化纤生产中高低压压缩空气独立设置系统节能分析

孙日近，刘成刚，蒋绍元

(苏州科技学院，江苏 苏州 215009)



化纤生产中高低压压缩空气独立设置系统节能分析

孙日近，刘成刚*，蒋绍元

(苏州科技学院，江苏 苏州 215009)

介绍了化纤生产中压缩空气高低压混合系统和高低压独立设置系统的运行过程，对运行能耗进行了理论分析，并结合实际案例分析了高低压独立设置系统的节能效果。结果表明：压缩空气高低压混合系统将生产0.8 MPa与0.45 MPa压缩空气的系统混合设置，低压压缩空气由高压压缩空气节流降压产生；高低压独立设置系统将生产0.8 MPa与生产0.45 MPa压缩空气的系统独立设置；高低压独立设置系统的运行能耗低于高低压混合系统；以0.45 MPa空压机产气量为基准，独立增设1台0.45 MPa空压机，独立设置系统全年节能量达2 488 216 kW·h，节能效果显著。

压缩空气系统 高压 低压 独立设置 节能

在化纤生产中，压缩空气已成为仅次于电力的第二大动力能源[1-2]。空压机以空气为介质生产压缩空气所消耗电能约占化纤企业电力消耗的40%。如何降低这部分耗能已成为化纤企业的重点节能问题[3-4]。化纤生产所用压缩空气通常分为不同的压力等级。目前，大多数企业没有对不同压力压缩空气的需求设计多级压力等级的系统，只输出一条压缩空气管路，导致一些低压使用终端需要由高压状态的压缩空气节流减压后的使用[5-6]。这种由高压生产低压的高低压混合系统的运行能耗较高。

作者介绍了化纤生产中高低压压缩空气独立设置系统的运行过程，并与高低压混合系统进行了节能效果对比分析。

1 压缩空气系统运行过程

高低压混合系统的运行是指空压机生产高压状态压缩空气，一部分直接输送到用气车间，一部分通过节流阀降压至低压状态后输送到用气车间，见图1。

图1 高低压混合系统示意

高低压独立设置系统的运行是将不同压力等级的压缩空气系统分开，分别生产高压和低压状态的压缩空气，见图2。

图2 高低压独立设置系统示意

2 压缩空气系统运行能耗理论分析

2.1 混合系统的运行能耗

在压缩空气混合系统中，设生产高压状态压缩空气时空压机的实际功率为Wh，生产高压状态压缩空气量为Vh，若此处的产气量全部降压至低压状态，则生产每立方米高压状态压缩空气能耗(Nh)为：

Nh=Wh/60Vh

(1)

高压状态压缩空气通过节流阀降压至低压状态，节流降压过程为等焓过程。节流阀前后气体焓值不变，即：

Hh=Hl

(2)

式中：Hh为高压状态压缩空气的焓值； Hl为低压状态压缩空气的焓值。

假设压缩空气为理想气体，则焓(H)是温度的单值函数，故节流前后温度不变。同理，理想气体的热力学能也是温度的单值函数，故节流前后热力学能也不变。由H的定义式可得：

Vh→l=PhVh/Pl

(3)

式中：Ph为高压状态压缩空气的绝对压力；Pl为低压状态压缩空气的绝对压力；Vh→l为高压状态压缩空气节流降压至低压状态的压缩空气量。

(4)

式中：Th为高压状态时压缩空气绝对温度；P0为标准状态下的绝对压力；T0为标准状态下的绝对温度。

将式(4)代入式(3)得

(5)

故由高压状态压缩空气节流产生每立方米低压状态压缩空气能耗(Nh→l)为：

(6)

2.2 独立设置系统的运行能耗

设独立生产低压状态压缩空气的空压机实际功率为Wl，产出低压状态压缩空气量为Vl。则生产每立方米低压状态压缩空气能耗(Nl)为：

Nl=Wl/60Vl

(7)

(8)

式中：Tl为低压状态时压缩空气绝对温度。

将式(8)代入式(7)得：

Nl=Wl/60Vl=WlPlT0/60P0TlV0l

(9)

P0Tl=PlT0

(10)

将式(10)代入式(6)和式(9)，分别得：

Nh→l=WhTl/60V0hTh

(11)

Nl=Wl/60V0l

(12)

式(11)中，Tl/Th约等于1，在产气量相同的条件下，生产高压状态压缩空气空压机的Wh大于生产低压状态压缩空气空压机的Wl，可以明显看出采用高低压独立设置系统生产低压状态压缩空气的运行能耗低于采用高低压混合系统生产低压状态压缩空气的运行能耗。

3 节能效果案例分析

3.1 案例分析

一家化纤企业采用高低压混合系统生产低压状态压缩空气。企业空压站有12台型号为Z10000，额定功率为1 120 kW，额定产气量为192 Nm3/min的空压机，输出0.8 MPa压缩空气。生产压缩空气量大约50%直接输送到0.8 MPa压缩空气用气车间，另外50%的0.8 MPa压缩空气通过节流降压到0.45 MPa后输送到用气车间。为降低企业能耗，对压缩空气系统进行改造，单独设置0.45 MPa压缩空气系统。改造后，企业新增3台型号为P600，额定功率为970 kW，额定产气量为200 Nm3/min的空压机，直接生产0.45 MPa压缩空气。由于各压力压缩空气系统所用空压机型号相同，故以改造前1台0.8 MPa空压机与改造后1台0.45 MPa空压机的运行为基准进行全年的能耗分析。

在实际运行中，空压机的负荷分布是不同的。不同的运行负荷对应不同的运行功率和产气量。故全年累计产气量(∑V)和累计耗电量(∑W)的计算方法如下：

(13)

(14)

式中：Vi为不同运行负荷对应的产气量；Wi为不同运行负荷对应的实际功率；ti为不同运行负荷对应的时间。

实际功率通过电机电流计算得到，产气量由压缩空气流量计计量获得，具体能耗分析如下：

(1)0.8 MPa压缩空气系统

通过监控平台对0.8 MPa空压机全年的电机电流值进行测量记录。在不同季节、不同月份中，0.8 MPa空压机的电机电流基本在69.5～74.0 A变化。其中，不同电机电流对应的运行时间不同。已知0.8 MPa空压机的额定功率为1 120 kW，额定电压为10 000 V，额定电流为74.0 A。通过额定功率及功率因数计算得到空压机实际功率。鉴于电机电流在一定区间内是连续变化的，选取从69.5～74A中的10个电流值为代表值，统计不同电机电流对应实际产气量，计算其实际功率。将实测数据和计算数据代入式(13)和(14)，0.8 MPa压缩空气系统的∑V和∑W见表1。

表1 0.8 MPa空压机的∑V和∑W

Tab.1 ∑Vand ∑Wof 0.8 MPa air compressor

i电流/A时间/h实际产气量/(Nm3·min-1)∑V/Nm3实际功率/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合计8760888434429580765

在实际运行中，空压机功率与其产气量具有一定的关系，选取表示空压机实际功率与实际产气量的比例为k。k值越小，表示空压机生产每立方米压缩空气的能耗越低。设0.8 MPa空压机实际功率与实际产气量的比例为k0.8，由表1可以看出，当空压机功率为额定功率(1 120 kW)时，k0.8最小，代表空压机生产每立方米压缩空气能耗最低。随着功率不断减小，k0.8逐渐增加，其增加的速率由快到慢。

(2) 0.45 MPa压缩空气系统

对0.45 MPa空压机全年运行的监控数据进行记录和统计，0.45 MPa压缩空气系统的∑V和∑W见表2。同理，由表2中的实际功率与实际产量之比可得到k0.45。

表2 0.45 MPa空压机的∑V和∑W

Tab.2 ∑Vand ∑Wof 0.45 MPa air compressor

i电流/A时间/h实际产气量/(Nm3·min-1)∑V/Nm3实际功率/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合计87601015598228274717

由表2可见，当空压机功率为额定功率(970 kW)时，k0.45最小，为4.85。随着实际功率的减小，k0.45不断增加，表示空压机压缩空气时的能耗增大。k0.45增加的速率不断降低，从970 kW到900 kW降幅明显，900 kW往后变化相对平缓。

3.2 节能效果分析

按照空压机全年运行0.8 MPa空压机的∑W为9 580 765 kW·h，∑V为88 843 442 Nm3。 0.45 MPa空压机的∑W为8 274 717 kW·h，∑V为101 559 822 Nm3。以0.45 MPa空压机产气量为基准，采用相同产量条件下比较耗电量的方法，0.8 MPa空压机的∑W则为10 952 084 kW·h。 通过监控平台数得到T0.45为313 K，T0.8为318 K。将以上数据代入式(11)和式(12)可得N0.8→0.45为0.106 kW·h/Nm3，N0.45为0.081 5 kW·h/Nm3。

故压缩空气系统优化改造后生产每标准立方米0.45 MPa压缩空气的节能量(e)为0.024 5 kW·h/Nm3。则全年生产0.45 MPa压缩空气的节能量(E)为：

E=e∑V=2 488 216 kW·h

(15)

另外，新增一台0.45 MPa空压机的设备费和安装维护费合计约为200万元，该化纤企业新增3台0.45 MPa空压机，考虑到管道安装等其他事宜，其投入共计650万元。根据本文计算，1台生产0.45 MPa压缩空气的空压机全年节能量为2 488 216 kW·h，结合每度电0.7元的电费可计算得出该项目的回报期为1.24年。

4 结论

a. 由理论计算得出，高低压独立设置系统的运行能耗低于高低压混合设置系统的运行能耗。

b. 空压机的运行能耗和节能效果与其运行负荷有关。在计算全年能耗时需要考虑功率与产气量对应的不同负荷分布。

c. 不同电机功率对应不同的产气量。令电机功率与相应产气量的比值为k，在一定程度上可以表示压缩空气单耗。电机功率越大，k值越小，其减小的速率随功率的增大越来越快。

d. 压缩空气混合系统改造为独立设置系统后，其运行数据表明，生产每标准立方米0.45 MPa压缩空气可节约电量0.024 5 kW·h，全年可节约电量2 488 216 kW·h，节能效果显著。

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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。

孙日近(1991—)，女，在读研究生，研究方向为能源管理。E-mail：dollmeme@163.com。

*通讯联系人。E-mail：cliu1977@163.com。

TQ340.69

A

1001- 0041(2016)03- 0052- 04