【压缩机网】全球最大的消费产品生产商之一的Rockline工业专门生产湿纸巾和咖啡过滤器，该公司在确定发现其阿肯色州斯普林代尔工厂的压缩空气系统有节省大量资金的潜力之后，联系了阿肯色州工业能源信息交换所。随后，信息交换所的专家开始与Rockline工业，电力公司的代表以及当地的压缩空气供应商合作，对系统进行全面评估。
本文中分析的案例为研究提供了“系统方法”的结果，该方法评估了系统的供需双方，以探讨出最节省成本的解决方案，从而实现为广大压缩空气用户的制造过程提供经济合理的高品质压缩空气（1）。
该项目的主要目的是在保持压缩空气品质的同时，提高可靠性，减少维护并降低压缩空气系统的运行成本，该项目包括管道改造，设备升级，压力控制方式变更和压缩机优化。同时，为说明合理性和可行性，该团队还提供了对项目总节省额的评估和验证。
系统方法分析压缩空气系统的重要性
对于这样的案例，通常的做法是分析组件来改善压缩空气系统，往往涉及的方面非常具体，投资回收期短且易于量化（比如用效率更高的压缩机来替代旧压缩机），但能源部门和相关有创新性的压缩空气改善小组主张采用系统方法作为分析和改进压缩空气系统的最佳措施。根据这些组织的说法，系统方法“不仅需要分析单个组件，还需要分析系统的供需双方以及它们如何相互作用”（1）。
系统方法包括以下步骤：
1.设定当前条件
2.确定流程需求
3.收集基准数据
4.制定潜在的节能措施
5.评估经济和技术条件
6.实施措施
7.收集验证数据
8.继续监测和评估系统
这样的系统方法可能更昂贵，更耗时，但它有可能优化压缩空气系统的整体性能，还可通过将某些措施与其它措施的节余相补贴，提供了实施更多节余空间的机会。同时，系统方法可以实现将其它措施的节省量来抵消另外一些措施的消耗量，来实施更多的节约方法。
系统分析压缩空气的供求
现场了解，Rockline工业斯普林代尔工厂现有的压缩机是相同的150匹马力单级定频双螺杆压缩机。美国压缩空气和压缩气体协会（CAGI）将这些压缩机的满负荷下的比效率定为6.68kW/m3·min-1（2），每台压缩机的产量均达。数据记录器收集的基准能源使用情况表明，其中一台压缩机几乎在满负荷下运行，而另一台用于调节的压缩机则通过加载和卸载来控制系统压力（图2）。
调节压缩机的切入压力设置为689.5KPa，切出压力设置为758.5KPa。压缩机腔包含两个湿储罐，总容量为6.814m3。压缩机腔内装有热干燥器，将干燥的空气送入工厂容量为7.57m3的干燥储罐，该储罐通常保持在标准压力689.5KPa左右。在干式储罐和集管回路之间有一个压力/流量控制器，但压力控制装置被设置为维持压力/流量控制器出口的最大压力，但实际设定值大于该最大压力。
分配系统由一个7.62cm的铸铁集管环路组成，该环路向设施中的所有最终用途供应空气。主集管通过单独的、不连续的液滴与隔膜泵相连。这些泵其中有12个用来输送乳液和其它液体。平均每个泵大约每2个月更换一次，这在很大程度上是由于过压导致的机械故障。
铝管可减少泄露并消除停机时间
该项目开始时用9cm铝制管道系统替换了7.62cm的黑铁集管，旧的集管已有20多年的历史，铁管随时间推移而严重老化。最近的一次空气压缩机事故是机油被送入集管，整个工厂关闭了几个小时，而大部分机油却从管道中排出。当系统重新启动时，工厂必须处理系统中多余的油，这些油残留在老化管道的孔和粗糙表面中。
选择新的管道系统（图3）是因为铝管不会随时间腐蚀。此外，由于采用了滑动配合连接，因此安装铝制管道的时间大大少于安装新的螺纹管或焊接钢制管道系统的时间。同时，从理论上讲，正确安装的铝制管道系统绝对不会泄漏，而铁或钢管肯定会泄漏。
优化隔膜泵以减少需求
该公司向当地的压缩空气供应商寻求帮助，以确定正确的尺寸并配置泵系统。他们专注于提高泵的可靠性，从而减少更换故障泵的维护成本。
隔膜泵的额定压力通常为最大压力输入，这是安全操作泵的压力。泵通常还具有最小输入压力，该最小输入压力可能会导致泵失速或停止正常运行。泵的转速随压力变化，并且泵流量也相应变化。因此，可以显著降低泵的转速和占空比，从而节省时间。
如果可以接受延长时间带来的损失，那么压力降低可以节省大量资金。该公司决定，他们可以将管线压力从689.5KPa降低到379.2 KPa，这不会对生产带来负面影响（图4）。
流量控制器和增压器有助于降低工厂压力
现有系统的平均压力为689.5KPa，这其中包括通过处理设备而产生的约34.5KPa的压降，以及与负载/空载控件之间的68.95KPa的压差。这意味着，当压缩机在689.5KPa-758.5KPa之间调节时，集管的压力范围为655KPa-724KPa。额外增加了34.5KPa（或更多）的压降，这意味着终端压力在调节压缩机装载之前可达到约620.5KPa，在卸载之前可达到约689.5KPa。
该设备中最高压力的终端用途包括一组用于气动控制阀的电动/气动定位器。当供应压力降至约620.5KPa以下时，这些定位器不再有作用。如果其中一个定位器在低气压下发生故障，则可能导致生产线关闭或产生废品。因此，集管压力很显然需要设置，来为这些控制器至少提供最低压力。
但是大多数情况下，该设施最终压力都被调节在379.2KPa至551.6KPa之间。电动/气动定位器的固有空气消耗率为零（4），因为它们只是执行定位器的作用。只要定位器处于相同位置，就不会消耗空气。这就是“静态流动”应用的定义，使其成为增压器的理想选择。在定位器组上安装了2:1增压调节器（5），并将其工作压力设置为655KPa，以确保为设备提供足够的供应压力。然后，可以将工厂总管压力降至586KPa，允许最终压力降低34.5KPa，将最终使用压力调节至551.6KPa。设备压力由原始压力/流量控制器调节（图5）。
新型变频空气压缩机可提高能源效率
Rockline工业安装了两台马力都为200匹，额定压力为792.9KPa的喷油变频单螺杆压缩机。该公司选择了这两台压缩机，由此它可以正常运行一台压缩机，而第二台压缩机完全可以作为备用。
新型压缩机在额定工作压力下的比效率低至6.79kW/m3·min-1，在额定流量和完全调节时的效率稍高。它们在满负荷下的效率比旧压缩机低一些，但是由于采用了变频技术，它们在部分负荷下的效率比旧压缩机要高得多。
对旧压缩机的数据记录进行分析（图2）表明，超前/滞后控制方案产生的整体比效率约为7.79kW/m3·min-1。对新压缩机的数据记录的分析表明，总体比效率为6.93kW/m3·min-1。
储罐和管道的更改减少了占地面积和维护成本
他们从压缩机腔中完全移除了两个湿储罐，尽管这不是常见的措施，但在这种情况下还是合理的。使用变频压缩机时，如果主压缩机意外脱机并且必须启动备用压缩机，则增大的系统体积会增加可用的失电跨越时间（6），但是并不会提高能源的利用效率。
卸下湿储罐也为除雾过滤器提供了空间（图7）。该10μm过滤器没有可测量的压降，并且从干燥机入口所需的5μm过滤器中消除了很大的负载。这种大型过滤器可以延长滤芯的更换时间，从而降低5μm过滤器的维护成本。或者，如果以相同的时间间隔维修5μm过滤器，则由于负荷减少，压降也会减小。
使用数据记录仪分析结果
改良组安装了数据记录仪来测量能耗，并分析了生产数据以确定新系统的能耗。旧系统的平均功率为168.8kW（图2），而新系统的平均功率为121.5kW（图8）。虽然平均功率的这种差异会由于生产水平的不同而不能代表实际的节能量，但是可以通过计算每个时期的能源强度或计算生产单位量的能耗来更精确地估算实际节能量。计算出的能量强度旧系统为8.432kWh/1000ea和新系统为6.982kWh/1000ea。
每年节省的能源超过242,000kWh，约占基准压缩空气能源使用量的17.2％。在两个采集期之间，平均功率也降低了47.3kW，因此每年节省的需求量可能约为500至600kW-mo。
节省的17％的能源使用量包括压缩机的能效提高了约11％，以及隔膜泵的压缩空气消耗降低了约1.4％。这一变化将压缩空气的使用量减少了约17％，并将每年的泵更换成本降低了约4,900美元。
集管压降所导致的人工需求减少以及新铝管中的摩擦减少，使得节省了基准系统中其它4.8％的能耗。该项目的平均成本为0.072美元每千瓦时，因此每年的用电成本降低了超过19,000美元。
以上详述的维护节省费用约为每年7000美元。考虑到项目所有四个阶段，包括电力公司的回扣，公司的总现金支出刚好超过70,000美元，因此使用近3年的时间即可收回投资。
参考文献
[1] Energy, U. D. (November 2003）. Improving Compressed Air System Performance: A sourcebook for industry. Washington: Energy Efficiency and Renewable Energy.
[2] CAGI. (2012）. Performance verification. Retrieved February 10, 2014, from Compressed Air and Gas Institute: http://www.cagi.org/ performance-verification/data-sheets.aspx
[3] Marshall, Ron. (n.d.）. The "Dirty Thirty" - Discovering perssure differential at the far end.
[4] Burkert USA. (n.d.）. Top Continuous Control. Retrieved February 10, 2014, from www.burkert.us: http://www.burkert.us/products_data/datasheets/DS8630-Standard-ES-ES.pdf
[5] Shi, Y. M.-L.-P. (2010）. Flow Characteristics of pneumatic booster regulator. Journal of Harbin Institute of Technology, 2013-2016.
[6] Wogsland, J. (2001）. Compressed air system upgrade improves production at a steel mill (The US Steel Mon Valley Works）. Case study, National Renewable Energy Lab, Office of Industrial Technologies, Golden.
来源：本站原创
本文中分析的案例为研究提供了“系统方法”的结果，该方法评估了系统的供需双方，以探讨出最节省成本的解决方案，从而实现为广大压缩空气用户的制造过程提供经济合理的高品质压缩空气（1）。
该项目的主要目的是在保持压缩空气品质的同时，提高可靠性，减少维护并降低压缩空气系统的运行成本，该项目包括管道改造，设备升级，压力控制方式变更和压缩机优化。同时，为说明合理性和可行性，该团队还提供了对项目总节省额的评估和验证。
系统方法分析压缩空气系统的重要性
对于这样的案例，通常的做法是分析组件来改善压缩空气系统，往往涉及的方面非常具体，投资回收期短且易于量化（比如用效率更高的压缩机来替代旧压缩机），但能源部门和相关有创新性的压缩空气改善小组主张采用系统方法作为分析和改进压缩空气系统的最佳措施。根据这些组织的说法，系统方法“不仅需要分析单个组件，还需要分析系统的供需双方以及它们如何相互作用”（1）。
系统方法包括以下步骤：
1.设定当前条件
2.确定流程需求
3.收集基准数据
4.制定潜在的节能措施
5.评估经济和技术条件
6.实施措施
7.收集验证数据
8.继续监测和评估系统
这样的系统方法可能更昂贵，更耗时，但它有可能优化压缩空气系统的整体性能，还可通过将某些措施与其它措施的节余相补贴，提供了实施更多节余空间的机会。同时，系统方法可以实现将其它措施的节省量来抵消另外一些措施的消耗量，来实施更多的节约方法。
系统分析压缩空气的供求
现场了解，Rockline工业斯普林代尔工厂现有的压缩机是相同的150匹马力单级定频双螺杆压缩机。美国压缩空气和压缩气体协会（CAGI）将这些压缩机的满负荷下的比效率定为6.68kW/m3·min-1（2），每台压缩机的产量均达。数据记录器收集的基准能源使用情况表明，其中一台压缩机几乎在满负荷下运行，而另一台用于调节的压缩机则通过加载和卸载来控制系统压力（图2）。
调节压缩机的切入压力设置为689.5KPa，切出压力设置为758.5KPa。压缩机腔包含两个湿储罐，总容量为6.814m3。压缩机腔内装有热干燥器，将干燥的空气送入工厂容量为7.57m3的干燥储罐，该储罐通常保持在标准压力689.5KPa左右。在干式储罐和集管回路之间有一个压力/流量控制器，但压力控制装置被设置为维持压力/流量控制器出口的最大压力，但实际设定值大于该最大压力。
分配系统由一个7.62cm的铸铁集管环路组成，该环路向设施中的所有最终用途供应空气。主集管通过单独的、不连续的液滴与隔膜泵相连。这些泵其中有12个用来输送乳液和其它液体。平均每个泵大约每2个月更换一次，这在很大程度上是由于过压导致的机械故障。
铝管可减少泄露并消除停机时间
该项目开始时用9cm铝制管道系统替换了7.62cm的黑铁集管，旧的集管已有20多年的历史，铁管随时间推移而严重老化。最近的一次空气压缩机事故是机油被送入集管，整个工厂关闭了几个小时，而大部分机油却从管道中排出。当系统重新启动时，工厂必须处理系统中多余的油，这些油残留在老化管道的孔和粗糙表面中。
选择新的管道系统（图3）是因为铝管不会随时间腐蚀。此外，由于采用了滑动配合连接，因此安装铝制管道的时间大大少于安装新的螺纹管或焊接钢制管道系统的时间。同时，从理论上讲，正确安装的铝制管道系统绝对不会泄漏，而铁或钢管肯定会泄漏。
优化隔膜泵以减少需求
该公司向当地的压缩空气供应商寻求帮助，以确定正确的尺寸并配置泵系统。他们专注于提高泵的可靠性，从而减少更换故障泵的维护成本。
隔膜泵的额定压力通常为最大压力输入，这是安全操作泵的压力。泵通常还具有最小输入压力，该最小输入压力可能会导致泵失速或停止正常运行。泵的转速随压力变化，并且泵流量也相应变化。因此，可以显著降低泵的转速和占空比，从而节省时间。
如果可以接受延长时间带来的损失，那么压力降低可以节省大量资金。该公司决定，他们可以将管线压力从689.5KPa降低到379.2 KPa，这不会对生产带来负面影响（图4）。
流量控制器和增压器有助于降低工厂压力
现有系统的平均压力为689.5KPa，这其中包括通过处理设备而产生的约34.5KPa的压降，以及与负载/空载控件之间的68.95KPa的压差。这意味着，当压缩机在689.5KPa-758.5KPa之间调节时，集管的压力范围为655KPa-724KPa。额外增加了34.5KPa（或更多）的压降，这意味着终端压力在调节压缩机装载之前可达到约620.5KPa，在卸载之前可达到约689.5KPa。
该设备中最高压力的终端用途包括一组用于气动控制阀的电动/气动定位器。当供应压力降至约620.5KPa以下时，这些定位器不再有作用。如果其中一个定位器在低气压下发生故障，则可能导致生产线关闭或产生废品。因此，集管压力很显然需要设置，来为这些控制器至少提供最低压力。
但是大多数情况下，该设施最终压力都被调节在379.2KPa至551.6KPa之间。电动/气动定位器的固有空气消耗率为零（4），因为它们只是执行定位器的作用。只要定位器处于相同位置，就不会消耗空气。这就是“静态流动”应用的定义，使其成为增压器的理想选择。在定位器组上安装了2:1增压调节器（5），并将其工作压力设置为655KPa，以确保为设备提供足够的供应压力。然后，可以将工厂总管压力降至586KPa，允许最终压力降低34.5KPa，将最终使用压力调节至551.6KPa。设备压力由原始压力/流量控制器调节（图5）。
新型变频空气压缩机可提高能源效率
Rockline工业安装了两台马力都为200匹，额定压力为792.9KPa的喷油变频单螺杆压缩机。该公司选择了这两台压缩机，由此它可以正常运行一台压缩机，而第二台压缩机完全可以作为备用。
新型压缩机在额定工作压力下的比效率低至6.79kW/m3·min-1，在额定流量和完全调节时的效率稍高。它们在满负荷下的效率比旧压缩机低一些，但是由于采用了变频技术，它们在部分负荷下的效率比旧压缩机要高得多。
对旧压缩机的数据记录进行分析（图2）表明，超前/滞后控制方案产生的整体比效率约为7.79kW/m3·min-1。对新压缩机的数据记录的分析表明，总体比效率为6.93kW/m3·min-1。
储罐和管道的更改减少了占地面积和维护成本
他们从压缩机腔中完全移除了两个湿储罐，尽管这不是常见的措施，但在这种情况下还是合理的。使用变频压缩机时，如果主压缩机意外脱机并且必须启动备用压缩机，则增大的系统体积会增加可用的失电跨越时间（6），但是并不会提高能源的利用效率。
卸下湿储罐也为除雾过滤器提供了空间（图7）。该10μm过滤器没有可测量的压降，并且从干燥机入口所需的5μm过滤器中消除了很大的负载。这种大型过滤器可以延长滤芯的更换时间，从而降低5μm过滤器的维护成本。或者，如果以相同的时间间隔维修5μm过滤器，则由于负荷减少，压降也会减小。
使用数据记录仪分析结果
改良组安装了数据记录仪来测量能耗，并分析了生产数据以确定新系统的能耗。旧系统的平均功率为168.8kW（图2），而新系统的平均功率为121.5kW（图8）。虽然平均功率的这种差异会由于生产水平的不同而不能代表实际的节能量，但是可以通过计算每个时期的能源强度或计算生产单位量的能耗来更精确地估算实际节能量。计算出的能量强度旧系统为8.432kWh/1000ea和新系统为6.982kWh/1000ea。
每年节省的能源超过242,000kWh，约占基准压缩空气能源使用量的17.2％。在两个采集期之间，平均功率也降低了47.3kW，因此每年节省的需求量可能约为500至600kW-mo。
节省的17％的能源使用量包括压缩机的能效提高了约11％，以及隔膜泵的压缩空气消耗降低了约1.4％。这一变化将压缩空气的使用量减少了约17％，并将每年的泵更换成本降低了约4,900美元。
集管压降所导致的人工需求减少以及新铝管中的摩擦减少，使得节省了基准系统中其它4.8％的能耗。该项目的平均成本为0.072美元每千瓦时，因此每年的用电成本降低了超过19,000美元。
以上详述的维护节省费用约为每年7000美元。考虑到项目所有四个阶段，包括电力公司的回扣，公司的总现金支出刚好超过70,000美元，因此使用近3年的时间即可收回投资。
参考文献
[1] Energy, U. D. (November 2003）. Improving Compressed Air System Performance: A sourcebook for industry. Washington: Energy Efficiency and Renewable Energy.
[2] CAGI. (2012）. Performance verification. Retrieved February 10, 2014, from Compressed Air and Gas Institute: http://www.cagi.org/ performance-verification/data-sheets.aspx
[3] Marshall, Ron. (n.d.）. The "Dirty Thirty" - Discovering perssure differential at the far end.
[4] Burkert USA. (n.d.）. Top Continuous Control. Retrieved February 10, 2014, from www.burkert.us: http://www.burkert.us/products_data/datasheets/DS8630-Standard-ES-ES.pdf
[5] Shi, Y. M.-L.-P. (2010）. Flow Characteristics of pneumatic booster regulator. Journal of Harbin Institute of Technology, 2013-2016.
[6] Wogsland, J. (2001）. Compressed air system upgrade improves production at a steel mill (The US Steel Mon Valley Works）. Case study, National Renewable Energy Lab, Office of Industrial Technologies, Golden.
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