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阿特拉斯帶我們站在用戶角度看節能:壓縮機周期比功率
返回列表 來源: 未知 發布日期:2020-09-15

我們都知知道,壓縮空氣系統的用電量在每年的工業用電中占很大比重。在大多數工業國家(如中國、美國等),這一用電量約占總用電量的 10%。通過分析總的運行成本,初期投資和常規維護只占壓縮空氣系統總費用的一小部分,而設備用電成本通常占設備年度運 行成本的 70% -85%。有鑒于此,壓縮機行業致力于不斷提升產品總的效率以及降低能耗也就不足為奇,因為它對壓縮機整個生命周期總的運行費用影響極大。評估完整壓縮空氣系統的整體效率是及其復雜的,涉及到的所有可能的配置和實際運行工況是多變且復雜的,需要將每個部件的大量信息納入到評估范圍內。評估總體效率的第一步是分析不同產品的實際運行方式,以及不同的運行狀態對其性能的影響。只評估空氣壓縮機穩態時的運行表現,遠遠不足以定義壓縮機在實際運行中的效率。例如,當所處空氣應用的用氣不穩定時,一臺工頻壓縮機總是處于從加載到卸載再到加載的周期性運行過程中。其中,對加載時性能及卸載時性能的測量已經有了明確定義(例如,容積式壓縮 機為 ISO1217:2016[1],離心式壓縮機為 ISO18740:2016[2]),但是如何測量切換工況時的 性能則沒有定義。論文“定義周期比功率的測量原理[3]詳細介紹了一種測量方法,針對市場上的不同類型壓縮機,例如:噴油螺桿壓縮機、干螺桿壓縮機、離心壓縮機及其它類型壓縮機,準確定義周期性運行過程造成的額外能量消耗。Pneurop[4]和 CAGI[5]聯合工作組目 前正在審核這一測量方法以用于編制正式標準。

圖 1 顯示了加卸載控制的壓縮機在周期性運行中的額外能耗。

圖 1:周期性運行中的能耗

周期比功率很大程度上取決于用氣特性,以及壓縮機在過渡工況下運行的固有特征。 因此,也應將這些能耗納入總能源消耗評估的計算中。
例如,前面提到的論文[3]中所測量的單級噴油螺桿壓縮機為 160kW,其周期比功率 約為 2200kJ。在客戶現場特定用氣條件下,這可能帶來高達 20% 的額外能耗。
問題“什么是具有代表性的用氣特性”是一個非常難以回答的問題。幸運的是,在現代數據挖掘技術之下,已經獲得大量數據可用于分析特定產品的整體表現及其實際現場使 用情況。本文通過對 3 萬多臺工頻噴油螺桿壓縮機的數據分析,最終形成了一種算法,該算法可以輕松地將產品可能的周期性運行納入到該產品整體效率的計算中。

數據分析

要分析空氣壓縮機的實際性能,了解這些機器在現場的運行狀況非常重要。通過對各 種不同客戶應用、超過 3 萬臺噴油螺桿壓縮機進行的大數據挖掘工作,記錄下了兩年內總運行時間、加載運行小時數和總加載次數。

相關定義:

  • 年運行時間 - 機器一整年內運行的總時間。不包括機器停機的時間,例如待機時間。
  • 加載率 - 加載率是加載運行時間除以機器總運行時間來定義的比率。注:壓縮機運行加載時間是壓縮機向客戶供氣的時間。
  • 每小時加載次數 - 機器每小時加載次數的平均值,是一年中加載次數除以年運行時間。

盡管壓縮機會被應用于許多不同場合,但是基于實際收集的數據,還是可以定義典型 的運行特征和趨勢。對于這 3 萬多 臺壓縮機的每條記錄,都定義了三個關鍵值:年運行 時間、加載率和每小時加載次數,并將這些記錄按額定功率進行了分組。 對于每一組壓 縮機,都計算了平均值,并列出八分之一和八分之七的值,對應總量的 12.5%和 87.5%。
圖 2 顯示了按額定功率分組的年運行時間。很明顯,藍圈標識的平均年運行時間相對 較少,從所有分組(由綠色豎線分隔)看,該平均值是介于 2,804 - 4,703 小時之間(見表 1)。另外,一個明顯趨勢是額定功率越大運行時間越長,但是超過 100kW 之后則趨于穩 定。另外,八分之一和八分之七所覆蓋的范圍差別也是極大的,推測是因為客戶應用多變導致的。


表 1:數據匯總

圖 2:年運行時間

從壓縮機向客戶供氣的時間來看,大部分機器是長時間運行于卸載狀態,或者是處于加卸載切換過程中。如圖 3 所示,3 萬多臺壓縮機的平均加載率是從小功率的 43.3%到大 功率的 77.3%。與年運行時間類似,加載率在 100kW 以上趨于穩定。另外,從表 1 的數 據分布中也可以看出,大量機器運行在 40%以下的極低加載率,同時,很多機器運行在 80%以上的高加載率。在運行的大部分時間段內,低加載率的壓縮機消耗了寶貴的能源, 卻沒有向客戶輸送壓縮空氣。

圖 3:加載率

第三個關鍵參數是這些機器的每小時加載次數,這定義了壓縮機在不同狀態之間切換 的頻率。圖 4 顯示了每組壓縮機每小時加載次數,平均加載次數介于每小時 9.8 到 37.1 次 之間,也就是會達到每 90 秒切換一次的頻率。取決于這一切換狀態下的實際能耗值,有 可能對整體效率的有極大的影響,需要納入到考慮范圍之內。

圖 4:每小時加載次數

總體來說,源于之前的數據挖掘工作,通過所收集數據,可以清晰了解這些空氣壓縮機在客戶端的實際運行表現。這些數據還表明,在分析特定產品的整體性能時,應考慮所有運行參數,即加載率、周期比功率等。此分析還為定義計算產品整體效率的方法提供了 一個良好的基礎。

整體效率計算方法

數據分析表明,當需要評估特定產品的整體效率時,僅計算穩態效率是不夠的。本節 介紹一種方法,用于輕松計算出空氣壓縮機在部分加載工況下運行時的性能,并將周期性 運行造成的能量損失納入考慮范圍。該方法可應用于不同類型壓縮機,可以構建不同壓縮 機整體性能評價的統一基準。

該方法的主要概念是計算運行一小時的能耗和提供給客戶的總的可用氣量。基于這些 值,可以計算出對應的周期比功率。相較于絕熱效率,比功率是更為人熟知的方法。

圖 5 是一個典型的運行周期,其中定義了三個關鍵部分:加載能耗(藍色)、空載能 耗(黃色)和周期能耗(紅色)。

加載的能耗為:

[公式]

式中 :

[公式] – 加載狀態下的平均耗功,特指額定工況下

[公式] – 加載率

[公式] – 運行時間

卸載的能耗為:

[公式]

式中 :

[公式] – 空轉或卸載狀態下的平均耗功

壓縮機周期性運行過程中,切換過程中的額外消耗的能量可以列為: [公式]

其中 CER 定義為周期比功率(Cycle Energy Requirement),其值可以通過簡易可靠的方法進行測量[2]。

圖 5:周期運行中的能耗

對于特定機器在單個運行小時內的整體能耗,可以用以下公式匯總著三個關鍵值:

[公式]

式中 :

[公式] – 每小時加載次數

相應地,這段時間內可用空氣體積為:

[公式]

式中 :

[公式] – 額定工況下的平均容積流量

整體比功率可以計算為:

[公式]

這個值非常容易理解,因為比功率是壓縮機行業眾所周知的一個術語。也可以按照 ISO1217:2016 附錄 H 將比功率換算成絕熱效率:

[公式]

對比定流量壓縮機和變流量壓縮機(如:變頻壓縮機或離心式壓縮機),需要引進另 一個氣量比例。該流量比例定義如下:

[公式]

式中 :

[公式] – 是規定運行條件下的最大容積流量。

另外,由數據挖掘工作可知,工頻壓縮機的容積流量為 [公式] 。

總結一下,分析空壓機部分加載時的表現,僅需要用到以下參數:

  • 加載功率
  • 加載時的容積流量
  • 卸載功率
  • 周期比功率

大部分參數都可以按已知標準(如:ISO1217,ISO18740)進行測量。

需要說明的一點,這一方法可以通過簡單計算來對比不同類型壓縮機在實際運行條件下的性能,如對比工頻壓縮機和變頻壓縮機,或者是部分加載的離心式壓縮機。當壓縮機不符合客戶氣量需求而進入周期性運行或放空運行時,也可以用此計算對比離心式壓縮機和變頻壓縮機性能。相對于當前額定工況下效率,這一方法和數據分析將會是一個好的基礎,可以標準化實際運行工況下的效率。

不同類型壓縮機整體能耗對比

數據分析表明,壓縮機所處的實際生產設施、應用和設置是非常多樣化的。為了持續改善空氣壓縮機對環境的影響,為合適的工況選擇合適的壓縮類型是非常重要的。

前幾節中定義的方法可以用來對不同類型壓縮機實現清晰、簡單和統一的分析。在本節中討論的多臺空氣壓縮機,均測量了所有關鍵數據以分析每個產品在不同應用之下的真 實效率。從中可以看出,同一方法可以適用于不同類型的壓縮機。下面的對比將基于單級 工頻噴油壓縮機、兩級工頻噴油螺桿壓縮機、單級變頻噴油壓縮機和工頻干螺桿壓縮機。

所有壓縮機均為相同功率檔[6],相同額定壓力,水冷。表 2 給出的關鍵參數是按 ISO1217:2016 以及由 Pneurop 和 CAGI 下屬的標準化團體正在開發的新的 CER 測量方法進 行測量。

表 2:不同壓縮機關鍵參數

當我們分析表 2 中的關鍵測量值時,會發現一些很有意思的值。即便加載功率完全相當,兩級噴油螺桿壓縮機的卸載功耗遠大于單級噴油螺桿壓縮機,干螺桿壓縮機的卸載功率則是工頻壓縮機中最低的,而由于起停特性,變頻壓縮機則沒有卸載耗功。兩級噴油螺 桿卸載耗功高,主要原因是需要較高的油壓以保證足量的油在卸載運行時經過壓縮機主 機。此外,在周期比功率方面也有很大差別。噴油螺桿壓縮機的周期比功率主要是源自油氣分離器在加載轉卸載過程中的放空以及卸載轉加載過程中的填充。由于兩級噴油螺桿以及單級變頻噴油螺桿(譯注:此變頻噴油螺桿油分采用保壓技術)在油氣分離器中維持較 高壓力,因此轉換過程中的能耗損失較小。而干螺桿壓縮機僅需要放空中間冷卻器中的少 量壓縮空氣,所以在轉換過程中的能量損失幾乎沒有。

表 6:單級工頻/變頻噴油螺桿壓縮機整體比功率和電費匯總

表 6 對比了單級工頻和變頻噴油螺桿壓縮機。這些匯總是根據前面章節定義的方法生 成的,(譯注:基于輸出同樣氣體條件下),其中電費單價為 0.086 美元/千瓦時,即中國工業用電平均電費。在壓縮機行業中,通常使用穩定的額定工況下的性能,即表 6 中 100%流量比率及加載次數為 0 來標定相關壓縮機的性能。然而,從數據分析章節可知, 在實際應用中,幾乎沒有一臺壓縮機會在這種最佳條件下運行,反而所處運行工況更多是 低流量或低加載率,每小時加載次數也高。

從工頻壓縮機來看,運行在低加載率高加載次數時,其整體比功率較高,電費也較多。對比最佳工況和典型工況,其實際運行電費會比宣傳電費高 20%。而對于變頻壓縮 機,只要沒有低于最大調節范圍,它會調節氣量以滿足客戶所需氣量。這對壓縮空氣系統 的效率有著直接的正面效果。數據表明,對此功率段的壓縮機,客戶現場有超過 12.5%的機器流量時低于 40%,且每小時加載次數超過 40 次。在這一工況下,變頻壓縮機每年可 以節約 36,200 美元。

表 7:兩級工頻噴油螺桿壓縮機/工頻干螺桿壓縮機整體比功率和電費匯總

如表 7 所示,對兩級工頻噴油螺桿壓縮機和工頻干螺桿壓縮機做同樣對比。由于兩級噴油螺桿在卸載時的功耗較高,隨著流量比率下降,其能效快速下降。在典型工況下,其一年實際電費比宣傳的最佳工況時高 25%。

結論

本文首先對噴油螺桿壓縮機的大量數據收集工作進行了深入分析。分析表明,由于大多數空氣壓縮機均運行于部分加載和高加載次數工況下,因此,僅討論額定工況下的效率是遠遠不夠的。

目前,已經開發出一種計算方法,以準確并且可測量的方式定義空氣壓縮機在部分加載工況下的整體能效和能耗。

已經測量了四種類型壓縮機,并在銷售過程中應用了該方法,以分析壓縮機在整體運行工況下的優勢。


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