噴氣織機(jī)中壓縮空氣的泄漏評(píng)估及其修復(fù)優(yōu)化

顏蘇芊， 王力平

(西安工程大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院， 陜西 西安 710048)

噴氣織機(jī)因運(yùn)行速度快，生產(chǎn)效率高，引緯方式合理及操作過(guò)程安全、簡(jiǎn)便[1]等特點(diǎn)，被廣泛使用。壓縮空氣作為噴氣織機(jī)動(dòng)力源，在引緯過(guò)程中起重要作用，然而，理論研究及生產(chǎn)實(shí)踐表明，噴氣織機(jī)能耗巨大，其中壓縮空氣消耗約占總體的72%[2]，除生產(chǎn)消耗外，泄漏占主要部分。泄漏不僅浪費(fèi)能源，還會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行損失；因此，降低噴氣織機(jī)能耗主要從減少甚至消除壓縮空氣泄漏入手，并采取優(yōu)化措施，以達(dá)到降耗要求。

目前國(guó)內(nèi)外已對(duì)壓縮空氣泄漏問(wèn)題做了一些研究，但針對(duì)噴氣織機(jī)卻少有提及，此外檢測(cè)手段的應(yīng)用、有關(guān)泄漏參數(shù)的分析、能耗評(píng)估及優(yōu)化建議等有待進(jìn)一步細(xì)化和完善。本文在對(duì)壓縮空氣泄漏現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，從單臺(tái)噴氣織機(jī)出發(fā)，采用多種技術(shù)手段有機(jī)結(jié)合在一起對(duì)壓縮空氣在引緯機(jī)構(gòu)輸送及使用過(guò)程中的泄漏情況進(jìn)行討論，分析泄漏量與壓降、溫度變化的影響機(jī)制，以此為基礎(chǔ)提出泄漏修復(fù)優(yōu)化建議，對(duì)壓縮空氣在噴氣織機(jī)中的泄漏作出評(píng)價(jià)。

1 引緯機(jī)構(gòu)

1.1 引緯原理

引緯機(jī)構(gòu)是噴氣織機(jī)的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)之一。噴氣織機(jī)引緯是以壓縮空氣為載體，利用壓縮空氣通過(guò)噴嘴產(chǎn)生的高速氣流將緯紗牽引穿過(guò)梭口[3]，完成引緯。引緯時(shí)壓縮空氣壓力低，速度高[4]。

1.2 引緯方式

壓縮空氣進(jìn)入噴氣織機(jī)前，先通過(guò)過(guò)濾器濾除雜質(zhì)然后進(jìn)入調(diào)壓箱，經(jīng)分路調(diào)壓后分別輸送至主氣包和輔氣包，再經(jīng)電磁閥輸送至主噴嘴及輔噴嘴。其中，主噴嘴所需的壓縮空氣由主氣包經(jīng)電磁閥供給；輔助噴嘴及儲(chǔ)緯器所需的壓縮空氣由輔氣包供給[5]。壓縮空氣在引緯機(jī)構(gòu)走向如圖1所示。引緯時(shí)，壓縮空氣從主噴嘴噴出，緯紗在氣流作用下從儲(chǔ)緯器上退繞下來(lái)，穿過(guò)主噴嘴在異型筘的筘槽中飛行，輔助噴嘴通過(guò)向筘槽補(bǔ)充氣流使緯紗從供緯側(cè)移動(dòng)到另一側(cè)，從而完成引緯[6]。

圖1 壓縮空氣在引緯機(jī)構(gòu)走向Fig.1 Compressed air in weft insertion mechanism

2 某織布車間噴氣織機(jī)泄漏實(shí)測(cè)

2.1 噴氣織機(jī)類型

選擇西安某織布車間8種型號(hào)噴氣織機(jī)共計(jì)643臺(tái)，其中：PS209e-190型206臺(tái)；ZA203-280型104臺(tái)；ZAX-190型48臺(tái)；CA082型72臺(tái)；ZAX-e-190型 50臺(tái)；ZA205i-190型13臺(tái)；ZA203-190型54臺(tái)以及JA610-190型96臺(tái)。

各型號(hào)噴氣織機(jī)車間布置見(jiàn)圖2。針對(duì)泄漏問(wèn)題，從每臺(tái)噴氣織機(jī)的引緯機(jī)構(gòu)入手進(jìn)行探究。

圖2 各型號(hào)織機(jī)車間布置圖Fig.2 Air-jet loom workshop layout

2.2 檢測(cè)方法

泄漏檢測(cè)主要涉及泄漏有無(wú)、泄漏定位及泄漏定量。目前現(xiàn)有的檢測(cè)方法只是針對(duì)石油、天然氣管道泄漏，主要分為硬件和軟件、直接和間斷、內(nèi)部和外部以及檢測(cè)管壁狀況和內(nèi)部流體狀態(tài)檢測(cè)的方法。針對(duì)壓縮空氣泄漏的檢測(cè)，國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)少有提及。由于氣體相似性，壓縮空氣泄漏檢測(cè)的處理方法可等同于油氣等工業(yè)流體。現(xiàn)有的檢測(cè)方法在使用工況和應(yīng)用范圍內(nèi)存在一定的局限，結(jié)合噴氣織機(jī)壓縮空氣使用環(huán)境及要求，采用泄漏檢測(cè)儀、超聲波掃描槍及紅外熱像儀有機(jī)結(jié)合的方式從噴氣織機(jī)引緯機(jī)構(gòu)入手探究泄漏情況，使其優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提高檢測(cè)性能。

2.3 泄漏情況

2.3.1定量實(shí)驗(yàn)

定量實(shí)驗(yàn)時(shí)選取停車織機(jī)。檢測(cè)過(guò)程中部分織機(jī)無(wú)法定量，經(jīng)排查原因主要有：閑置接口堵塞，吹掃不干凈；球閥及接口的意外破壞造成部件缺失或破損；織布車間生產(chǎn)要求及停車時(shí)間等影響。涉及ZA203-280、ZA203-190、JAT-610-190及ZA205i-190 共4種型號(hào)267 臺(tái)織機(jī)。對(duì)于這部分織機(jī)，暫不考慮泄漏情況，只對(duì)可檢測(cè)的織機(jī)進(jìn)行計(jì)算評(píng)估。

本次測(cè)試抽取了大量織機(jī)進(jìn)行泄漏實(shí)驗(yàn)，因篇幅有限，在大量抽檢基礎(chǔ)上，只對(duì)剩余每種型號(hào)可檢測(cè)織機(jī)隨機(jī)抽選10臺(tái)進(jìn)行具體分析。4種型號(hào)織機(jī)泄漏量及耗電量見(jiàn)表1。

表14種型號(hào)織機(jī)泄漏量及耗電量

Tab.1leakageandpowerconsumptionoffourtypesoflooms

織機(jī)型號(hào)編號(hào)壓力/MPa泄漏量/(L·min-1)耗電量/(kW·h)織機(jī)型號(hào)編號(hào)壓力/MPa泄漏量/(L·min-1)耗電量/(kW·h)PS209e?1901060167930407206089998059930585945505674058809104855059994270565606028011048070593741504448056647300283905929711058210060561110366ZAX?e?19010569517803102059263530381305875012030040579549903295057759440356606014568027570595315101898059570900425905847119042710058272610435CA08210599>500—20517>500—30592>500—40601>500—50599>500—60592>500—70587>500—80589>500—90579>500—10058930070180ZAX?1901060276510459206067390044305833591021540543<10000050569<10000060564<10000070513295701778057730860233905706820040100589<100000

由表1可得出：?jiǎn)闻_(tái)PS209e-190型織機(jī)平均泄漏量為79.742 L/min,由于泄漏，每臺(tái)每年多耗電 4 186 kW·h；單臺(tái)ZAX-e-190型織機(jī)平均泄漏量為57.175 L/min,每臺(tái)每年因壓縮空氣泄漏浪費(fèi)的電能為3 002 kW·h；隨機(jī)測(cè)試中ZAX-190型有4臺(tái)織機(jī)泄漏量小于1.0 L/min，經(jīng)多次測(cè)量結(jié)果一致，且經(jīng)排查未發(fā)現(xiàn)泄漏點(diǎn)，處理時(shí)則認(rèn)為沒(méi)有泄漏，耗電損失為0，因此，ZAX-190型單臺(tái)平均泄漏量為 31.177 L/min；對(duì)于抽選的CA082型織機(jī)有9 臺(tái)泄漏量超出檢測(cè)量程。為進(jìn)一步探究泄漏情況，重新抽選20臺(tái)CA082型織機(jī)繼續(xù)泄漏實(shí)驗(yàn)。CA082型織機(jī)泄漏量與耗電量見(jiàn)表2。

表2 CA082型織機(jī)泄漏量與耗電量

由表2可知：重新抽選的CA082型織機(jī)中泄漏量大于500 L/min的占60%，實(shí)際處理時(shí)對(duì)于這部分織機(jī)泄漏量按500 L/min估算，且忽略其對(duì)耗電損失的影響；因此，CA082型單臺(tái)織機(jī)平均泄漏量為324.283 L/min，1 a泄漏量為170 443.145 m3，實(shí)際每臺(tái)每年因泄漏浪費(fèi)電遠(yuǎn)大于3 188 kW·h。

壓縮空氣成本由生產(chǎn)1 m3壓縮空氣耗電量和空氣壓縮機(jī)維護(hù)成本等部分組成。該紡織廠空壓系統(tǒng)共有螺桿式空壓機(jī)和離心式空壓機(jī)2種，共計(jì)169臺(tái)。以Atlas公司ZR3B型螺桿式空壓機(jī)為例，其額定功率為110 kW,排氣量為15.06 m3/min，也就是說(shuō)這臺(tái)空壓機(jī)的耗電量為110 kW·h，根據(jù)中國(guó)企業(yè)情況，電費(fèi)平均為1.0 元/(kW·h)，則這臺(tái)空壓機(jī)1 h就要花費(fèi)110 元?？諌簷C(jī)排氣量為 903.6 m3/h，因此，每立方米壓縮空氣成本為 0.1元，考慮到空壓機(jī)的維護(hù)成本以及管道漏氣等情況(占實(shí)際成本的30%)，實(shí)際成本大概為 0.14 元/m3。根據(jù)該廠離心式空壓機(jī)規(guī)格計(jì)算得到的結(jié)果與上述一致，因此，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下每立方米壓縮空氣成本按0.14 元計(jì)算。具體泄漏損失匯總見(jiàn)表3。

表3 泄漏損失匯總Tab.3 Summary of leakage loss

由表3可知：該織布車間壓縮空氣1 a泄漏量約為 2.303×107m3，消耗電量遠(yuǎn)超過(guò)1.322×106kW·h；每年因壓縮空氣泄漏造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá) 322.435萬(wàn)元。

2.3.2定位實(shí)驗(yàn)

壓縮空氣泄漏部位有管道、法蘭、螺紋連接、閥體、接頭、過(guò)濾器、調(diào)壓箱、儲(chǔ)緯器及噴嘴。4種型號(hào)織機(jī)泄漏原因見(jiàn)表4。對(duì)各型號(hào)織機(jī)泄漏原因進(jìn)行匯總分析得到：泄漏主要來(lái)源于管路輸送、連接部件以及壓縮空氣使用點(diǎn)設(shè)備[6]，歸根到底，泄漏是設(shè)備在使用過(guò)程中零部件老化和破損而沒(méi)有及時(shí)修復(fù)更換[7]引起的。

對(duì)重新抽選的20臺(tái)CA082型織機(jī)泄漏原因分析發(fā)現(xiàn)：泄漏量大于500 L/min的織機(jī)其部件破損相對(duì)嚴(yán)重，破損部位主要為過(guò)濾器。過(guò)濾器對(duì)壓縮空氣具有凈化作用，包括空氣過(guò)濾器和油霧濾氣器 2部分。過(guò)濾器破損，不僅產(chǎn)生泄漏致使能耗增加，嚴(yán)重時(shí)可造成氣路堵塞，零件生銹影響織物質(zhì)量。表5示出其不同部件用途及損壞后果的匯總。

壓縮空氣在噴氣織機(jī)的泄漏原因包括：噴氣織機(jī)的自然老化；運(yùn)行過(guò)程中因操作不規(guī)范或意外破壞，管道、閥體等出現(xiàn)裂紋；受車間溫度、濕度影響，密封部件材料腐蝕老化；結(jié)構(gòu)缺陷；壓力波動(dòng)造成螺栓松動(dòng)；故障處理不當(dāng)?shù)取?/p>

2.3.3泄漏探討

對(duì)4種型號(hào)織機(jī)泄漏實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，泄漏原因繁雜多樣，同臺(tái)織機(jī)存在多種泄漏情況，同種型號(hào)的織機(jī)泄漏原因不盡相同。為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的普遍性，測(cè)試時(shí)對(duì)織機(jī)進(jìn)行大量抽檢，以排除個(gè)別情況的干擾而影響泄漏評(píng)估。測(cè)量過(guò)程中，部分織機(jī)存在泄漏，然而定位時(shí)并沒(méi)有明顯泄漏點(diǎn)，經(jīng)過(guò)分析是由于織機(jī)本身的生產(chǎn)要求所致。此外，對(duì)同1臺(tái)織機(jī)多次測(cè)量發(fā)現(xiàn)，相同條件下測(cè)量結(jié)果并不相同，通過(guò)重復(fù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，造成結(jié)果差異的原因主要有季節(jié)、操作及織機(jī)周期3方面；因此，為避免誤差對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，實(shí)驗(yàn)時(shí)采取多次測(cè)量的辦法，并在同等條件下對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較，若數(shù)值差距太大，則在織機(jī)未發(fā)生新的泄漏前提下繼續(xù)測(cè)量以保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定及準(zhǔn)確。若同一條件下，數(shù)據(jù)差別不大且連續(xù)，則對(duì)數(shù)據(jù)采取求均值的辦法進(jìn)行處理。

2.4 參數(shù)對(duì)泄漏量及能耗的影響

2.4.1壓降與泄漏量及能耗的關(guān)系

壓縮空氣在噴氣織機(jī)引緯機(jī)構(gòu)傳輸過(guò)程中，由于管線阻力及局部阻力產(chǎn)生壓降，泄漏加劇壓降變化，壓降變化消耗了氣流能量產(chǎn)生能耗。

圖3示出西安某織布車間壓降與泄漏量的關(guān)系。壓縮空氣實(shí)際供氣壓力為0.6 MPa?？梢钥闯觯?dāng)壓降為0.01 MPa時(shí)，氣體泄漏量為 35.91 L/min,壓降為0.02 MPa時(shí)，氣體泄漏量增加 9.77 L/min。可見(jiàn)，壓縮空氣泄漏量隨壓降的增加而增大。這是因?yàn)槎繉?shí)驗(yàn)時(shí)，泄漏檢測(cè)儀并聯(lián)接入噴氣織機(jī)閑置接口與引緯機(jī)構(gòu)組成回路，壓縮空氣泄漏到環(huán)境使得回路中壓力下降，泄漏量越多壓降越大。泄漏量與壓降存在類似正比關(guān)系，故采取線性擬合。通過(guò)下式對(duì)實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行擬合：

Q=a+bΔP

(1)

式中：Q為壓縮空氣泄漏量；ΔP為壓降；a、b為擬合常數(shù)。

擬合結(jié)果為：

Q=28.492 86+889.547 62ΔP

(2)

復(fù)相關(guān)系數(shù)R2=0.991 5，實(shí)驗(yàn)值與擬合曲線重合度較好，因此，式(2)即為泄漏量與壓降的關(guān)系式。

壓縮空氣的能耗表現(xiàn)為耗電。圖4示出耗電量與壓降關(guān)系?？梢钥闯?，耗電量隨壓降的增加而增大。計(jì)算發(fā)現(xiàn)，壓降增加0.01 MPa，能耗相應(yīng)增加0.3%～0.5%[8]。從圖4看到，實(shí)驗(yàn)值在擬合曲線上下浮動(dòng)，呈線性增長(zhǎng)。擬合得到壓降與耗電量之間關(guān)系式為：

表4 4種型號(hào)織機(jī)泄漏原因Tab.4 Leakage causes of four types of looms

表5 不同部件匯總Tab.5 Summary of different components

圖3 泄漏量與壓降關(guān)系Fig.3 Relationship between leakage and pressure drop

Q′=0.171+5.325ΔP

(3)

式中，Q′為耗電量。 復(fù)相關(guān)系數(shù)R2=0.991 58。

圖4 耗電量與壓降關(guān)系Fig.4 Relationship between power consumptionand pressure drop

2.4.2溫度變化與泄漏量及能耗的關(guān)系

壓縮空氣在噴氣織機(jī)引緯機(jī)構(gòu)輸送過(guò)程中，氣體溫度與周圍環(huán)境溫度不同。壓縮空氣泄漏時(shí)表面溫度場(chǎng)會(huì)發(fā)生變化，表面溫度是推斷部件內(nèi)部特性的重要信息，通過(guò)分析泄漏位置表面溫度變化從而對(duì)泄漏進(jìn)行定性分析。實(shí)驗(yàn)時(shí)，織布車間環(huán)境溫度為 32 ℃。溫度變化與泄漏量關(guān)系見(jiàn)圖5?？梢钥闯?，泄漏位置溫度變化越大，泄漏量越多。這是因?yàn)閴嚎s空氣隨泄漏發(fā)生整體膨脹，并與環(huán)境產(chǎn)生熱量交換導(dǎo)致氣體溫度降低，泄漏量越多，泄漏表面溫度越低。擬合得到泄漏量與溫度變化之間的關(guān)系式為：

Q=68.914 34Δt-35.710 44

(4)

式中，ΔT為溫度變化。復(fù)相關(guān)系數(shù)R2=0.973 22。

圖5 泄漏量與溫度變化關(guān)系Fig.5 Relationship between leakage and temperature change

圖6示出耗電量與溫度變化關(guān)系?？梢钥闯觯孤┪恢脺囟茸兓?.1 ℃，耗電量增加70%～90%。耗電量隨溫度變化的增加而增大。擬合得到溫度變化與耗電量之間的關(guān)系式為：

Q′=0.412 54Δt-0.213 34

(5)

復(fù)相關(guān)系數(shù)R2=0.973 34。

圖6 耗電量與溫度變化關(guān)系Fig.6 Relationship between power consumptionand temperature change

3 修復(fù)及優(yōu)化

泄漏不僅影響織機(jī)效率，增加運(yùn)行成本，而且能耗損失嚴(yán)重，因此，泄漏修復(fù)及優(yōu)化非常關(guān)鍵。針對(duì)檢測(cè)過(guò)程泄漏情況，應(yīng)采取相應(yīng)的修復(fù)方案。修復(fù)方案的選擇既要確保徹底修復(fù)漏點(diǎn)，又要保證各部件之間正常運(yùn)行。

泄漏優(yōu)化措施見(jiàn)表6。對(duì)于管道的泄漏修復(fù)一般采用再緊固、上堵頭、加盲板、夾卡具、打包套、液壓注膠等方法[9]；法蘭、接頭此類密封部件，應(yīng)加強(qiáng)日常運(yùn)行中的管理及維護(hù)，通過(guò)更換墊片、擰緊的方式進(jìn)行修復(fù)，并對(duì)密封點(diǎn)部件進(jìn)行標(biāo)識(shí)；對(duì)于電磁閥等使用點(diǎn)設(shè)備，定期檢查、及時(shí)清理積垢確保元件活動(dòng)靈敏，磨損配件及時(shí)維修更換確保配件精密性，必要時(shí)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行更換[10]。修復(fù)后，需對(duì)組件進(jìn)行復(fù)測(cè)，以確保成功修復(fù)。

表6 泄漏優(yōu)化措施

注：CIPP指原位固化法。

4 結(jié)束語(yǔ)

引緯功能決定著噴氣織機(jī)的優(yōu)劣。由于噴氣織機(jī)壓縮空氣使用環(huán)境及要求，采用多種技術(shù)手段有機(jī)結(jié)合方式對(duì)壓縮空氣在引緯機(jī)構(gòu)輸送及使用過(guò)程中的泄漏問(wèn)題進(jìn)行定性研究。對(duì)西安某織布車間定位實(shí)驗(yàn)得到泄漏分布部位，同時(shí)分析了泄漏來(lái)源，探討了泄漏規(guī)律。對(duì)可測(cè)織機(jī)定量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該織布車間1 a壓縮空氣泄漏量為2.303×107m3，消耗的電量遠(yuǎn)超1.322×106kW·h。由于泄漏造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)322.435 萬(wàn)元?？梢?jiàn)，采取修復(fù)及優(yōu)化對(duì)降低紡織企業(yè)運(yùn)行成本，減少能源浪費(fèi)尤為關(guān)鍵。此外，壓縮空氣泄漏量與壓降、泄漏位置表面溫度變化存在線性關(guān)系，通過(guò)對(duì)各參數(shù)間關(guān)系的探討，對(duì)減少甚至消除泄漏進(jìn)而達(dá)到降低能耗具有重要意義。

FZXB

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