优化空气需求波动较大的压缩空气系统

摘要

当空气系统需要大量的空气(约>100 m3/min)和空气需求在白天高度波动时，终端用户普遍认为，大型变速螺杆压缩机可以提供显著的节省机会，通过精确匹配压缩气流的系统需求。

以图1所示的例子为例。当日流量需求的变化率高达最大空气需求的90%时，该研究从安装的压缩机数量、压缩机尺寸和压缩技术类型(即无油离心式和无油旋转式)方面比较了六种替代方案的能耗。

图1:24小时内高变异性(90%)的流量剖面。

在分析中还考虑了空压机控制系统及其不同控制逻辑的影响。manbetx客户端12-5下载

然后，将相同的6个解决方案的能耗与不同的空气需求模式进行比较，以模拟6个系统在生产需求变化的情况下的行为(即，也考虑其他4个具有不同可变性的每日空气需求模式)。

选择正确的压缩空气解决方案

有不同的压缩技术，每一种都有自己的优缺点，取决于具体的应用、操作范围、功率、容量等方面。

然而,当一个空气系统需要大量的空气和空气白天高度波动的需求,这是一种常见的信念在终端用户中,只有大的使用,变速螺杆压缩机可以提供巨大的储蓄机会通过完全匹配压缩空气的流动送到系统的需求。

本研究的目的是比较和评估六种不同的压缩空气解决方案时，空气需求是高度波动的。研究考虑了如图1至5所示的五个可变流廓线，以定义一些指导方针，以帮助终端用户选择最适合他们应用的系统。

相关案例研究

在案例1(图1-2)中，空气需求在昼夜交替之间波动很大，从大约30 m3/min到220 m3/min，这代表了流量的90%的变异性。

图2进一步定义了案例1中的流型。y轴表示请求流，左边是一个绝对数字，右边是请求的最大系统流的百分比。x轴表示时间占总观测周期的百分比。根据这些数据，研究人员可以推断，案例1中的电站几乎有50%的时间运行在平均流量以下。这是一个典型的生产现场，两个6小时的夜班低空气需求和两个6小时的白班高空气需求。

图2:高变异性(90%)流谱

图3至图6所示为其他四宗个案，分别代表以下情况:

病例2(图3):另一个高度可变的频谱，变异性为90%，但与案例1相比，只有30%的时间需要比平均流量少的流量。这是一个典型的生产与一个八小时夜班低空气需求和两个八小时白班高空气需求。

图3:介质时间的高变异性(90%)流动剖面

案例3（图4）：与第1和第2例相似，但变异性比以前更低(约为最大流量的65%而不是90%)。为了区别于前两种情况，我们称之为中等变异性的情况。对于情况1，这种可变性会持续很长一段时间，因为大约50%的时间内要求的流量小于平均流量。

病例4(图5):中等变异性流型(约为最大流量的65%，如情况3);与Case No. 3相比，比平均流量少的情况只占30%的时间。

病例5(图6):一种低可变性的流型，其可变性仅为全天最大流量的约30%，代表每天24小时-几乎恒定的产量。

压缩机节能解决方案

从能耗角度来看，对于案例1-5中描述的情况，有六种压缩机替代方案:

• 解决方案一考虑一台离心式压缩机和一台最大流量为系统最大流量需求一半的大型(700kw)变速螺杆压缩机。
• 解决方案B采用两台离心压缩机，其最大流量为系统最大流量需求的一半。众所周知，离心式压缩机可以用较小的调节范围或较宽的调节范围来设计最佳效率，也称为调低，但设计效率较低。在第二种解决方案中，压缩机是为最高效率而设计的，具有最新和最有效的负载共享控制。
• 解决方案C采用双离心式压缩机设计，调节范围广。此外，在这个解决方案中，就像所有的解决方案与多个离心压缩机，离心压缩机有一个负荷共享控制，因为这个控制系统总是允许通过扩大系统的调节范围来减少离心压缩机的吹出。manbetx客户端12-5下载
• 解决D考虑三个最大流量为系统最大流量需求的三分之一的离心压缩机。它被设计为广泛的调低和负荷分担控制。
• 解决方案E考虑混合技术，但在这种情况下，有两个负载共享控制的离心压缩机和一个小型(160千瓦)变速螺杆压缩机。在这个场景中，压缩器不受调度程序的控制。这意味着小的变速螺杆压缩机只用于覆盖峰值空气需求。
• 解决方案F使用与E中相同的压缩器，但在本例中，这三个压缩器由调度器控制。调度程序允许系统运行-例如，加载，卸载或关闭-每个压缩机根据一个预定义的时间表，以优化系统从不同的角度;在这种情况下，从能源消耗的角度来看。

回到图1中的原始流量分布图，解决方案A——一台离心式压缩机和一台大型变速旋转式压缩机——可以精确匹配系统要求的流量。因此，这是一个无与伦比的组合，因为没有浪费空气。然而，我们必须确定的是，从能源消耗的角度来看，这是否也是最有效的解决方案。如图4所示，使用一台最大流量等于最大系统需求的离心式压缩机是不可行的解决方案，因为存在大量的废气。因此，此配置未列在前面讨论的解决方案中。

图4:仅一台220 m3/min离心压缩机放空

当在一个系统中安装多个离心压缩机时，可以通过安装负荷分担控制系统来减少离心压缩机的排气。manbetx客户端12-5下载图8和图9显示了在没有负荷分担控制系统和有负荷分担控制系统的情况下，两个相同的压缩机的最大流量是系统最大空气需求的一半，其调节范围的差异。manbetx客户端12-5下载

图5:两台110 m3/min离心压缩机的吹气，无负荷分担控制

图6:两台负荷分担控制的110立方米/分钟离心压缩机的吹气

变量流的需求超出了自然调节范围-也被称为“疯狂下行”的离心式压缩机,使用最先进的负载分配控制系统总是有益的,当两个或两个以上的离心式压缩机系统中使用时,由于空气排出减少。manbetx客户端12-5下载

在方案B到F中描述的每个方案都允许系统有不同数量的废气。在某些情况下，如解F(图7)，吹气是最小的。采用一台离心式压缩机和一台大型变速螺杆压缩机，非常接近方案A的零放气。然而，决定最佳系统的不是吹气量的最小化，而是能源消耗的最小化。

图7:在解决方案F中，吹气使用两个100 m3/min的离心压缩机和一个25 m3/min (160 kW)的变速螺杆压缩机

考虑方案a到F中使用的每台压缩机在8 barg压力下的性能，图8给出了箱号1长时间高变异性流型的日能耗对比。它还显示了解决方案A(不可战胜的解决方案)和其他五个解决方案之间的相对效率。以解A的效率为参考，等于100。

图8:系统比较，日能耗

解决方案A不是最好的解决方案，但解决方案F——由两台负荷分担的离心式压缩机和一台带有调度程序的160千瓦变速螺杆压缩机组成——是节约能源的最佳解决方案。与解决方案A相比，解决方案F让用户节省了近3%。

解决方案C -配置两个离心式压缩机设计与广泛的调节范围和负荷分担控制-尽管一些空气吹出，仅0.3%的效率比解决方案A;因此，从操作的角度来看，这是一个更好的选择。事实上，如果我们考虑每年300个运行天和0.10欧元/千瓦时(0.13美元/千瓦时)的平均能源成本，与解决方案c相比，解决方案A每年仅能节省1500欧元(19500美元)。解决方案A使用两台压缩机，备件完全不同，如果需要备用压缩机，只能选择一台，不能保证相同的运行效率。解决方案C，使用两个相同的离心压缩机，消除了这两个问题。

图9显示了6种压缩机解决方案在不同气流模式下的年纯能量成本对比¹，如图1所示。另一个重要的考虑是评估六个解决方案的行为，以防未来的生产变化影响每天的空气消耗。

图9:案例1年度能源成本对比

案例2到5中的流动模式代表了不同生产条件下不同的可变气流廓线，涵盖了几乎所有的解决方案——从最大的变量到最小的变量——如图3到图6所示。

表1总结了方案A和其他五个具有可变流型的方案(如案例1至5)之间的相对效率。

表1能效比较:以方案A的能效为参考。负的红色或橙色百分比表示系统的效率低于A方案，正数和绿色数字表示系统的效率高于A方案。黄色表示两个系统的效率或多或少是相等的。最后一排是考虑系统效率(或年度能源成本)、灵活性和易用性(即通用备件和同等效率的备用压缩机)的6个解决方案的排名。

再次考虑压缩机在8 barg压力下的性能，每年运行300天，平均能源成本为0.10欧元/kWh（$0.13/kWh）。与解决方案A相比，解决方案F允许运营商在第1种情况下每年节约15000欧元（19500美元），在第5种情况下每年节约约40000欧元（52000美元）。解决方案C的能源成本略高，在第1种情况下每年节约约1500欧元（1950美元），但在第5种情况下，其每年节约约25000欧元（32500美元）与解决方案A相比，每年节省成本。在评估案例1时，人们可能会想知道解决方案A（能够准确提供系统要求的气流，而无需任何空气排放）如何与解决方案C具有几乎相同的效率。答案如图所示。13和14。

图10比较了不同离心模型和大型变速螺杆压缩机在8 barg下的比功率。在设计点工作的75 m3/min离心式压缩机的效率比500 kW变速螺杆式压缩机高19%；115 m3/min离心式压缩机的效率比700 kW变速螺杆式压缩机高14%；140 m3/min离心式压缩机的效率比900 kW变速螺杆式压缩机高19%。

图10:8 barg下的特定封装功率比较

离心式压缩机在接近其设计点或一般在其全调节范围内工作时，相对于变速螺杆压缩机节省的能量，弥补了离心式压缩机放空所浪费的能量。事实上，如果我们绘制C方案中使用的115 m3/min离心压缩机的包装比功率，无论是在其调节范围内还是在吹气时(图11)，我们可以看到，在更宽的范围内，比功率仍然比仅在调节范围内更好。

图11:在全工作范围内8巴的具体封装功率比较

离心式压缩机的考虑

综上所述，只有了解实际重量或平衡情况，在百分比时间或可变运行条件方面，才能让操作人员判断大变速螺杆空压机是否适合系统。这是一个经常被忽视或误解的重要概念。我们将用另一个实际案例来阐明这个概念。

有一个客户有5台旧的4巴离心压缩机，尺寸从70 m3/min到120 m3/min不等。去年，他决定更新压缩机室，以降低运营成本。他说，已经进行了审计，第一步是提高系统的效率。为此，他决定用一台500kw变速螺杆空压机取代一台离心式压缩机。

经过进一步调查，他们确定，在上午8点至10点之间，制造商不得不关闭一条生产线，为第二天生产的玻璃品种做准备。在这两小时内，他们有60立方米/分钟的过剩空气。由于旧离心压缩机只能调节20 m3/min，离心压缩机放出40 m3/min的空气。他表示，通过将该压缩机替换为一台500kw变速螺杆压缩机，他们将能够避免任何泄漏，提高系统的效率，并降低运行成本。

不幸的是，这是一种错误和误导的方法。诚然，500kw变速螺杆压缩机在工厂停机期间可以避免放空，但客户并未考虑如图12所示的实际性能对比。客户应对新型两级离心压缩机和所需的两级500kw变速螺杆压缩机进行能源成本比较。

图12:4巴调节范围内的具体封装功率比较

从压缩机的数据表中可以得出，在4巴的工作压力下，一台500kw变速螺杆压缩机的效率比等效离心压缩机低43%。离心压缩机即使吹出13m3 /min，也比变速螺杆压缩机效率高。

为确定适用于该应用的最佳机器，客户应评估每天两小时排放40 m3/min的成本，并计算使用压缩机的额外成本，该压缩机在一天剩余的22小时内效率降低43%。

计算显示:

排污成本:

40 m3/min × 4.3 kW/m3/min × 2 h/d × 350 d/y × 0.10€($0.13)/kWh≈12.000€($15,600)/年

使用效率低43%的压缩机压缩80 m3/min 22小时/天的额外成本:

80 m3/min × (6.0 - 4.2) kW/m3/min × 22 h/d × 350 d/y × 0.10€($0.13)/kWh≈110.000€($ 144000)/year³

为了避免在预定的停机时间内因吹气而造成的每年12,000欧元(15,600美元)的浪费，客户将花费110,000欧元(14.4万美元)/年，在剩下的时间里运行效率低43%的压缩机。即使我们认为22小时/天,变速螺杆压缩机并不总是在全负荷工作,不同的是如此之多,很难确认客户会节省能源和金钱购买500千瓦变速螺杆压缩机而不是新的离心压缩机。

结论

本文中的案例分析表明,当一个空气系统需要大量的空气(ca。> 100 m3 / min)和空气的需求高度波动的白天,使用大型变速螺杆压缩机(300 - 400千瓦及以上)几乎代表了神奇的解决方案,通常由一些压缩机制造商声称。替代技术或解决方案，如负荷分担控制的离心式压缩机，通常允许操作人员实现更大的能源节约，尽管系统空气排放。

事实上，离心式压缩机可以比大型变速螺杆压缩机更高效，即使它们的排气量是其设计能力的10-15%。与其评估一种压缩机技术是否减少了压缩空气的排放，不如建议操作人员评估压缩机在满负荷和部分负荷下的运行范围内的效率。

首先，重要的是要知道系统的准确流型和流谱，以确定压缩机将在一种条件下运行多长时间相对于另一种条件，例如，吹出一些空气与运行在其设计能力附近。因此，在开始任何评估之前进行空气评估是很重要的。结果必须读取和解释正确-而不是利用来证明压缩机的销售!

然而，每一种情况都是特定于客户的，应考虑可能影响最终选择的几个方面:安装要求、占地面积、备份单元和/或备件库存的需要、系统在未来不同生产需求时的灵活性以及初始资本投资。初始资本投资被有意地排除在本研究之外，因为该范围仅从能源消耗的角度来评价系统。最初的资本投资和回收期将决定最终的决定。在不进行定价或细节讨论的情况下，方案B和方案C的初始资本投资可能最低。

欲了解更多信息，请访问ingersollrand.com或ingersollrandproducts.com．

⑨能源成本比较仅基于新压缩机的性能，即未考虑转子磨损对螺杆压缩机的影响，这会显著恶化压缩机性能。这种劣化不会发生在离心式压缩机上，因为它们本质上是无磨损的。
²注意，离心式的每个平方表示仅在其设计流量下一台机器的比功率;它不是一个曲线在所有的调节范围，如变速旋转

每年12000€($ 15600)是最糟糕的情况，因为在现实中并不是所有的日子客户都必须改变生产线。此外，如果安装了防吹气的负荷共享系统，可以避免连续吹气两个小时，将每年12000欧元(15600美元)的成本降低到几百欧元(美元)。

要阅读更多系统评估文章，请访问m.ghtac.com/system-assessments。