来自澳大利亚的观点:效率曲线，系统体积和压缩机系统因子
本文介绍了一个新的和有用的压缩空气系统参数，称为“压缩机系统因子”，或CSF。给定系统的CSF定义了空压机、空压机系统以及空压机操作方式之间的关系。知道了系统的CSF，就可以在现有的运行特性和拟议系统的特性之间进行比较。通过增加存储接收器容量、改变压力带宽或切换到不同的压缩机控制模式等节能措施来改变系统，也会改变CSF。这种变化的结果可以很容易地通过脑脊液计数来预测。
CSF使用的单位是分钟的百分比，这使得结果很有用，并且与任何测量单位兼容，无论是SI基单位还是北美制造商使用的标准单位。
CSF的计算是一个简单而强大的工具，可以:
- 提供对压缩空气系统状态的洞察
- 帮助确定低资本成本的项目，以提高压缩空气系统的效率
- 协助评估供方和需求方压缩空气能效项目的优点
给定系统的CSF:
- 在负载/卸载(在线/离线，OLOL)模式下运行的压缩机，其功率与流量特性的曲线形状，进而决定效率
- 能否在系统设计期间进行计算，以帮助预测不同设备选择时的系统效率
- 可以很容易地确定一个安装压缩机使用秒表和一个简单的计算
压缩机系统要素基础
CSF测量的内容并不深奥，也不是一个很难理解的概念。
| CSF简单地表示在每个加载/卸载周期中，系统容积存储和释放压缩机每分钟容量的百分比． |
例如，如果一台1000cfm压缩机的CSF为10，那么它的压缩空气系统将在每次加载/卸载循环中存储和释放10%的1000cfm，或100立方英尺的空气。一个25 cfm的压缩机也可以有10的CSF，但是它的系统在每个循环中只能存储和释放2.5立方英尺的空气。无论压缩机的大小如何，具有相同CSF的压缩机具有相同的循环特性。值得注意的是，在每个循环中存储和释放的空气量取决于存储接收器的有效容积和加载/卸载压力带的宽度。
许多读者会在美国能源部的指南手册“提高压缩空气系统性能:工业资料手册”中发现百分比功率与百分比容量曲线。这些曲线显示了改变系统体积如何影响典型的润滑螺杆压缩机在加载/卸载模式下运行的效率。如图1所示的曲线是在固定的负载/卸载压力带宽为10psi时生成的。为了使图表在压缩机不使用10psi压力带的情况下是正确的，必须生成一组新的曲线。但是，如果图上的每条线代表一个给定的CSF，那么在大约相同的中间压力下，这条曲线可以适用于任何系统存储和压力带宽的组合。
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图1:典型的负载/卸载压缩机的功率与流量图
资料来源:压缩空气挑战赛
已知用于构建原始图表的压力变化为10psi，图例可以从1、3、5和10加仑/cfm改为相应的CSF值5.3、15.9、26.5和53。
压缩空气挑战，压缩空气系统效率训练史蒂夫·布里斯科，压缩空气挑战赛主席 最佳实践博览会和会议演示视频 |
每个周期存储和释放的卷如何以及为什么会影响部分负载功率?
CSF的单位为一分钟的百分比(即时间)。这为它如何影响压缩机效率提供了线索。CSF大意味着压缩机周期比CSF小的压缩机周期长。当系统存储空间较大或压力带较宽时，压缩机将系统压力由负荷设定升高到卸载设定所需时间较长。它也需要更长时间的需求，以耗尽储存的空气，导致压力下降到负荷设置。如果压缩机CSF很小，这些相同的时间就会很短，压缩机的循环速度就会很快。这可能会导致短周期循环，这是众所周知的浪费能源。
下一个图将帮助您理解为什么长周期时间会导致较低的功耗。
图2:示例压缩机循环显示功率和压力
图2显示了37kw压缩机示例的功率和压力在4次加载和卸载循环期间的变化。注意，在循环期间，流量是变化的，这改变了每个加载/卸载循环的特性。从图表中可以看出:
- 在某些循环中，压缩机空载时间较长，压缩机功率下降到较低值，导致平均空载功率较低。
- 有些周期很短。当这种情况发生时，功率下降的幅度不会那么大，而平均卸载功率会更高。
- 压缩机只有“在线”和产生空气的功率曲线的峰值(即在“交付开始”和“卸载”点之间)。这些是突出显示的四个周期之一。这时，动力和压力一起增加。
- 压缩机在任何其他时间所使用的动力都被浪费了。
- 从卸载点，可以看到功率迅速下降(到大约24千瓦)，因为进口阀关闭。压缩机现在处于完全调制状态。
- 当分离罐通过排污阀排出时，功率随时间下降。它在30到80秒后稳定，这取决于压缩机的设计。只有这样，压缩机才能完全卸载。在这张图中，压缩机从未完全卸载。
- 当压缩机重新加载时，有2 - 5秒的延迟发生，因为压缩机泵出其内部体积，以便空气可以输送到系统中。这个泵的能量被浪费了。
由于低CSF系统值(系统存储小，压力带窄)而具有高负载/卸载周期频率的压缩机与较大CSF值的机器相比具有以下特点:
- 空载功率更高。
- “内部泵升”所浪费的能量更经常发生。
- 整体耗电量较高。
例如，相同的压缩机在50%的负载下，如果它的加载/卸载周期时间是30秒/ 30秒(CSF 25)，而较低的系统值是10秒/10秒(CSF 8)，那么它将使用更少的功率。
在平均负载相同的情况下，CSF值越大，循环次数越长，说明压缩机卸载时间越长，平均卸载功率越小，压缩机效率越高。
下图3显示了以下情况下典型的百分比功率/流量曲线:
- 不同CSF值的固定速度加载/卸载压缩机，包括相同系统的曲线，但有两个一半大小的压缩机(2 × 50% × CSF 7)
- 具有不同CSF值的可变几何控制压缩机(注意，对于转向阀最小输出以下的容量，压缩机像固定容量的机器一样操作负载/卸载。因此CSF会影响这些机器。)
- 不同的变速压缩机规模固定速度压缩机(在可能与相同的空气端)从同一OEM
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图3:压缩机运行模式对比
许多人认为，使压缩机系统更高效的方法是使压气机负载/卸载压力带尽可能窄。事实并非如此，因为一个小的压力带在每个循环中存储的空气很少，导致CSF值非常小。
这并不是说压力带应该尽可能大。更大的压力带导致系统上所有压缩机的功率使用增加，并增加人工需求。当CSF考虑这些因素时，每个系统及其运行条件在任何时候都有一个最佳压力带(OPB)就不足为奇了。
如何使用CSF来提高压缩空气系统的效率?
CSF值可以用很多方法来提高压缩空气系统的效率:
- CSF的概念提供了如何微调压缩机的大小，运行模式，系统体积，和湿-干侧压力降影响其部分负载效率的见解。
- 从已知和测量的参数计算CSF的方程可以用来找到方程中使用的任何参数。例如，可以从测量值中找到CSF。如果同时记录压缩机的负荷和卸载设置，则可计算(有效)系统体积(括号中插入Image020.png)。如果湿侧体积和干侧压力变化也已知，那么干侧体积也可以估计出来。
- 压缩机的CSF值可以直接与效率曲线数据一起使用，估计压缩机在特定百分比负载下的功耗。这有助于基于已知(测量或假设的)负荷曲线建模新的或改变的压缩系统功耗。
- 它允许开发单位功率和节约产量(PUP-Y)图(图4如下所示)。
PUP-Y图表显示了不同CSF值的平均单位功率和节省产量。PUP趋势是基于特定负载(20、40、60和80%)下CSF值的平均功率值。这些功率值与100%负载时的功率值进行比较。因此，PUP曲线提供了一种估算微调压缩机平均功耗的方法。
图表的Yield趋势是基于不同CSF值的百分比功率/流量曲线(80 - 60%、80 - 40%、80 - 20%)上各点之间的平均斜率。它是压缩机负荷百分比变化与平均用电量变化的比值。
例如，根据PUP-Y图，带有CSF 10的压缩机将:
- 平均比功耗是满载比功耗的1.59倍。
- 有30%的收益率:例如，压缩机负荷的平均降低(例如泄漏修复)从60%降低到40%将导致平均功率使用减少6%(即30 %的60 - 40 = 6)。
如果有效系统体积增加，结果CSF现在是20:
- 微调压缩机的平均比功率变成了满载值的1.5倍，从而节省了5.6%。
- Yield变成了38%，使得与前一个示例相同的负载减少幅度更大(60%到40%现在节省了7.6%的电力)。
结合PUP-Y趋势，可以快速估算功耗和节省电量。
一些其他的评论:
- PUP-Y图是基于压缩机在所有负载下花费的相同时间，在20%到80%之间。这将不是所有的微调压缩机的情况。因此，PUP-Y图只是一个指南，允许在几分钟内快速估计，而不是几个小时的详细建模。如果需要高度精确的值，则应进行详细的建模。
- PUP-Y图显示，增加CSF值的回报是递减的。
- 当考虑相对压缩机尺寸、泄漏、人工需求负荷和系统体积时，PUP-Y图允许建模工作，以找到最佳压力带(即压力带宽的最佳选择)。
图4:压缩机PUP-Y图
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本文介绍了压缩机系统的参数CSF。它展示了如何在其系统中找到压缩机的CSF值。它还展示了CSF如何成为一个强大的工具，以提高压缩机系统的效率和评估压缩空气效率相关项目。
今后的文章将进一步探讨CSF的应用。例如，通过影响CSF值，可以找到压缩机的最佳压力带，并评估空气处理压力降如何影响功率使用。
作者简介
默里·诺特尔(Murray Nottle)是澳大利亚墨尔本大学毕业的机械工程师。他在压缩空气行业工作超过15年。其中一些是与气动公司，然而，大多数是与压缩机公司。这包括建立一个组织的能源审计能力。默里为卡诺集团提供压缩空气生产率和效率方面的咨询。可以通过电子邮件联系他mnottle@carnot.com.au或访问www.carnot.com.au．
阅读更多关于空气压缩机控制技术,请访问airbestpractices.com/technology/compressor-controls．
