空壓系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)在紡織企業(yè)中的應(yīng)用分析

摘要

分析空壓系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)在紡織企業(yè)中的應(yīng)用效果。討論了空壓系統(tǒng)節(jié)能改造的節(jié)能性、經(jīng)濟(jì)性及必要性。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試與理論計(jì)算，分析了空壓系統(tǒng)應(yīng)用不同節(jié)能技術(shù)的效果。結(jié)果表明：該企業(yè)空壓系統(tǒng)應(yīng)用節(jié)能技術(shù)后，壓力波動(dòng)較小、機(jī)組效率較高，每年可省電845.8萬(wàn)kW•h，節(jié)能、節(jié)支效益非常明顯。認(rèn)為：企業(yè)進(jìn)行空壓系統(tǒng)優(yōu)化改造時(shí)，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況，從壓縮空氣生產(chǎn)、輸送和使用三個(gè)方面綜合應(yīng)用節(jié)能措施，以實(shí)現(xiàn)降低空壓機(jī)組生產(chǎn)能耗之目標(biāo)。

關(guān)鍵詞

空壓系統(tǒng);空壓機(jī);變頻調(diào)速;中央控制;余熱回收;分壓力供氣

壓縮空氣具有清潔、安全、使用方便等特點(diǎn)，在紡織行業(yè)中已成為僅次于電力的第二大動(dòng)力源。壓縮空氣生產(chǎn)是一個(gè)高能耗過(guò)程，通常占到紡織企業(yè)總能耗的25%～35%，所以壓縮空氣生產(chǎn)成本直接影響企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。紡織企業(yè)空壓系統(tǒng)5年的運(yùn)行成本構(gòu)成中，初期設(shè)備投資和維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用占到23%，而電費(fèi)高達(dá)77%，因此充分挖掘壓縮空氣生產(chǎn)和使用過(guò)程中的節(jié)能潛力意義重大。本文結(jié)合紡織領(lǐng)域壓縮空氣的生產(chǎn)、輸送和使用過(guò)程，通過(guò)分析某紡織企業(yè)空壓系統(tǒng)應(yīng)用的不同節(jié)能技術(shù)及其節(jié)能效果，討論了空壓系統(tǒng)優(yōu)化改造的必要性、節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性。

1紡織廠空壓系統(tǒng)常用的節(jié)能技術(shù)

一個(gè)典型的空壓系統(tǒng)由壓縮空氣的生產(chǎn)、輸送和使用三部分構(gòu)成，因此系統(tǒng)節(jié)能改造應(yīng)從以上三個(gè)方面著手進(jìn)行，以達(dá)到節(jié)能、節(jié)支的目的。

1.1壓縮空氣生產(chǎn)的節(jié)能技術(shù)

空壓機(jī)是空壓系統(tǒng)最重要也是耗能最大的部分。壓縮空氣生產(chǎn)過(guò)程中節(jié)能與否決定了整個(gè)系統(tǒng)的主要節(jié)能效果?？諌簷C(jī)生產(chǎn)壓縮空氣的過(guò)程需要對(duì)空氣做功，該過(guò)程使空氣壓力升高的同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生大量壓縮熱，使壓縮后的空氣溫度升高。但這些熱量對(duì)空壓機(jī)是有害的，如果不及時(shí)排出會(huì)造成空壓機(jī)耗電增加，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)影響空壓機(jī)使用壽命。因此，壓縮空氣生產(chǎn)過(guò)程節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用除了可以降低機(jī)組能耗外，還可以設(shè)法利用壓縮熱，提高系統(tǒng)能源利用率。壓縮空氣生產(chǎn)過(guò)程常用的節(jié)能技術(shù)包括：提高空壓機(jī)自身效率、運(yùn)用變頻調(diào)速技術(shù)、空壓機(jī)中央控制技術(shù)、余熱回收技術(shù)、分壓力供氣和壓力流量控制技術(shù)等。

1.2壓縮空氣輸送和使用中的節(jié)能技術(shù)

壓縮空氣通過(guò)管網(wǎng)輸送至各用氣點(diǎn)，其輸送和使用過(guò)程在系統(tǒng)中必不可少，該過(guò)程中的節(jié)能性對(duì)系統(tǒng)能耗的影響不容忽視。大部分空壓系統(tǒng)都存在輸送過(guò)程壓降大和壓縮空氣泄露等問(wèn)題，因此降低管網(wǎng)壓降、控制壓縮空氣泄漏就顯得更加必要。壓縮空氣輸送和使用過(guò)程的優(yōu)化主要從優(yōu)化管網(wǎng)配置和減少壓縮空氣泄露兩個(gè)方面進(jìn)行。對(duì)于以上節(jié)能方法，每個(gè)企業(yè)都應(yīng)從自身的實(shí)際情況出發(fā)做具體分析，盲目照搬照用非但不能降低系統(tǒng)能耗，還會(huì)造成壓縮空氣節(jié)流，增加企業(yè)運(yùn)行成本。因此，實(shí)地考察、深入了解系統(tǒng)壓縮空氣使用與機(jī)組運(yùn)行情況，合理正確應(yīng)用節(jié)能技術(shù)顯得非常重要。

2某紡織企業(yè)空壓系統(tǒng)簡(jiǎn)介

某紡織廠空壓系統(tǒng)有空壓機(jī)10臺(tái)，其中有離心機(jī)式空壓機(jī)3臺(tái)，總功率為4290kW;無(wú)油螺桿式空壓機(jī)5臺(tái)，總功率為2690kW;剩余2臺(tái)為變頻無(wú)油螺桿式空壓機(jī)，總功率為1015kW。基于工藝要求，該企業(yè)空壓系統(tǒng)設(shè)有絕對(duì)壓力為0.85MPa管網(wǎng)1套(由2臺(tái)無(wú)油螺桿式空壓機(jī)供氣)，0.75MPa管網(wǎng)2套(由剩余8臺(tái)全部用于該管網(wǎng)供氣)，高壓管網(wǎng)設(shè)有壓縮空氣儲(chǔ)氣罐1個(gè)，儲(chǔ)氣量為34.4m3/s(0.57m3/s)，2套低壓管網(wǎng)布置完全相同，共設(shè)有壓縮空氣儲(chǔ)氣罐2個(gè)，儲(chǔ)氣量為880.1m3/s(14.7m3/s)。該空壓系統(tǒng)為新建系統(tǒng)，目前已經(jīng)使用了提高空壓機(jī)自身效率、變頻調(diào)速技術(shù)、中央控制技術(shù)、余熱回收技術(shù)和分壓力供氣等節(jié)能技術(shù)措施。

3某紡織企業(yè)空壓系統(tǒng)應(yīng)用的節(jié)能技術(shù)措施分析

3.1提高空壓機(jī)工作效率

提高空壓機(jī)工作效率是保證空壓系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行的基礎(chǔ)，可通過(guò)對(duì)現(xiàn)有空壓機(jī)組進(jìn)行定期維護(hù)、保養(yǎng)和使用高效機(jī)組替代原有機(jī)組方式實(shí)現(xiàn)，前者適用于任何機(jī)組而后者僅適用于企業(yè)現(xiàn)有機(jī)組需要更換的情況。判斷空壓機(jī)是否高效運(yùn)行是通過(guò)對(duì)空壓機(jī)在一定壓力下全效率是否降低為依據(jù)來(lái)判斷。

目前，該紡織企業(yè)無(wú)空壓機(jī)組需要更換，因此只需針對(duì)空壓機(jī)主機(jī)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、電氣裝置建立全面的檢查維護(hù)方案并進(jìn)行周期性檢查、保養(yǎng)，以提高機(jī)組效率、降低系統(tǒng)運(yùn)行能耗與成本。對(duì)該企業(yè)定期維護(hù)保養(yǎng)前后的一套低壓機(jī)組系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果對(duì)比如下。

通過(guò)分析，該低壓機(jī)組全效率由原來(lái)69.48%增加至74.67%，提高了5.19個(gè)百分點(diǎn)。當(dāng)全部機(jī)組滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，額定功率為7995kW，在生產(chǎn)相同壓力、流量的壓縮空氣時(shí)，機(jī)組功率降低415.7kW。該紡織企業(yè)采用全天不間斷、全年350天的運(yùn)行方式，每年可省電349.2萬(wàn)kW•h。

3.2變頻調(diào)速技術(shù)

空壓機(jī)為恒轉(zhuǎn)矩，其功率與轉(zhuǎn)速可近似看成線性關(guān)系。目前，變頻調(diào)速技術(shù)主要針對(duì)螺桿式空壓機(jī)，采用變頻調(diào)速技術(shù)的螺桿式空壓機(jī)在加載時(shí)，變頻器控制空壓機(jī)的電機(jī)使其低速啟動(dòng);正常工作時(shí)，變頻器依據(jù)系統(tǒng)壓力，計(jì)算電機(jī)所需頻率調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，達(dá)到所需壓力。該技術(shù)解決了空壓系統(tǒng)負(fù)荷降低時(shí)，空壓機(jī)仍滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行造成的能源浪費(fèi)問(wèn)題。應(yīng)用該技術(shù)時(shí)應(yīng)該根據(jù)空壓系統(tǒng)用氣負(fù)荷波動(dòng)范圍來(lái)確定如何對(duì)無(wú)油螺桿式空壓機(jī)組安裝變頻器。該紡織企業(yè)有2臺(tái)額定功率分別為700kW和315kW的變頻無(wú)油螺桿式空壓機(jī)。本文對(duì)額定功率功率700kW、速度1700r/min的變頻無(wú)油螺桿式空壓機(jī)工作3050h運(yùn)行情況進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表1。

通過(guò)分析，該無(wú)油螺桿式空壓機(jī)負(fù)載率(電機(jī)實(shí)際速度與額定速度的比值)為60%～80%的運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)，占總運(yùn)行時(shí)間的45%。采用變頻技術(shù)后空壓機(jī)實(shí)際功率的加權(quán)平均值降低194.6kW，占額定功率的27.8%。該技術(shù)的應(yīng)用使機(jī)組每年省電163.5萬(wàn)kW•h。

3.3空壓機(jī)中央控制技術(shù)

空壓機(jī)中央控制技術(shù)適用于多臺(tái)空壓機(jī)聯(lián)合運(yùn)行的空壓系統(tǒng)，該技術(shù)根據(jù)系統(tǒng)壓力和流量變化分析控制不同空壓機(jī)啟閉與加卸載。該技術(shù)使系統(tǒng)在保證用戶(hù)正常用氣的同時(shí)，降低了系統(tǒng)壓力波動(dòng)，提高了機(jī)組運(yùn)行效率。該紡織企業(yè)空壓系統(tǒng)使用AtlasCopco公司研發(fā)的ESC8000中央控制技術(shù)，對(duì)應(yīng)用中央控制技術(shù)后的一套系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

在測(cè)試時(shí)間段內(nèi)，應(yīng)用中央控制技術(shù)后的空壓系統(tǒng)最大壓差為0.044MPa，為儲(chǔ)氣罐平均壓力的6.1%，波動(dòng)較小;空壓機(jī)組全效率最高為77.3%，且平均為74.7%，處于較高水平。應(yīng)用空壓機(jī)中央控制技術(shù)后，系統(tǒng)壓縮空氣壓力波動(dòng)小，質(zhì)量提高，節(jié)能效益明顯。

3.4余熱回收技術(shù)

空壓機(jī)生產(chǎn)出的高溫壓縮空氣，無(wú)論采用風(fēng)冷還是水冷方式將熱量直接排至大氣，都會(huì)造成能源的大量浪費(fèi)。余熱回收技術(shù)目前主要應(yīng)用于螺桿式空壓機(jī)，可利用換熱設(shè)備將熱量回收再利用，以達(dá)到節(jié)能、節(jié)支的目的。該紡織企業(yè)5臺(tái)無(wú)油螺桿式空壓機(jī)安裝余熱回收裝置，并用回收的熱量生產(chǎn)熱水。該企業(yè)中間冷卻器與后冷卻器的冷卻水系統(tǒng)串聯(lián)連接，高溫空氣與冷卻水換熱采用逆流換熱。

自由空氣進(jìn)入空壓機(jī)氣缸被壓縮，變成高溫空氣進(jìn)入中間冷卻器、后冷卻器被冷卻，成為低溫空氣。本文對(duì)1臺(tái)額定功率為630kW的無(wú)油螺桿式空壓機(jī)和冷卻器運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行測(cè)試與計(jì)算，計(jì)算時(shí)假定中間冷卻器與后冷卻器的進(jìn)出口冷卻水溫度相等，結(jié)果如下：冷卻進(jìn)出水量1.51kg/s，進(jìn)口/出口水溫24.2℃/63.6℃，中間冷卻器進(jìn)口/出口空氣溫度165.2℃/49.7℃，后冷卻器進(jìn)口/出口空氣溫度171.4℃/40.1℃。冷卻水的熱量可依據(jù)下式計(jì)算：

式中：cP為水的定壓比熱容，取4.183[kJ/(kg•k)];m為水的質(zhì)量流量(kg/s);t′w、t″w分別為換熱器冷卻水的進(jìn)出口溫度(℃)。

該冷卻器冷卻水的熱量Q為248.9kW，螺桿式空壓機(jī)額定功率為630kW，取其輸入功率系數(shù)為0.9，則該空壓機(jī)的輸入功率P為567kW，余熱回收可利用率η=Q/P×100%=245.9/697×100%=43.9%。該紡織企業(yè)無(wú)油螺桿式空壓機(jī)組輸入功率為2421kW，假設(shè)機(jī)組余熱回收可利用率均為43.9%，機(jī)組回收實(shí)際熱量為956.5kW。按照該市非居民用熱價(jià)格0.21元/kW•h計(jì)，該企業(yè)用熱成本降低200.9元/h，每年可減少運(yùn)行成本168.8萬(wàn)元。

3.5分壓力供氣

分壓力供氣是針對(duì)一個(gè)企業(yè)有兩種或更多壓力需求，機(jī)組需滿(mǎn)足高壓要求生產(chǎn)壓縮空氣，這樣會(huì)造成低壓用戶(hù)能源浪費(fèi)，且低壓用戶(hù)用氣量越大，浪費(fèi)越明顯。對(duì)該紡織企業(yè)不同壓力的用氣負(fù)荷進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如下：產(chǎn)氣壓力0.75MPa，耗氣量14.67m3/s;產(chǎn)氣壓力0.85MPa，耗氣量0.57m3/s。

通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，該企業(yè)壓縮空氣低壓用氣量遠(yuǎn)大于高壓用氣量，若該企業(yè)未分成高、低壓供氣，生產(chǎn)壓縮空氣壓力為0.85MPa、流量為15.24m3/s時(shí)，空壓機(jī)組功率為4366.1kW。分壓力供氣后，高、低壓機(jī)組功率分別為163.3kW、3957.0kW，總功率為4120.3kW，降低245.8kW，年節(jié)電量為206.5萬(wàn)kW•h。

3.6優(yōu)化管網(wǎng)配置

管網(wǎng)優(yōu)化配置適用于任何空壓系統(tǒng)。壓縮空氣管網(wǎng)是系統(tǒng)中必不可少的組成部分。設(shè)計(jì)合理的管網(wǎng)，其壓降一般控制在供氣壓力的5%～8%。該企業(yè)有低壓系統(tǒng)和高壓系統(tǒng)，對(duì)兩種系統(tǒng)儲(chǔ)氣罐與用氣點(diǎn)壓力進(jìn)行測(cè)試，見(jiàn)表3。

通過(guò)測(cè)試，該企業(yè)高、低壓系統(tǒng)壓降分別占到各自供氣壓力的15.0%和10.6%，因此該企業(yè)空壓系統(tǒng)管網(wǎng)配置不合理。經(jīng)過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，壓縮空氣壓降過(guò)大原因是管徑過(guò)小、流速過(guò)大。依據(jù)高、低壓管內(nèi)流量分別為34.4m3/min、440.1m3/min和壓縮空氣管內(nèi)推薦流速?gòu)S區(qū)5m/s～12m/s、車(chē)間5m/s～15m/s對(duì)管徑進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化后的高、低壓管網(wǎng)壓降分別為0.052MPa和0.056MPa，在保證用氣點(diǎn)壓力不變的前提下，機(jī)組產(chǎn)氣壓力可以分別降低至0.8MPa和0.7MPa，功率分別為118.5kW、1979.5kW，兩套系統(tǒng)機(jī)組總功率降低72.4kW。該企業(yè)有兩套低壓系統(tǒng)且布置完全相同，優(yōu)化前后壓降相同，因此系統(tǒng)機(jī)組總功率減少144.8kW，年耗電量將減少121.6萬(wàn)kW•h。

3.7其他節(jié)能技術(shù)

通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，在該企業(yè)采用壓力流量控制技術(shù)并不適用。壓力流量控制技術(shù)是依靠壓力流量控制器消除間歇運(yùn)行的大用氣量設(shè)備引起系統(tǒng)壓力的波動(dòng)。該企業(yè)無(wú)間歇性用氣設(shè)備，若盲目地加裝壓力流量控制器，會(huì)造成壓縮空氣節(jié)流和阻力增大，所以并不適用。目前，大部分企業(yè)都存在壓縮空氣泄漏的問(wèn)題，泄漏率為20%～30%，有的企業(yè)甚至更高。徹底消除泄漏很難做到，企業(yè)應(yīng)積極采取措施將泄漏率控制在合理范圍(系統(tǒng)使用少于1年，泄漏率不超過(guò)7%，系統(tǒng)使用2年～5年，不超過(guò)10%，系統(tǒng)超過(guò)10年，小于12%)。對(duì)該紡織企業(yè)空壓系統(tǒng)采用抽樣測(cè)試的方法對(duì)泄漏量進(jìn)行測(cè)試，該企業(yè)壓縮空氣平均泄漏量為66.1m3/min，該系統(tǒng)屬于新建系統(tǒng)，投入使用3年，泄漏率為7.5%未超過(guò)10%，該泄漏率在許可范圍內(nèi)。因此該企業(yè)目前無(wú)需對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行堵漏。

4結(jié)論

(1)空壓系統(tǒng)在紡織企業(yè)是耗能大戶(hù)，企業(yè)應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況，合理正確地使用節(jié)能技術(shù)，降低系統(tǒng)能耗與運(yùn)行成本，可提高自身市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

(2)該紡織廠空壓系統(tǒng)在提高空壓機(jī)自身效率、應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)、分壓力供氣和優(yōu)化管網(wǎng)配置后，每年可分別為企業(yè)省電349.2萬(wàn)kW•h、163.5萬(wàn)kW•h、206.5萬(wàn)kW•h、121.6萬(wàn)kW•h，且應(yīng)用余熱回收技術(shù)后每年可降低用熱成本168.8萬(wàn)元，同時(shí)綜合應(yīng)用節(jié)能技術(shù)后的系統(tǒng)壓力波動(dòng)減小、機(jī)組效率提高明顯。

(3)在對(duì)空壓系統(tǒng)進(jìn)行堵漏前，應(yīng)對(duì)系統(tǒng)泄漏量進(jìn)行測(cè)試評(píng)估，并積極采取措施進(jìn)行檢漏堵漏，將泄漏率控制在合理范圍內(nèi);對(duì)于無(wú)間歇性用氣設(shè)備或間歇性用氣設(shè)備用氣量不大的系統(tǒng)，應(yīng)盡量避免使用壓力流量控制技術(shù)。