压缩空气系统节能的四个方面
压缩空气在能源研究中经常被忽视。然而，对于那些愿意寻找的人来说，这是一片充满机遇的土地。由于使用压缩空气产生1 hp的工作需要大约8 hp的电能，因此评估和优化设施中的压缩空气系统也特别有益。在本文中，我们评估了压缩空气系统的四个特定区域，它们可以显著节约能源。
压缩空气到底有多贵？嗯，作为一种电力向空中的转移，这真是一笔糟糕的交易。使用压缩空气产生1 hp的工作需要大约8 hp的电能。你认为你的电力贵吗？你的空中力量是原来的8倍！
发生了什么?
在你的工厂中，每一个需要压缩空气的工艺都有一个cfm(流量)和psig(所需压力)的最小供应，以使工艺运行在最佳水平。当你以更高的压力供应空气并因此产生更大的体积时，你会产生额外的费用——但并没有提高生产率或质量。这种情况通常被称为人为需求。
你知道每个工艺的最低有效压力/流量要求吗?你是否测量和监控以保持目标?你用/供应的空气太多吗?压缩空气系统会随着压力的升高而继续使用更多的风量。就此而言，你知道压缩空气的成本吗?你用了多少空气?很可能有人知道你每月的电费和使用费用。如果不进行测量和监控，就无法管理压缩空气的使用和成本。
一些有用的信息
- 产生压缩空气的电能成本是由产生流量和压力的马力产生的。简单地说:输入kW x $/kW速率x小时=每年与压缩空气相关的电费。
- 为了实际降低能源成本，必须降低压缩机供应的压力和流量。需求方的行动如果不能转化为较低的投入能源，就不会带来经济节约。
- 典型的空气能耗:
以每年8000小时的0.06 kWh的速度运行，每输入马力产生4.0 cfm的空气供应：
1 CFM成本= $100 /年的能源成本
2 psig成本=每100 HP每年398美元的能量成本
4.在工业工厂中，50%的空气不用于生产。这就是我们所说的储蓄机会。
以下是我们在审计期间在空气系统中观察到的最常见的节能机会。
节约领域#1：管理层和运营商对压缩空气能源成本的认识
由电动机驱动的空气压缩机在运行时，每年将消耗惊人的大量能源。运行压缩机的年动力成本将等于或超过机组的初始成本。
100马力空气压缩机的初始购买价格为30000美元至50000美元，具体取决于类型和选项。同一台100马力压缩机每年运行数小时（功率率为0.06美元/千瓦时，电机效率为0.90），每年的电力成本为43265美元。这是三班制，每周7天，每年47到48周。
你可以用这个公式来估计你的压缩机每年的电力成本。首先，将压缩机的马力乘以0.746，乘以运行时间，乘以功率(即hp x .746 x小时x功率)。然后，用这个数字除以电机效率。
工厂里的每个人都应该知道运行压缩机的总功率成本。这对于使用气动设备工作的人来说尤其重要。
节约领域#2:减少连接管道和空气处理设备的压力损失
空气压缩机排气与工艺之间的管道和空气处理设备是空气系统中最容易被忽视的区域。尽管计算出的摩擦压力损失对管道来说可能很低，但糟糕的管道系统设计(螺旋管道、十字三通连接和死头)可能会造成严重的“紊流驱动”背压。这不仅浪费动力，而且还会导致卸载控制变得无效。选择不当的过滤器和烘干机——不考虑压力损失——只会加剧这种情况。
在配置良好的系统中，从压缩空气供应到工艺(以及总管分配管道)的互连管道应该不会产生压力损失，因此包括主管总管作为“有效存储”的一部分。我们发现的一些更常见的管道机会是:
1.三通连接
一个t形连接是一个压缩空气的供给管道，它试图断裂成一个流动的空气流。这种类型的连接非常常见，90°入口引起的湍流通常相当于3到5psid的压力损失(压力损失是管道相对尺寸、流量、速度等的一个因素)。在我们的100马力的例子中，在没有增产的情况下，你每年要花费近600到1000美元来生产这里损失的压力。
一个．背压向控制系统发送虚假的“卸载”信号，导致过早卸载或额外的压缩机在线，导致多个机组在部分负载和短周期下运行。
使用30 ~ 45°的方向角而不是90°的三通可以消除这种压力损失(如下图所示)。与标准的t形连接相比，定向连接的额外成本通常可以忽略不计。当连接管道的尺寸为20fps或更低时，这种类型的管道可能不会产生问题。
|
 |
图1:典型的t形连接 |
图2:典型的方向角度进入 |
2.死头
“死角”指的是管道在t形接头的相对两端流到一起，导致极端湍流。在下面的图3中，压力损失几乎是10psig。用一个长Ell和一个30°方向入口校正死角，将损失降低到0 psig。这是300马力价值的空气-约$ 1200每psig在我们的例子-或$12,000在每年的电力成本，以生产10 psig浪费在死角。此外，我们有两个压缩机在“功率效率较低”的部分负载。
图3:用长套管和30°方向入口纠正死角有助于减少压力损失。
3.. 湍流驱动的压力损失也是管道中压缩空气速度的函数。为了安全起见，我们尽可能将互连和分配管道的速度定为20 fps或更低。
4.不通过开口大小来管:根据所需的长度和流量确定管道的尺寸。使用传统的压力降图表，显示基于入口压力、管道内径和流量的损失。选择管道尺寸，这将不会记录压力损失。当有疑问时，比较下一个尺寸的管道的材料成本。你可能会发现安装成本上的差别很小。管道安装的大部分材料成本将在人工、阀门和配件上。您不必安装与管道通径相同的阀门——您可以经常“衬套”到更大的管道，保持很少或没有压降，并将成本降至最低。
5．图4显示了西弗吉尼亚州的一个化学加工厂的示例。让我们看看过量的背压对它有什么影响。
图4:化学加工厂两个压缩机室的对比。
6．在前面的案例研究中，8 psig的压力损失是管道中的“摩擦损失”。在高速下，气流驱动的“十字三通”回压导致额外的10 psig压力损失。在我们审查的多机组电厂中，90%以上都存在这个问题。对于步进控制，这将导致短周期，这将保持一个以上的单位在部分负载，并可能导致过早失效的组件，如冷却器，轴承，电机等。
节约领域#3:压缩空气泄漏
假设相互连接的管道和控制装置运行正常，并将相应地相应地减少输入能量以减少空气需求，泄漏将是下一个关键目标。
根据我们的经验，没有正式的、监控的、有纪律的压缩空气泄漏管理计划的工厂，累积泄漏水平将等于总空气需求的30%或更多。
所有工厂都可以从一个正式的持续泄漏管理计划中受益。最有效的方案是那些让生产主管和操作人员与维护人员协同工作的方案。因此，建议所有方案由以下内容组成:
- 短期:由维护人员进行持续泄漏检查，以便在一段时间内，每季度检查一次工厂的每个主要部门，或至少每六个月检查一次，以识别和修复泄漏。应保存所有发现、纠正措施和总体结果的记录。在生产和非生产期间，应使用高质量的超声波泄漏定位器进行检查。
- 长期:考虑制定计划，激励操作人员和主管识别和修复泄漏。有一种方法在许多操作中都行之有效，那就是监测每个部门的空气流量，并让每个部门负责确定其空气使用量，作为该地区运营费用的一个可衡量部分。这通常与有效的内部培训、意识和激励计划相结合时效果最好。
节省区域#4:使封头压力高于要求
这通常是由过多的系统压力浮子引起的，这是管道，调节器，有时压缩机控制问题。然而，通常情况下，这是一个或多个“需要”某种“最小压力”的过程。这些声明应该经常被审查，因为它们来自哪里，即“感知”操作，OEM规格，等等。
例如:
“我的磨床需要98 psig才能运行。因此，空气系统至少需要98 psig。”
图5:审计前的磨床操作。
当你听到这些话时，开始寻找操作人员真正在告诉你什么:“当系统头压力低于98 psig时，他的磨床工作不好。”生产人员通常不知道工具上的实际压力，他们可能也不知道工具使用了多少空气。
生产配套设备的选择如下:
- 1/2英寸软管太沉，用3/8英寸软管
- 使用两个3/8英寸快速断开装置（成本更低）
我们在最近的空气系统能源审计中发现了这个场景。工厂的其余部分可以在80 psig下运行。由于研磨区(占总需求的20%)需要它，所以系统处于98。
测试表明，在负载下，工具的实际入口压力为63 psig，集管压力保持在98 psig。换句话说，通过3/8英寸软管和快速断开连接，我们有35 psig的压力损失。进一步测试表明，这些特殊工具的最佳入口压力为75 psig。
图6:系统评估和建议更改后的磨床操作。
标准的3/8英寸快速断开(每站综合压力损失为23 psig)改为工业快速断开(每台设备额外$2.50 -每站$5.00)，每站综合压力损失为5 psig。
3/8英寸的软管被替换为一根1英寸的管道，该管道通向电站的底部（每个电站的成本为30美元）。选择一个调节器，在75 psig和80 psig进料压力下向研磨机输送全流量（消除人为需求）。集管压力降至85 psig的受控压力。18个月后的结果：
- 研磨机的工具修理失败了
- 整个工厂的产量增加了30%(包括17台新磨机)和其他新设备
- 改变磨床面积分布的实施成本:
(9站):
- 快速断开:180.00美元
- 管道270.00美元
- 监管机构912.00美元
- 总计1362.00美元*
不错的回报
- 总空气需求从平均1600立方英尺下降到1400立方英尺。产量增加了30%，但实际使用的空气却减少了。
我们在这里做了什么？我们从以下过程开始：你在工具上真正需要什么压力？多少空气？我们如何以一致且经济的方式将其应用到工具中？
这里的诀窍是计算或测量静止和工作时流向工具或工艺工作站入口压力的气流，同时测量收割台压力。如果集管压力保持稳定且工艺入口压力下降，则我们知道从集管到工艺的进料存在限制。
如下所示，工作台和带条是封头进给过程中最常见错误的一个例子——FRLs(过滤器，调节器，润滑器)和QDs(快速断开)。在许多情况下，这些选择很少或没有考虑到性能，即在实际流量下有多少压力损失?相反，它们通常是根据“孔的尺寸”来选择的，即需要什么尺寸的快速断开?这是软管、管道或工具的连接尺寸，与应用程序的尺寸无关。
例如:
图7：工作台和捆扎机
在图7中，我们有17 psig的压力损失通过3/8英寸的管道和带。这条卷带在工作时牵引约50 cfm。
工作压力损失为（80 psig入口压力）：
- 30英尺3/8英寸管@ 6 psig损失(1/2英寸将有0 psig损失)
- 标准3/8英寸断开装置（1套2个，带阻=22 psig损耗）
将“标准快速断开”替换为“工业”额定断开(一组2个)，更多的流量/更少的降，减少压力损失从22 psig到8 psig。额外成本每套快速断开是$3.36。用我们的例子来说，7 psig的能量浪费导致每年1400美元。
显然，“真正的解决方案”是使用1/2英寸的管道和1/2英寸的工业断开连接，从而消除大部分(如果不是全部)压力损失。
使用相同的示例，让我们看看压力损失或压降为20 psig时的FRL选择。我们是如何选择这个设备的？
- 什么尺寸的调节器？1/2英寸
- 你需要过滤器和润滑器吗？为什么？
- 过滤器保护调节器，润滑器润滑带。
让我们来研究一下实际情况。选择的调节阀“额定流量为140 cfm”。那么100 cfm可以吗?这是一个罕见的调节器选择，得到如此多的思考!但这还不够。100cfm流量下的“下垂”或出口压力是多少?它是30 psig的调节器。那过滤器和润滑器呢?作为一个团队，总的下降现在是45 psig。
你需要过滤器吗?如果你不知道，为什么要浪费精力呢?注油器不适用于带钢上的空气马达。带带最好在带带前面加一个正确选择的润滑器。
通常情况下，frl、快速断开和工艺进料管道都是根据尺寸、方便性和价格来选择的，很少或根本不考虑流量和/或压力损失的余量。在分配或工艺方面，任何有效的压缩空气节能计划的基石是确定最低的有效压力，使工艺运行在最佳性能。然后，通过使用我们拥有的所有工具，包括管道、连接、压力/流量控制器、适当的存储等，可以实施方案，以尽可能低的成本和压力损失实现这一目标。
当你有一个低压问题的工厂，大多数时候(90%到95%)，我们发现问题不在标题，但标题的饲料。头文件的大小应该在20到30帧每秒或更高的速度之间，并尽可能循环。
假设真的需要高压
你可能想要用一个次要的、较小的高压单元或一个适当的“助推器”来满足局部高压需求，而不是驱动整个系统升高。在图8所示的过滤器压力需要100 psig最小，而其余的化学工厂运行良好在90 psig。
在这种情况下，要经常检查高压空气是否确实需要。如果是的话，下一个问题是:我们能否修改工艺以降低空气的压力?例如，换一个直径更大的气缸。如果没有，有几种替代方法来处理这种情况。
例如
第一个工作是计算或测量空气量(cfm)，所需的压力(psig)，和周期时间(开/关时间)。有了这些数据，我们可以计算出最有效、最高效的答案:
- 使用单独的空压机和系统为工艺提供专用空气。
- 使用增压压缩机或液压增压器供应高压空气。
- 使用存储。
图8：使用增压器、储气罐和调节器有效地提供更高的压力。
总结
我相信你可以看到这段旅程通过系统是一个调查。我们观察、测量、计算、测试压缩空气，并把它当作一项昂贵的公用事业——因为它就是一项公用事业。确定它的成本，并将其应用于一个过程的可控生产成本，就像你对电、蒸汽等的做法一样。
压缩空气是一种能源密集型的公用事业——比电力贵7到8倍。然而，它仍然站在“机会之门”上，而不是进入有效的成本控制和管理领域。
控制和管理这一公用事业成本在供应和需求方面都有重大机会。为了使任何计划“优化”经济机会，那些负责短期和长期实施的人必须专注于系统的所有相关部分，并了解工作部分。
欲了解更多信息，请联系汉克·范·鲍鱼，美国航空动力公司总裁，电话：740-862-4112，或访问www.airpowerusainc.com．
阅读更多关于系统评估，请浏览m.ghtac.com/system-assessments．
