降低現代噴氣織機能耗探析

徐浩貽

(浙江理工大學 科技與藝術學院，杭州 310018)

降低現代噴氣織機能耗探析

徐浩貽

(浙江理工大學 科技與藝術學院，杭州 310018)

降低噴氣織機的能耗僅在一些單項方面節能，效果有限，經濟意義不大，應從供氣系統到用氣系統及其他輔助環節全方位采取措施。探析了傳統供氣系統存在的問題，通過變頻改造，節能效果明顯；生產車間采用大小環境分區空調對節能也有一定的貢獻；對于用氣系統，重點應優化引緯參數和選配節能性能優良的元器件；噴氣織機制造廠應用RTC緯紗實時控制系統，主驅動采用Sumo開關磁阻電機等技術，亦不失為一種節能的好措施。

噴氣織機；節能；空氣壓縮機；供氣系統；用氣系統；氣耗

理論研究和生產實踐都表明，噴氣織機能耗居于無梭織機之首，是有梭織機的2～3倍。盡管噴氣織機有車速快、效率高、操作簡便安全等顯著特點，但由于其耗能居高不下，企業生產成本增加，效益受到較大的影響。因此，降低噴氣織機能耗，已成為重要的研究課題。噴氣織機的能耗以耗氣為主，大致可分為3個部分：供氣系統的耗能，用氣系統的耗能和其他輔助耗能。本研究擬從上述3個方面探討噴氣織機的節能途徑。

1 供氣系統的節能探析

噴氣織機供氣系統主要由四大部分組成：一是氣源產生部分：空氣壓縮機；二是氣源處理部分：干燥器，過濾器，分離器等；三是控制部分：各種控制元器件；四是集輸部分：所有輸送壓縮空氣的管路，管件，儲氣罐，管路閥等。供氣系統里的大部分設備都采用電力驅動，其中空壓機消耗的電能占到供氣系統總電能的90 %以上。

大多數紡織生產廠的供氣系統，不管新舊，其運轉的效率均偏低，存在著空壓設備不匹配，管道損失偏大及系統控制不合理等問題。

1.1 空壓機變頻節能

1.1.1 耗能分析

通常噴氣織機供氣系統根據織機臺數即用氣量的多少，配有多臺空壓機，每臺空壓機都由一臺電機拖動，獨立進行控制。在實際工作中，供氣系統是按最大工作負荷設計的，在系統中預設管網壓力值，系統將自動根據預設壓力值的下限與上限，進行自動加載與卸載，來滿足用氣需要。系統的這種控制方式將帶來諸多問題，如螺桿式空壓機氣量的供求關系主要表現為排氣壓力的變化，當排氣量正好滿足生產用氣量要求時，儲氣壓力保持不變，但由于生產用氣量的不均衡，而裝機容量需根據生產最大用氣量并留有余量設計，因此實際運行中，空壓機供氣量遠大于實際用氣量，若空壓機仍恒速運轉，則儲氣罐內的氣體壓力越來越大，直至罐內壓力上升達到設定最大壓力值。

由此可知，在加載、卸載供氣控制方式下，空壓機所浪費的能量主要由2個部分組成。

1)壓縮空氣壓力超過最小壓力值所消耗的能量。在壓力達到最小壓力值后，原控制方式決定其壓力會繼續上升(直到最大壓力值)。這一過程同樣是一個耗能過程。

2)卸載時調節方法不合理所消耗的能量。通常情況下，當壓力達到最大壓力值時，空壓機通過如下方法來降壓卸載：關閉進氣閥使電機處于空轉狀態，但其用電量仍為滿負荷的30 %～50 %。同時將分離罐中多余的壓縮空氣通過放空閥放空。這種調節方法要造成很大的能量浪費。又因為空壓機是轉動貫量負荷，電機空載起動時所需的功率大致相當滿載運行所耗能的2～3倍，啟動運行時間為50～60 s，在頻繁起動控制排氣量時，對電網沖擊大，能耗明顯增加，這部分電能白白浪費掉。上述供氣系統存在的問題恰恰說明節能還存在較大的空間，只要措施得當，節能完全可行，且收益可觀。

1.1.2 變頻節能原理

變頻調速系統以空氣壓縮機輸出壓力作為調控對象，實現對空壓機電機轉速進行調節。其原理為：由壓力傳感器取出的反饋信號，接至PID(比例積分微分調節器)與預置的壓力給定信號相比較，經PID調節后的信號接到變頻器的輸入端，按壓力的變動值確定電機的運轉頻率大小和轉速，實現全自動負反饋調節方式，其控制原理如圖1所示。

圖1 反饋控制原理Fig.1 Feedback control schematic

休眠控制的原理為：當噴氣織機開車效率偏低時，耗氣量減少，空壓機卸載時間長，造成能源浪費?？稍谶@個區段時間實施休眠控制。當噴氣織機開車效率非常低時，耗氣量必然也非常少，變頻器的運行頻率逐步下降，當降到20 Hz時(設定變頻器最低運行頻率為20 Hz)，頻率不再下降，這時織造車間耗氣量若仍然沒有提高，空壓機側的壓力則會逐步升高。當升高到設定值時，壓力傳感器采取管道的壓力信號賦予PLC(可編程控制器)，PLC將壓力傳感器的信號進行比較，若高于設定值，PLC則輸出信號給變頻器的多功能端，使變頻器休眠，輸出頻率會降為0 Hz，電機停止運轉，實現系統節能。若壓力信號低于設定值，變頻器由休眠狀態進入PID閉環運行階段[1]。由于變頻調速系統是根據織造車間用氣量的需求來給定的，降低了空載時的無用功，節能效果十分顯著。如邯鄲圣綿紡織有限公司實施變頻改造節電措施后，每年可節電達8.4×105kW?h。該企業采用的是螺桿式空壓機，主電機為250 kW，運行方式為星-三角啟動。具體技術措施是：

1)建立變頻調速系統，即將EV2000型變頻器和PLC、人機世界面連接在一起，對空壓機進行休眠和PID控制，從而對電機轉速進行調節。

2)系統調試應注意的事項：一是變頻器的啟動時間不宜過短，以減小啟動電流；二是在PID閉環控制中，調節比例增益和積分增益，使其壓力平穩減小波動；三是將變頻器的載波頻率適當調低，以減少對其他設備的干擾；四是通常變頻器采用軟啟動，以延長使用壽命[2]。

1.2 降低管路壓力降

從理論上說，只要是傳輸都會存在壓力降，降低壓力降有利于節能降耗。

資料表明，壓力降增加0.01 MPa時，功耗相應增加0.3 %～0.5 %。對任何一臺空壓機，每年增加的功耗相當大，油分離器、精密過濾器、干燥機是壓力降增加的主要環節，因此，應適時地更換油分離器、精密過濾器，定時清理干燥機空氣通道，盡管會增加一些耗材成本，但對降低壓力降以達到節能目的是很值得的[3]。

此外，改善空壓機房的氣流循環和機房溫度，可以確?？諌簷C的工作效率。經測試，環境溫度每上升11 ℃，壓縮效率下降3 %。因此，空壓機房工作環境溫度的控制對節能亦是十分重要的。

2 用氣系統的節能探析

噴氣織機的用氣系統實際上就是指其引緯系統。噴氣織機引緯系統是由固定主噴嘴、擺動主噴嘴輔助噴嘴、電磁閥、異形筘等部件組成。用氣系統的節能主要應從優化引偉工藝及選擇節氣性能好的引緯元器件二方面進行探索。

2.1 優化噴氣引緯工藝

2.1.1 調節主噴嘴的最佳位置及氣壓

1)安裝位置：主噴嘴位置安裝不良，會使它射出的氣流擴散加劇，影響緯紗穩定進入梭口，增加用氣量。主噴嘴安裝位置主要取決于擺動主噴嘴與第一片異形筘齒之間的距離。通常按下式作為計算依據：ds＝6.8(a?s＋0.147do)(s為被測點距離噴嘴出口處距離，為射程；a為噴嘴紊流因數；do為噴嘴出口處直徑；ds為距噴嘴出口S截面處射流錐的直徑)，在實際安裝操作中可通過頻閃儀觀察進入筘槽氣流錐體大小來調整該距離的大小[4]。

2)主噴嘴壓力確定：必須根據使用緯紗的纖維材料、線密度、幅寬、車速等綜合考慮。在滿足緯紗正常飛行要求的前提下減小主噴壓力，既可節約耗氣，也可以使緯紗飛行速度降低，延長緯紗飛行角，減小緯紗在飛行過程中承受的張力，滿足緯紗單強的要求。主噴嘴壓力一般在0.4 MPa左右。

2.1.2 優化輔噴工藝

1)輔噴壓力：在引緯過程中，既要使輔助噴嘴的氣流速度大于緯紗的初速度，還要使緯紗的頭端始終處于高速氣流的作用下，使其保持伸直狀態。這就要求輔噴氣壓大于主噴氣壓，同時還要求隨著緯紗頭端的向前飛行，輔助噴嘴要循序地開閉供氣閥門，這樣才不會使緯紗產生前擁后擠的現象。在不出現緯縮的情況下，應盡可能減少輔噴壓力，以達到降低緯紗斷頭、節約耗氣的目的。輔噴壓力通常為主噴壓力加0.05～0.1 MPa。

2)輔噴安裝位置：輔噴的位置安裝是否精準關系到輔噴氣流能否準確、及時地射入筘槽中心與主射流匯交。在安裝中，應使其孔口軸線上仰構成噴射角α(8°左右)，后斜構成噴向角β(5°左右)。若β＝0°時，應通過噴嘴的安裝角度來彌補。

3)輔噴安裝間距：輔助噴嘴沿著鋼筘排列每隔60～80 mm安裝一個，在確保緯紗飛行穩定的前提下，盡量選擇間距上限，以便減少噴嘴個數，達到節能的目的[5]。

4)增設輔噴閥門數：在噴氣引緯中，通常75 %～80 %的壓縮空氣是供輔助噴嘴使用的，通過增加噴嘴閥門數量可獲得最佳節氣噴射時間。輔助噴嘴總量保持不變時，使每個閥門控制的噴嘴數不多于3只，而不是原來的4～5只噴嘴，這樣，減少了耗氣，縮短了單個閥門供氣時間。如意大利舒美特Mythos-TEC織機和比利時畢加樂OMNI-plus織機均為1個輔噴閥控制2個輔助噴嘴。日本豐田JAT710型織機上安裝了新研制的小型高靈敏電磁閥，它的閥腔容積比原來減少了85 %，電能消耗降低了15 %，而反應時間縮短了50 %，壓縮空氣消耗量比豐田JAT500下降了40 %。日本津田駒ZAX-N型織機采用的是節能集流腔一體型電磁閥，省氣且引緯穩定[6]。

5)輔噴供氣時間：在保證引緯質量的前提下，為降低耗氣，輔助噴嘴都要分組依次供氣，第一組輔助噴嘴的始噴角可與主噴始噴角相同，第一組輔助噴嘴的關閉時間和以后各組輔助噴嘴的開閉時間可以按照輔噴先行角和輔噴滯后角通過頻閃儀進行確定，要求各組輔噴嘴的供氣時間超前于緯紗到達各組輔噴嘴的時間，即先行角一般為10°～20°。

2.1.3 正確調節電磁閥開閉時間

通常電磁閥的開啟時間＝噴嘴的開啟時間－電磁閥的開啟滯后時間，電磁閥的關閉時間＝噴嘴的關閉時間－電磁閥的關閉滯后時間[7]。

此外，在優化引緯氣路設計時，用胸梁做輔氣包，縮短了輔噴引緯氣路路徑，可減少氣阻也可降低輔噴氣耗。

2.1.4 確定織機經濟速度

一般情況下，車速越高氣流量越大。但在實際生產中，經測試，就單位長度的織物來講，車速高耗氣量反而是減少的。換句話說，適當地提高織機速度有利節能[8]。在實際生產中存在著一個最佳節能經濟速度，所以應根據所生產的織物品種和織機型號來確定這個速度。

2.2 使用節氣性能良好的元器件

2.2.1 噴氣織機主噴嘴選配

壓縮氣體經過主噴嘴后產生了一定的壓力降，這個壓力降消耗了氣流的能量，而造成壓力降的原因是噴嘴沿程阻力和局部阻力引起的。沿程阻力是氣體與噴嘴內壁之間所呈現的內摩擦阻力，局部阻力是氣體在流動過程中因遇到局部障礙，如管道截面突然擴大或縮小、流動方向轉變等引起流體運動的顯著變形，產生漩渦會消耗氣體能量，使氣流壓力下降[9]。因此，在選配主噴嘴時應采用通過改進后的集束節能型主噴嘴，這種噴嘴的特征是有一個由漸擴管、等徑管和漸縮管3段組成的集束節能管，漸擴管與氣室連通構成進氣端，漸縮管構成出氣端，具有良好的集束性能和節能效果。

2.2.2 噴氣織機輔助噴嘴選配

由于輔助噴嘴耗氣占了引緯系統耗氣的75 %以上，輔助噴嘴的性能優劣是節能降耗的關鍵所在。資料表明，獲中國實用新型專利(ZL02234438.1)的國產節能型輔助噴嘴，具有良好的節能效果。其結構如圖2所示。

圖2 節能型輔助噴嘴Fig.2 Energy-saving relay nozzle

其原理是該噴嘴中央有一個大孔，周圍7個小孔，以使噴出的多束氣流“群龍有首”。利用中央較粗的主導氣流來聚集周圍的多束較細的氣流，從而提高了集束性，減少擴散，達到了節能的目的[10]。

2.2.3 異形筘選配

異形筘的截面如圖3所示。

圖3 異型筘齒截面形狀Fig.3 Read tooth shaped cross-section shape

單R型因有良好的節能作用，又稱為節能型，這是因為其異形筘齒在沿氣流流動方向上，因R的存在猶似在每一筘齒的厚度上形成一個收縮狀的噴嘴，對防止氣流擴散和增加氣流速度有益[8]。

3 噴氣織機其他節能措施

3.1 采用RTC緯紗實時控制

RTC控制為緯紗實時控制。該系統無論緯紗是否織入，織機都會調整每一次引緯以實現最小的耗氣。根據緯紗和機器寬度，空氣消耗可減少10 %～40 %。RTC系統實現對輔助噴嘴的預控制。主噴嘴和輔助噴嘴通過極少的耗氣量來保證緯紗的輕微加速。反應時間和噴氣時間的縮短使壓縮空氣的消耗量得到降低[11]。RTC控制縮短了引緯過程中輔助噴嘴的噴氣時間，RTC終端只需對2個參數(壓力、時間)進行編程，易于掌控。因此，緯紗實時控制實現了完全自動化，排除了織造個體間的干預。

3.2 采用Sumo主電機

畢佳樂公司OMNI-plus標準型噴氣織機上采用了Sumo主電機直接驅動技術，使織機運轉無偏差。Sumo電機由電子計算機控制而無需變頻調速，可以降低能耗，Sumo電機又稱開關磁阻電機，屬于低速大扭矩啟動的交流同步電機[12]。

Sumo電機無需離合器、制動器和飛輪，可直接驅動主軸機構和筘座機構，傳動鏈短，結構緊湊?？棛C從織第一緯開始就可達到全速，與傳統的離合器和制動器驅動方式相比，能量損耗降低10 %。采用油冷技術，可節省10 %以上的能量，通過采用畢佳樂專利技術的冷卻系統，織機產生的一半熱量可以從機器內部排除，降低了車間空調的能耗。由于是直接驅動，織機速度可以自動控制和設定，不需頻率轉換器，減少了電能消耗，具有自動加速功能及較寬的速度范圍，對于新品種的改變是很有利的。這樣織機在最高的速度運行時，能夠滿足紗線質量、綜框數量和織物結構等工藝改變的需要，實現了高產低耗[13]，提高了織機適應性。

3.3 采用局部直接送風與車間普通送風的分區空調

由于現代噴氣織機采用高轉速、大張力工藝，為保證織造時經紗不斷頭，織機工作區域(送經，打緯區域)要求較高的相對濕度，以保證經紗的強力。而工作區之外的操作區，由于人員舒適性要求，最好維持較低的相對濕度。

針對此情況，采用織機工作區局部直接送風和車間普通送風相結合的空調送風方式較為合適。即把相對濕度高、溫度低的空氣直接送至織機的送經部位，在織機工作區域保持一個相對較高的小環境相對濕度(≥75 %)，以保證織造的工藝要求，而在車間人員操作區和工作區上部的大環境保持一個相對較低的相對濕度(60 %～65 %)[14]。這樣既保證了織機高速生產的需要，又可使車間大環境保持相對舒適的溫濕度條件，從而減少了能耗，比傳統的上送下回式送風方式減少送風量30 %左右，減少空調系統裝機功率20 %左右。因節能效果明顯，目前有許多廠采用了這種大小環境分區空調方式。

4 結 語

據初步統計，目前中國有各類噴氣織機12萬臺左右。噴氣織機是耗能大戶，理論研究和生產實踐都表明，主、輔噴嘴引緯中的耗氣量總和約是總耗氣量的90 %，其中輔噴嘴耗氣量約占總耗氣量的70 %。優化引緯上機參數，選用具有良好節能性能的主、輔噴嘴元器件，自然成了降低能耗的關鍵，亦是節能效果易顯現之處。改造傳統的供氣系統，對空壓機實施變頻調速尚存在較大的節能空間，已有不少成功例子，值得推廣。同時，生產車間采用大小環境分區空調對節能亦有一定貢獻率。此外，對于噴氣織機制造廠，如能應用RTC緯時實時控制系統和主驅動采用Sumo開關磁阻電機等技術不失為一種節能的好措施。

噴氣織機的單項節能效果在10 %左右，只有采取全面系統的節能措施，方能在生產企業產生有經濟意義的效果。

[1]王淑芬.噴氣織機用壓縮氣供給的節能措施[J].科技信息，2008(20)：228-229.

[2]王淑芬.噴氣織機用空氣壓縮機的變頻改造[J].棉紡織技術，2009，37(3)：57-59.

[3]袁有增. 壓縮空氣系統節能降耗淺析[J].棉紡織技術，2008，36(10)：12-14.

[4]徐浩貽.降低噴氣織機氣耗的研討[J].紡織學報，2000，21(3)：30-33.

[5]武繼松.織造廠節能技術分析[J].紡織導報，2009(3)：57-59.

[6]章彥，王曉敏，張曉偉.從4種噴氣織機的性能特點看現代噴氣織機的發展趨勢[J].紡織機械，2006(4)：27-31.

[7]郭興峰.現代織造技術[M].北京：中國紡織出版社，2004：66.

[8]張平國.噴氣織機引緯原理與工藝[M].北京：中國紡織出版，2005：50，150.

[9]郭興峰.噴氣織機主噴嘴氣流特性及能耗的研究[J].天津紡織工學院學報，1996(2)：28-32.

[10]張平國，王貫超，何安民.噴氣織機的省氣節能機理與措施[J].陜西紡織，2004(2)：9-11.

[11]李雪純. sulzer，噴氣織機的能量消耗[J].國際紡織導報，2009(1)：40.

[12]洪海滄.國產噴氣織機技術選型的幾個問題探析[J].紡織導報，2008(7)：117-123.

[13]張志奮.畢佳樂：OMN jet新型噴氣織機[J].國際紡織導報，2006(9)：50-52.

[14]周義德，樊瑞，楊瑞梁.噴氣織機車間分區空調節能原理分析[J].棉紡織技術，2008(10)：9-11.

Discussion and analysis of modern air-jet looms to reduce energy consumption

XU Hao-yi
(Technology and the Arts Institute, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China)

This paper believes it should be all-round carried on to reduce energy-consumption of air-jet Loom.The steps of energy-saving should be taken comprehensively for gas supply systems, gas using systems as well as some other subsidiary things, because the result of economy is limited if some step's only taken to save energy unilaterally. The paper also expounds the problems existing in the gas supply systems while putting forward some methods to improve frequency conversion as to get the clear results; it contributes a lot to the energy-saving to apply the decision air-conditioning style of large and small environment to the production workshops; as to the gas using systems, importance should be attached to the optimization of parameters of weft insertion and the option of the components with nice energy-saving; It's also an effective strategy to apply the real-time control of RTC weft to Air-jet Looms factories, and Sumo motor of switched-reluctance to the main driver as well.

Air-jet loom; Energy-saving; Air compressors; Gas supply systems; Gas using systems; Gas consumption

TS103.337.11

A

1001-7003(2011)02-0032-05

2010-09-03；

2010-10-24

徐浩貽(1956－ )，男，教授，主要從事現代織造理論及工藝的研究。