从废水搅拌到空气压缩机控制，食品处理器发现74%的节约潜力
许多人都知道，系统测量对于确保压缩空气系统高效、有效地运行、具有良好的空气质量和足够的压力至关重要。一家跨国食品公司(为了保护无辜者，没有透露名字)也很明白这一点，他们开始了一项集中努力，测量和改善他们在世界各地的许多加工厂的压缩空气系统。
通常情况下，压缩空气系统的节省潜力在10%到30%的范围内，但偶尔也会出现一些由于特殊问题而效率极低的系统。这篇文章集中在这样的一个系统审计，作为这一全球努力的结果，有非常低的效率，由于压缩机控制问题，缺乏存储和高泄漏浪费。
出身背景
所研究的设施是一个小型食品加工和包装厂。空气压缩机容量包括两台25 hp风冷润滑螺杆压缩机和专用冷冻空气干燥器。压缩机房的存储容量为80加仑，其中80加仑位于工厂系统的远端（使用小型管道连接无效安装）。一个由八个超大并联过滤器组成的系统，在压缩空气进入工厂之前，将压缩机润滑剂从压缩空气中清除。
初步观察表明，该系统计划有一台主压缩机和一台完全冗余的备用压缩机，然而，似乎两台压缩机大部分时间都在运行。下表显示了初始现场检查时和两周后两台机组的运行时间：
表1:基于百分比负载，操作概要看起来可疑。
寿命运行小时数和两次观察之间的小时差均表明，压缩机在空载运行时花费了大量时间，尤其是1号机组，负载小时数仅为1%。这些读数表明可能存在显著的空载功耗浪费，因此需要进一步测量基线。
安装测量仪器来测量压缩机排气处、过滤器和干燥器后以及工厂生产区的压力。每个压缩机上都安装了功率表。用手持式功率计测量空气干燥器，发现它们有恒定的负荷，表明它们是非循环单位，即使在相关的空气压缩机关闭时也会消耗能量。
图1:系统配置设置为一个主系统和一个备用系统。
图2：典型的每日剖面图显示了压缩机控制的问题。点击在这里扩大。
图2显示了数据记录器捕获的典型每日操作概要。在第1点，我们可以看到，在夜间非生产时间，两台压缩机在只有一台负载的情况下持续运行。第2点显示，在生产时间内，主压缩机上的负载有时达到接近100%，第二台压缩机启动和停止，从未保持负载超过几秒钟。对备用压缩机负荷（图3）的详细分析表明，在这段时间内，第二台压缩机仅在很短的时间内加载，并且压缩机在此时间内正在争夺控制权，这表明压力设置协调性差，并揭示了由于缺乏足够的控制存储接收器容量而导致的问题。
图3:生产班次时的压缩机剖面显示压缩机在争夺控制。点击在这里扩大。
数据还显示，压缩机的空载功耗远高于额定的25%，两台机组的实际功耗分别为54%和42%。这意味着浪费的卸载时间消耗了相当多的额外电力。
数据显示，峰值生产需求略高于一台压缩机的承受能力，需要第二台压缩机来维持压力。这与拥有100%冗余备份能力的愿望不一致。
发现系统具有以下基线读数：
表2：基线读数。
可以看出，1号机组的比功率为571 kW/100 cfm，与高效运行压缩机的最佳值约为22 kW/100 cfm相比，这一数值非常低。
对该系统的总体评价是，由于滞后压缩机(C1)大部分时间都是空载运行，压缩空气的生产效率较低。这种无负载运行时间是由于压缩机室的存储接收器容量不足造成的，导致内部控制算法保持滞后压缩机不必要地运行。与更高效的VSD或启动/停止操作相比，压缩机以加载/卸载模式运行，这限制了压缩机在较轻负载时的效率。
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缺乏存储会影响效率
现有的压缩机只有160加仑的储存容量来工作。只有80加仑的容量位于压缩机室，在干燥机的干燥侧。这种不足导致压缩机以高频率循环，大约每40秒循环一次。这种接收器能力的有效性受到空气干燥器上4psi压差和系统过滤器上约2psi压差的限制。这意味着压缩机的运行“就像”只有120加仑连接在机组上一样。对于输出105cfm的压缩机，典型的推荐有效存储容积在500到1000加仑之间，这将使压缩机的循环时间大约为240秒(4分钟)，这将大大降低压缩机的功耗，并在高峰需求时更好地稳定压力。
这种存储能力的缺乏还导致了旋转螺杆空气压缩机的另一个问题，这是由于一个内部算法，跟踪压缩机循环期间的压力衰减的斜率。如果衰减快，压缩机控制将在压力达到卸载压力设定时预期需要时启动压缩机。即使在正常的负载/卸载操作中，降低的存储容量也允许一个快速的斜坡，诱使压缩机启动，即使不需要第二次运行的压缩机。因此，压缩机1大部分时间都是空载运行的(在整个测量期间，93%的时间是空载运行的，只有2%的时间是空载运行的)。由于C1的空载功耗高于正常(满载的54%)，因此空载运行时间浪费了相当大的电力。如果增加大量存储，并协调压缩机压力带，可以获得良好的节省使用现有压缩机(调整卸载kW)。这一措施将使第二台压缩机的运行时间几乎为零，节约维护成本。
图4：压缩机功率剖面图显示了缓慢的卸载周期。点击在这里扩大。
图4显示了C2单独工作时(C1关闭)的功率分布。如图所示，当压缩机卸载时，需要很长一段时间才能将功率降至最低水平。每分钟循环次数越多，浪费的能量就越多。增加存储，并设置系统使第二台压缩机不正常运行，节省电力。
泄漏试验
使用超声波检测器进行泄漏检测，发现20处重大泄漏，耗损约38 cfm。根据压缩机占空比，泄漏量约为平均压缩空气产量的62%。发现大多数泄漏位置位于气动管道连接和泄漏过滤器排水管上的推锁配件上。
根据观察，大约20立方英尺左右的泄漏可以很容易地修复。减少泄漏将使工厂的峰值流量降至一台压缩机的容量范围内，从而产生冗余备份。这个工厂没有泄漏修复程序，也没有容易测量泄漏的方法。审核员建议安装一个廉价的热质量流量计，用于确定非生产负荷。建议工厂选择最大允许泄漏率，在泄漏超过预期水平时进行泄漏检测和修复。
不适当的使用结束
在进行泄漏调查时，发现了一些潜在的不适当的最终用途：
- 压缩空气被用来为生产机器的密封提供大约20 psi的正压力。
- 在污水处理区安装了大型压缩空气驱动隔膜泵。这些泵有能力消耗60%的容量，一个25马力的压缩机，当他们运行(正常关闭)。
- 安装了空气搅拌装置，以帮助在容器中混合污水污泥。如果允许每个搅拌喷嘴在全流量下运行，则可能消耗一台压缩机的大部分输出。
图5:空气搅动污水处理容器可能是不适当的最终用途。
压缩机冷却问题
在现场观察期间，在压缩机房内获取了热读数。这些读数是在环境冷却空气温度接近70华氏度时进行的，而压缩机产生的压缩空气温度为100华氏度或接近100华氏度，即使在轻负荷时也是如此。冷却空气通过每个压缩机上方不完整的管道进行加热。热空气从管道的缝隙中溢出，并被吸入压缩机和干燥器的冷却空气入口，导致排放空气过热。这种空气使空气干燥器负荷过重，导致压缩空气露点高于预期值。应注意的是，两台压缩机都有内部空气干燥器，但这些干燥器在过去曾出现故障，可能是由于冷却空气温度过高。
图6:缺少连续的管道(左图)使得热空气溢出到压缩机(温度图右图)和烘干机的冷却进气口，导致过热。当用热感摄像机观察时，这一点变得很明显。
推荐的节能措施
根据压缩机外形，计算了各种效率方案的预计基本情况。这是通过使用压缩机CAGI数据完成的。以下总结了四种可选压缩机类型：
- 使用现有压缩机，增加存储容量，修复卸载电路，估计节省37%，
- 安装新的VSD压缩机和一些较小的额外存储，节省54%
- 安装VSD无油压缩机和一些较小的存储，节省41%，
- 安装水润滑压缩机和小型存储。节省54%。
一些额外的建议将节省更多的电力:
- 将压缩机排放压力降低至平均100 psi，节省约2%，
- 改进压缩机通风，提高可靠性和空气质量，
- 安装无气排水管而不是定时排水管，节省约1%，
- 修复20立方英尺的泄漏，大约节省10%，
- 安装循环干燥器，使干燥器在相关压缩机关闭时消耗的功率最小，节省约4%。
根据各种选项，该项目的潜在节约量（取决于所选项目）将节省37%至74%。通过降低电力成本，每年可节省27000美元的潜在财务成本。
这项研究的部分费用是由当地电力公司资助的。此外，公用事业公司准备为该项目提供高达19 000美元的资金，用于购买新设备。
结论
这项研究的结果表明，这种系统效率极低，而且存在大量的浪费。工厂的工作人员不知道他们的系统运行得如此糟糕，直到有人测量它。值得注意的是，在对设备进行常规维护时，只要计算负载与运行时间的比值，眼尖的服务技术人员就会注意到系统运行状况不佳。不幸的是，这些服务技术人员没有敏锐的眼光，只是对运行不必要的压缩机进行正常的维护，而没有考虑到客户的成本。
该电站目前正在考虑系统升级的选择，从减少泄漏开始。时间将证明他们是否能够控制住他们的压缩机。
欲了解更多信息，请联系Ron Marshall, Marshall压缩空气咨询公司，电话:204-806-2085，邮箱:ronm@mts.net.
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