压缩空气审计发现电子公司的问题

一家拥有大型压缩空气系统的电子制造商最近在其工厂进行了压缩空气审计，以评估系统效率。审计发现，该系统的设计非常高效，但一些以前未发现的问题导致运行不佳。尽管位于热带环境，该工厂利用热回收帮助减少整体能源消耗。

这项研究的目的是量化和报告:

• 当前的运营成本
• 当前操作空气使用概况
• 改进的建议
• 如果进行改进，估计可能节省的费用

仪表空气质量用无油离心式空气压缩机和鼓风机吹扫干燥剂干燥器

该工厂最初建于2012年，生产电子元件。工厂业主对获得利兹白金认证很感兴趣，因此在他们的工业流程和公用系统中，包括压缩空气系统，开始实施了许多创新的设计功能。

压缩空气系统包括三台1000kw的基础负荷离心空压机，每台额定6400cfm，加上两台较小的微调空压机，一台500kw离心空压机(3,200cfm)和一台500kw (2,750 cfm)变速驱动螺杆式空压机。基础空压机采用特殊的热交换器进行热回收，以保持空压机的冷却，同时输出60°C(140°F)的水用于热回收。然后将热量传送到化学浴加热处理过程中。

离心式空气压缩机已连接到一个复杂的空气压缩机控制器，以优化控制空气压缩机的最大效率。所有离心式空压机均配备进口导叶，以提高空压机在生产小于额定流量时的功率下降。

工厂在生产过程中需要空气质量仪器，因此使用干燥剂空气干燥。四个大型干燥剂干燥器，额定每6200立方英尺，处理空气之前，它进入工厂。所选的干燥器为加热鼓风机式无吹扫设计。除对塔加压外，干燥器在正常的干燥剂再生周期中不使用压缩空气。该机组具有在加热器运行后对干燥剂进行封闭循环冷却的特点，而不是使用正常的2%流量的压缩空气。在冷却循环结束时，干燥机鼓风机引导冷却空气在一个封闭循环中通过热干燥剂床，也通过水冷式热交换器，使干燥剂在预期的下一个干燥循环中返回到环境温度。

压缩空气在进入空气干燥器之前被冷却，通过双系统的液冷热交换器，一组将热量导向热回收系统，另一组提供备用冷却，以确保压缩空气的温度永远不会超过空气干燥器的额定温度。在空气干燥器的前后都安装了串联的双过滤器系统。

该系统安装了湿式和干式贮油器，总容量为20,000加仑，以提高系统的稳定性。无气排水管只用于空气压缩机和所有的存储接收器，过滤器和空气干燥器。

该系统旨在为工厂提供非常清洁和干燥的压缩空气流，为工业流程和机器提供动力。安装了两套过滤器，一套在空气干燥机前，一套在空气干燥机后，以确保没有污染进入空气干燥机，没有干燥剂粉尘从空气干燥机传递到工厂。空气过滤至0.01微米级，油量0.1 mg/m3，润滑油保留率99.999%。

该管道系统由所有不锈钢部件组成，以防止压缩空气在离开厂房后被管道水垢污染。工厂内的管道系统布置在一个回路系统中，以减少整个大型生产设备的压力损失。

两个较小的空气压缩机，一个由VSD控制的装置，应该可以在任何基础空气压缩机必须卸载之前，实现有效的流量降低近100%。由于机械问题，这两个装饰装置未投入使用。

创新的高压存储系统是原始设计的一部分，旨在停电时提供紧急备用空气。该系统使用增压空气压缩机和储存在4000加仑储存罐中的850 psi压缩空气。由于流量大，该储存容量计算超过30000立方英尺，在断电或基础空气压缩机故障时，在全厂流量下可维持约3分钟，有足够的时间进行紧急停机操作或启动另一台空气压缩机。

使用100 psi的压缩空气流量安装现场氮气生成系统。该系统在低压下消耗压缩空气，并通过低温过程产生氮气，压力约为60 psi。离心式增压器用于将氮气压力恢复到100 psi，以便在电厂运行中使用。

初步调查结果

所有运行中的空气压缩机和空气干燥器上都安装了数据记录器，以评估系统的能量输入。压力记录仪被放置在从空气压缩机排气处开始、在空气干燥器之后以及工厂内的选定点，以评估压力梯度。在现场进行了全面的泄漏审计，并对各种最终用途进行了评估。

场地特征如下:

图1。空气压缩机系统需求概况

图2。空压机系统耗电量

该厂的电力成本约为每千瓦时7.7美分，运营总电力成本约为230万美元。

热回收系统可节省大量等效电能。在这个地方，并不是所有的空气压缩机热量都被使用，只有22%左右，但在一个炎热的地方，这是一项重大成就。剩余的热量进入冷却塔。

图3。从压缩空气系统中回收的热量降低了电力运行成本。

对压缩干燥空气(CDA)系统的一般评价是，由于将热量回收到工艺过程中，并且基础空压机运行在最高效点附近，几乎满载，因此压缩空气的生产效率非常高。空压机配有进口导叶。如果正确使用，进口导叶可以在很大范围内降低流量，提供良好的效率。空压机冷凝水排放为零漏气型，节省运行成本。由于无清洗操作和封闭循环冷却，特别由于露点控制和使用预冷器，与标准的无热风机相比，高效加热鼓风机空气干燥器节省了大量的电力。

在需求方面，由于核电站相当新，泄漏水平较低，但随着时间的推移，泄漏可能会增加，除非实施某种检测和修复系统。使用压缩空气进行吹气和真空的一些应用是人们应该调查的项目，以转换为鼓风机或中央真空负荷。在生产的各个领域都出现了一些低压问题。

空气压缩机控制

压缩空气审计发现，现有空压机的控制效果较好，但未达到最优。工厂负荷剖面相当平坦，因此，空压机的控制不需要太复杂。已经安装了一个复杂的空压机控制系统，旨在适当地控制和协调所有的manbetx客户端12-5下载基础空压机，但这个系统由于一些不可取的特性而停止使用。该系统最初设定在停电时，控制要求同时启动过多的空压机，使发电站的主断路器跳闸。该事件会导致生产区域长时间的停机和灾难性的影响，因此决定将其从服务中移除。事实证明，这种控制的一些调整可以消除这个问题，并允许控制被打开。

单独控制空压机会导致压力调节问题。本地控制将准确地调节空气压缩机排气压力，在那里他们感觉到压力，但这允许植物压力下垂的整个干燥机和过滤器差。这导致峰值流量时的工厂压力低于预期，这是低压抱怨的原因之一。可以在图4中看到，排放压力(黑线)是相当好的调节，然而，工厂的压力下降到较低的水平。这种压差迫使系统压力更高，以补偿，增加了由于人为需求的能源消耗。

图4。当电站的压力下降到较低水平时，排放压力(黑线)保持调节。

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局部控制的另一个问题是空压机放空的操作。离心式空气压缩机必须吹除，以防止机组在低流量时出现喘振。这种吹气方式浪费了压缩空气。用空压机控制器控制的空压机分担机组之间的负荷，同样地调节进气口，以更好地防止吹出。这只会发生在所有的空气压缩机完全调制。通过局部控制，每台空压机局部确定是否需要吹气，因此不会发生最优控制。偶尔出现吹气(图5)。

图5。局部控制使每台空压机在局部确定是否需要吹气，牺牲了最优控制。

压缩空气干燥器和过滤器

所安装的干燥剂空气干燥器采用电加热再生、环境空气主冷却和无空气二次冷却的高效装置。典型的加热鼓风机式干燥剂干燥器有一个清洗消耗峰值流量的8%的干燥器额定值，发生在干燥器切换侧之前，这一流量用于冷却干燥剂，以防止露点峰值(热干燥剂不去除水分)。现有的干燥机没有这样的冷却清洗，它们使用水冷却的闭环循环来去除热量。该装置在开始再生饱和干燥剂之前，将塔平行运行一段时间，这防止了任何与热干燥剂有关的露点峰值。该装置还使用露点控制，而不是固定的循环，以延迟塔再生，直到活性侧的干燥剂完全饱和，从而节省加热器的电力。

安装的干燥器的额定功率为6185 cfm，每个干燥器的车载加热器额定功率为135 kW。四台空气干燥器总共仅消耗94 kW（包括鼓风机功率），远低于15%吹扫时无热固定循环干燥剂干燥器消耗的约740 kW。

这种较低的功率消耗部分是通过在压缩空气进入干燥器之前预冷却来实现的。使用工艺冷却水的一次冷却器将40°C的进风温度降低约6°C，并将热量发送到热回收系统。二次冷冻水冷却器进一步降低进口温度11°C至23°C左右。这种冷却会消耗额外的能量，估计每个干燥器在冷却水和冷冻水系统上的负荷约为43 kW(总负荷为172 kW)。然而，通过露点控制延迟再生周期，每个干燥器节省约50千瓦(总共200千瓦)。

在进入干燥器之前，水分离器将冷却器中的冷凝水排出。将温度降低11°C可去除约65%的水蒸气。由于干燥器的平均处理量约为其额定流量的65%，且小于额定湿度，因此露点控制非常有效地降低了功耗。

然而，这些烘干机比一般烘干机更复杂，而且容易发生内部部件故障，因此应进行仔细监测。数据记录显示了以下之前未检测到的问题:

• 其中一个干燥器显示出了不平衡的再生循环，一边需要比另一边多得多的热量。这是内部泄露的迹象。如果空气压缩机放大器的轮廓被仔细检查(图6)，可以看到的流动模式匹配的加热循环的一个干燥器塔。根据安培的变化，估计泄漏流量为平均260 cfm(峰值360 cfm)，在故障侧加压的所有时间(约72%的时间)发生。
• 另一个烘干机的加热元件被烧毁。
• 冷却器和干燥器之间的压差约为7 psi（0.48 bar），远高于轻载机组的预期值。在一台干燥器上进行基本测量，使用压力表测量每个排放口的压力。测量结果表明，大部分压差通过第一个冷却器。这种压差会导致空气压缩机排放压力升高，并给整个系统带来更高的能源成本。这需要进行一些额外的调查。

图6。这张图显示了与干燥塔的加热循环相匹配的流动模式。

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在无油压缩空气系统中，需要一些过滤方法来去除通过空压机进口过滤器的吸入颗粒物，并捕捉冷却器后空气流中剩余的自由水。任何过滤都代表压力损失。过度过滤会造成额外的能源消耗，降低最终使用时可用的压缩空气压力。如果这种过滤不充分或维护不当，可能会对下游工艺造成污染。

干燥机有以下过滤功能:

• 预过滤器- 0.01微米，0.1 mg/m3油，99.999%保留率
• 预过滤器- 0.01微米，0.1 mg/m3油，99.999%保留率
• 过滤后- 0.01微米，0.2 mg/m3油，99.99999%保留率

前两个过滤器被发现具有完全相同的过滤特性。这些预过滤器的主要工作是去除从预冷却器中流出的任何游离水。空压机是无油的，所以油的过滤特性并不重要。其中一个过滤器是多余的，造成不必要的压差。建议重新配置过滤。

氮系统

现场安装氮气系统，使用流量为100psi的压缩空气。该系统实际消耗的压缩空气压力约为73 psi，输出的氮气压力约为58 psi，需要使用单独的涡轮空压机对输出进行增压。该系统提供的空气已经干燥到零下40°C水平，但系统在流程前端有一个额外的干燥剂干燥器。该干燥器在CDA系统高峰负荷期间对系统压力有负面影响，因为在塔切换之前必须消耗高脉冲流量来填充干燥器塔。将100psi的空气调节到73psi的低水平，空气的双重干燥，以及氮气的增加对工厂造成了相当大的能量损失，降低了系统效率。

氮气系统是CDA系统中最大的单一负荷，平均消耗4400 cfm，约占压缩空气产量的30%。此外，使用消耗150千瓦的氮气助推器将产出的氮提高到大约8巴，然后分配到工厂。

对使用中的发电机进行了研究。该系统是采用低温蒸馏工艺的APSA(先进产品供应方法)型装置。在这样的系统中，总是有一个大型干燥器在过程的前端，使用干燥剂空气干燥器来去除水蒸气和二氧化碳。

这项研究显示了一些有趣的事实:

• APSA系统可提供高达10.5 bar的三个不同压力级别的氮气压力输出。
• 氮气系统通常设计有自己的独立输入空气压缩机，在低压下运行。
• 这种独立的空气压缩机系统通常不配有空气干燥机。

建议对该系统进行调查并重新设计。一个独立的系统可能会消耗更少的能源。

结束使用

对这些区域的简要检查发现，几乎每一台生产机器都有两个输入压力调节器，在峰值流量时造成额外的、不必要的压差。一些机器内部管道看起来尺寸过小，可能造成更大的压差。这些部件迫使空压机排气压力升高，降低系统效率。

正如前面所讨论的，最终使用压力通常决定了给定的压缩空气动力装置消耗多少压缩空气。如果压缩空气压力被适当地调节在一个恒定的压力下，这些设备将运行得最有效和更可靠。为确保压力恒定，需要正确安装、尺寸正确和适当调整设备的调节器。

该站点的一个问题是压力调节器的数量。似乎主配电线路的每个下降点都有一个调节器。问题是生产机器通常也有一个输入过滤器/调节器。这意味着有两个调节器串联，其中一个是冗余的。两个调节器串联会导致压差过大和压力调节不良。

图7。串联两个压力调节器会导致压差过大和压力调节不良。

问题的一个迹象是，当输入调节器被观察到“跟踪”供应压力(调整大开)。很可能电站中的大多数输入调节器都处于这种状态。一个完全开放调整的调节器会产生一个压力限制，影响下一个调节器的工作方式。

我们询问了工厂中任何引起压力投诉的应用。其中一个项目是机器人在洁净室装载，这里将作为一个例子进行讨论。这台机器的输入有半英寸的调节器似乎跟踪主要系统压力。指示标签显示了可接受输入的大范围变化，并显示了“不操作”标签。

在机器下进行进一步检查时，发现机器内另一个调节器设置为87 psi。该调节器需要至少97 psi的输入压力才能准确调节。如果滤芯曾被更换，过滤器也没有任何指示，可能的额外显著压差源会影响第二个调节器的精度。在调节器之后，压缩空气被送入一段尺寸可疑的不锈钢管中，然后进入机械臂。

吹和真空

在工厂中发现了大量的吹气应用。这些管道通常都有钻孔，用来防止产品在生产过程中可能掉落的任何碎片。现场使用了大量的低压鼓风机，可以很容易地采用同类设备进行产品的吹除。

图8。两根吹管，有孔，横跨两个传送带。只有一个有产品，而另一个吹是浪费。

使用的还有压缩空气驱动的真空发生器。这些装置配置为连续使用，可能被中央真空系统取代。

泄漏

利用超声波探测仪对该工厂进行了泄漏检测。工厂内的管件和软管检测到大量泄漏，所有项目在正常生产过程中都受到机械应力的影响。考虑到该厂是相当新的，投产不到5年，泄漏水平被发现很低。然而，核电站并没有正式的泄漏检测和修复计划，以应对每天不断增加的泄漏。值得关注的是氮的泄漏，它比压缩空气的成本高得多，如果泄漏发生在一个封闭的空间，会造成窒息的危险。

节省预算

下列项目已被确定为工厂潜在的改进项目。一些项目，如氮气系统和额外的热回收被认为是未来潜在的改进。

图9。潜在的节能措施

建议

以下是本报告中提到的关于今后行动的建议：

1. 用数据记录仪分析工厂的压力问题。
2. 将机器压力调节器的压力降低到推荐设置。
3. 调查生产机器上吹风装置的转换。
4. 研究真空拾音器转换为中央真空。
5. 通过移除冗余的调节器和升级供应能力来修改问题区域。
6. 制定连接通径标准，以防止由于管道通径过小造成的压差。
7. 启动泄漏检测和修复程序，培训员工，在机器维护期间增加泄漏的质量保证程序。
8. 最好调整空气压缩机控制器，调整VSD空气压缩机并恢复使用。
9. 修复烘干机3泄漏，修复烘干机4加热器。
10. 研究干燥器预冷器的高压差压。
11. 调查过滤器要求，去除冗余过滤器，制定元件更换计划。
12. 安装更好的过滤器差动压力表。
13. 维修有故障的干燥器排水管。
14. 考虑在空压机和干燥机上安装空压机流量计和功率表，以实现效率监测。
15. 研究通过使用独立空压机或更高的产生压力来提高氮气系统的效率，回顾过程中对8巴氮气的需求。
16. 研究额外的热量回收

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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