国际电线修剪压缩空气成本使用“系统方法”

国际电线集团公司(IWG)总部位于纽约卡姆登，是美国最大的裸铜线和铜线产品制造商，并在欧洲扩张业务。产品包括一个广泛的铜线配置和各种电气和仪表导电特性,利用的各种各样的客户主要是在工业和能源、电子、数据通信、航空航天和国防,医疗电子产品和设备,汽车、以及消费和家电行业。

IWG的文化是一种持续改进和客户满意的基础上的质量，可靠性，价格，信誉，客户服务和准时交货。先进的质量保证和测试设备，加上对制造设备的持续改进、升级和投资，确保产品始终能满足客户的规格和质量要求。

IWG工厂工程团队成员认识到，压缩空气系统是工厂的主要能源用户，其性能直接影响制造过程和产品质量。团队成员Dave Sherwood、Tom Lewis、Eric Bryant和John Hoyt代表了工厂管理、生产、工程和研发的各个部门。成功的关键是互动式合作精神，以准备评估、试验流程修改，并以排除和克服必要障碍的专业知识和决心应对挑战，从而使项目取得成功的结果。

该工厂拥有六条高速生产线，可根据客户的要求，对铜线进行拉丝和镀丝。连续高速电镀线通过各种液体化学工艺槽，清洗、蚀刻和电镀线。在金属丝进入下一个化学过程之前，必须将粘在金属丝上的液体从罐中取出。压缩空气动力的“空气湿巾”吹残余液体从电线，因为它通过空气湿巾的中心。考虑到空压机耗电大，而空气湿巾耗电大;已经尝试减少使用中的空气湿巾数量。

通过实验发现，在生产过程中，当几块空气湿巾停止使用时，会出现质量控制问题。如果不适当地清除工艺液体，下游的化学储罐就会受到污染。除了3万到4万美元的更换变质化学品的成本外，电镀质量可能会受到影响;对IWG严格的质量标准来说是不可接受的风险。

该地区的IWG电厂由美国东北部的一家主要公用事业公司国家电网(National Grid)提供服务。国家电网帮助组织了压缩空气挑战赛(CAC)“压缩空气系统基础”为期1天的培训，IWG团队成员参加了该培训。培训经费由NYSERDA(纽约州能源研究与发展管理局)和DOE(能源部)赞助。

在压缩空气挑战赛(CAC)培训中，IWG团队学习了CAC系统方法;将压缩空气供应与实际生产的压力和流量要求相匹配。回到工厂后，团队成员向IWG管理层解释说，解决方案不是只关注空气擦拭，而是着眼于整个压缩空气系统，并了解实际的生产需求的压力和气流。国家电网与IWG共同出资进行全面的压缩空气系统评估。Data Power Services的汤姆·塔兰托(Tom Taranto);一名CAC指导员和美国能源部(能源部)AIRMaster高级指导员+合格专家，被合同在IWG 3工厂进行压缩空气系统评估。国家电网公司的代表是高级技术支持工程师Ram K. Kondapi和客户经理Tom Higgins先生。

IWG工厂3压缩空气系统提供所有工厂空气需求，包括气瓶、工具和其他辅助气动设备。空气湿巾是最大的压缩空气需求，消耗了大部分的工厂空气，是一个关键的压缩空气终端应用，直接影响到钢丝电镀工艺和产品质量。工厂多年来的增长和物理空间的考虑导致压缩机、支持设备、管道和管道布局的最佳安排。五个空气压缩机;两级无润滑油设计，辅助设备安装在工厂的四个不同位置。在2010年7月和8月期间，采集了系统性能的基线测量数据，包括测量的气流、功率和压力数据。

在过去，工厂人员已经进行了各种吹出喷嘴配置的试验，并优化了个别空气湿巾的性能。之前通过使用更少的空气湿巾来减少空气消耗的努力没有成功。在CAC基础培训中，工厂团队学习了“人工需求”;以及在大于必要空气压力的情况下操作压缩空气如何增加空气消耗，而对生产最终使用性能没有任何好处。因此，系统评估的一个技术目标是评估不同供应压力下的空气擦拭性能和压缩空气消耗。也许不是减少空气擦拭的数量，而是通过控制空气擦拭压力来实现节约，这样每次空气擦拭消耗更少的压缩空气，同时仍然提供令人满意的性能。

在压缩空气系统评估过程中，选择了一条生产线进行空气擦拭试验。一个直径3英寸的低压(LP)压缩空气集管与现有的1英寸工厂空气压力集管平行安装(见图1)。安装了一个高流量精度的先导操作压力调节器，允许调整LP空气擦除供应集管的空气压力。在仔细监测过程化学储罐和产品质量的同时，进行了测量空气压力与气流关系的测试。图2中的数据是空气擦拭供应压力与实测压缩空气消耗的散点图。操作数据测量的压力范围从40到60 psig和非操作数据采取的15到20 psig与内插空气消耗计算之间的20到40 psig。

图1 -空气擦拭测试，先导操作调节器和新的LP空气擦拭头

测试结果表明，在40 psig下操作空气湿巾可以减少45 scfm的压缩空气需求。对于6条电镀线，预计空气需求减少270 scfm。使用美国能源部AIRMaster+压缩空气系统软件工具进行分析，预计每年可节省624,306 kWh的能源，每年可节省59309美元的成本。

图2 -空气擦拭测试结果，空气消耗-vs-压力

IWG电厂3压缩空气系统评估的其他主要结果包括：

• 压缩空气分配管道尺寸过小，有2½”主管道总管。
• 由于多个压缩机位置和压缩机之间的管道限制，压缩机处的控制压力信号不一致。
• 风机故障需要更换。
• 有一个区域可用于集中压缩机安装，为热回收提供机会，以弥补空间加热的空气。
• 空气刮片的目标压力为40 psig，部分空气刮片可能需要保持较高的压力。
• 将压缩机容量的一部分用作专用低压发电，每年可额外节省88,894千瓦时，每年可节省8,445美元。
• 可在低压供气条件下运行的空气湿巾总风量占目前工厂所需风量的70%以上。

评估建议:

建议包括两个步骤的实施过程，第一阶段提供系统重新设计，作为一个分离的高低压产生、传输和最终使用部门;和更换空气干燥器。所提出的系统框图如下图3所示。

图3第一阶段推荐系统设计框图

第一阶段实现:

使用现有的空气压缩机搬迁到工厂的单个区域，改善通风和热回收。

• 通过适当设计的供应侧管道和主存储，改进压缩机控制，使现有的自动双控制能够自动启动和停止过剩的压缩机容量。
• 允许选择两级无润滑压缩机，以提供高压或低压发电。
• 安装一个流量/压力控制装置，作为“泄漏阀”，用于负荷低压产生和低压需求部门的压力控制。
• 升级处理设备，以支持高压和低压发电部门。
• 配电系统升级，包括安装一个直径6英寸的低压干线集箱。
• 预计的总能源节约为471,500千瓦时/年(44,800美元/年)。

注意，由于最终LP目标压力(40 - 60psig)尚未确定，因此将60%的最大计算节省分配到第一阶段。

第一阶段实施的测量和验证（M&V）记录在案的节省为预测的93%。M&V测量计划的目标是在2011年8月2日至15日的报告期间测量的两周基线。每年节约能源442,300千瓦时，每年节约成本42,000美元。

热回收：

除实施上述措施节约电能外，该厂工程人员还设计并实施了压缩机余热的热回收，为该厂预热补气。每个压缩机都连接到一个绝缘管道和配备电动阻尼器的静压壁室，以便在冬季将暖空气输送到工厂，在夏季将暖空气排到室外。在冬季，压缩机的总热量回收估计约为544,290 BTU/HR，从而大大节省了空间供暖。

该项目的第二阶段将包括更换老化的压缩机，并优化压缩机的性能，以适应新的空气需求曲线和高/低压产生系统。

第二阶段实现:

• 使用M&V数据评估新的空气需求曲线，以优化压缩机性能选择。
• 安装一台或多台新的空气压缩机作为低压基础负载能力。
• 考虑一个新的HP(高压)压缩机优化的修剪能力。

第二阶段评估结果表明空气湿巾运行在40 - 60 psig目标范围的高端，运行在58.8 psig。调查显示，虽然大多数空气湿巾可以在目标压力范围的低端操作，但在关键位置的少数空气湿巾需要较高的58.8psig压力。这些少量的空气擦拭可以重新配置，从高压装置空气集箱操作，LP系统的目标压力可以进一步降低。

IWG工厂3期第二阶段评估的其他关键发现包括新的压缩空气需求剖面。图4中的压缩空气剖面直方图显示了在6秒数据间隔内测量到的平均到1分钟读数的气流数据，并在直方图中绘制了从400到800 scfm的20 cfm桶。数据显示总的空气需求通常为600 - 720 scfm，而低压需求为500 - 640 scfm，说明高压需求介于80 - 100 scfm之间。数据验证比较测量的总需求和总供应(AM+)数据计算使用AIRMaster+软件。由于AIRMaster+正在计算acfm，而测量数据是scfm，因此预计会有稍大的空气流量。当环境温度升高会降低scfm测量值时，在8月份测量了scfm的性能。

图4-IWG 3厂2期压缩空气需求直方图

图4中的流量剖面数据是在对系统进行修改以将关键空气湿巾移动到HP Plant air之前测量的，LP空气湿巾压力从58.8 psig降低到50 psig。在做出这些改变之后，对测量气流的抽查提供了如下图5所示的数据。正如预期的低压空气需求在50 psig操作压力下降低，而高压空气需求略有增加，同时从高压工厂空气系统提供关键的空气湿巾。

图5 - iwg工厂3期2期流量剖面抽查数据

第2阶段评估建议：

基于图5中的需求概况；第2阶段的实施包括进一步减少空气需求和改善系统供需平衡的措施。以下行动计划阐述了建议的补救措施。

• 安装新的空压机以提供灵活性，以满足系统范围内的新需求较低的型材，并取代现有的老化低效空压机。

• 安装一台40 Hp两级无润滑旋转螺杆压缩机，以在178 cfm和50 psig的压力下运行。
• 安装一台50 Hp两级无润滑旋转螺杆压缩机，以在226 cfm和50 psig的压力下运行。
• 安装一台100马力变速驱动两级无润滑油旋转螺杆压缩机，在100 psig工作压力下，容量为80 - 331 cfm。

• 安装试验操作的调节器(数量2)，在现有的HP工厂空气供应管道和废物处理管道上各安装一个。每个调节器应该被设置到它们所供应的每个需求部门所要求的最低的最佳供应压力。预计目标压力约为85 psig。

采用推荐的空气压缩机组合的正常电厂运行将允许两台LP系统（50 psig）空气压缩机满负荷运行，总输送气流为404 cfm。因此，高压系统需要165 cfm至225 cfm的空气供应；80-100立方英尺高压至低压泄漏流量，85 psig压力下45立方英尺高压工厂空气，废物处理所需空气量为40-80立方英尺。推荐的容量为333 cfm的VSD空气压缩机将在满载容量的50%至68%之间运行。

最初的控制策略是，操作员手动启动和停止作为基本负载容量运行的低压压缩机，新的高压VSD压缩机作为配平容量运行。总的空气需求量相对稳定，随着六条生产线中的一条或多条的启动和停止，空气需求量逐渐变化。由于电厂运行情况通常很少发生变化，且减少的运行情况只占运行小时数的一小部分，因此手动操作是可能的。建议将来对压缩机控制自动化进行评估。

第二阶段能源减少和成本节约预测:

安装新的空气压缩机，优化供需平衡，预计将减少238900 kWh的能源，每年额外节省22700美元。工厂目前正在采购和安装设备，以完成第2阶段的实施。

总结：

压缩空气挑战培训提供了对设计和管理工业压缩空气系统的系统方法的基本理解。仅针对系统的单个部件（空气刮片）改进系统的努力未能降低能耗并提高系统可靠性。然而，在应用CAC系统方法时，了解生产部门的压缩空气需求，并设计和优化系统以支持这些需求，可以节约能源、降低成本和提高系统可靠性。

IWG工厂3经理Eric Bryant的报价;“在出现了一些初始问题，需要对压缩机进行小修后，该系统在几个月的时间里一直保持着100%的可靠性。”老化压缩机的第二阶段更换刚刚开始安装调试。

作者简介:

Tom Taranto是L2 CAC认证讲师。他是一名独立的压缩空气系统专业人员，拥有30多年为工业客户、公用事业和能源机构提供服务的经验。他是Data Power Services，LLC的所有者。他在液压和气动流体动力系统的设计和应用方面拥有丰富的经验。Tom的工作涉及压缩空气系统设计、空气压缩机应用以及相关压缩空气系统部件的性能。他在世界各地进行压缩空气系统评估、设备测试和压缩空气系统培训。有关汤姆的更多信息，请访问CAC的网站．联系汤姆塔兰托。

Ram K.Kondapi是一名具有丰富工业经验的高级工程师，受雇于纽约州锡拉丘兹国家电网办公室的商业和工业能效小组。在该职位上，他协助国家电网在纽约州北部和新英格兰地区的现场人员和商业/工业客户评估和实施能效项目。Ram是设施工程师协会（AFE）认证的工厂工程师（CPE）。他拥有印度安得拉大学的机械工程学士学位，以及伊利诺伊州芝加哥市伊利诺伊理工学院的工业工程与运营研究硕士学位。国家电网是一个CAC赞助商。联系Ram Kondapi。

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