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工業企業壓縮空氣系統性改造評估

    【壓縮機網】全球最大的消費產品生產商之一的Rockline工業專門生產濕紙巾和咖啡過濾器,該公司在確定發現其阿肯色州斯普林代爾工廠的壓縮空氣系統有節省大量資金的潛力之后,聯系了阿肯色州工業能源信息交換所。隨后,信息交換所的專家開始與Rockline工業,電力公司的代表以及當地的壓縮空氣供應商合作,對系統進行全面評估。

工業企業壓縮空氣系統性改造評估
 
  本文中分析的案例為研究提供了“系統方法”的結果,該方法評估了系統的供需雙方,以探討出最節省成本的解決方案,從而實現為廣大壓縮空氣用戶的制造過程提供經濟合理的高品質壓縮空氣(1)。
工業企業壓縮空氣系統性改造評估
 
  該項目的主要目的是在保持壓縮空氣品質的同時,提高可靠性,減少維護并降低壓縮空氣系統的運行成本,該項目包括管道改造,設備升級,壓力控制方式變更和壓縮機優化。同時,為說明合理性和可行性,該團隊還提供了對項目總節省額的評估和驗證。
 
  系統方法分析壓縮空氣系統的重要性
  對于這樣的案例,通常的做法是分析組件來改善壓縮空氣系統,往往涉及的方面非常具體,投資回收期短且易于量化(比如用效率更高的壓縮機來替代舊壓縮機),但能源部門和相關有創新性的壓縮空氣改善小組主張采用系統方法作為分析和改進壓縮空氣系統的最佳措施。根據這些組織的說法,系統方法“不僅需要分析單個組件,還需要分析系統的供需雙方以及它們如何相互作用”(1)。
 
工業企業壓縮空氣系統性改造評估

工業企業壓縮空氣系統性改造評估
  系統方法包括以下步驟:
  1.設定當前條件
  2.確定流程需求
  3.收集基準數據
  4.制定潛在的節能措施
  5.評估經濟和技術條件
  6.實施措施
  7.收集驗證數據
  8.繼續監測和評估系統
  這樣的系統方法可能更昂貴,更耗時,但它有可能優化壓縮空氣系統的整體性能,還可通過將某些措施與其它措施的節余相補貼,提供了實施更多節余空間的機會。同時,系統方法可以實現將其它措施的節省量來抵消另外一些措施的消耗量,來實施更多的節約方法。
 
  系統分析壓縮空氣的供求
  現場了解,Rockline工業斯普林代爾工廠現有的壓縮機是相同的150匹馬力單級定頻雙螺桿壓縮機。美國壓縮空氣和壓縮氣體協會(CAGI)將這些壓縮機的滿負荷下的比效率定為6.68kW/m3·min-1(2),每臺壓縮機的產量均達。數據記錄器收集的基準能源使用情況表明,其中一臺壓縮機幾乎在滿負荷下運行,而另一臺用于調節的壓縮機則通過加載和卸載來控制系統壓力(圖2)。
  調節壓縮機的切入壓力設置為689.5KPa,切出壓力設置為758.5KPa。壓縮機腔包含兩個濕儲罐,總容量為6.814m3。壓縮機腔內裝有熱干燥器,將干燥的空氣送入工廠容量為7.57m3的干燥儲罐,該儲罐通常保持在標準壓力689.5KPa左右。在干式儲罐和集管回路之間有一個壓力/流量控制器,但壓力控制裝置被設置為維持壓力/流量控制器出口的最大壓力,但實際設定值大于該最大壓力。
  分配系統由一個7.62cm的鑄鐵集管環路組成,該環路向設施中的所有最終用途供應空氣。主集管通過單獨的、不連續的液滴與隔膜相連。這些其中有12個用來輸送乳液和其它液體。平均每個泵大約每2個月更換一次,這在很大程度上是由于過壓導致的機械故障。
 
  鋁管可減少泄露并消除停機時間
  該項目開始時用9cm鋁制管道系統替換了7.62cm的黑鐵集管,舊的集管已有20多年的歷史,鐵管隨時間推移而嚴重老化。最近的一次空氣壓縮機事故是機油被送入集管,整個工廠關閉了幾個小時,而大部分機油卻從管道中排出。當系統重新啟動時,工廠必須處理系統中多余的油,這些油殘留在老化管道的孔和粗糙表面中。
  選擇新的管道系統(圖3)是因為鋁管不會隨時間腐蝕。此外,由于采用了滑動配合連接,因此安裝鋁制管道的時間大大少于安裝新的螺紋管或焊接鋼制管道系統的時間。同時,從理論上講,正確安裝的鋁制管道系統絕對不會泄漏,而鐵或鋼管肯定會泄漏。
 
  優化隔膜泵以減少需求
  該公司向當地的壓縮空氣供應商尋求幫助,以確定正確的尺寸并配置泵系統。他們專注于提高泵的可靠性,從而減少更換故障泵的維護成本。
  隔膜泵的額定壓力通常為最大壓力輸入,這是安全操作泵的壓力。泵通常還具有最小輸入壓力,該最小輸入壓力可能會導致泵失速或停止正常運行。泵的轉速隨壓力變化,并且泵流量也相應變化。因此,可以顯著降低泵的轉速和占空比,從而節省時間。
  如果可以接受延長時間帶來的損失,那么壓力降低可以節省大量資金。該公司決定,他們可以將管線壓力從689.5KPa降低到379.2 KPa,這不會對生產帶來負面影響(圖4)。
 
  流量控制器和增壓器有助于降低工廠壓力
  現有系統的平均壓力為689.5KPa,這其中包括通過處理設備而產生的約34.5KPa的壓降,以及與負載/空載控件之間的68.95KPa的壓差。這意味著,當壓縮機在689.5KPa-758.5KPa之間調節時,集管的壓力范圍為655KPa-724KPa。額外增加了34.5KPa(或更多)的壓降,這意味著終端壓力在調節壓縮機裝載之前可達到約620.5KPa,在卸載之前可達到約689.5KPa。
  該設備中最高壓力的終端用途包括一組用于氣動控制的電動/氣動定位器。當供應壓力降至約620.5KPa以下時,這些定位器不再有作用。如果其中一個定位器在低氣壓下發生故障,則可能導致生產線關閉或產生廢品。因此,集管壓力很顯然需要設置,來為這些控制器至少提供最低壓力。
  但是大多數情況下,該設施最終壓力都被調節在379.2KPa至551.6KPa之間。電動/氣動定位器的固有空氣消耗率為零(4),因為它們只是執行定位器的作用。只要定位器處于相同位置,就不會消耗空氣。這就是“靜態流動”應用的定義,使其成為增壓器的理想選擇。在定位器組上安裝了2:1增壓調節器(5),并將其工作壓力設置為655KPa,以確保為設備提供足夠的供應壓力。然后,可以將工廠總管壓力降至586KPa,允許最終壓力降低34.5KPa,將最終使用壓力調節至551.6KPa。設備壓力由原始壓力/流量控制器調節(圖5)。
 
工業企業壓縮空氣系統性改造評估

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  新型變頻空氣壓縮機可提高能源效率
  Rockline工業安裝了兩臺馬力都為200匹,額定壓力為792.9KPa的噴油變頻單螺桿壓縮機。該公司選擇了這兩臺壓縮機,由此它可以正常運行一臺壓縮機,而第二臺壓縮機完全可以作為備用。
  新型壓縮機在額定工作壓力下的比效率低至6.79kW/m3·min-1,在額定流量和完全調節時的效率稍高。它們在滿負荷下的效率比舊壓縮機低一些,但是由于采用了變頻技術,它們在部分負荷下的效率比舊壓縮機要高得多。
  對舊壓縮機的數據記錄進行分析(圖2)表明,超前/滯后控制方案產生的整體比效率約為7.79kW/m3·min-1。對新壓縮機的數據記錄的分析表明,總體比效率為6.93kW/m3·min-1。
 
  儲罐和管道的更改減少了占地面積和維護成本
  他們從壓縮機腔中完全移除了兩個濕儲罐,盡管這不是常見的措施,但在這種情況下還是合理的。使用變頻壓縮機時,如果主壓縮機意外脫機并且必須啟動備用壓縮機,則增大的系統體積會增加可用的失電跨越時間(6),但是并不會提高能源的利用效率。
  大量的門,配件和潛在的維護問題也增加了儲罐容量。刪除這些多余的儲氣罐可以簡化壓縮機腔的管路(圖6),從而消除與之相關的壓降。它還消除了對兩個額外的ASME壓力容器進行年度檢查和認證的需要。
  卸下濕儲罐也為除霧過濾器提供了空間(圖7)。該10μm過濾器沒有可測量的壓降,并且從干燥機入口所需的5μm過濾器中消除了很大的負載。這種大型過濾器可以延長濾芯的更換時間,從而降低5μm過濾器的維護成本?;蛘?,如果以相同的時間間隔維修5μm過濾器,則由于負荷減少,壓降也會減小。
 
工業企業壓縮空氣系統性改造評估

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  使用數據記錄儀分析結果
  改良組安裝了數據記錄儀來測量能耗,并分析了生產數據以確定新系統的能耗。舊系統的平均功率為168.8kW(圖2),而新系統的平均功率為121.5kW(圖8)。雖然平均功率的這種差異會由于生產水平的不同而不能代表實際的節能量,但是可以通過計算每個時期的能源強度或計算生產單位量的能耗來更精確地估算實際節能量。計算出的能量強度舊系統為8.432kWh/1000ea和新系統為6.982kWh/1000ea。
  每年節省的能源超過242,000kWh,約占基準壓縮空氣能源使用量的17.2%。在兩個采集期之間,平均功率也降低了47.3kW,因此每年節省的需求量可能約為500至600kW-mo。
  節省的17%的能源使用量包括壓縮機的能效提高了約11%,以及隔膜泵的壓縮空氣消耗降低了約1.4%。這一變化將壓縮空氣的使用量減少了約17%,并將每年的泵更換成本降低了約4,900美元。
  集管壓降所導致的人工需求減少以及新鋁管中的摩擦減少,使得節省了基準系統中其它4.8%的能耗。該項目的平均成本為0.072美元每千瓦時,因此每年的用電成本降低了超過19,000美元。
  以上詳述的維護節省費用約為每年7000美元??紤]到項目所有四個階段,包括電力公司的回扣,公司的總現金支出剛好超過70,000美元,因此使用近3年的時間即可收回投資。
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  參考文獻
  [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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