钢锻设备最大限度地投资压缩空气系统
当一家公司考虑在系统升级上投资超过100万美元时，对他们来说，审查所有选项以获得最佳回报是至关重要的。通过探索整个压缩空气系统的能源效率影响，供应商可以提出项目，为他们带来更大的销售额，并为他们的客户增加财务效益，同时仍然满足资本支出指南。这种“两全其美”的情况在美国中西部的一家铸造厂评估替代蒸汽系统的方案时很明显。
蒸汽锤已被证明在许多工业过程中是无价的，特别是钢铁锻造业务。然而，蒸汽系统的能源效率并不高，因为现代锻造锤要么是液压驱动，要么是压缩空气驱动。当这家特殊的钢铁锻造厂意识到它面临着将近66万美元的延期维修时，它知道是时候联系它的维护供应商寻求帮助了。
分析现有系统
供应商和铸造厂的工程师一起评估现有的系统。据确定，这些老化的设备需要在未来5年内更换。他们还能计算出当前的年度运营成本。他们使用下列方法计算燃料、电力、水和其他杂项费用:
燃料成本
- 假设1101年英国热量单位(热量)生产一磅的蒸汽,并有1000000的热量在1000立方英尺的天然气(MCF)效率(100%),66.1 MCF产生60000磅的蒸汽锅炉的额定容量和数量需要驱动锤系统)每小时。
- 在每年3,000小时的运行时间下，66.1 MCF * 3,000小时=每年使用的198,000 MCF。
- 按燃料费用$6.50/MCF计算，燃料费用为每小时$430，即每年$1 288 950。
电力成本
- 系统水泵总功率为300马力。换算成千瓦，300马力* 0.746千瓦/马力= 223.8千瓦。
- 按$0.0854 /千瓦时(kWh)计算，电费每年运行3000小时，(3000小时/年* 0.854 $/kWh * 223.8 kW)，电费每年为$ 57390。
水的成本
- 用水是蒸汽锅炉的补充水。这个量(每小时10666加仑)是由卖主测量的。
- 假设有10%的水以凝结水的形式返回锅炉，这个量将减少10%(或乘以0.9倍)。
- 按$4.50/1,000加仑(水费)计算，10,666加仑/小时* 0.9 * $4.50/1,000加仑* 3,000小时= $129 600，即系统每年用水的费用。
杂项费用
- 每年锅炉认证:$24,000
- 水处理化学品:29,000美元
- 年维护:65000美元
表1:铸造厂现有锅炉系统的年运营成本接近160万美元。
从蒸汽转换到压缩空气
该工厂每年只需要2700小时的蒸汽生产。然而，锅炉每年在启动期间多运行300小时。用压缩空气系统驱动铁锤只需运行2700小时。因此，现有系统的每小时生产成本为590美元。而且，尽管电厂的负荷是可变的，但现有的系统一直在生产同样数量的输出，导致能源浪费。
供应商从经验中了解到，电动压缩空气系统通常以大约20千瓦或0.2千瓦/ cfm的功率生产约100立方英尺/分钟(cfm)。因此，如果知道该工厂最大需要25000 cfm，那么新系统的运行成本将不超过427美元/小时-比现行制度每小时节省163美元(或每年节省44万美元)。基于运营成本，自然的解决方案是改用电动压缩空气系统来驱动锤子。
这时，工厂工程师要求提出一个新系统的建议。
满足客户的财务要求
这家铸造厂有资本支出指南，要求任何资本项目都有5年以上的简单回报(SPB)²。为了满足这一需要，压缩空气供应商建议安装一个完整的系统，费用为$3 910 000。这个包包括:
- 五台1500马力水冷离心式压缩机
- 每分钟3000加仑(GPM)的冷却塔
- 压缩热(HOC)干燥剂空气染色机
- 所有附带的控件
- 一个120 × 60英尺的没有供暖的建筑来安置设备
使用在现有系统评估期间确定的实际每分钟立方英尺(acfm)负荷曲线，供应商能够计算出新系统节省的能源和水。除了节省660万美元的延期维修费用外，供应商提议的系统(表2)每年还将节省78万美元的能源和水(比目前的年度运营成本减少近50%)，并满足SPB五年的要求。假设每年2 700个工作小时，估计拟议的系统每小时的业务费用为302美元。
表2:供应商提议的系统每年的运营成本为81.4万美元。
评估不同的压缩空气系统配置
像许多企业一样，这家铸造厂希望降低运营成本，但意识到他们缺乏内部专业知识，无法从资产管理和能源效率的角度对其设施进行恰当的评估。为了寻求第三方评估供应商的计算能源节约，该公司联系了一家能源效率咨询服务提供商为铸造的电力公用事业。
来自能源效率服务供应商的能源顾问与工厂工程师和供应商一起确认了供应商提出的系统的节能计算。虽然供应商提出的系统满足了铸造厂最初的财务要求，但能源顾问提出了一系列问题，以确定是否有更好的解决方案，从而实现更大的节能。
能源顾问利用提供的信息设计和模拟了三个初始成本较低的压缩空气系统(表3)。这些系统包括一系列较小的旋转螺杆压缩机，可根据cfm需求进行调节。该模型证实，供应商提出的系统比三种系统中的任何一种都更节能，初始成本更低，因此无需进一步考虑这些系统。
然而，离心压缩机固有的不能匹配千瓦(kW)输入与cfm输出也意味着供应商提出的系统在某些负载下仍会运行效率低下。由于铸造厂的工厂cfm要求在1.5万到2.4万之间(即50%到90%的负载)，能源顾问模拟了另外两个系统，将高效旋转螺杆压缩机作为装饰压缩机加入到供应商提出的系统中。
在更高的系统负载下，与供应商提出的原始系统相比，微调压缩机系统能够在更低的kW水平上运行，而且kW输入与cfm输出更接近，从而为公司带来更大的节能效果。
表3:突出显示建模结果和cfm中不同负载下的功耗比较。
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通过比较每个系统计算的平均每小时运行成本与cfm的预期运行要求，得到了更清晰的画面。该铸造厂现有的锅炉系统是最昂贵的操作，而trim压缩机系统是最便宜的操作。能源顾问推荐了表4中的Trim压缩机系统——选项#1，因为它不仅运行成本最低，而且实际能耗也会随着负载的不同而成比例变化。
表4:压缩空气系统的比较
与供应商建议的系统相比，这一选择将创造一个运行成本更低的系统，每年可节省8.1万美元的能源。然而，它确实需要额外的资本投资40.3万美元，导致SPB 5.3年，没有满足铸造的资本支出指导方针的要求。
寻找更多的节能机会
该铸造厂的工程师希望采用更节能的选项(Trim Compressor System - option #1)，但需要显示该项目五年或更短的SPB，以满足公司的资本支出指南。他要求他的能源效率服务供应商帮助他满足这一要求，因此能源顾问转向辅助压缩空气系统设备，寻找节省能源或成本的额外机会。能源顾问考虑了与压缩空气系统相关的典型节能措施，如适当的尺寸或额外的空气接收器，无损失冷凝液排放，调节冷却塔风扇的速度控制，节能的空气干燥器，系统压力降低和泄漏修复。
在检讨了这些典型措施后，能源顾问认为所有的模型系统都包含适当大小的空气接收器，而额外的空气储存不会增加能源节省。此外，降低压力和泄漏修复的能量转换措施不被认为是该项目的一部分，但铸造公司表示，一旦新的压缩空气系统启动并运行，这可能是一个“二期项目”。
由于设备将位于非加热空间(新建筑)，因此需要特设干燥剂式干燥器。HOC干燥机是最节能的干燥机，因为他们不需要额外的能源来运行。然而，初始资本成本高于其他类型的干燥机。给没有供暖的建筑增加热量并不是一个经济有效的解决方案。因此，没有进一步的能源或成本节约可以通过切换干燥器实现。
无损耗冷凝水排放，提高能源效率
在评估现有系统冷凝水排放时，能源顾问能够识别节能机会。他观察到，该系统使用了定时排水系统，这不是最节能的选择。
排水管用于使不需要的冷凝水从系统中排出。排水有两种基本类型:定时排水和无损失排水。定时排水在预定的时间间隔内定时开启电磁阀。由于这些排水口通常设置的时间最长，当阀门开启时间过长时，就会浪费空气，因为在排水口再次关闭之前，冷凝水和一些压缩空气一起被排出。
无损失排放由浮子阀控制，只在需要时开启，不允许任何压缩空气泄漏，从而节约能源。压缩空气系统和设备从定时排水管升级到无损失排水管的额外成本计算为4800美元，但每年将额外节省16800美元。因此，能源顾问建议在该项目中加入无损失排水系统。
最后，顾问指出，供应商提出的系统将使用一个带有双速风扇的冷却塔。冷却塔风扇的速度控制允许风扇在外部空气温度下降时减速。当空气温度足够低时，简单地通过塔的流动水将产生足够的冷却，无需使用风扇。一个变速驱动器(VSD)控制器用于调节风扇电机的速度，以满足冷却要求，将导致更少的风扇电机能耗比双速风扇控制。能源顾问建议该系统在塔风扇上安装VSD，这样每年可额外节省6000美元的能源，而项目成本将增加11000美元。
与无损失排水和VSD冷却塔风扇控制相关的额外能源节约，使该项目能够以最低的运营成本满足铸造厂5年SPB要求。推荐的带有无损失排水管和冷却塔风扇VSD控制的整流压缩机系统项目总成本为432万美元，每年节省能源88.5万美元，SPB为4.9年。新项目每年节省的资金增加了13.5%，而成本只增加了10.5%。
两全其美
关注初始资本成本以确保满足客户的财务标准一直是供应商的传统做法。然而，这只是问题的一部分。压缩空气解决方案考虑了运营成本和初始资本成本，可以为客户提供更好的财务选择，同时可能创造更大的销售。以中西部的一家铸造厂为例，项目成本从390万美元增加到430万美元。然而，它增加了能源节约，并仍然满足客户对项目的财务要求，证明您可以“两全其美”。
Efficiency Smart与公共电力社区合作，帮助他们的住宅和商业客户使用更少的能源和节省资金。它通过基于绩效的合同为美国市政电力公司(AMP)的成员公用事业公司提供广泛的能源效率服务，AMP社区自愿订阅其服务。 AMP为了其成员社区的利益而建立了Efficiency Smart，自2011年1月其服务启动以来，佛蒙特能源投资公司(VEIC)一直持有管理该公司的合同。 |
¹25,000 cfm * 0.2 kW/cfm = 5,000 kW, 5,000 kW * 0.0854 $/kWh = $427/hour。
²项目成本除以项目年节余。
蒂姆·斯特恩斯(Tim Stearns)是佛蒙特能源投资公司(Vermont Energy Investment Corporation)旗下Efficiency Smart公司的高级能源顾问。可以和他联系tstearns@efficiencysmart.org．欲了解更多信息，请访问www.efficiencysmart.org．
要了解更多关于系统评估的信息，请访问m.ghtac.com/system-assessments．
