化纖生產中高低壓壓縮空氣獨立設置系統節能分析

孫日近，劉成剛，蔣紹元

(蘇州科技學院，江蘇 蘇州 215009)

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化纖生產中高低壓壓縮空氣獨立設置系統節能分析

孫日近，劉成剛*，蔣紹元

(蘇州科技學院，江蘇 蘇州 215009)

介紹了化纖生產中壓縮空氣高低壓混合系統和高低壓獨立設置系統的運行過程，對運行能耗進行了理論分析，并結合實際案例分析了高低壓獨立設置系統的節能效果。結果表明：壓縮空氣高低壓混合系統將生產0.8 MPa與0.45 MPa壓縮空氣的系統混合設置，低壓壓縮空氣由高壓壓縮空氣節流降壓產生；高低壓獨立設置系統將生產0.8 MPa與生產0.45 MPa壓縮空氣的系統獨立設置；高低壓獨立設置系統的運行能耗低于高低壓混合系統；以0.45 MPa空壓機產氣量為基準，獨立增設1臺0.45 MPa空壓機，獨立設置系統全年節能量達2 488 216 kW·h，節能效果顯著。

壓縮空氣系統 高壓 低壓 獨立設置 節能

在化纖生產中，壓縮空氣已成為僅次于電力的第二大動力能源[1-2]。空壓機以空氣為介質生產壓縮空氣所消耗電能約占化纖企業電力消耗的40%。如何降低這部分耗能已成為化纖企業的重點節能問題[3-4]。化纖生產所用壓縮空氣通常分為不同的壓力等級。目前，大多數企業沒有對不同壓力壓縮空氣的需求設計多級壓力等級的系統，只輸出一條壓縮空氣管路，導致一些低壓使用終端需要由高壓狀態的壓縮空氣節流減壓后的使用[5-6]。這種由高壓生產低壓的高低壓混合系統的運行能耗較高。

作者介紹了化纖生產中高低壓壓縮空氣獨立設置系統的運行過程，并與高低壓混合系統進行了節能效果對比分析。

1 壓縮空氣系統運行過程

高低壓混合系統的運行是指空壓機生產高壓狀態壓縮空氣，一部分直接輸送到用氣車間，一部分通過節流閥降壓至低壓狀態后輸送到用氣車間，見圖1。

圖1 高低壓混合系統示意

高低壓獨立設置系統的運行是將不同壓力等級的壓縮空氣系統分開，分別生產高壓和低壓狀態的壓縮空氣，見圖2。

圖2 高低壓獨立設置系統示意

2 壓縮空氣系統運行能耗理論分析

2.1 混合系統的運行能耗

在壓縮空氣混合系統中，設生產高壓狀態壓縮空氣時空壓機的實際功率為Wh，生產高壓狀態壓縮空氣量為Vh，若此處的產氣量全部降壓至低壓狀態，則生產每立方米高壓狀態壓縮空氣能耗(Nh)為：

Nh=Wh/60Vh

(1)

高壓狀態壓縮空氣通過節流閥降壓至低壓狀態，節流降壓過程為等焓過程。節流閥前后氣體焓值不變，即：

Hh=Hl

(2)

式中：Hh為高壓狀態壓縮空氣的焓值； Hl為低壓狀態壓縮空氣的焓值。

假設壓縮空氣為理想氣體，則焓(H)是溫度的單值函數，故節流前后溫度不變。同理，理想氣體的熱力學能也是溫度的單值函數，故節流前后熱力學能也不變。由H的定義式可得：

Vh→l=PhVh/Pl

(3)

式中：Ph為高壓狀態壓縮空氣的絕對壓力；Pl為低壓狀態壓縮空氣的絕對壓力；Vh→l為高壓狀態壓縮空氣節流降壓至低壓狀態的壓縮空氣量。

(4)

式中：Th為高壓狀態時壓縮空氣絕對溫度；P0為標準狀態下的絕對壓力；T0為標準狀態下的絕對溫度。

將式(4)代入式(3)得

(5)

故由高壓狀態壓縮空氣節流產生每立方米低壓狀態壓縮空氣能耗(Nh→l)為：

(6)

2.2 獨立設置系統的運行能耗

設獨立生產低壓狀態壓縮空氣的空壓機實際功率為Wl，產出低壓狀態壓縮空氣量為Vl。則生產每立方米低壓狀態壓縮空氣能耗(Nl)為：

Nl=Wl/60Vl

(7)

(8)

式中：Tl為低壓狀態時壓縮空氣絕對溫度。

將式(8)代入式(7)得：

Nl=Wl/60Vl=WlPlT0/60P0TlV0l

(9)

P0Tl=PlT0

(10)

將式(10)代入式(6)和式(9)，分別得：

Nh→l=WhTl/60V0hTh

(11)

Nl=Wl/60V0l

(12)

式(11)中，Tl/Th約等于1，在產氣量相同的條件下，生產高壓狀態壓縮空氣空壓機的Wh大于生產低壓狀態壓縮空氣空壓機的Wl，可以明顯看出采用高低壓獨立設置系統生產低壓狀態壓縮空氣的運行能耗低于采用高低壓混合系統生產低壓狀態壓縮空氣的運行能耗。

3 節能效果案例分析

3.1 案例分析

一家化纖企業采用高低壓混合系統生產低壓狀態壓縮空氣。企業空壓站有12臺型號為Z10000，額定功率為1 120 kW，額定產氣量為192 Nm3/min的空壓機，輸出0.8 MPa壓縮空氣。生產壓縮空氣量大約50%直接輸送到0.8 MPa壓縮空氣用氣車間，另外50%的0.8 MPa壓縮空氣通過節流降壓到0.45 MPa后輸送到用氣車間。為降低企業能耗，對壓縮空氣系統進行改造，單獨設置0.45 MPa壓縮空氣系統。改造后，企業新增3臺型號為P600，額定功率為970 kW，額定產氣量為200 Nm3/min的空壓機，直接生產0.45 MPa壓縮空氣。由于各壓力壓縮空氣系統所用空壓機型號相同，故以改造前1臺0.8 MPa空壓機與改造后1臺0.45 MPa空壓機的運行為基準進行全年的能耗分析。

在實際運行中，空壓機的負荷分布是不同的。不同的運行負荷對應不同的運行功率和產氣量。故全年累計產氣量(∑V)和累計耗電量(∑W)的計算方法如下：

(13)

(14)

式中：Vi為不同運行負荷對應的產氣量；Wi為不同運行負荷對應的實際功率；ti為不同運行負荷對應的時間。

實際功率通過電機電流計算得到，產氣量由壓縮空氣流量計計量獲得，具體能耗分析如下：

(1)0.8 MPa壓縮空氣系統

通過監控平臺對0.8 MPa空壓機全年的電機電流值進行測量記錄。在不同季節、不同月份中，0.8 MPa空壓機的電機電流基本在69.5～74.0 A變化。其中，不同電機電流對應的運行時間不同。已知0.8 MPa空壓機的額定功率為1 120 kW，額定電壓為10 000 V，額定電流為74.0 A。通過額定功率及功率因數計算得到空壓機實際功率。鑒于電機電流在一定區間內是連續變化的，選取從69.5～74A中的10個電流值為代表值，統計不同電機電流對應實際產氣量，計算其實際功率。將實測數據和計算數據代入式(13)和(14)，0.8 MPa壓縮空氣系統的∑V和∑W見表1。

表1 0.8 MPa空壓機的∑V和∑W

Tab.1 ∑Vand ∑Wof 0.8 MPa air compressor

i電流/A時間/h實際產氣量/(Nm3·min-1)∑V/Nm3實際功率/kW∑W/(kW·h)k0．8174．01503192．00173145601120．0016833605．83273．51224180．59132625301112．4013615756．16373．0958．5175．35100843791104．8310589806．30472．5908．5166．9891020801097．269968636．57572．0685．0163．6867272481089．707464416．66671．51187．5158．63113023881082．1312850276．82771．0824．5155．6677005001074．568859756．90870．5963．5152．6388235401066．9910280486．99970．0367．5150．5433194071059．433893397．041069．5138．0145．7512068101051．861451577．22合計8760888434429580765

在實際運行中，空壓機功率與其產氣量具有一定的關系，選取表示空壓機實際功率與實際產氣量的比例為k。k值越小，表示空壓機生產每立方米壓縮空氣的能耗越低。設0.8 MPa空壓機實際功率與實際產氣量的比例為k0.8，由表1可以看出，當空壓機功率為額定功率(1 120 kW)時，k0.8最小，代表空壓機生產每立方米壓縮空氣能耗最低。隨著功率不斷減小，k0.8逐漸增加，其增加的速率由快到慢。

(2) 0.45 MPa壓縮空氣系統

對0.45 MPa空壓機全年運行的監控數據進行記錄和統計，0.45 MPa壓縮空氣系統的∑V和∑W見表2。同理，由表2中的實際功率與實際產量之比可得到k0.45。

表2 0.45 MPa空壓機的∑V和∑W

Tab.2 ∑Vand ∑Wof 0.45 MPa air compressor

i電流/A時間/h實際產氣量/(Nm3·min-1)∑V/Nm3實際功率/kW∑W/(kW·h)k0．45165．02660198．6231702660963．7125637124．85264．51003196．4511821465956．309590964．87364．01145194．1813334508948．8910860154．89463．51032192．3311909461941．479716324．90563．01007190．0811479643934．069401904．91662．5920188．5210403743926．658523064．92762．0462185．645143348919．234244724．95861．5298184．173290794911．822715444．95961．0122182．231333233904．411102814．961060．534180．05372107896．99308974．981160．019177．38203550889．56170145．011258．010170．62103977859．9387345．041354．048158．56461333800．62388245．05合計87601015598228274717

由表2可見，當空壓機功率為額定功率(970 kW)時，k0.45最小，為4.85。隨著實際功率的減小，k0.45不斷增加，表示空壓機壓縮空氣時的能耗增大。k0.45增加的速率不斷降低，從970 kW到900 kW降幅明顯，900 kW往后變化相對平緩。

3.2 節能效果分析

按照空壓機全年運行0.8 MPa空壓機的∑W為9 580 765 kW·h，∑V為88 843 442 Nm3。 0.45 MPa空壓機的∑W為8 274 717 kW·h，∑V為101 559 822 Nm3。以0.45 MPa空壓機產氣量為基準，采用相同產量條件下比較耗電量的方法，0.8 MPa空壓機的∑W則為10 952 084 kW·h。 通過監控平臺數得到T0.45為313 K，T0.8為318 K。將以上數據代入式(11)和式(12)可得N0.8→0.45為0.106 kW·h/Nm3，N0.45為0.081 5 kW·h/Nm3。

故壓縮空氣系統優化改造后生產每標準立方米0.45 MPa壓縮空氣的節能量(e)為0.024 5 kW·h/Nm3。則全年生產0.45 MPa壓縮空氣的節能量(E)為：

E=e∑V=2 488 216 kW·h

(15)

另外，新增一臺0.45 MPa空壓機的設備費和安裝維護費合計約為200萬元，該化纖企業新增3臺0.45 MPa空壓機，考慮到管道安裝等其他事宜，其投入共計650萬元。根據本文計算，1臺生產0.45 MPa壓縮空氣的空壓機全年節能量為2 488 216 kW·h，結合每度電0.7元的電費可計算得出該項目的回報期為1.24年。

4 結論

a. 由理論計算得出，高低壓獨立設置系統的運行能耗低于高低壓混合設置系統的運行能耗。

b. 空壓機的運行能耗和節能效果與其運行負荷有關。在計算全年能耗時需要考慮功率與產氣量對應的不同負荷分布。

c. 不同電機功率對應不同的產氣量。令電機功率與相應產氣量的比值為k，在一定程度上可以表示壓縮空氣單耗。電機功率越大，k值越小，其減小的速率隨功率的增大越來越快。

d. 壓縮空氣混合系統改造為獨立設置系統后，其運行數據表明，生產每標準立方米0.45 MPa壓縮空氣可節約電量0.024 5 kW·h，全年可節約電量2 488 216 kW·h，節能效果顯著。

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Energy efficiency analysis of independent compressed air systems for chemical fiber plants

Sun Rijin, Liu Chenggang, Jiang Shaoyuan

(SuzhouUniversityofScienceandTechnology,Suzhou215009)

The operation process of a combined high-pressure and low-pressure compressed air system and independent high-pressure and low-pressure compressed air systems was introduced during chemical fiber production. The energy consumption of these compressed air systems was theoretically analyzed. The energy efficiency of the independent high-pressure and low-pressure compressed air systems was analyzed according to the practical production. The results showed that the combined high-pressure and low-pressure compressed air system was supposed to mixedly set the production of 0.8 MPa compressed air and 0.4 MPa compressed air, and the low-pressure compressed air was produced through the throttling expansion of high-pressure compressed air; the independent high-pressure and low-pressure compressed air systems were supposed to independently set 0.8 MPa air compressor and 0.4 MPa air compressor; the operation energy consumption of the independent high-pressure and low-pressure compressed air system was lower than that of the combined high-pressure and low-pressure compressed air system; and the independent high-pressure and low-pressure compressed air systems provided profound energy efficiency with an energy consumption reduction of 2 488 216 kW·h annually based on the capacity of an independent 0.45 MPa air compressor.

compressed air system; high pressure; low pressure; independent set; energy saving

2015-11-22； 修改稿收到日期：2016- 05- 04。

孫日近(1991—)，女，在讀研究生，研究方向為能源管理。E-mail：dollmeme@163.com。

*通訊聯系人。E-mail：cliu1977@163.com。

TQ340.69

A

1001- 0041(2016)03- 0052- 04