崔琪琪，颜苏芊，宋伯勇

(1.西安工程大学 城市规划与市政工程学院，陕西 西安 710048； 2.咸阳纺织集团有限公司，陕西 咸阳 712000)

在工业生产的各个领域中，压缩空气作为一种清洁、环保的动力能源得到了广泛的应用，尤其是在纺织行业，其能耗约占企业总能耗的30%～40%[1]。压缩空气系统中的大部分设备为电力驱动，其中空气压缩机作为压缩空气的生产设备，消耗的电能占到系统总电能的90%以上，在空气压缩机寿命周期成本中，能耗成本约占70%[2-3], 因此，降低空气压缩机的能耗对于整个工业领域系统节能具有重要的意义。

在纺织厂等工业场所的空压站内，由于空气压缩机电动机以及压缩空气系统中的其他设备发热量均较大，夏季空压站内温度会达到40 ℃以上，空气压缩机进气口的温度更高，吸入40 ℃以上的高温空气会增加运行能耗，使其排气量和排气压力降低，进气温度每增加3 ℃，空压机的能耗约增加1%[4-5]。目前，很多企业对空压站进行通风降温，但这种方法对空气压缩机性能的提升并没有太大的作用。本文以咸阳市某纺织企业为例，介绍了组合式空调机组对空气压缩机入口空气预处理方法，通过实地测试和研究，有效降低了空气压缩机进气温湿度，延长了空气压缩机的使用寿命，并且具有显著的节能效果。

1 某纺织企业空气压缩系统概况

咸阳市某纺织企业空压站的建筑面积为1 945.44 m2，设有阿特拉斯公司(Atlas)生产的空气压缩机共11台，其中离心式5台，螺杆式6台。在日常生产中，仅开启5台离心式和1台螺杆式空气压缩机即可满足生产要求。离心式空气压缩机的单台产气量为295 m3/min，额定功率为1 359 kW。空压站内的空气，由进气口经滤尘桶过滤后进入空气压缩机进行三级压缩。该厂每年夏季会开启冷冻水站，持续时间1个月，空压站内设有组合式空调机组(新疆华奕新能源科技有限公司)，通过侧送风口为空压站送风降温。

2019年8月冷冻站开启后对5台离心式空气压缩机进行了测试，测试内容包括进气口温度、相对湿度、压力及风速，测试仪器为testo175H1型电子温湿度记录仪(上海五久自动化设备有限公司)、testo410-1型叶轮风速仪(上海双旭电子有限公司)、毕托管及DP2000智能数字微压计(上海永智仪表设备有限公司)。

空气压缩机的进气口设置在进气柜顶端，长1 530 mm，宽180 mm，将每台离心式空气压缩机进气口分为10个测试点，空气压缩机进气口尺寸及测试点位置见图1。

图1 空气压缩机进气口尺寸及测试点位置

进行3次测试，测试结果为3次测试的算术平均值，4号空气压缩机进气口参数测试结果见表1。连续10天进行测试，5台离心式空气压缩机日均进气口参数测试结果见表2。

表1 4号空气压缩机进气口参数测试结果

表2 5台离心式空气压缩机日均进气口参数测试结果

从表2可以看出，冷冻站开启时空气压缩机进气口平均温度高达40.2 ℃，平均相对湿度为31.2%，平均风速为21.4 m/s，平均负压为519 Pa。空气压缩机运行时温度范围应保持在18～30 ℃[6]，该进气口温度较高，不利于空气压缩机运行。由此可见，整体通风降温效果并不明显，只有针对进气口进行预处理，才能真正改善空气压缩机的性能，提高其工作效率，减少能耗。

2 空气压缩机进气预处理实验

2.1 实验方案

经过对该纺织企业空压站的调研，决定利用现有的组合式空调机组对空气压缩机进行预处理。该空压站空调室设有2台组合式空调机组并联运行，其均由过滤段、表冷段和风机段组成。

组合式空调机组的原系统利用侧墙上的送风口，将处理过的空气通入空压站进行通风降温，由表2测试数据可知5台离心式空气压缩机进气口温度均在39 ℃以上，降温效果不明显。现利用风管将组合式空调机组处理后的空气送至空气压缩机进气口，对其入口空气进行降温除湿，预处理系统风管布置见图2。因空气压缩机进气口负压较大，为避免风管对其进气压力状态产生影响，故在风管与进气口之间留有200 mm左右的距离。若风管提供的风量不足，由空压站内空气进行补充。

图2 预处理系统风管布置

2019年8月，在冷冻站开启后连续1周分别对组合式空调机组、空气压缩机进行测试，并根据测试结果对二者的性能和能耗进行计算，分析空气压缩机入口空气预处理对空压系统能耗的影响。

2.2 组合式空调机组处理效果核算

2.2.1 运行参数测试

根据实验方案对组合式空调机组进行为期1周的测试，测得表冷段平均进水水温为15 ℃，出水水温为18.8 ℃。组合式空调机组运行参数测试结果见表3。可以看出，单台组合式空调机组的实际风量为91 820 m3/h，可将室外空气干球温度从36.8 ℃降至25.4 ℃，平均降低11.4 ℃，降温效果较为明显，同时含湿量也降低了0.6 g/kg。

表3 组合式空调机组运行参数测试结果

2.2.2 换热量和换热效率计算

根据上述测试结果，现对组合式空调机组中表冷段的换热过程进行校核计算。每台组合式空调机组表冷段均由上下2台整体式翅片管换热器并联而成，单台换热器尺寸为2 950 mm×1 260 mm×200 mm，材质为铜管铝翅片，管排数为4排，排列方式为等边三角形的叉排排列。从表3可以看出，进入单台组合式空调机组的风量为91 820 m3/h，即单台换热器的处理风量为45 910 m3/h。现以单台换热器校核计算为例，由热平衡方程式，得到换热量Q及传热系数K，见式(1)～(3)：

Q=G1(i1-i2)=G2Cw(t1-t2)

(1)

(2)

(3)

式中：G1为换热器的处理空气量，kg/s；G2为冷冻水流量，kg/s；Cw为水的平均比热容，kJ/(kg·℃)；i1为空气的进口焓值，kJ/kg；i2为空气的出口焓值，kJ/kg；T1为空气的进口温度，℃；T2为空气的出口温度，℃；t1为冷冻水的进口温度，℃；t2为冷冻水的出口温度，℃；Δtm为换热器的对数平均温差，℃；A为换热器的换热面积，m2，根据该换热器的结构得到单台换热器换热面积为225 m2。

将已知数据代入式(1)～(3)计算得出，单台换热器的换热量Q为201.6 kW，冷冻水流量G2为12.6 kg/s，传热系数K为64.6 W/(m2·℃)。在换热器对空气的热湿处理过程中，换热效率的高低直接影响着能耗大小与空气品质的好坏，是衡量换热器性能的重要参数[7]。换热效率的实质是换热器的传热效能，指换热器中的实际换热量与理论上最大可能换热量的比值。通常，4排管换热器按逆流流动处理，换热效率η计算公式如下：

(4)

(5)

(6)

式中：C*为换热器的热容比，即较小热容量Wmin与较大热容量Wmax的比值；Cp为空气的平均比热容，kJ/(kg·℃)；ξ为析湿系数，经计算得该换热过程的析湿系数ξ为1.16。将已知数据代入式(4)～(6)计算得出该组合式空调机组的换热效率η为58.2%，效率略低，一方面换热器长时间无人清理导致污垢热阻较大影响水和空气的热交换；另一方面该换热器的迎面风速为3.9 m/s，超出设计风速合理范围2.0～3.0 m/s[8]，且水流速也仅为0.79 m/s，均影响换热器的换热效率。据此，在换热器设计中应适当提高水流速，降低迎面风速，提高其换热效率，增加换热器的实际换热量，降低能耗。

2.3 处理前后空气压缩机运行参数测试

2.3.1 产气量和功率

为了衡量空气压缩机的性能，测试其进气参数、产气量与功率，并以此为依据计算全效率。按照实验方案，对空气压缩机进气口干球温度、含湿量、风速以及产气量和功率进行测试并取平均值，预处理前后空气压缩机运行参数测试结果见表4。从表4可以看出，经过组合式空调机组预处理的进气口在夏季炎热时干球温度从39.8 ℃降至27.8 ℃，平均降低12 ℃，降温效果较为显著，含湿量也降至15.7 g/kg，比未经预处理时低0.6 g/kg。

表4 预处理前后空气压缩机运行参数测试结果

该空压站单台空气压缩机的原产气量为295 m3/min，使用组合式空调机组为其送风后，产气量增加为334.6 m3/min。通过计算可得，采用该组合式空调机组向空气压缩机提供27.8 ℃的低温低湿空气进行预处理，与未经预处理时进气温度39.8 ℃相比，单台产气量增加39.6 m3/min，提高13.4%。同时，单台空气压缩机运行功率也减少了50 kW，降低了4.08%，即进气温度每降低1 ℃，空气压缩机能耗降低0.34%，与文献[4]中进气温度每增加3 ℃，空压机能耗增加1%的结论一致。

2.3.2 全效率计算

空气压缩机的种类、工作原理各不相同，评价其能耗的指标有很多种，本文采用全效率作为衡量空气压缩机能效的指标，即气动功率与电动机输入功率之间的比值，其大小反映输入电量转换为压缩空气有效能的多少[9]。全效率η的计算公式如下：

(7)

(8)

式中：Pair为输出压缩空气的有效气动功率，是压缩空气流动时，含有的有效能表现为动力的形式[10]，kW；Pele为空气压缩机的电力消耗，kW·h；z为空气压缩机的压缩级数；B为标准大气绝对压力，MPa；qv为压缩空气在标准状态下的产气量，m3/min；Pe为空气压缩机的排气绝对压力，MPa。预处理前后空气压缩机全效率计算结果见表5。

表5 预处理前后空气压缩机全效率计算结果

从表5可以看出，组合式空调机组为空气压缩机进气口送风以后，其全效率变为65.98%，提高了约11%，大大提高了空气压缩机的工作效率。

3 能耗及经济性分析

采用组合式空调机组为空气压缩机进气口降温除湿虽然可以提高产气量，并且使其耗电量降低，节约能源，但是预处理系统中的风机、水泵、制冷机组等也消耗电能，所以需要将预处理系统和空气压缩机结合起来综合分析系统的能耗以及运行费用。

通过测试可知，单台空气压缩机的产气量提高了39.6 m3/min，功率降低了50 kW。组合式空调机组送风机功率为7.5 kW；制冷系统中，制冷机组功率为15.05 kW，冷却塔功率为0.36 kW，水泵功率为2.8 kW，预处理系统合计功率为28.5 kW，月耗电量为20 520 kW·h。按该厂夏季空调运行1个月，分别计算无预处理和进行预处理的空气压缩机及预处理系统能耗，综合比较节能效果，加装组合式空调机组的单台空气压缩机夏季能耗分析见表6。

表6 加装组合式空调机组的单台空气压缩机夏季能耗分析

从表6可以看出，采用组合式空调机组对空气压缩机进行预处理，考虑预处理设备能耗综合分析，单台空气压缩机每月产气量可增加171.07 万m3，节约电量1.550 万kW·h，按咸阳市工业电价平均0.65元/(kW·h)计算，每月可节约电费1.006万元。若5台离心式空气压缩机均经预处理，则月产气量共增加855.36万m3，节约电量7.74万kW·h，电费可降低5.031万元。

由此可见，采用组合式空调机组对空气压缩机进行预处理具有很高的节能潜力和经济效益，不仅可以提高后续干燥冷却的工作效率，还可减少空气压缩机机械构件的磨损和故障率，提高其使用寿命，安全生产得到了保障，也体现着另一方面的节能效益。

4 结 论

使用组合式空调机组对空气压缩机入口空气进行预处理，通过对其运行参数和能耗方面进行测试，可以得出以下结论：

①通过对咸阳某纺织厂调研和测试发现，在夏季冷冻站开启并为空压站进行侧送风时，空气压缩机进气口平均温度仍高达40.2 ℃，空压站内通风降温效果不明显，企业应通过采取进气口预处理的方法提升空气压缩机的性能。

②用组合式空调机组对空气压缩机进行预处理，可使单台空气压缩机进气温度平均降低12 ℃，含湿量降低0.6 g/kg，从而使其产气量增加13.4%，耗电量降低4.08%，每月节约电费1.006万元。5台离心式空气压缩机同时运行，每月可为该纺织企业增加产气量855.36万m3，节约电量7.74万kW·h，节省电费5.031万元，节能和经济效益非常好。纺织企业应积极采用措施降低空气压缩机进气温湿度，提高其工作效率，为企业节约能耗、提高效益。