基于进气温度预处理的空压机节能适用性分析

陈倩倩 颜苏芊 靳贵铭 秦 莉

（1.西安工程大学，陕西西安， 710000；2.西安恒信通节能技术有限公司，陕西西安， 710000）

据调查，国内纺织企业用于生产压缩空气的能耗占企业总能耗30%以上［1］，生产压缩空气是一个高耗能的过程，空压站进气口的温度对空压机能耗有显著影响。有研究指出：空压机吸气温度每降低1 ℃，耗电量可减少0.295%［2⁃3］。任金鑫等人通过对空压机采用组合式空调机组进行降温预处理，发现在夏季工况下平均吸气温度可降低15.41 ℃，机组比功率降低0.25 kW/（Nm3·min-1），全效率增加3.9%［4］。

本研究结合离心式空压机能耗的实际测试情况，从理论角度分析进气温度对空压机能耗的影响，通过应用Excel 中“回归”分析，建立空压机能耗与进气温度之间的回归方程。根据2020 年广州、无锡与咸阳地区的室外空气温度，分析讨论不同地区对空压机进气口空气进行预处理的适用性，为离心式空压机在夏热冬暖地区和夏热冬冷地区采用进气口空气预处理提供参考。

1 研究对象与测试数据

选用咸阳某纺织厂空压站作为研究对象，该空压站共有5 台离心式空压机，设备型号ZH1500⁃6⁃7，启 动 轴 转 速2 985 r/min，公 称 容 积 流 量295 Nm³/min，输入功率1 430 kW。借鉴以往的研究方法，本研究采用耗电量来分析离心式空压机的运行情况［5⁃8］。

1.1 空压机进气温度与能耗数据测试

为探究空压机能耗与进气温度之间的变化规律，对该厂5 台离心式空压机进行日测试并汇总，部分结果如表1 所示。

表1 2020 年3 号离心式空压机能耗统计表

测试内容包括空压站内空气温度和每台空压机功率。将每日24 h 均分为8 个时间点，取8 个测试值中进气温度最大值，并读取对应时刻的空压机功率，表1 中即为2020 年3 号离心式空压机的测试数据。由表1 可以看出，空压机能耗随进气温度升高而逐渐变大，进气温度t1变化范围从27.1 ℃到40.9 ℃，空 压 机 功 率N1从1 038.17 kW 增长至1 609.53 kW，温度每升高1 ℃时，功率增长2.57%。

1.2 空压机进气温度与能耗回归分析

采用回归分析方法［9］研究空压机能耗随进气温度变化的趋势和规律，得出了空压机功率N1与进气温度t1之间的回归方程式（1）和相应的变化趋势图（图1）。

图1 空压机能耗随进气温度变化趋势

N1=1.471 5t12-60.016t1+1 590.6 （1）

从图1 可知，随着进气温度的升高，空压机功率逐渐增大，且进气温度越大，曲线的切线斜率越大，空压机功率增量越大。

1.3 回归方程显著性检验

回归方程的显著性检验通常有F检验和相关系数检验两种方法，采用F检验法对公式（1）的显著性进行检验。当采用F检验法时，计算出25 组数据之间各差异源的自由度df、平方和SS以及均方和MS，结果如表2 所示。

表2 空压机能耗与进气温度回归方程的分析

由表2 可知，F=817.075 5，SignificanceF=1.78×10-19＜0.01，该回归方程非常显著。且SignificanceF明显小于0.01，说明该回归方程与实测数据拟合度较好。

在此基础上进一步研究该纺织厂空压机进气温度在有无预处理时的能耗变化情况。

2 进气温度预处理效果分析

在3 号空压机的进气口搭建表冷器降温预处理试验台，对空压机进气温度进行降温处理，采用冷源为该厂配置的常温冷水机组，由于使用管道保温措施不好，制取的冷水进入表冷器时已达到20 ℃。测试冷水机组开启前后空压机进气温度和能耗，通过大量测试数据分析发现，当进气温度t1为27 ℃、29 ℃、31 ℃、33 ℃时，空气温降Δt分别为2 ℃、3 ℃、4 ℃、5 ℃、6 ℃、7 ℃、8 ℃。这说明表冷器采用20 ℃冷水时，对表冷器前不同的空气温度具有不同的降幅，且当进气温度t1与20 ℃冷水温差越大时，降温幅度越大。

从大量测试数据中选出7 组不同温降时对应的空压机预处理前吸气温度与能耗数据，经预处理后在含湿量不变时，分析预处理温度变化对空压机组能耗的影响情况，如表3 所示。表3 中，节约能耗ΔN=空气预处理前空压机功率N1-（空气预处理后空压机功率N2+预处理系统功率N3）。预处理系统能耗包括冷水机组的运行耗电量和制冷量，制冷量Q可根据公式（2）计算，qm为被处理空气的质量流量（kg/s），Δh为被处理空气处理前后的焓差（kJ/kg）。

表3 空压机吸气温度预处理前后空压机能耗对比

由表3 可知：进气温度t1逐渐升高，预处理温降幅度（t2-t1）逐渐变大，对应的预处理系统能耗N3和空压机机组（包括预处理系统）的节约能耗ΔN也逐渐增大；当进气温度t1高于31.5 ℃时，此时对应的空压机机组的节约能耗ΔN大于0，预处理才开始出现节能效果。根据以上数据分析，建立进气温度t1与空压机机组节约能耗ΔN之间的回归方程式（3），求出当空压机机组节约能耗ΔN大于0 时的临界进气温度t1，如图2 所示。从图2可以看出节约能耗随进气温度变化的整体趋势：空压机机组节约能耗ΔN随进气温度t1增高先缓慢增长，后快速增长。

图2 空压机机组节约能耗随进气温度变化趋势

根据公式（3）求得，当节约能耗ΔN为0 kW时，对应的进气温度t1为29.9 ℃。所以当进气温度高于29.9 ℃时，空压机进气预处理才开始发挥节能效果，且温度越高，节能效果越好。

3 预处理的适用性分析

由于咸阳属于北方地区，高温季节相对较短，空压机空气预处理时间较短。可根据空压机具体使用地区的室外气象参数来判断空气预处理设备的适用情况。广东、福建和浙江、江苏分别位于夏热冬暖及夏热冬冷地区，纺织企业较为密集，纺织空压机的使用更为广泛，探究空压机进气口预处理在这些地区的适用性具有典型意义。以广州、无锡、咸阳地区为例，从室外日最高气温入手，查得这3 个代表性城市在2020 年气温参数。

根据回归方程（3）计算出的空压机空气预处理节能临界温度为29.9 ℃，结合这3 个城市全年气温的统计数据可知，广州日最高气温在29.9 ℃以上的共有166 天，占全年的45.48%，主要集中在4 月—10 月；无锡日最高气温在29.9 ℃以上的共有89 天，占全年的24.38%，主要集中在6 月—8 月；咸阳日最高气温在29.9 ℃以上的共有65天，占全年的17.81%，主要集中在7 月—8 月。由此可见，广州地区全年气温较高，空压机空气预处理使用时间可占45.48%，而无锡地区空压机空气预处理使用时间可占24.38%；咸阳地区空压机空气预处理仅占17.81%；全年最高气温在29.9 ℃以上天数越多，空压机空气预处理开机时间越长，空气预处理也越能起到良好节能效益。

4 结论

（1）通过对咸阳某纺织厂空压机运行情况分析得知，空压机能耗随进气温度的升高而逐渐变大，且进气温度越高，空压机能耗增长速度越快。通过回归分析，建立了空压机能耗与进气温度之间的回归方程，并进行了显著性检验，得到N1=1.471 5t12-60.016t1+1 590.6。（2）在咸阳某纺织厂对3 号空压机进行表冷器降温预处理，测试发现当表冷器的冷源为20 ℃冷水时，进气温度越高，温降越大，从而空压机节约能耗效果越好。建立空压机节约能耗与进气温度的回归方程，得到ΔN=0.673 4t12-31.654t1+344.55，并求解得到节约能耗为0 kW 时的临界温度为29.9 ℃。

（3）根据空压机空气预处理节能参考临界温度29.9 ℃，结合全年室外气象参数，在广州、无锡、咸阳地区空压机使用空气预处理的天数分别占全年45.48%、24.38%、17.81%，该天数越多采用空气预处理可达到的节能效果越好。