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阿特拉斯帶我們站在用戶角度看節(jié)能：壓縮機(jī)周期比功率

返回列表 來源：未知發(fā)布日期：2020-09-15

我們都知知道，壓縮空氣系統(tǒng)的用電量在每年的工業(yè)用電中占很大比重。在大多數(shù)工業(yè)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(yùn)行成本，初期投資和常規(guī)維護(hù)只占壓縮空氣系統(tǒng)總費(fèi)用的一小部分，而設(shè)備用電成本通常占設(shè)備年度運(yùn) 行成本的 70% -85%。有鑒于此，壓縮機(jī)行業(yè)致力于不斷提升產(chǎn)品總的效率以及降低能耗也就不足為奇，因?yàn)樗鼘嚎s機(jī)整個(gè)生命周期總的運(yùn)行費(fèi)用影響極大。評估完整壓縮空氣系統(tǒng)的整體效率是及其復(fù)雜的，涉及到的所有可能的配置和實(shí)際運(yùn)行工況是多變且復(fù)雜的，需要將每個(gè)部件的大量信息納入到評估范圍內(nèi)。評估總體效率的第一步是分析不同產(chǎn)品的實(shí)際運(yùn)行方式，以及不同的運(yùn)行狀態(tài)對其性能的影響。只評估空氣壓縮機(jī)穩(wěn)態(tài)時(shí)的運(yùn)行表現(xiàn)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以定義壓縮機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中的效率。例如，當(dāng)所處空氣應(yīng)用的用氣不穩(wěn)定時(shí)，一臺工頻壓縮機(jī)總是處于從加載到卸載再到加載的周期性運(yùn)行過程中。其中，對加載時(shí)性能及卸載時(shí)性能的測量已經(jīng)有了明確定義（例如，容積式壓縮機(jī)為 ISO1217:2016[1]，離心式壓縮機(jī)為 ISO18740:2016[2]），但是如何測量切換工況時(shí)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(xì)介紹了一種測量方法，針對市場上的不同類型壓縮機(jī)，例如：噴油螺桿壓縮機(jī)、干螺桿壓縮機(jī)、離心壓縮機(jī)及其它類型壓縮機(jī)，準(zhǔn)確定義周期性運(yùn)行過程造成的額外能量消耗。Pneurop[4]和 CAGI[5]聯(lián)合工作組目前正在審核這一測量方法以用于編制正式標(biāo)準(zhǔn)。

圖 1 顯示了加卸載控制的壓縮機(jī)在周期性運(yùn)行中的額外能耗。

圖 1：周期性運(yùn)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(jī)在過渡工況下運(yùn)行的固有特征。因此，也應(yīng)將這些能耗納入總能源消耗評估的計(jì)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(jī)為 160kW，其周期比功率約為 2200kJ。在客戶現(xiàn)場特定用氣條件下，這可能帶來高達(dá) 20% 的額外能耗。
問題“什么是具有代表性的用氣特性”是一個(gè)非常難以回答的問題。幸運(yùn)的是，在現(xiàn)代數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)之下，已經(jīng)獲得大量數(shù)據(jù)可用于分析特定產(chǎn)品的整體表現(xiàn)及其實(shí)際現(xiàn)場使用情況。本文通過對 3 萬多臺工頻噴油螺桿壓縮機(jī)的數(shù)據(jù)分析，最終形成了一種算法，該算法可以輕松地將產(chǎn)品可能的周期性運(yùn)行納入到該產(chǎn)品整體效率的計(jì)算中。

數(shù)據(jù)分析

要分析空氣壓縮機(jī)的實(shí)際性能，了解這些機(jī)器在現(xiàn)場的運(yùn)行狀況非常重要。通過對各種不同客戶應(yīng)用、超過 3 萬臺噴油螺桿壓縮機(jī)進(jìn)行的大數(shù)據(jù)挖掘工作，記錄下了兩年內(nèi)總運(yùn)行時(shí)間、加載運(yùn)行小時(shí)數(shù)和總加載次數(shù)。

相關(guān)定義：

年運(yùn)行時(shí)間 - 機(jī)器一整年內(nèi)運(yùn)行的總時(shí)間。不包括機(jī)器停機(jī)的時(shí)間，例如待機(jī)時(shí)間。
加載率 - 加載率是加載運(yùn)行時(shí)間除以機(jī)器總運(yùn)行時(shí)間來定義的比率。注：壓縮機(jī)運(yùn)行加載時(shí)間是壓縮機(jī)向客戶供氣的時(shí)間。
每小時(shí)加載次數(shù) - 機(jī)器每小時(shí)加載次數(shù)的平均值，是一年中加載次數(shù)除以年運(yùn)行時(shí)間。

盡管壓縮機(jī)會被應(yīng)用于許多不同場合，但是基于實(shí)際收集的數(shù)據(jù)，還是可以定義典型的運(yùn)行特征和趨勢。對于這 3 萬多臺壓縮機(jī)的每條記錄，都定義了三個(gè)關(guān)鍵值：年運(yùn)行時(shí)間、加載率和每小時(shí)加載次數(shù)，并將這些記錄按額定功率進(jìn)行了分組。對于每一組壓縮機(jī)，都計(jì)算了平均值，并列出八分之一和八分之七的值，對應(yīng)總量的 12.5%和 87.5%。
圖 2 顯示了按額定功率分組的年運(yùn)行時(shí)間。很明顯，藍(lán)圈標(biāo)識的平均年運(yùn)行時(shí)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(shí)之間（見表 1）。另外，一個(gè)明顯趨勢是額定功率越大運(yùn)行時(shí)間越長，但是超過 100kW 之后則趨于穩(wěn) 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?yàn)榭蛻魬?yīng)用多變導(dǎo)致的。

表 1：數(shù)據(jù)匯總

圖 2：年運(yùn)行時(shí)間

從壓縮機(jī)向客戶供氣的時(shí)間來看，大部分機(jī)器是長時(shí)間運(yùn)行于卸載狀態(tài)，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(jī)的平均加載率是從小功率的 43.3%到大功率的 77.3%。與年運(yùn)行時(shí)間類似，加載率在 100kW 以上趨于穩(wěn)定。另外，從表 1 的數(shù) 據(jù)分布中也可以看出，大量機(jī)器運(yùn)行在 40%以下的極低加載率，同時(shí)，很多機(jī)器運(yùn)行在 80%以上的高加載率。在運(yùn)行的大部分時(shí)間段內(nèi)，低加載率的壓縮機(jī)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(gè)關(guān)鍵參數(shù)是這些機(jī)器的每小時(shí)加載次數(shù)，這定義了壓縮機(jī)在不同狀態(tài)之間切換的頻率。圖 4 顯示了每組壓縮機(jī)每小時(shí)加載次數(shù)，平均加載次數(shù)介于每小時(shí) 9.8 到 37.1 次之間，也就是會達(dá)到每 90 秒切換一次的頻率。取決于這一切換狀態(tài)下的實(shí)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(nèi)。

圖 4：每小時(shí)加載次數(shù)

總體來說，源于之前的數(shù)據(jù)挖掘工作，通過所收集數(shù)據(jù)，可以清晰了解這些空氣壓縮機(jī)在客戶端的實(shí)際運(yùn)行表現(xiàn)。這些數(shù)據(jù)還表明，在分析特定產(chǎn)品的整體性能時(shí)，應(yīng)考慮所有運(yùn)行參數(shù)，即加載率、周期比功率等。此分析還為定義計(jì)算產(chǎn)品整體效率的方法提供了一個(gè)良好的基礎(chǔ)。

整體效率計(jì)算方法

數(shù)據(jù)分析表明，當(dāng)需要評估特定產(chǎn)品的整體效率時(shí)，僅計(jì)算穩(wěn)態(tài)效率是不夠的。本節(jié) 介紹一種方法，用于輕松計(jì)算出空氣壓縮機(jī)在部分加載工況下運(yùn)行時(shí)的性能，并將周期性運(yùn)行造成的能量損失納入考慮范圍。該方法可應(yīng)用于不同類型壓縮機(jī)，可以構(gòu)建不同壓縮機(jī)整體性能評價(jià)的統(tǒng)一基準(zhǔn)。

該方法的主要概念是計(jì)算運(yùn)行一小時(shí)的能耗和提供給客戶的總的可用氣量?；谶@些值，可以計(jì)算出對應(yīng)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(gè)典型的運(yùn)行周期，其中定義了三個(gè)關(guān)鍵部分：加載能耗（藍(lán)色）、空載能耗（黃色）和周期能耗（紅色）。

加載的能耗為：

$E_{load}=P_{L}\times R_{L}\times H$

式中：

$P_{L}$ – 加載狀態(tài)下的平均耗功，特指額定工況下

$R_{L}$ – 加載率

$H$ – 運(yùn)行時(shí)間

卸載的能耗為：

$E_{idle}=P_{UL}\times\left( 1-R_{L} \right)\times H$

式中：

$P_{UL}$ – 空轉(zhuǎn)或卸載狀態(tài)下的平均耗功

壓縮機(jī)周期性運(yùn)行過程中，切換過程中的額外消耗的能量可以列為： $CER=\int_{t5}^{t6}f\left(t \right)dt+\int_{t7}^{t8}g\left(t \right)dt$

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(jìn)行測量[2]。

圖 5：周期運(yùn)行中的能耗

對于特定機(jī)器在單個(gè)運(yùn)行小時(shí)內(nèi)的整體能耗，可以用以下公式匯總著三個(gè)關(guān)鍵值：

$E_{total}=E_{load}+E_{idle}+CER\times n_{c}\times H$

式中：

$n_{c}$ – 每小時(shí)加載次數(shù)

相應(yīng)地，這段時(shí)間內(nèi)可用空氣體積為：

$V_{load}=V_{L}\times R_{L}\times H$

式中：

$V_{L}$ – 額定工況下的平均容積流量

整體比功率可以計(jì)算為：

$SER_{total}=\frac{E_{total}}{V_{load}}$

這個(gè)值非常容易理解，因?yàn)楸裙β适菈嚎s機(jī)行業(yè)眾所周知的一個(gè)術(shù)語。也可以按照 ISO1217:2016 附錄 H 將比功率換算成絕熱效率：

$\eta_{isen}=\frac{1}{SER}\times \rho_{1}\frac{k}{k-1}\times \left( \left( \frac{\rho_{2}}{\rho_{1}} \right)^{\frac{k-1}{k}} -1\right)$

對比定流量壓縮機(jī)和變流量壓縮機(jī)（如：變頻壓縮機(jī)或離心式壓縮機(jī)），需要引進(jìn)另一個(gè)氣量比例。該流量比例定義如下：

$R_{F}=\frac{V_{L}\times R_{L}}{V_{max}}$

式中：

$V_{max}$ – 是規(guī)定運(yùn)行條件下的最大容積流量。

另外，由數(shù)據(jù)挖掘工作可知，工頻壓縮機(jī)的容積流量為 $R_{F}\approx R_{L}$ 。

總結(jié)一下，分析空壓機(jī)部分加載時(shí)的表現(xiàn)，僅需要用到以下參數(shù)：

加載功率
加載時(shí)的容積流量
卸載功率
周期比功率

大部分參數(shù)都可以按已知標(biāo)準(zhǔn)（如：ISO1217，ISO18740）進(jìn)行測量。

需要說明的一點(diǎn)，這一方法可以通過簡單計(jì)算來對比不同類型壓縮機(jī)在實(shí)際運(yùn)行條件下的性能，如對比工頻壓縮機(jī)和變頻壓縮機(jī)，或者是部分加載的離心式壓縮機(jī)。當(dāng)壓縮機(jī)不符合客戶氣量需求而進(jìn)入周期性運(yùn)行或放空運(yùn)行時(shí)，也可以用此計(jì)算對比離心式壓縮機(jī)和變頻壓縮機(jī)性能。相對于當(dāng)前額定工況下效率，這一方法和數(shù)據(jù)分析將會是一個(gè)好的基礎(chǔ)，可以標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)際運(yùn)行工況下的效率。

不同類型壓縮機(jī)整體能耗對比

數(shù)據(jù)分析表明，壓縮機(jī)所處的實(shí)際生產(chǎn)設(shè)施、應(yīng)用和設(shè)置是非常多樣化的。為了持續(xù)改善空氣壓縮機(jī)對環(huán)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(jié)中定義的方法可以用來對不同類型壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)清晰、簡單和統(tǒng)一的分析。在本節(jié)中討論的多臺空氣壓縮機(jī)，均測量了所有關(guān)鍵數(shù)據(jù)以分析每個(gè)產(chǎn)品在不同應(yīng)用之下的真實(shí)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(jī)。下面的對比將基于單級工頻噴油壓縮機(jī)、兩級工頻噴油螺桿壓縮機(jī)、單級變頻噴油壓縮機(jī)和工頻干螺桿壓縮機(jī)。

所有壓縮機(jī)均為相同功率檔[6]，相同額定壓力，水冷。表 2 給出的關(guān)鍵參數(shù)是按 ISO1217:2016 以及由 Pneurop 和 CAGI 下屬的標(biāo)準(zhǔn)化團(tuán)體正在開發(fā)的新的 CER 測量方法進(jìn) 行測量。

表 2：不同壓縮機(jī)關(guān)鍵參數(shù)

當(dāng)我們分析表 2 中的關(guān)鍵測量值時(shí)，會發(fā)現(xiàn)一些很有意思的值。即便加載功率完全相當(dāng)，兩級噴油螺桿壓縮機(jī)的卸載功耗遠(yuǎn)大于單級噴油螺桿壓縮機(jī)，干螺桿壓縮機(jī)的卸載功率則是工頻壓縮機(jī)中最低的，而由于起停特性，變頻壓縮機(jī)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(yùn)行時(shí)經(jīng)過壓縮機(jī)主機(jī)。此外，在周期比功率方面也有很大差別。噴油螺桿壓縮機(jī)的周期比功率主要是源自油氣分離器在加載轉(zhuǎn)卸載過程中的放空以及卸載轉(zhuǎn)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(shù)）在油氣分離器中維持較高壓力，因此轉(zhuǎn)換過程中的能耗損失較小。而干螺桿壓縮機(jī)僅需要放空中間冷卻器中的少量壓縮空氣，所以在轉(zhuǎn)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(jī)整體比功率和電費(fèi)匯總

表 6 對比了單級工頻和變頻噴油螺桿壓縮機(jī)。這些匯總是根據(jù)前面章節(jié)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(fèi)單價(jià)為 0.086 美元/千瓦時(shí)，即中國工業(yè)用電平均電費(fèi)。在壓縮機(jī)行業(yè)中，通常使用穩(wěn)定的額定工況下的性能，即表 6 中 100%流量比率及加載次數(shù)為 0 來標(biāo)定相關(guān)壓縮機(jī)的性能。然而，從數(shù)據(jù)分析章節(jié)可知，在實(shí)際應(yīng)用中，幾乎沒有一臺壓縮機(jī)會在這種最佳條件下運(yùn)行，反而所處運(yùn)行工況更多是低流量或低加載率，每小時(shí)加載次數(shù)也高。

從工頻壓縮機(jī)來看，運(yùn)行在低加載率高加載次數(shù)時(shí)，其整體比功率較高，電費(fèi)也較多。對比最佳工況和典型工況，其實(shí)際運(yùn)行電費(fèi)會比宣傳電費(fèi)高 20%。而對于變頻壓縮機(jī)，只要沒有低于最大調(diào)節(jié)范圍，它會調(diào)節(jié)氣量以滿足客戶所需氣量。這對壓縮空氣系統(tǒng) 的效率有著直接的正面效果。數(shù)據(jù)表明，對此功率段的壓縮機(jī)，客戶現(xiàn)場有超過 12.5%的機(jī)器流量時(shí)低于 40%，且每小時(shí)加載次數(shù)超過 40 次。在這一工況下，變頻壓縮機(jī)每年可以節(jié)約 36,200 美元。