基于進(jìn)氣溫度預(yù)處理的空壓機(jī)節(jié)能適用性分析

陳倩倩 顏蘇芊 靳貴銘 秦 莉

（1.西安工程大學(xué)，陜西西安， 710000；2.西安恒信通節(jié)能技術(shù)有限公司，陜西西安， 710000）

據(jù)調(diào)查，國(guó)內(nèi)紡織企業(yè)用于生產(chǎn)壓縮空氣的能耗占企業(yè)總能耗30%以上［1］，生產(chǎn)壓縮空氣是一個(gè)高耗能的過程，空壓站進(jìn)氣口的溫度對(duì)空壓機(jī)能耗有顯著影響。有研究指出：空壓機(jī)吸氣溫度每降低1 ℃，耗電量可減少0.295%［2?3］。任金鑫等人通過對(duì)空壓機(jī)采用組合式空調(diào)機(jī)組進(jìn)行降溫預(yù)處理，發(fā)現(xiàn)在夏季工況下平均吸氣溫度可降低15.41 ℃，機(jī)組比功率降低0.25 kW/（Nm3·min-1），全效率增加3.9%［4］。

本研究結(jié)合離心式空壓機(jī)能耗的實(shí)際測(cè)試情況，從理論角度分析進(jìn)氣溫度對(duì)空壓機(jī)能耗的影響，通過應(yīng)用Excel 中“回歸”分析，建立空壓機(jī)能耗與進(jìn)氣溫度之間的回歸方程。根據(jù)2020 年廣州、無錫與咸陽(yáng)地區(qū)的室外空氣溫度，分析討論不同地區(qū)對(duì)空壓機(jī)進(jìn)氣口空氣進(jìn)行預(yù)處理的適用性，為離心式空壓機(jī)在夏熱冬暖地區(qū)和夏熱冬冷地區(qū)采用進(jìn)氣口空氣預(yù)處理提供參考。

1 研究對(duì)象與測(cè)試數(shù)據(jù)

選用咸陽(yáng)某紡織廠空壓站作為研究對(duì)象，該空壓站共有5 臺(tái)離心式空壓機(jī)，設(shè)備型號(hào)ZH1500?6?7，啟 動(dòng) 軸 轉(zhuǎn) 速2 985 r/min，公 稱 容 積 流 量295 Nm3/min，輸入功率1 430 kW。借鑒以往的研究方法，本研究采用耗電量來分析離心式空壓機(jī)的運(yùn)行情況［5?8］。

1.1 空壓機(jī)進(jìn)氣溫度與能耗數(shù)據(jù)測(cè)試

為探究空壓機(jī)能耗與進(jìn)氣溫度之間的變化規(guī)律，對(duì)該廠5 臺(tái)離心式空壓機(jī)進(jìn)行日測(cè)試并匯總，部分結(jié)果如表1 所示。

表1 2020 年3 號(hào)離心式空壓機(jī)能耗統(tǒng)計(jì)表

測(cè)試內(nèi)容包括空壓站內(nèi)空氣溫度和每臺(tái)空壓機(jī)功率。將每日24 h 均分為8 個(gè)時(shí)間點(diǎn)，取8 個(gè)測(cè)試值中進(jìn)氣溫度最大值，并讀取對(duì)應(yīng)時(shí)刻的空壓機(jī)功率，表1 中即為2020 年3 號(hào)離心式空壓機(jī)的測(cè)試數(shù)據(jù)。由表1 可以看出，空壓機(jī)能耗隨進(jìn)氣溫度升高而逐漸變大，進(jìn)氣溫度t1變化范圍從27.1 ℃到40.9 ℃，空 壓 機(jī) 功 率N1從1 038.17 kW 增長(zhǎng)至1 609.53 kW，溫度每升高1 ℃時(shí)，功率增長(zhǎng)2.57%。

1.2 空壓機(jī)進(jìn)氣溫度與能耗回歸分析

采用回歸分析方法［9］研究空壓機(jī)能耗隨進(jìn)氣溫度變化的趨勢(shì)和規(guī)律，得出了空壓機(jī)功率N1與進(jìn)氣溫度t1之間的回歸方程式（1）和相應(yīng)的變化趨勢(shì)圖（圖1）。

圖1 空壓機(jī)能耗隨進(jìn)氣溫度變化趨勢(shì)

N1=1.471 5t12-60.016t1+1 590.6 （1）

從圖1 可知，隨著進(jìn)氣溫度的升高，空壓機(jī)功率逐漸增大，且進(jìn)氣溫度越大，曲線的切線斜率越大，空壓機(jī)功率增量越大。

1.3 回歸方程顯著性檢驗(yàn)

回歸方程的顯著性檢驗(yàn)通常有F檢驗(yàn)和相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)兩種方法，采用F檢驗(yàn)法對(duì)公式（1）的顯著性進(jìn)行檢驗(yàn)。當(dāng)采用F檢驗(yàn)法時(shí)，計(jì)算出25 組數(shù)據(jù)之間各差異源的自由度df、平方和SS以及均方和MS，結(jié)果如表2 所示。

表2 空壓機(jī)能耗與進(jìn)氣溫度回歸方程的分析

由表2 可知，F(xiàn)=817.075 5，SignificanceF=1.78×10-19＜0.01，該回歸方程非常顯著。且SignificanceF明顯小于0.01，說明該回歸方程與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合度較好。

在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究該紡織廠空壓機(jī)進(jìn)氣溫度在有無預(yù)處理時(shí)的能耗變化情況。

2 進(jìn)氣溫度預(yù)處理效果分析

在3 號(hào)空壓機(jī)的進(jìn)氣口搭建表冷器降溫預(yù)處理試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)空壓機(jī)進(jìn)氣溫度進(jìn)行降溫處理，采用冷源為該廠配置的常溫冷水機(jī)組，由于使用管道保溫措施不好，制取的冷水進(jìn)入表冷器時(shí)已達(dá)到20 ℃。測(cè)試?yán)渌畽C(jī)組開啟前后空壓機(jī)進(jìn)氣溫度和能耗，通過大量測(cè)試數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)進(jìn)氣溫度t1為27 ℃、29 ℃、31 ℃、33 ℃時(shí)，空氣溫降Δt分別為2 ℃、3 ℃、4 ℃、5 ℃、6 ℃、7 ℃、8 ℃。這說明表冷器采用20 ℃冷水時(shí)，對(duì)表冷器前不同的空氣溫度具有不同的降幅，且當(dāng)進(jìn)氣溫度t1與20 ℃冷水溫差越大時(shí)，降溫幅度越大。

從大量測(cè)試數(shù)據(jù)中選出7 組不同溫降時(shí)對(duì)應(yīng)的空壓機(jī)預(yù)處理前吸氣溫度與能耗數(shù)據(jù)，經(jīng)預(yù)處理后在含濕量不變時(shí)，分析預(yù)處理溫度變化對(duì)空壓機(jī)組能耗的影響情況，如表3 所示。表3 中，節(jié)約能耗ΔN=空氣預(yù)處理前空壓機(jī)功率N1-（空氣預(yù)處理后空壓機(jī)功率N2+預(yù)處理系統(tǒng)功率N3）。預(yù)處理系統(tǒng)能耗包括冷水機(jī)組的運(yùn)行耗電量和制冷量，制冷量Q可根據(jù)公式（2）計(jì)算，qm為被處理空氣的質(zhì)量流量（kg/s），Δh為被處理空氣處理前后的焓差（kJ/kg）。

表3 空壓機(jī)吸氣溫度預(yù)處理前后空壓機(jī)能耗對(duì)比

由表3 可知：進(jìn)氣溫度t1逐漸升高，預(yù)處理溫降幅度（t2-t1）逐漸變大，對(duì)應(yīng)的預(yù)處理系統(tǒng)能耗N3和空壓機(jī)機(jī)組（包括預(yù)處理系統(tǒng)）的節(jié)約能耗ΔN也逐漸增大；當(dāng)進(jìn)氣溫度t1高于31.5 ℃時(shí)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的空壓機(jī)機(jī)組的節(jié)約能耗ΔN大于0，預(yù)處理才開始出現(xiàn)節(jié)能效果。根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析，建立進(jìn)氣溫度t1與空壓機(jī)機(jī)組節(jié)約能耗ΔN之間的回歸方程式（3），求出當(dāng)空壓機(jī)機(jī)組節(jié)約能耗ΔN大于0 時(shí)的臨界進(jìn)氣溫度t1，如圖2 所示。從圖2可以看出節(jié)約能耗隨進(jìn)氣溫度變化的整體趨勢(shì)：空壓機(jī)機(jī)組節(jié)約能耗ΔN隨進(jìn)氣溫度t1增高先緩慢增長(zhǎng)，后快速增長(zhǎng)。

圖2 空壓機(jī)機(jī)組節(jié)約能耗隨進(jìn)氣溫度變化趨勢(shì)

根據(jù)公式（3）求得，當(dāng)節(jié)約能耗ΔN為0 kW時(shí)，對(duì)應(yīng)的進(jìn)氣溫度t1為29.9 ℃。所以當(dāng)進(jìn)氣溫度高于29.9 ℃時(shí)，空壓機(jī)進(jìn)氣預(yù)處理才開始發(fā)揮節(jié)能效果，且溫度越高，節(jié)能效果越好。

3 預(yù)處理的適用性分析

由于咸陽(yáng)屬于北方地區(qū)，高溫季節(jié)相對(duì)較短，空壓機(jī)空氣預(yù)處理時(shí)間較短。可根據(jù)空壓機(jī)具體使用地區(qū)的室外氣象參數(shù)來判斷空氣預(yù)處理設(shè)備的適用情況。廣東、福建和浙江、江蘇分別位于夏熱冬暖及夏熱冬冷地區(qū)，紡織企業(yè)較為密集，紡織空壓機(jī)的使用更為廣泛，探究空壓機(jī)進(jìn)氣口預(yù)處理在這些地區(qū)的適用性具有典型意義。以廣州、無錫、咸陽(yáng)地區(qū)為例，從室外日最高氣溫入手，查得這3 個(gè)代表性城市在2020 年氣溫參數(shù)。

根據(jù)回歸方程（3）計(jì)算出的空壓機(jī)空氣預(yù)處理節(jié)能臨界溫度為29.9 ℃，結(jié)合這3 個(gè)城市全年氣溫的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，廣州日最高氣溫在29.9 ℃以上的共有166 天，占全年的45.48%，主要集中在4 月—10 月；無錫日最高氣溫在29.9 ℃以上的共有89 天，占全年的24.38%，主要集中在6 月—8 月；咸陽(yáng)日最高氣溫在29.9 ℃以上的共有65天，占全年的17.81%，主要集中在7 月—8 月。由此可見，廣州地區(qū)全年氣溫較高，空壓機(jī)空氣預(yù)處理使用時(shí)間可占45.48%，而無錫地區(qū)空壓機(jī)空氣預(yù)處理使用時(shí)間可占24.38%；咸陽(yáng)地區(qū)空壓機(jī)空氣預(yù)處理僅占17.81%；全年最高氣溫在29.9 ℃以上天數(shù)越多，空壓機(jī)空氣預(yù)處理開機(jī)時(shí)間越長(zhǎng)，空氣預(yù)處理也越能起到良好節(jié)能效益。

4 結(jié)論

（1）通過對(duì)咸陽(yáng)某紡織廠空壓機(jī)運(yùn)行情況分析得知，空壓機(jī)能耗隨進(jìn)氣溫度的升高而逐漸變大，且進(jìn)氣溫度越高，空壓機(jī)能耗增長(zhǎng)速度越快。通過回歸分析，建立了空壓機(jī)能耗與進(jìn)氣溫度之間的回歸方程，并進(jìn)行了顯著性檢驗(yàn)，得到N1=1.471 5t12-60.016t1+1 590.6。（2）在咸陽(yáng)某紡織廠對(duì)3 號(hào)空壓機(jī)進(jìn)行表冷器降溫預(yù)處理，測(cè)試發(fā)現(xiàn)當(dāng)表冷器的冷源為20 ℃冷水時(shí)，進(jìn)氣溫度越高，溫降越大，從而空壓機(jī)節(jié)約能耗效果越好。建立空壓機(jī)節(jié)約能耗與進(jìn)氣溫度的回歸方程，得到ΔN=0.673 4t12-31.654t1+344.55，并求解得到節(jié)約能耗為0 kW 時(shí)的臨界溫度為29.9 ℃。

（3）根據(jù)空壓機(jī)空氣預(yù)處理節(jié)能參考臨界溫度29.9 ℃，結(jié)合全年室外氣象參數(shù)，在廣州、無錫、咸陽(yáng)地區(qū)空壓機(jī)使用空氣預(yù)處理的天數(shù)分別占全年45.48%、24.38%、17.81%，該天數(shù)越多采用空氣預(yù)處理可達(dá)到的節(jié)能效果越好。