波音氮气系统创新

波音加拿大公司用新的更现代化的系统取代了他们的现场膜式氮气发生器，增加了容量和更高的效率。因此，该公司现在只使用少量昂贵的液氮，每单位天然气的能源成本降低了83%。

需要惰性环境

波音公司使用氮气为公司温尼伯生产设施的大型高压灭菌器提供惰性气氛。这些高压灭菌器像巨大的压力锅一样工作，加热和固化生产人员制造的各种复合飞机零件。温尼伯制造的零件用于新型波音787梦幻客机等高科技产品。这些零件在高压釜中在高温、真空和压力下烘烤，以确保复合材料层成功粘合在一起，提供必要的强度，形成坚固、安全和轻质的飞机机身零件。

旧制度效率低下

许多年前，波音公司安装了一个现场氮气发生器，以提供比卡车液氮服务更低成本的天然气。该系统采用250马力两级高压螺杆空压机为膜式氮气发生器供气。发生器将高压空气分成两股;其中一种废气排放到大气中，另一种是高纯度的氮气流，直接进入工厂的氮气系统。波音工厂的氮气需求通常很低，但在高压灭菌器增压时，氮气需求会出现巨大的峰值。这要求压缩机在非常高的压力下运行，以保持尽可能多的氮气在系统储罐中。由于这种高压要求，压缩机采用进口调制控制方式运行，当氮气需求较低时，压缩机效率大大降低。压缩机和氮气发生器也安装在室外，因此必须在寒冷的加拿大冬天每天24小时、每周7天运行，以防止结冰。

多年来，原来的系统已经老化，出现维护问题，容量降低。这增加了必须用于补充旧氮气系统的昂贵液氮的数量。液氮的成本相当高——高达现场生产气体成本的38倍。因此，这种不断上升的液氮消耗引起了生产经理的注意。

巨峰流量

波音高压灭菌器不仅仅是简单的固化炉，这些巨大的压力容器足以容纳非常大的飞机零件。最大的单元长50英尺，直径16英尺，足以吞下一辆大型运输卡车。其中最大的船只的体积刚刚超过10000立方英尺。为了保持足够的生产输出水平，操作程序要求在20分钟内将这些容器充注至高达100 psi的压力。这相当于氮气流量峰值为每分钟3450立方英尺，远低于现有的氮气发生器容量。

大容量存储

由于峰值流量非常高，波音公司安装了一个30000加仑的大型接收器，以稳定压力并减小所需的氮气发生器尺寸。计划是使用主螺杆压缩机作为增压器，将接收器充至高压。该策略要求将所有气体，甚至排放到大气中的废物流，增压到足够高的压力，以提供足够的储备。这就将专门设计的螺杆压缩机推到了设计极限，并迫使它进入调制模式，在存储接收器充满时，它产生的空气越来越少。由于膜式发生器的特点，这种较低的空气流量增加了产生的氮气的纯度，但也显著增加了系统的损失，每单位输出的气体中，膜排放的气体越来越多。事实上，大部分时间，该装置在没有氮气输出的情况下运行，所有产生的气体都直接排放到大气中。

旧系统压力有限公司

该系统在氮储存方面处于真正的劣势。高压螺杆压缩机的输出限制在175 psi左右。由于高压灭菌器所需的压力为100 psi，因此大型储罐中的压差仅为75 psi，可用于补充峰值流量。这相当于约20700立方英尺的储量，远低于高压灭菌器填充至最大压力所需的69000立方英尺。由于旧的氮气发生器每分钟只能产生约150立方英尺的氮气，因此必须用昂贵的液氮储备来弥补不足。

创新的解决方案

为了解决氮气产量不足的问题，并为未来的生产扩张提供更大的产能，波音公司与领先的工业和医用气体供应商液化空气公司(Air Liquide)接洽，为其氮气需求提供新的解决方案。波音公司要求该公司的工程团队不仅要设计一个提高产量的系统，而且要降低能源成本。

该团队成功地满足了容量要求，大大超过了波音公司降低能源成本的预期。安装了一个新系统，该系统可以生产足够的天然气，在可预见的未来供应波音公司的氮气峰值需求，并提供一个创新的分阶段生产流程，该流程可以分步骤进行，以使氮气生产“非峰值”，从而节省大量的公用事业峰值需求费用。

VSD与流匹配

新的氮气系统在前端使用了两台100马力旋转螺杆空压机，其运行压力低于原来的系统。其中一台压缩机采用了变速驱动技术，这使得整个系统能够有效地匹配膜式氮气发生器的空气需求。另一个压缩机是固定速度的机组，在其最佳效率点全速运行，并在需求下降或收到卸载信号时快速卸载和关闭。该组合系统使系统的前端能够自动调整输出能力，以满足所有水平的氮气发生器的需求，即使氮膜束老化。

膜转化损失

膜式氮气发生器的纯度应保持在98%或以上，每小时可产生约11600立方英尺（190立方英尺）的氮气。该输出说明了高纯度水平下膜分离过程的典型转化率，前端空气压缩机的满载容量为765 cfm。与其试图将此全空气输出容量推至最佳高压氮气储存所需的330 psi，输入空气仅在165 psi下产生，发电机输出端的较小氮气流量被送入两个小型增压压缩机，这两个小型增压压缩机将现有30000加仑储罐泵至全压。

推进器增加了存储容量

将氮气的压力提高到比实际使用压力更高的水平，略微增加了膜过滤器产生的较小氮气流量所需的能量，但这比产生大量高压力空气供给系统前端的成本低得多。将氮气以330 psi的压力储存在一个30,000加仑的储存罐中，可提供超过64,000立方英尺的储备容量——足以在20分钟内填满最大的高压釜。

在热压罐灌装期间，工厂的氮气需求有很高的峰值流量，但在正常期间，氮气需求很低。这使得系统在加注操作后有时间赶上进度，在数小时内缓慢地重新给储罐充电。在填充操作期间，发电机保持在100%的输出能力，它的最有效的点。当储能满时，控制系统完全关闭发电机，避免低效的部分负荷运行manbetx客户端12-5下载。

非高峰储蓄

以目前的生产水平，发电机只需要运行30%的时间。这使得系统可以在最优时间选择性地运行，通过消除氮气发生器的峰值需求，进一步降低成本。

波音公司的电费包括能源（kWh）和需求（kVa）两部分。公用事业公司每月计费的需求费用计算为公用事业电表在计费月份记录的最高15分钟峰值。在波音公司的情况下，设施峰值需求发生频率较低，不到4%。因此，由于氮气系统的设计储存量大，无活动时间长，压缩机可控，因此在电厂电力需求高峰期间可以关闭生产，从而节省大量的需求费用。波音公司的控制系统使用马尼托巴水力发电厂提供的、专门编程的功率计，该功率计可持续监测设施的总峰值，并根据需要自动关闭一级或两级压缩机功率，以限制氮气系统的需求。该系统具有旁路功能，允许在储存耗尽且需要充分生产时充分生产氮气。manbetx客户端12-5下载

热回收

空气压缩过程的一个主要副产品是热。新系统的设计目的是回收压缩的热量，补充冬季的建筑热量，进一步降低成本。

验证结果

与波音原始氮气发生器相当但容量更大的系统预计能耗为每年2150000 kWh，每月峰值为225 kW。预计年电力成本为76400美元，包括高峰需求费用。新系统的电力运行成本（不含需求费用）经验证仅为每年12730美元，节省了84%。进一步的液氮节省估计为每年30000美元。

可靠性和效率

波音温尼伯公司高压灭菌器主题专家Gerry Glor说：“我们新的液化空气氮气系统比我们以前使用的气体生成或液体汽化系统更可靠、更具成本效益。”。“我们与当地公用事业公司的合作确实起到了帮助。”

这个项目是另一个例子，一个创新的设计团队可以提出一个极好的解决生产问题，在能源效率的方式。波音公司和液化空气公司的设计团队因其创新的设计和较低的单位氮成本而受到赞扬。Power Smart的一个很好的例子!

马尼托巴水电是该商标和官方商标的许可证持有人

有关更多信息，请访问压缩空气挑战®网站或联系马歇尔压缩空气咨询公司Ron Marshall，电话：204-806-2085，电子邮件：ronm@mts.net.