纺织厂压缩空气系统的管网优化研究分析

秦 莉，颜苏芊，刘 宁，双 庆

(1.西安工程大学，陕西 西安 710048；2.西安市建筑设计研究院，陕西 西安 710054)

纺织厂压缩空气系统的管网优化研究分析

秦 莉1，颜苏芊1，刘 宁1，双 庆2

(1.西安工程大学，陕西 西安 710048；2.西安市建筑设计研究院，陕西 西安 710054)

文章以西安某纺织厂为例，通过对压缩空气系统管网阻力进行优化，可使原压缩空气系统高压管网及低压管网的压力损失减小。进行节能优化改造后，节省运行成本，节能效果显著。

压缩空气系统；节能改造；系统优化；压力损失

压缩空气由于具有清洁、安全、使用方便等特点，目前已被广泛应用于工业中，在许多企业已经被称为“第四能源”，其能耗在大多数工厂中约占其全部能耗的10%～35%[1]。21世纪的今天，世界范围内的能源短缺日益严重，随着能源价格的不断上涨，许多企业开始积极寻求降低压缩空气系统能耗的方法。

本文紧密结合压缩空气实际生产过程，通过实际计算对纺织厂空压系统进行研究和分析，为减少在纺织厂空压系统能耗提供了依据和参考。

1 压缩空气系统的构成及优化措施

1.1 压缩空气系统构成

压缩空气系统主要由空气过滤器、空压机、消声器、中间冷却器、后冷却器、储气罐组成。空气过滤器是减少空压机内部磨损并清除自由空气中含有的粉尘和其它杂质的装置。空压机吸入经过净化处理后的空气并使之变成高温高压的气体。消声器是使气流通过而使声能衰减的装置，有效降低空压机的空气动力性噪声。中间冷却器是降低进入二级压缩的气体温度，提高机组的效率。后冷却器是降低进入储气罐前压缩空气的温度，使压缩空气析出油和水的装置。储气罐与降低压缩机排气的脉冲性波动和稳定管道中的压力和用气负荷调节。压缩空气生产流程图见图1。

图1 压缩空气生产流程图

1.2 空压系统优化措施

我国工业企业的空压站因装备水平、控制技术等多方面原因普遍存在高能耗、可靠性差的现象，目前空压系统节能改造主要可以根据用气量、压力、波动情况等因素，合理选用空压机；合理布置优化空压系统管路，减少管网的压力损失；调整管网，降低泄漏率；利用空压机主电动机的变频器，调节空压机转速的快慢，控制空压机的出气量，以消除空压机频繁加卸载，节约能耗；优化空压机的调节方式，优化流量控制，压力控制，可以大幅度提高空压系统的节能。

2 西安某纺织厂空压系统优化简介

2.1 西安某纺织厂空压系统简介

西安某纺织厂空压站有Atlas公司的无油空压机10台，其中ZH-15000型离心式空压机3台，ZR-630型无油螺杆空压机3台，ZR-250型无油螺杆空压机3台和ZR-700VSD型无油螺杆空压机1台；压缩空气站采用单层布置，压缩机布置在地面基础上，采光通风效果好，压缩空气站内机组布置集中，便于多机组联合控制，各种室内管道相对比较集中，长度较小，材料消耗低，投资费用省，便于管理和检修，因此该空压站无需进行优化。自由空气进入自洁式过滤器经过除尘进入空压机，空压机将过滤后的空气压缩后，进入冷却器和干燥机经冷却和干燥后进入储气罐，供用户使用。西安某纺织厂空压系统由三套压缩空气管网构成，一套是压力为0.75 MPa的高压管网，压缩空气由3台ZR-250型无油螺杆空压机供气，总耗气量为4.9 m3/min，主要供给络筒机、浆纱机、并纱机、倍捻机使用；另外两套是压力为0.65 MPa对称布置、方向相反的低压管网，压缩空气由3台ZH-15000型离心式空压机、3台ZR-630型无油螺杆空压机和1台ZR-700VSD型无油螺杆空压机供气的低压管网，两套管网耗气量均为147.84 m3/min，低压压缩空气管网供喷气织机，以满足正常生产需要。

2.2 压缩空气系统节能改造方案

压缩空气通过管网输送到用气设备，因此管网对压缩空气系统起着至关重要的作用。一套好的管网，可以有效减小压降。在其它条件不变的情况下，通过优化管网的管径后，压缩空气的压力损也大大减小。系统压降减小后，保证用气设备用气压力不变的前提下，空压机出口的压缩空气压力就可以相应减小。出口压力降低后，在生产相同的压缩空气量下，空压机能耗也就相应减小。

该压缩空气系统按照工厂生产工艺所需的不同压力对设备进行供气，从而有效地实现了节能。压缩空气高压管网车间管道系统图见图2，压缩空气低压管网车间管道系统图见图3。

图2 压缩空气高压管网车间管道系统图

图3 压缩空气低压管网车间管道系统图

2.3 阻力计算方法

压缩空气管道内流速v：

(1)

式中：dn—管道直径，mm；

Qg—压缩空气在工作状态下的体积流量，m3/min；管道内压缩空气的体积流量根据各末端设备的用气量来确定；

v—压缩空气在工作状态下的管内流速，m/s。

车间管道压缩空气流速采用5～15 m/s[3]。将计算结果与车间管道压缩空气流速进行对比，当流速满足要求时，无需优化；若压缩空气流速不在该范围内时，将流速控制在允许范围内，对压缩空气系统的管径完成优化。

优化后压缩空气管道直径：

(2)

通过对压缩空气系统管径的优化，得出优化后压缩空气系统的管径。计算出压缩空气系统优化前和优化后的沿程阻力损失和局部阻力损失，将沿程阻力损失和局部阻力损失求和得到压缩空气系统优化前后的总阻力损失，即可得出压缩空气系统优化后的优化量。

3 西安某纺织厂空压系统阻力计算示例

以优化前后高压压缩空气管网的管段1为例，计算其阻力损失。

查表得，压力为0.75 MPa时,压缩空气的密度ρ=8.233 kg/m3；已知优化前空压系统管道管径dn=0.032 m,其管材为无缝钢管，管道内壁绝对粗糙度Ra=0.5 mm，其摩擦阻力系数λ=0.043。经过优化，压缩空气管径dn=0.020 m，其摩擦阻力系数λ=0.0517。根据末端设备用气量，管段1的压缩空气量Qg=0.2 m3/min。

压缩空气管道内流速v：

车间管道压缩空气流速采用5～15 m/s[3]。压缩空气管道流速2.90 m/s，不满足车间管道压缩空气流速的规定，需要增大流速；取压缩空气管道内流速v=5 m/s。

优化后压缩空气管道内径：

若选取管径Dn=25 mm的无缝钢管，则管内流速仍不满足车间压缩空气流速范围，故选取管径Dn=20 mm的无缝钢管。经过计算，压缩空气管内实际流速v=7.43 m/s，满足压缩空气车间管内流速要求。

优化前压缩空气管道的沿程阻力损失：

优化后压缩空气管道的沿程阻力损失：

两套低压压缩空气管网在车间内的布置完全对称，其管径、管长、压力、流量、流速等大小完全相同，因此两套低压压缩空气管网压力损失完全相同。压缩空气管网优化结果汇总见表1。

表1 压缩空气管网优化结果汇总表

4 技术改造效益分析

空压系统经过节能改造后，主要具有以下效益：第一，空压系统管网压降减小，使空压机与用户用气压力匹配好，可以有效地延长压缩机的使用寿命，增强管网系统的稳定性与可靠性；第二，通过节能改造后，使管网压力保持恒定，可以有效地提高供气质量，有利于提高工作效率和压力控制精度；第三，压缩机运行成本由维护成本和能源成本构成，其中能源成本大约占压缩机运行成本的70%，通过降低能源成本，可使得空压系统整体运行成本大大降低。

本文通过对该纺织厂的压缩空气系统管网最不利工况下的管径进行分析计算，该纺织厂的压缩空气系统管径部分偏小，压缩空气在管道内流速过高，导致压降增大。将较细的管道进行调大，调大后管网的压力损失明显减小。对于供气压力为0.65 MPa的系统，空压机排气压力每增加0.014 MPa，空压机功率将增加1%[2]。两套低压压缩空气管网压力降低均为43278.75 Pa，该压缩空气管网能耗约降低6.18%，按相应机组总功率5640 kW计算，空压系统改造后能耗可降低348.55 kW，按照纺织厂每天运转24 h，全年运行360天计算，每年可节电3.0×106kW·h，按照西安市工业用电电价0.6元/kW·h,该纺织厂每年可节电约180.69万元。高压压缩空气管网，压力损失减小39359.05 Pa。按照一般系统估计，每降低 1.3×104Pa，能耗降低1%[6]。管网能耗约降低3.03%，按相应机组总功率750 kW计算，空压系统改造后能耗可降低22.73 kW，通过压缩空气高压管网的优化，纺织厂每年可节电每年可节电1.96×105kW·h，约11.8万元。通过优化每年可以节电3.2×107kW·h，即减少运行成本192.49万元，这些仅为对压缩空气管网最不利环路的理论计算，如果实际对整个管网进行优化后，实际节能量将会更大。

5 结论

通过对纺织行业的空压机压缩空气系统进行优化改造，节能效果显著。

[1] 寿其．低比速离心泵理论与设计[M].北京：机械出版社，1997.

[2] 周义德.纺织空调除尘节能技术[M].北京：中国纺织出版社,2009.

[3] 秦宏波，胡寿根.工业压缩空气系统优化潜力研究[J].流体机械，2010,38(2)：49—53.

[4] 汪祖祥.浅谈如何搞好空压站节能降耗[J].江西能源，2001，(2)：19—20.

Research on Optimization of Compressed Air System in Textile Mill

QinLi1，YanSuqian1，LiuNing1，ShuangQing2

(1.Xi′an Polytechnic University， Xi′an 710048,China；2.Xi′an City Building Design Academy，Xi′an 710054,China)

Air compressor system pipe network was analyzed and optimized in a textile factory in Xi’an,and the resistance loss has been dropped sharply through optimization.After the optimization of the textile enterprise compressed air system,the operating costs were saved,and the effect of energy conservation was remarkable.

compressed air system; energy saving; system optimization; pressure loss

2014-09-03

西安工程大学博士科研启动基金资助(BS1114)

秦 莉(1991—)，女，江苏无锡人，硕士研究生。

TK01

B

1009-3028(2014)06-0019-04