空气系统压力对压缩机功率的影响-第1部分:系统压力对旋转螺杆空气压缩机的影响

这是英格索兰全球服务解决方案总监Mark Krisa撰写的压缩空气系列文章的第一篇，共分三部分

近年来，与压缩空气相关的节能措施(ecm)受到了大量关注，主要是因为与其他耗能设备相比，其财务回报相对较短。随着时间的推移，许多旨在减少压缩空气能耗的建议纠正措施被简化得如此之多，以至于没有产生积极的效果。最常见的压缩空气ecm之一是降低系统压力，它利用最佳实践计算-。5%的功率每psi -能源部的压缩空气挑战概述。本文强调了与估算由系统压力变化引起的能量节约相关的更常见问题。

马克·克里萨，英格索兰全球服务解决方案总监

减少网络压力的好处

降低压缩空气系统压力的努力已经成为许多空气系统评估的一个基本部分，原因有两个:机会和回报。大多数设备运行压缩空气系统是基于感知压力要求，并考虑到未来网络损失，增加了大量的安全系数。压缩机控制建立在这个最低要求的基础上，迫使系统在一个更高的压力下运行，压力的大小和可变性取决于组件、配置和系统特性。除了压缩机控制，压力提高几psi，以补偿压力/摩擦损失，通过管道，干燥器，清洁过滤器，脏过滤器和其他阀门。除了气动元件，操作压力也提高了，以适应仪器校准和几年的人员配备变化和系统增长。再加上系统仪表的边缘水平和趋势，降低系统压力的机会不仅非常重要，而且相当普遍。从降低系统压力得到的回报归纳为两类:压缩机排气压力的降低和压缩空气需求的潜在减少。这两种ecm都可以在边际投资的情况下独立完成或同时完成(取决于方法)。

控制网络的压力

有几种方法可以减少网络压力。为了简化，它们可以分为压缩机排气时降低压力的动作、提供给压缩空气网络的压力和使用点的压力。使用点的压力通常是使用某种形式的压力调节器专用于本地电路或直接在转换点，压缩空气扩大做功。网络压力可以通过调整本地压缩机控制或使用某种形式的多个压缩机控制器管理多个压缩机来降低。控制系统压力的另一种方法是系统减压装置，这种方法在过去的几年里越来越流行。这类减压阀的通用名称是需求膨胀器、流量控制器和减压阀(PRV)。无论是在压缩机处降低网络压力还是使用专用的网络压力装置，对压缩空气消耗的影响是相同的。但是，对压缩机运行、供应效率和空气质量的影响会有所不同。本次讨论将排除压缩机运行策略和需求管理，将讨论范围限定在压力对压缩空气消耗和压缩机功率的影响。

减少网络压力的策略

在试图计算与降低压缩空气压力相关的节能之前，运营部门必须愿意支持改变。在大多数设施中，车间人员通常认为压力越大越好，任何降低当前网络压力的措施都会导致问题。为了克服感知到的需求，设施经理可以命令进行更改，并迫使运营部门进行调整。对于一些组织来说，这是一种有效的战略，但它通常会造成一种敌对环境，运营部门会将生产问题与压力不足联系起来，很快将责任归咎于最近网络压力的变化。当这种情况发生时，提高压力似乎是解决与最近系统压力降低有关的问题的理想方案，这会随着时间的推移对节能产生负面影响。

理想情况下，项目运营中的协作方法可提供最佳回报和可持续结果。这种方法需要了解当前和历史问题，这些问题有助于确定可感知的压缩空气系统压力要求。

作为一个多年来成功实施了数千次压缩空气审计的组织，英格索兰发现最好从压力供应方式开始。使用压力记录设备有助于准确定义随时间传递的压力。对于许多系统来说，压力在一天和一周内都会变化，经常低于预期的要求。如果没有出现生产问题，该数据有助于指导操作人员了解系统当前如何运行，以及如何最大限度地减少压力变化，从而在不将压力降至当前状态的情况下降低平均压力。这也有助于根据量化数据确定压力目标，独立于操作员感知或轶事信念。

通过最大限度地减少流经管道和空气处理设备的压力损失，可以独立地降低压缩机排气压力。在这种情况下，在不同的供应负载下准确测量不同组件的压力是很重要的。这些纠正措施可能代价高昂且具有干扰性，因此当前和建议的状态的准确性对于确保纠正措施能够提供已定义的回报至关重要。

估算样本系统的能量减少

降低系统压力可以潜在地降低压缩空气消耗和压缩机功率。本文综述了压力平衡对压缩机功率的影响。通常采用行业公认的经验法则，即压力每降低1psi，功率就会降低0.5%。

这个例子是基于一个简单的系统，4个相同的100马力压缩机运行使用加载/卸载本地控制，和压缩机控制设置之间的一个简单的压力级联。在现场条件下，压缩机的额定转速为400 scfm，在115 psig时消耗100 hp，在50%负载时消耗70 hp。每个压缩机有20秒的启动许可(关闭到满负荷)。系统总储水量为660美元加仑。为简单起见，该系统没有过滤器或干燥器，从压缩机包排放到网络中最远点的ΔP总小于0.4 psi。在记录了7天期间的压力、电流和流量后，该系统识别出四种不同的负载条件。

a)日班，每天工作8小时，每周工作40小时，平均压力为107 psig, 3台压缩机满载，第4台机组处于调整状态，使用在线/离线控制，在50%负荷下在114 psig和100 psig之间不断循环。

b)下午换班，每天工作8小时，每周工作40小时，平均压力为113 psig，一台压缩机满载，另一台机组处于修整状态，在50%负荷下，在120 psig和106 psig之间不断循环。

c)夜班和周末，每周工作88小时，平均压力为116 psig，只有一台压缩机处于平衡状态，在50%负荷下在123 psig和109 psig之间不断循环。

d)工作日早上7点开始白班，需求在60秒内从最低负荷线性过渡到最高负荷。由于需求的增长快于压缩机的供应，压力下降到100 psig以下，在恢复到100 psig之前，有时低至86 psig。整个事件持续大约90秒，然后系统恢复到正常的白班状态(6.5小时/年)。这种情况在每个工作日的早晨都会发生，而且从来没有人抱怨压力不足。

对于这个系统,英格索兰建议客户安装压缩机系统控制器,操作压缩机内的任意组合10 psi控制乐队使用变化率超前控制逻辑,并限制压力衰减小于5 psi在过渡从晚上调到白天的转变。英格索兰公司提出的新系统将在96psig +/- 5psi的平均压力下工作。

根据提议的系统和提供的数据，应使用哪些值来计算潜在节约？有三种常见的建议，但它们并不总是产生准确的估计。

1. 由于系统已经工作到86 psig低，并且在转换到白班期间仍然可以衰减5 psi，所以将控制器设置为91到101 psig，限制压力降到86 psig以下。根据123 ~ 96 psig计算，每年节省8760小时，370马力可减少27psi。假设每psi功率减少0.5%，则相当于> 326000千瓦时/年。这是不正确的，因为系统不能在370马力和123 psig的全年运行。必须考虑压力和功率的变化，以提供准确的节省估计。
2. 一周的数据显示，该设备的平均压力为113 psig，平均功率为165 hp。节约计算(基于113 ~ 96 psig) 165hp减少17psi，相当于节省92,500 kWh/y。这种计算的问题在于，权力和压力之间的权重不成比例。
3. 该计算基于每一负载条件下的平均压力和功率，相对于建议的96psi平均压力和年化小时，计算结果为78,000 kWh/y。尽管这种计算方法考虑了每种负载条件下的平均压力和功率，但由于它们是基于平均功率，包括trim压缩机卸载期间的时间，因此节省的成本更高。由于降低系统压力不会影响空载功率，所以只能用负载功率来估计节省的能源。通过这个修正，节省接近67,000千瓦时/年，比每周系统平均方法低28%。

根据负荷情况、时间和相对压力变化，准确划分潜在节能计算具有重要意义。一个常见的错误是根据测量到的最高负载相对于测量到的最高和最低压力来计算节省。对于许多系统来说，当压缩空气消耗和供应功率最低时，最高压力出现在最低负荷时。根据不同负载条件下压力的变化，潜在的节能可能被严重高估。在记录的时间段内发生的孤立事件或异常的数据必须谨慎应用。回顾前面的例子，在低于100 psig的压力下操作系统是一个有风险的假设，因为在换班开始时，每天的压力仅低于100 psig小于90秒。在换班开始的几秒钟内，任何与压力不足相关的潜在问题都很容易被忽略或归咎于设备启动。下一步需要对生产设备进行更详细的调查，以确定所需的压力和在降低的压力下运行的能力。

这个图表说明了平均周压力和基于一周运行数据的负荷段平均压力之间的差异。

降低压力，节省压缩机功率

为了描述压缩机排气时压力较低的好处，最好区分容积式压缩机和动态压缩机。对于这两种技术来说，空气是如何压缩的以及空气压力的影响是非常不同的。本文的重点是容积式空压机，更具体地说是旋转螺杆式压缩机。

评估对容积式压缩机的影响

描述容积式压缩机的最好方法是举一个老式自行车打气筒的例子。首先，压力很低，上下移动手柄很容易。当压力增加时，推手柄就会变得更加困难。如果泵有一个直径为2″的活塞，一个人就需要把他或她所有的重量放在手柄上，以推动60 psi的压力进入轮胎。这是因为所做的功是活塞面积和泵内空气压力的函数。使用2″活塞和3.14英寸2的表面积，作用在活塞上的力超过188 lbf。

正排量旋转螺杆压缩机非常相似，因为旋转转子所需的扭矩是推动转子的压力的函数。考虑到这一事实，移动给定体积的空气通过压缩机所需的扭矩随着排气压力的降低而降低。对于正排量压缩机，如旋转螺杆压缩机或往复式(活塞)压缩机，业内通常认为这种压力变化代表在排气时每减少1psi，功率下降约0.5%。尽管这条经验法则被许多业内人士视为科学事实，但它只提供了正排量压缩机功率变化的估计，不应该被认为是一个精确的计算。如果0.5%的理论是正确的，制造商将设计压缩机为300 psig，然后运行他们在100 psig与0%的功率。由于摩擦、热、内压比和内部部件间的摩擦损失的影响，情况并非如此。

理想情况下，应咨询制造商以确定其预期的重新额定功率。不幸的是，这些信息并不总是现成的，通常销售或技术支持人员怀着最好的意图只是简单地乘以0.5%的压力减少，给制造商一个新的数字。考虑到为减压项目获得支持所需要付出的努力，当项目继续进行，而预期的节约没有实现时，这是非常不幸的。为了帮助确定预测的节省是否现实，使用经验方法估计压降对压缩机的影响。

估计内摩擦损失的影响

如果假设压缩机出口压力每降低1 psi，功率就会降低0.5%，则这是空气端（泵）出口处的压力，而不是机组。压缩机组出口处的压力包括内部部件的压力损失。

考虑另一个例子使用旋转螺杆压缩机设计为100 psig排放压力在全流量。这是一种比较常见的类型的压缩机用于工业应用。考虑压缩机元件和压缩机组在排气时的压力差。对于接触冷却(油浸式)螺杆压缩机，空气在出包前要经过内部管道、空气/油分离器元件、挡板、最小压力止回阀、热交换器和水分分离器。为了简化，假设所有这些部件的压力损失为15psi，空气/油分离器元件的平均压力损失为15psi。如果排气压力降低到20psi，预计功率将减少10%。然而，当空气膨胀到较低的压力时，气体的密度就会降低。

假设在满载时质量流量恒定，在80 psig时通过压缩机的空气体积大于在100 psig时的初始体积。根据绝对压力计算，体积应该增加约1.212倍。由于压缩机部件的横截面积没有变化，因此速度也增加了1.212倍。由于压力降是速度变化的平方函数，压力降增加了1.47倍，整个压缩机组件的15 psi压力降现在更接近22 psi。考虑到压缩机排气时的20psi减少和内部部件的压力损失增加7psi，压缩机元件的压力只减少了13psi，而不是压缩机排气时的20psi。因此，如果只考虑1:2的经验法则计算，功率减少仅为6.5%，而不是假设的10%。速度对换热器性能的影响使速度和压降问题复杂化，进一步降低了节能预期。还有速度限制，这可能是一个问题，在一些压缩机，因为空气没有一个无限的速度。

评估内部组件和设计的效果

旋转螺杆压缩机组件内的另外两个因素影响相对于系统压力的功率变化，而不依赖于组件间压力降的变化。最小压力止回阀可防止压缩机卸载或卸载时，系统空气回流至油底壳。当压缩机加载时，该阀还用于保持最小的油底壳压力，以防止在低压下高空气速度通过空气/油分离器而导致过多的油携带。它还保持一个最小的内部压力所需，以促进充分的油运动通过压缩机电路。这个最小压力止回阀限制压缩机元件的压力降低，当压缩机组件排放的压力降低到设定值以下时。根据压缩机设计和温度的不同，压力止回阀可以在包装排放压力小于80到70 psig时影响内部压力。

旋转螺杆压缩机在转子、定子和排气口的设计中具有最小的排气压力。这是基于设计中的压缩比，以及空气如何通过泵的排出端口离开转子。根据设计，在压缩段空气被打开到出气口之前，空气端(压缩机元件)内部产生的压力最小。当排气口的压力偏离设计压力时，压缩机需要建立一个最小的内部压力，从而降低了系统压力的净效应。因此，当排气压力离设计压力越远，对功率的影响就越小。内部压力比可以根据制造商、压缩机型号和生产日期而有所不同。

测试功率变化

对于所有的压缩机，并没有0.5:1的热力学定律或类似的压力和功率之间的常数关系。这只不过是一个一般的假设，目的是在与设计偏差较小的范围内提供一个快速的估计。不幸的是，事实并不为人所知，计算功率相对于排气压力的具体压缩机包的数学要求是非常复杂的。

确认与压力降低相关的功率变化的最准确方法是测量它。当需求较低且系统压力可降低时，在夜间或周末轮班期间运行压缩机。如果不可能，则在正常生产过程中小心降低系统压力，并注意功率的变化。理想情况下，测量的是实际功率（kW），而不是视在功率（kVA）。视在功率通常通过测量电流和电压来计算。公用事业公司根据以千瓦为单位的实际功率收费，因此必须配备适当的测试设备。需要千瓦计是因为功率因数的变化与电机负载的减少有关。功率因数还受电气系统上的负载影响，与压缩机无关。随着功率因数值变低，安培数将增加，从而歪曲了实际功率。由于功率因数和电压可以独立于压缩机运行而变化，因此仅测量安培数并应用常数计算压缩机功率可能会产生误导，并导致与压缩机运行和估计节能相关的错误假设。

样本问题的最终节约估计

回顾本文介绍的第一个例子，在考虑了与压缩机包上的压力和不同的负载条件相关的细节后，节省的费用从大大高估的326,000 kWh/y到67,000 kWh/y不等。如果忽略与管道、干燥器和过滤器的压力损失相关的任何潜在变化，内部压力损失的变化的影响，以及在空气端排放时每psi变化的功率变化0.3%，估计可节约23000千瓦时/年。最常见的评估做法是对7天记录的数据进行平均，然后计算相对于某些提议州的节省。对于本文使用的样例系统，一般方法估计节省92,500千瓦时/年。因此，潜在的储蓄可能在不经意间被夸大为实际储蓄的四倍。这说明了在开发具有可验证结果的节能项目时，采用更详细的分析和测试方法的重要性。

关于作者

Mark Krisa，英格索兰全球服务解决方案总监，领导该公司的压缩空气审计项目。该项目旨在通过利用工程和压缩空气科学来提高系统的可靠性、质量和效率，为客户提供价值。

kisa毕业于加拿大西安大略大学，获得工程科学学位，并在压缩空气行业工作了20多年。他在该行业的经验丰富，从压缩机服务技术员到工程和压缩空气系统审计师。克里萨撰写了几篇论文，并定期在美洲各地的会议和培训活动上发言。请联系马克·克丽萨有问题或评论。

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有关更多系统评估文章，请访问www.ghtac.com/system-assessments/pressure．