑：

(2)

通過對壓縮空氣系統(tǒng)管徑的優(yōu)化，得出優(yōu)化后壓縮空氣系統(tǒng)的管徑。計(jì)算出壓縮空氣系統(tǒng)優(yōu)化前和優(yōu)化后的沿程阻力損失和局部阻力損失，將沿程阻力損失和局部阻力損失求和得到壓縮空氣系統(tǒng)優(yōu)化前后的總阻力損失，即可得出壓縮空氣系統(tǒng)優(yōu)化后的優(yōu)化量。

3 西安某紡織廠空壓系統(tǒng)阻力計(jì)算示例

以優(yōu)化前后高壓壓縮空氣管網(wǎng)的管段1為例，計(jì)算其阻力損失。

查表得，壓力為0.75 MPa時(shí),壓縮空氣的密度ρ=8.233 kg/m3；已知優(yōu)化前空壓系統(tǒng)管道管徑dn=0.032 m,其管材為無縫鋼管，管道內(nèi)壁絕對粗糙度Ra=0.5 mm，其摩擦阻力系數(shù)λ=0.043。經(jīng)過優(yōu)化，壓縮空氣管徑dn=0.020 m，其摩擦阻力系數(shù)λ=0.0517。根據(jù)末端設(shè)備用氣量，管段1的壓縮空氣量Qg=0.2 m3/min。

壓縮空氣管道內(nèi)流速v：

車間管道壓縮空氣流速采用5～15 m/s[3]。壓縮空氣管道流速2.90 m/s，不滿足車間管道壓縮空氣流速的規(guī)定，需要增大流速；取壓縮空氣管道內(nèi)流速v=5 m/s。

優(yōu)化后壓縮空氣管道內(nèi)徑：

若選取管徑Dn=25 mm的無縫鋼管，則管內(nèi)流速仍不滿足車間壓縮空氣流速范圍，故選取管徑Dn=20 mm的無縫鋼管。經(jīng)過計(jì)算，壓縮空氣管內(nèi)實(shí)際流速v=7.43 m/s，滿足壓縮空氣車間管內(nèi)流速要求。

優(yōu)化前壓縮空氣管道的沿程阻力損失：

優(yōu)化后壓縮空氣管道的沿程阻力損失：

兩套低壓壓縮空氣管網(wǎng)在車間內(nèi)的布置完全對稱，其管徑、管長、壓力、流量、流速等大小完全相同，因此兩套低壓壓縮空氣管網(wǎng)壓力損失完全相同。壓縮空氣管網(wǎng)優(yōu)化結(jié)果匯總見表1。

表1 壓縮空氣管網(wǎng)優(yōu)化結(jié)果匯總表

4 技術(shù)改造效益分析

空壓系統(tǒng)經(jīng)過節(jié)能改造后，主要具有以下效益：第一，空壓系統(tǒng)管網(wǎng)壓降減小，使空壓機(jī)與用戶用氣壓力匹配好，可以有效地延長壓縮機(jī)的使用壽命，增強(qiáng)管網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性；第二，通過節(jié)能改造后，使管網(wǎng)壓力保持恒定，可以有效地提高供氣質(zhì)量，有利于提高工作效率和壓力控制精度；第三，壓縮機(jī)運(yùn)行成本由維護(hù)成本和能源成本構(gòu)成，其中能源成本大約占壓縮機(jī)運(yùn)行成本的70%，通過降低能源成本，可使得空壓系統(tǒng)整體運(yùn)行成本大大降低。

本文通過對該紡織廠的壓縮空氣系統(tǒng)管網(wǎng)最不利工況下的管徑進(jìn)行分析計(jì)算，該紡織廠的壓縮空氣系統(tǒng)管徑部分偏小，壓縮空氣在管道內(nèi)流速過高，導(dǎo)致壓降增大。將較細(xì)的管道進(jìn)行調(diào)大，調(diào)大后管網(wǎng)的壓力損失明顯減小。對于供氣壓力為0.65 MPa的系統(tǒng)，空壓機(jī)排氣壓力每增加0.014 MPa，空壓機(jī)功率將增加1%[2]。兩套低壓壓縮空氣管網(wǎng)壓力降低均為43278.75 Pa，該壓縮空氣管網(wǎng)能耗約降低6.18%，按相應(yīng)機(jī)組總功率5640 kW計(jì)算，空壓系統(tǒng)改造后能耗可降低348.55 kW，按照紡織廠每天運(yùn)轉(zhuǎn)24 h，全年運(yùn)行360天計(jì)算，每年可節(jié)電3.0×106kW·h，按照西安市工業(yè)用電電價(jià)0.6元/kW·h,該紡織廠每年可節(jié)電約180.69萬元。高壓壓縮空氣管網(wǎng)，壓力損失減小39359.05 Pa。按照一般系統(tǒng)估計(jì)，每降低 1.3×104Pa，能耗降低1%[6]。管網(wǎng)能耗約降低3.03%，按相應(yīng)機(jī)組總功率750 kW計(jì)算，空壓系統(tǒng)改造后能耗可降低22.73 kW，通過壓縮空氣高壓管網(wǎng)的優(yōu)化，紡織廠每年可節(jié)電每年可節(jié)電1.96×105kW·h，約11.8萬元。通過優(yōu)化每年可以節(jié)電3.2×107kW·h，即減少運(yùn)行成本192.49萬元，這些僅為對壓縮空氣管網(wǎng)最不利環(huán)路的理論計(jì)算，如果實(shí)際對整個(gè)管網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化后，實(shí)際節(jié)能量將會(huì)更大。

5 結(jié)論

通過對紡織行業(yè)的空壓機(jī)壓縮空氣系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造，節(jié)能效果顯著。

[1] 壽其．低比速離心泵理論與設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械出版社，1997.

[2] 周義德.紡織空調(diào)除塵節(jié)能技術(shù)[M].北京：中國紡織出版社,2009.

[3] 秦宏波，胡壽根.工業(yè)壓縮空氣系統(tǒng)優(yōu)化潛力研究[J].流體機(jī)械，2010,38(2)：49—53.

[4] 汪祖祥.淺談如何搞好空壓站節(jié)能降耗[J].江西能源，2001，(2)：19—20.

Research on Optimization of Compressed Air System in Textile Mill

QinLi1，YanSuqian1，LiuNing1，ShuangQing2

(1.Xi′an Polytechnic University， Xi′an 710048,China；2.Xi′an City Building Design Academy，Xi′an 710054,China)

Air compressor system pipe network was analyzed and optimized in a textile factory in Xi’an,and the resistance loss has been dropped sharply through optimization.After the optimization of the textile enterprise compressed air system,the operating costs were saved,and the effect of energy conservation was remarkable.

compressed air system; energy saving; system optimization; pressure loss

2014-09-03

西安工程大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金資助(BS1114)

秦 莉(1991—)，女，江蘇無錫人，碩士研究生。

TK01

B

1009-3028(2014)06-0019-04