开放的系统评估第一部分。石化装置离心式压缩机的优化

该设施

这家大型石化工厂雇佣了400名员工和承包商。该遗址占地近900英亩。液化天然气被用作工厂生产乙烯的原料，乙烯是世界上使用最广泛的石化产品。然后乙烯被转化成聚乙烯和聚丙烯塑料树脂。这些树脂是无数为现代生活提供必需品的产品的基石，如工业和家用化学品的防漏和防碎容器，保护我们的食品不变质和污染的包装，以及安全耐用的儿童玩具。工厂生产的塑料树脂被卖给塑料行业的制造公司，这些公司通常生产成品。

在过去的一年里，该公司经历了三十(30)次“关闭刮擦”，整个工厂因仪表空气系统的压力损失而关闭。这就是为什么我们公司被委托进行压缩空气系统评估。在这次评估期间，我们的经验重申了我们的信念，即必须以开放的心态对待每一个系统。没有一个单一的、千篇一律的、适用于所有设施的系统评估方法。

该石化设备每年花费111万美元来运行压缩空气系统。该工地的混合电价为每千瓦时0.03美元。每年电力费用为471 000美元，压缩机租金/维修费用为639 000美元。系统评估发现，每年可节省74.3万美元，投资115万美元。这个项目的简单ROI是19个月。

该系统评估详尽地检查了压缩空气系统的供应和需求方面。由于文章篇幅有限，本文的第1部分将详细介绍对供应端所做的改进，第2部分将介绍需求端项目。

供应系统概述

主要的压缩空气系统由五台空气压缩机组成，向现场供应工厂和仪表空气。有两个(2)主压缩机室位于公用事业区和聚合物区。

公用事业区压缩空气系统

公用事业压缩机室有三台压缩机(C2、C3和C4)，其中包括两台1,500 Icfm三级压缩机和一台2770 Icfm四级离心压缩机。系统中的所有压缩机都是无油和水冷的。C3压缩机配有一个蒸汽驱动的涡轮机，它可以释放过程所需的蒸汽。一些压缩机上的后冷器被远程安装在远离压缩机组件的地方，而另一些则是组件的一部分。冷却水的质量很差，因此冷却器很容易结垢。机组安装在压缩机组中，工厂的空气干燥器专用于特定的压缩机。

植物空气干燥器(将在本文的第2部分涉及)是传统的无热干燥剂干燥器，使用活性氧化铝作为介质和压缩空气再生。每个烘干机运行固定10分钟的固定周期，因此吹扫要求不会随着系统需求的变化而变化。每个干燥剂空气干燥器都有一个凝聚预过滤器和微粒后过滤器。预过滤器去除液体和油，防止干燥剂床过早结垢。颗粒后过滤器的设计，以去除将从干燥室携带的干燥剂罚款。

干燥器下游的管道结合到一个共同的6英寸干燥集管喂给工厂空气集管和支持仪表空气集管的保护干燥器。集箱分支到设备的主空气管路，主空气管路配有一个背压控制阀，当仪表空气压力下降到不可接受的水平时，该阀可以调节关闭。背压控制阀不是自动操作的，已经被手动关闭到50%的位置。另一条分支线下游的工厂空气干燥机供应公用事业保护干燥机安排。Utilities Guard烘干机在容器之间手动切换，并使用氮气进行清洗。公用事业压缩机室提供两(2)个3”仪表空气集管，连接到工厂的聚合物区域。3英寸和4英寸的工厂空气集管从公用事业压缩机区域运行到工厂的聚合物区域。

在公用事业压缩机房的三台压缩机使用进口调制在各自的本地控制上运行。设定值轻微交错，因此在不同的部分负载条件下运行。

图1:系统评估前的安装

聚合物区压缩空气系统

聚合物区有两台位于个别建筑物中的压缩机(C5和C6)。C5是一个4级离心式压缩机，额定2,770 Icfm，与C4压缩机的空气端相同。C5配备了一个蒸汽驱动的涡轮机，用于在该过程中降低蒸汽。C5上汽轮机消耗的全部需求是不需要的，因此并不总是有效利用。在一年中的某些时候，送到除氧器的多余蒸汽被排放到大气中(最高可达10,000磅/小时)。由C5产生的空气由植物空气无热干燥剂空气干燥机干燥。分子筛干燥剂干燥器安装在工厂空气干燥器的下游，以进一步抑制露点至-80ºF使用氮气吹扫。工厂空气干燥器下游的分支线给两个主要的工厂空气集管(3”和4”)。压缩机用开放的蒸发塔中的水进行水冷却。每个干燥器都有一个凝聚预过滤器和微粒后过滤器。 The pre-filters remove liquids and oils to prevent the desiccant beds from prematurely fouling. The particulate after-filters are designed to remove desiccant fines that will carry over from the dryer chambers. The compressor operates on its own local controls and has the ability to modulate its inlet valves based on the prevailing discharge pressure (constant pressure).

1.系统需求

在研究过程中，为了更好地了解系统负载的动态，在三(3)台电动空气压缩机上安装了安培记录仪。这两(2)个蒸汽驱动压缩机的负荷在一周内被密切观察，并有良好的记录。空气压缩机的性能曲线从工厂获得，以了解功率与流量输出的空气压缩机根据环境进口条件。在研究期间，压缩空气的消耗量与6173 Scfm的平均需求没有正负15%的变化。

在研究期间，空气压缩机在主要环境条件(62F, 35%进口)下的集体供气侧容量为10,945 Scfm，剩余容量超过4,700 Scfm。在夏季最糟糕的运行条件下，压缩空气系统有3,375 Scfm的过剩运行能力。离心式压缩机的排放质量会根据当时的进气条件和冷却水供应温度而变化。压缩机室区域消耗的压缩空气占总空气的38%。通过对系统的修改，可以消除大部分压缩机房间的消耗，为系统提供额外的离线能力。

从历史上看，如果五(5)台空压机处于运行状态，现场会同时运行它们。在研究的一部分，C4压缩机下降，并仍在使用翻新的airend升级后的过程中。同时操作所有五台空压机并不表示需要压缩空气。例如，当C4启动时，它继续向系统输送不需要的压缩空气。因此，一些在线压缩机通过进一步打开它们的吹气阀，将C4产生的一部分空气清除到大气中。

完成所有的供需侧操作(本文第2部分中介绍)将使系统需求减少超过2,700 scfm——在夏季最坏的运行条件下，剩余6,000 scfm的剩余可用离线容量。我们预计未来对该系统的需求将低于3800 Scfm，这可以由公用事业领域的一台机器和聚合物领域的一台设备支持。

租赁压缩机

压缩空气系统通常在有限的监测点下运行。然而，由于缺乏可以分析的集体信息，网站可能会付出高昂的代价，因为很难做出明智的决定。从历史上看，当其中一台永久性机器坏了或正在维修时，该网站会租用无油空压机。从该网站收集的历史数据表明，在过去三(3)年里，该网站每年的租金平均为20.85万美元。此外，为柴油发动机加满燃料以支持出租单元，平均每年要花费25.55万美元。总的来说，这家工厂每年在租赁压缩机和燃料上的花费平均为46.4万美元。

在短期内，工厂应根据现场条件审查每个压缩机的性能，以确定当压缩机停止使用时的正确操作步骤。从长远来看，需求的减少将使现场无需租用压缩机就能运行，只要工厂在同一时间内不损失超过两台压缩机。

离心式空气压缩机的优化设计

安装的空压机的使用年限在6年到41年之间，需要进行长期规划评估。随着需求从空气系统剥离，将需要更少的压缩机来支持系统。然而，由于仪表和工厂空气系统的分配管道的限制，在可预测和稳定的压力下将空气充分输送到整个系统存在局限性。公用事业和聚合物系统之间的交叉连接包括以下内容:

•IA系统的两(2)条3”线

•一(1)条3”线和一(1)条4”线用于工厂空气系统

分配管道可以升级，以减少整个系统的压降。然而，这种选择是非常昂贵的，并不是最好的选择的网站。从可靠性角度来看，在每个区域(公用事业和聚合物)运行至少一个压缩机是有意义的，这将确保主配电集管的压力恒定。由于上面的聚合物区域有两个压缩机，因此有一个可靠的备份单元是至关重要的。然而，C5压缩机历史上一直不可靠，由于蒸汽驱动的涡轮机，因此应该首先解决。C3压缩机还配备了一个汽轮机，用于在工艺过程中降低水流压力。该过程使用C3压缩机的整个放下蒸汽，因此，与此机器相关的功率成本仅与放下期间的密封损失有关。然而，C3(和C2)是系统中的“薄弱环节”，因为它们额定为105 Psig放电，并包含磨损良好的铝叶轮。由于这些原因，C3的更改是有保证的，并且是短期计划中的优先级。

C5压缩机

C5压缩机由于采用蒸汽驱动的涡轮，存在可靠性问题。我们估计涡轮消耗35000磅/小时，消耗大约2000磅/小时的密封损失。这一过程需要在一年的大部分时间里放松压力。然而，在每年大约1500小时的过程中，一部分泄放蒸汽(约10,000磅/小时)不需要，因此会返回到除氧器，并排放到大气中。包括密封损失在内，损失为12000磅/小时。在一个蒸汽发电成本5.48/1000磅，每年的成本排气多余的蒸汽由于C5的汽轮机是98,550美元。在过去的三年里，每年维护和维修汽轮机的平均费用为49,194美元。C5压缩机的年运行成本(包括浪费的蒸汽、维护和维修)为147,744美元。

压气机透平放汽量存在一定的变化，影响生产运行。在未来，关键是压缩机配置为在一次压缩机故障时自动启动和停止，这将是困难和昂贵的汽轮机。与C5蒸汽压缩机相比，电动压缩机的运行成本更低。对于过程的稳定性，系统的可靠性和运行成本，这是没有意义的保持这个压缩机在一个蒸汽驱动的涡轮机。

从长远来看，该系统需要在聚合物区域内运行一台压缩机。为了保持较高的可靠性，我们建议用电动压缩机代替该压缩机。现有的压缩机可以改装成电动压缩机，但需要进行广泛的改装，估计费用接近200 000美元。C5上的airend与C4压缩机相同，C4压缩机是一个新翻新的4级单元。多年以后，C4压缩机很有可能需要重新加工。修复一个损坏的4级机组的成本可能超过新压缩机的50%，因此很可能没有意义完成。在这种特殊情况下，我们认为有必要拆除现有的C5压缩机，并更换为一个类似尺寸的三级离心式压缩机，额定排气压力在115 Psig和125 Psig之间。购买一台500 HP电动离心压缩机的资本成本将低于20万美元。在研究期间，对最接近的MCC进行了检查，确定它可以支持电动压缩机的电气需求。我们被告知，在安装汽轮机之前，该地区曾有一台电动压缩机在运行。 In the future, the new C5 compressor will be rotated with C6 compressor automatically in order to equalize the operating hours. The airend for C5 compressor should be set aside in a storage area outside of the elements. The airend should be set up for long term storage to include installing desiccant bags as recommended by the OEM. The airend should be turned on a monthly basis to ensure the bullgear is properly lubricated. The ports on the compressors should be covered.

C3压缩机

C3压缩机配备了一个蒸汽驱动的涡轮机，让蒸汽向下进入过程。这一过程100%使用压缩机涡轮排出的低压蒸汽。根据观察到的烟羽长度，核电站估计有2000磅/小时的密封损失。蒸汽发电成本为5.48/1000磅，每年与汽轮机密封损失相关的成本为92,265美元。

压缩机的空调设计的排气压力为105 Psig，因此是限制因素，决定了提供给系统的最大操作压力。由于污垢，压缩机还遭受了高阶段和油温的影响。目前水的质量很差，这是造成污染的冷却器。工厂表示，压缩机在夏季有波动的趋势，因此很难在这段时间内满负荷运转机器。由于这一过程需要从这个单位的放下蒸汽，这是有意义的操作这台机器在未来。然而，机器的设计排放压力和它的“年龄限制它的能力”。根据提供的性能曲线，该压缩机应该能够在95ºF的设计进口条件下运行，而无需担心喘振，因为自然喘振为125 Psig。安装在压缩机排气口处的孔板流量计表明，压缩机产生的流量接近1200 Scfm——在基于其普遍运行条件的机器预期排气范围内。

为了提高系统压力稳定性，我们认为应该将该设备转换为压力更高的设备，该设备可以可靠地在115 Psig到125 Psig的全流量下生产。压缩机使用年限超过40年，已达到使用寿命。在未来，在稍微高一点的压力下运行，只会对压缩空气系统的运行成本产生最小的影响。压缩空气系统中最大的能源节约将通过关闭不需要的空压机实现，空压机自动化将解决这一问题。现有压缩机的级组件可以升级为更高的气头;然而，这种方法将是昂贵的，工厂将仍然有一个旧的压缩机。我们建议采购一个新的空气端，额定1500icfm和125psig排放头压力设计。压缩机的轴马力将被审查，以确保它不会超过汽轮机的能力在冬季的几个月。在未来，这种压缩机将被用作基础负荷机，以100%的能力运行。

C4压缩机

C4压缩机是一种电动压缩机，从1974 l框架，4级离心空压机新翻新的风箱。该压缩机配备了CMC控制器，使未来的自动化系统能够监测其健康和操作点。目前没有关于修改这台机器的建议。然而，重要的是要注意，这台机器有良好的turndown能力。调低被认为是压缩机在满载情况下可以减少的流量，在机器被迫将空气排到大气中(以防止节流喘振)。因此，在某些情况下，这台机器可以作为部分负载机有效地使用。我们不建议在这一点上用进口导叶(IGV)来改装这种压缩机，但应该在一定的间隔进行评估。

C6压缩机

C6压缩机是整个系统中排量最大的机器。这台压缩机最大的特点是它相对较新;它在干净的冷却水上运行，最重要的是在系统中任何机器都有最大的调节能力。根据机器的节流限制(TL)设置及其喘振指数值，我们估计该压缩机目前的调节能力在700至800 Scfm的范围内，在普遍的排气压力。在未来，该压缩机将被指定为主要部分负荷机，因其宽裕的转速。然而，压缩机配备了进口蝶阀(IBV)，在进口产生限制，是能源的破坏。与进口导叶(IGV)相比，IBV消耗的能量从0%(满载)到4%(节流至TL设定点)多。更重要的是，进口蝶阀(IBV)的稳定性低于可选进口导叶(IGV)，因为它的流动特性不是线性的。为了提高系统的整体可靠性和运行成本，我们建议对C6压缩机加装进口导叶。在未来，这台压缩机将通过Modbus进行监控，从而始终知道机器的运行位置。 If the compressor becomes severely part loaded and starts to vent to atmosphere using the blow off valve, the automation may make a decision to start a smaller compressor and shut off this machine in order to supply to become more aligned with demand.

2.系统存储

对于大型分散系统来说，充足的存储空间是至关重要的，因为它提供了压力稳定性，并在损失在线空压机期间储存空气。在研究过程中，测量了PA和IA系统的电容。电容被认为是系统中所有管道和储罐的总容积。IA系统为8,378加仑(77.6 Scf/Psi)， PA系统为10,984加仑(101.8 Scf/Psi)。总的压缩空气系统包含19,362加仑或179 Scf每psia。换句话说，如果从系统中移除179 Scfm，管道中的压力将下降1psig。该值用于预测系统中最大事件时的系统动力学，该事件是一个主要在线空压机的损失。在你的情况下，它将是C6的损失，即2,700 Scfm的流速或每秒45 Scf。使用压缩机自动化，大约需要60秒来检测故障，启动备份机并产生全流量来更换故障机组。我们假设系统中可接受的暂时压降(相对于普遍设定点)是10 Psig。 Therefore the system capacitance must be able to supply 2,700 Scf (45 Scf/sec x 60 seconds) during the event to act as a buffer until the backup machine produces full flow.

系统的存储值必须至少为270 Scf/Psig (270 Scf/Psig x 10 Psig降)，以支持系统中允许10 Psig压降的最大事件。由于该系统已经包含了179 Scf/Psi，因此还需要额外的91 Scf/Psi(约10,000加仑额定最小为150 Psig)的存储空间。如果工厂不能承受在压缩机故障期间10psig压降，那么存储将不得不根据上面提供的计算增加。单个存储接收器最有意义，因为它将是最具成本效益的购买和安装，并将具有最小的占地面积。储罐可以安装在系统中有4英寸或更大的主配电集箱的任何地方。如果没有4”的管道，也可以将水箱套入两个(2)3”的管道。新的10K最小接收器的确切位置可以在项目的工程设计阶段确定。接收槽可以是新的，也可以是用过的。由于您的系统的尺寸要求，您可以为此类服务采购一个使用过的丙烷罐。一个丙烷罐通常是经济有效的，允许现场购买一个比最低要求更大的罐。

3.反冲洗压缩机冷却器

冷却水的质量影响压缩机内部和后冷器的性能，从而对其运行喘振点产生负面影响。被污染的冷却器也会增加空气压缩机的排气温度，增加PA干燥器上的水分负荷。每个压缩机都应该有管道，以便当冷却温差(CTD)增加到不可接受的水平时，可以将其反冲洗到位。CTD被认为是换热器进入冷却水与排出空气温度之差。内部和后冷却器的典型性能是15ºF CTD。例如，系统供水温度为80ºF。如果冷却器没有被污染，交换机的预期排气温度应接近95ºF。C5和C6压缩机配有一个4端口阀，可以调节，以使冷却水通过空压机冷却器的流量反转。我们建议在C2、C3和C4上安装一个类似的4端口阀门，这样它们就可以根据操作温度进行反冲洗。

4.压缩机控制

很难设置多个压缩机有效地运行使用它们自己的本地控制。当空压机位于不同的区域时，复杂性会变得更大。压缩机可以通过单个机器上的交错设定值来“级联”。在此场景下，如果有一台压缩机故障，系统压力将下降，直到下一台压缩机负载或上升。由于没有足够的存储来支持一次空压机的故障，工厂通常在部分负载条件下操作所有压缩机。这种方法可能是有效的，但会导致非常高的操作成本，因为废物是通过压缩机吹除(排气到大气)和调节进口阀门产生的。

一个有效的压缩机供应应该被设计成能够运行所有的在线压缩机，如果可能的话，以100%的容量和最低的可接受的排放压力运行。离心式压缩机以100%的容量满负荷运行是可取的，因为这是每千瓦时提供最大Scfm的最有效的操作点，也是距离喘振线最远的操作点。通常情况下，不可能让所有的压缩机都满载运行，因为需求在一天内会发生变化。在大多数情况下，有效的控制方案将把部分负荷压缩机的数量限制在一个单元内。大型分散压缩机系统很难使用本地压缩机控制或仅采用部分自动化进行优化。当成本有效时，协调空压机顺序的压缩机自动化是保持系统供应侧最高效率的最有效方法。在你的情况下，为了确定在线压缩机的最合适的组合，自动化可以监控精确的操作位置(负载百分比，安培等)是非常必要的。

我们建议安装一个自动化系统，可以自动启动和停止系统中的5台一次空压机。压缩机将使用位于每个压缩机室排放处的操作压力点来运行。自动化将能够监控每个单元的状态(开、关和负载百分比)。如果一个联机压缩机失败,自动化检测-系统压力变化率与一个信号,同时有一个失去动力的空气压缩机(通过监测安培数电驱动的压缩机和辅助接触蒸汽驱动单元)。自动化系统将在压力衰减到生产无法接受的水平之前，先发制人地加载下一个可用的空压机。自动化将根据系统的电容值(系统中储罐和管道的总容积)进行编程，以确定变化率(ROC)或产生的压缩机供应与实际需求之间的差异。一旦下一个压缩机被添加到系统中，自动化必须能够等待并确定压力是否在可接受的时间内恢复。关键之一是能够调优逻辑，使其不会对系统瞬变反应不足或过度。

在所有行动计划项目完成后，系统将能够在两台空压机上运行。我们建议在Utilities区域以100%的容量运行C3, C2和C4处于自动备份状态。C5或C6将作为系统的增量修整机。由于C6有最大的下降，它将是最有效的机器操作。每个压缩机房将安装一个基于PLC的处理器来管理空压机。处理器将通过通信布线、无线或使用光纤主干网相互通信。新的压缩机自动化逻辑应该由一个严格处理压缩机自动化的小组提供，以确保对每个设备的能力和缺点有完整的知识。

5.结论

在所有系统评估中保持开放的心态是至关重要的。每个客户端都有不同的优先级和环境。在这种情况下，消除压力不足的“封闭性摩擦”是当务之急。节省的能源和租金/维护费用只是额外的好处。在本文中，我们重点讨论了系统的供应方面，以及如何使离心压缩机可靠地供应系统，而不需要租用空气压缩机。在第2部分，我们将集中在系统的需求方和实现的行动，以减少压缩空气的需求。

保罗爱德华兹接触;电话号码:704-376-2600,paul.edwards@loweraircost.com，www.loweraircost.com。

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