综述
SUMMARY

空压机生命周期成本经济和节能性探究

      摘要
 
      目前被普遍接受的评估工业用空气压缩机生命周期成本的标准方法已经受到质疑。因为该方法假设空气压缩机在其整个生命周期内的效能是恒定不变的,而这个假设是不恰当的。本文阐述了,螺杆压缩机中,很小的叶片和轴向间隙差异如何导致了能效的损失以及螺杆机如何在轴承磨损可接受的范围内所做的一些变革。文章还解释了为何玛泰滑片压缩机在初期进行大约1000小时左右的短期磨合后,其性能提升了高达5%,而这个数据得到了玛泰公司以及美国知名的第三方评测机INTERTEK公司认证。通过这些数据,可以更加合理的计算出螺杆机和滑片机的生命周期成本。而如果只是仅仅依据美国CAGI提供的零点效能数据去对比两种空气压缩技术的话,其结果只能是误导终端用户。文中举例说明了具有相同零点比功率的空压机,在经历了长达10年以上的使用和大修后,其整个生命周期成本的差异高达68,000。如果使用零点的能效作为空压机整个生命周期的能效指标,那么在起草旨在抑制全球变暖危机的空压机行业新规则时,将会影响这个行业的节能目标的设定。 
 
       生命周期成本和工业压缩空气
 
  在工业制造领域,计算企业主设备投入总成本的一种公认方法就是生命周期成本,然而对于生命周期成本的计算会因行业不同而不同。在空气压缩机行业,一般考虑以下三个因素:
 
  设备购置成本 (Capex)-何为设备购置成本? 如果只是考虑两个竞争品牌的对比,那么就是空压机的购置费;但是如果要计算整个投资回报的话,那么安装费用以及其它相关费用也需要考虑进去。
 
  设备维护成本-何为设备维护成本? 根据制造商保养要求定期更换易耗品的成本以及保养中所发生的人工成本。
 
  能源耗费成本-何为设备运转的能耗成本? 计算设备运转的能耗成本,最关键的一点是空压机的能效,即比功率,通常是用于衡量每分钟产生1立方米的压缩空气需要多少kW电量。用比功率乘以空气流量乘以运行时间乘以当地的电费,就可以计算出空压机运转的总体能耗成本。
 
  当设备购置成本确定后,维护成本和运转成本会因其它一些因素的影响而不同,如:年运行时间、当地电费等。对于功率越大、年度运行时间越长的压缩机,生命周期成本的评估就越重要。

 
空压机生命周期成本经济和节能性探究
 

 
空压机生命周期成本经济和节能性探究


 
空压机生命周期成本经济和节能性探究

 
  表1这个例子将贯穿整篇文章, 假设某一使用环境如表1。
 
  在这个例子中,假设机器使用5年,生命周期成本计算如见表2,图1。
 
空压机生命周期成本经济和节能性探究

 
空压机生命周期成本经济和节能性探究
 
空压机生命周期成本经济和节能性探究

 
        在这个案例中,压缩机的能耗成本远高于购置成本和维护成本,高达总成本的90%以上。正是因为非常高比例的能耗成本,所以空压机比功率在过去几十年中一直至关重要。鉴于这个原因,很多压缩机生产商在研发中投入大量的预算,旨在提升他们产品的性能。尽管在降低能耗方面的竞赛主要是出于经济利益的驱动,但是当下,各个空压机生产商们也不得不面对一个现实,就是他们产品的能效高低将直接对环境产生影响。
 
 
  空气压缩机和全球变暖
 
  目前,一个不争的事实就是,全球变暖已经成为我们这个星球以及人类生存最大的威胁。由政府间气候变化专门委员会进行的一项独立研究证实,在目前的温室气体排放率下,本世纪末全球平均气温超过4℃将不可避免。[1].对外行来说,这可能听起来并不多,而专家一致认为对于避免气候系统不可逆转破坏,并防止全球社会经济模式崩溃,温度升高2℃是个极限。2015年12月12日,195个国家在巴黎批准了具有里程碑意义的气候协议,承诺采取积极措施应对全球变暖危机。虽然巴黎协议肯定是历史性的,但它本身并不能解决全球变暖问题。最好的结果是,它将减少全球温室气体排放量的一半左右,以避免全球气温上升2℃[2]。
 
  二氧化碳排放导致全球变暖的一个主要原因就是电力消耗。图2展示了不同行业电力消耗的具体情况。
 
  工业领域的电能消耗占全球电能消耗的50%以上,而这里面高达20%的电能被用于空气压缩和传送以满足终端用户的需求。[4]考虑到目前旋转式空压机高达160亿美金的巨大市场份额,而且据预测在接下来的7年内将以3.6%的复合年增长率增长,因此在制定降低温室气体排放及全球升温计划时,工业压缩气体系统中的能源节约或者回收将显得尤为重要。
 
  自从欧洲生态指令2009/125/EC认定“电机驱动型压缩机”这类产品组作为产品节能工作计划的优先研究产品,这个课题就显得尤为重要。该指令要求欧洲委员会展开针对空压机及改善对环境影响的应对措施的研究。目前,这项研究正在进行中,其很有可能引起一次新的法规变更从而在全球范围内叫停那些高能耗的空压机。
 
  虽然在过去的几十年里,空压机行业的大多数主要的生产商成功地降低了他们产品的比功率,但是用于计算和比较产品生命周期成本的所谓的标准方式,其实是有失偏颇的。本文将着重讨论这个问题。
 
  空压机生命周期成本传统评估方式
 
  当下,如果一个潜在客户打算购买工业用空压机,他们一般都会要求生产商提供相关的技术参数资料以便他们评估该投资在未来5-10年内的生命周期成本。在美国,压缩气体协会(CAGI)建立了一个消费者友好沟通平台,在这个平台上消费者可以下载全球各主要品牌空压机的技术参数。发布在CAGI网站上的任何数据都通过了美国第三方测试机构INTERTEK的验证和测试,而INTERTEK 的所有测试都是严格按照ISO1217执行的。
 
  当下大家对于很多空压机生产商提供的能效数据持有怀疑态度,而因为CAGI提供的数据更加精准和公正,所以被广泛认可。
 
  使用与表1相同的方法,对比两款在购置成本和维护成本上有着少许差异但是相同CAGI认可的比功率的机器,其生命周期成本估算如表3。
 
  在上面例子中,空压机2和空压机1相比,其购置成本高出10%,维护成本高出20%,但是在相同的CAGI的比功率情况下,生命周期成本的差异只有9,000,占总成本的1.1%。
 
  这时,终端用户会相信自己已经有了足够的数据去做出明智的决定,很清楚自己的工厂应该安装哪一台空压机。但是,很不幸的是,这种计算方式依据的是一个从根本上就错误的假设,从而误导了终端用户的决策。
 
  这个错误的假设就是:空压机的比功率随着时间的推移是恒定不变的
 
  然而,鉴于两个客观存在的原因,这个假设既不适用于螺杆空压机也不适用于滑片空压机。
 
  螺杆压缩机
 
  为了理解为什么上述假设不适用于螺杆压缩机,我们必须理解其工程原理。螺杆空压机基本构造:在压缩机的机体中,平行地配置着一对相互啮合的螺旋形转子,通常把节圆外具有凸齿的转子,称为阳转子或阳螺杆。把节圆内具有凹齿的转子,称为阴转子或阴螺杆,一般阳转子与原动机连接,由阳转子带动阴转子转动转子上的最后一对轴承实现轴向定位,并承受压缩机中的轴向力。转子两端的圆柱滚子轴承使转子实现径向定位,并承受压缩机中的径向力。
 
  转子转动时,阴阳转子的齿沟空间在转至进气端壁开口时,其空间最大,此时转子齿沟空间与进气口的相通,因在排气时齿沟的气体被完全排出,排气完成时,齿沟处于真空状态,当转至进气口时,外界气体即被吸入,沿轴向进入阴阳转子的齿沟内。当气体充满了整个齿沟时,转子进气侧端面转离机壳进气口,在齿沟的气体即被封闭。 润滑油被用于密封、润滑和冷却压缩空气,随后在油气分离器装置中分离。压缩机的启动和停止是通过系统压力开关设置为最大和最小值。(见图3、4)
 
  泄漏途径和间隙
 
  要了解在螺杆压缩机中间隙的重要关键作用,必须首先对所有可能的泄漏路径有一个清晰的认识。图5是一个典型的螺杆压缩机的横截面图,其显示了通过间隙的各种泄漏途径。
 
  对机器性能影响最大的是转子间的间隙(径向间隙)和端面间隙(轴向间隙)导致的泄漏。这些泄漏路径连接着高低压的工作腔,因此潜在的泄漏是非常高的。而下图中的其它泄漏路径涉及到较小的压力差,因此对性能影响相对较小。径向间隙的大小取决于空压机主要部件的尺寸和公差。而轴向间隙则取决于机器组装。
 
  因此,由于螺杆压缩机的性能受到泄漏的严重影响,任何对其内部间隙的修改都会对其效率产生重要影响。[6]
 
  径向间隙对螺杆压缩机性能的影响
 
  当下,某些现代化的转子加工中心,已经能够将转子的公差降低至3微米。这意味着,就单单生产转子而言,转子间的间隙可以低至12微米。[7] (作为参考:人类头发的平均宽度是70微米)
 
  虽然这样可以减少径向间隙,从而提高了压缩机的容积效率,而且这样的细小间隙几乎可以与滚动轴承的间隙相媲美,但是这样也会影响到压缩机的可靠性和性能表现。

 
空压机生命周期成本经济和节能性探究


 
空压机生命周期成本经济和节能性探究
 
  对间隙尺寸和分布的影响进行了深入的研究后发现,这些非常小的间隙扮演着非常重要性的角色。研究结果显示,移动轴承50微米就能导致空压机的比功率发生2.5%的变化(在1500rpm,9bar的排气压力下)[6]。研究结果还显示,如果转子间的间隙增加31.5%,比如从15微米增加到20微米,将会导致容积流量损失1.7%[8]。
 
  轴向间隙以及其对螺杆机能效的影响
 
  径向间隙和转子间隙的大小取决于压缩机主要部件的尺寸和公差,以及相对于滚动轴承间隙的位置,而轴向间隙是在机器装配过程中就已经设定好的。
 
  由于其几何形状机构,螺杆空压机在压缩空气过程中产生了轴向推力,使转子减少了进气端的侧隙,但增加了在输送端的间隙,而在此过程中,端口密封起到非常关键的作用如图6。制造商也已经将此考虑进去,并抵消了其低压和高压轴向间隙的影响。
 
  侧推力由推力轴承承担,从而防止转子接触到端盖的表面。因此,较好地推力轴承的质量和阻力,才能实现正确的密封。

 
空压机生命周期成本经济和节能性探究
 
  无油螺杆压缩机在排放端的间隙出现35微米的波动,就会导致22%的能效损耗。[5].对于注油式螺杆压缩机,人们期望这种波动对比功率产生的影响不那么显著,但是很明显,这些间隙值与整体压缩机性能之间存在很强的相关性。
 
  螺杆空压机的零点时刻
 
  在生产流水线上组装的时候,螺杆机的径向和轴向间隙非常精密,在严格遵循生产商安装手册的情况下,可以使螺杆机达到最佳的性能:CAGI的数据也表明,一些主要品牌的螺杆机,其在零点时刻的能效表现是最佳的。
 
  但是当螺杆压缩机开始运行时这些重要的间隙会发生什么变化呢?
 
  总所周知,滚子轴承和止推轴承都会存在磨损,而磨损速率则取决于其运转速度和负载程度[9],虽然各生产商会采用不同类型、不同尺寸的轴承来延长其寿命,但是磨损无法避免的,所以他们会建议用户在机器运行一定时间后需要对机头进行大修。大修主要是要更换滚动和止推部件,还空压机一个“安全”的运行环境,避免给机头造成灾难性的损坏。绝大多数国际一线品牌的生产商通常会建议在机器每运行3万-5万小时后,进行一次大修。
 
  考虑到轴承磨损,在轴向方向,止推轴承能够承受的最大磨损间隙是50微米,超过50微米到200微米之间,将会对机器性能造成影响。在径向方向,轴承任何部位的磨损不能超过生产商的转子间隙(12微米-15微米),否则将会对机器性能造成影响。这两种情况都表明,这些间隙的变化会导致显著的性能损失。因此,也就不难理解,为什么螺杆机的能效表现不是恒久不变的,而是会随着时间而衰减的。
 
  尽管目前很难找到研究这种现象的学术文献,然而在现实环境中,能效审计公司对一些旧的、即将大修的螺杆压缩机的流量和功率进行了测量,并有很多的文档记录。在一个测量案例中[10],澳大利亚工业部测量了一批运行了10年左右的螺杆机,发现其平均能效衰减30%,最差机器的能效衰减高达55%。
 
  虽然上述测量结果是基于一些特定的状况,而且当下螺杆机所使用的轴承的性能也有了很大的提升,但是不管如何改善,随着使用时间的变化,螺杆机的性能衰减是个无法避免的事实,这是由轴承本身的特性和螺杆机的工作原理所决定的。
 
  滑片空压机运作原理
 
  对于滑片式空压机而言,随着时间的推移,零点时刻的比功率也不会保持一成不变。要解释这一现象,先要了解其工作原理。滑片机的定转子总成由一个偏置的转子和一个圆柱形的定子组成,两端由端盖密封并配以巴氏白瓦合金套管。转子上面有机加工过的纵向槽,以便滑片在里面自由滑动。转子通过电机进行直接驱动,转速通常在1000到1500转(50Hz)之间,通过偏心力转动使滑片与定子内壁进行密封接触从而形成压缩袋。空气被吸入后,此时容积最大,随着转子的转动,容积逐渐减小(压力上升)从而形成一个压缩循环。当容积减到最小时,空气通过压缩元件被释放出来。
 
  泄漏路径和间隙
 
  在滑片式空气压缩机中,滑片总是与定子内表面的润滑膜相接触,这样既可以避免两个金属表面直接接触,也避免了气体泄漏。在滑动叶片的前缘存在一个润滑楔子,精确加工的叶片尖端半径,润滑的滑动元件和支撑面(定子)的附着力增加了润滑压力,并在两个表面之间产生了流体动力润滑膜。当施加非常大的压力时,润滑剂的粘度会增加,润滑油就可以避免被挤压在表面之间,从而保持一个恒定的薄膜。此外,润滑油也起到了一个完美的密封功能(见图7、8)。

 
空压机生命周期成本经济和节能性探究

 
空压机生命周期成本经济和节能性探究
 
  另一个可能的泄漏途径是通过压缩机端盖。 然而,滑片空压机没有轴向推力将转子推向两侧端盖,因此也就没有必要安装止推轴承来控制轴向位置。轴向间隙是在机器装配过程中就已经设定好的。转子可以自由地沿着轴向移动,它通过在压力下注入的润滑油,与两端端盖保持同样的距离,从而防止接触和提供有效的密封(见图9)。
 
  由于在滑片式空压机内没有磨损的滚子和推力轴承,所以在机器制造的时候设定的间隙是恒定的,该间隙在压缩机的整个生命周期内都不会变化。这样的设计有两个好处:首先,随着时间的推移,容积效率不会有任何衰减;其次,永远不需要进行更换磨损轴承这样的大修。这就保证了玛泰的压缩单元(机头)可以达到超过10年不限时间的使用寿命。
 
  既然已经证明容积效率不会随着时间的推移而衰减,为什么上面提到的比功率恒定的假设也不适用于玛泰滑片式空压机呢?
 
  滑片的磨合期与前1000小时
 
  从启动滑片式空压机开始到前1000个小时期间,滑片进行着一个前期磨合的过程。虽然玛泰在生产滑片的时候已经对其滑片进行了非常精确的打磨,但是前1000小时的运转可以更好地磨合转子槽和滑片之间锲合度,从而达到最佳效果。从摩擦学的角度讲,必要的抛光处理可以使表面更加平整、光滑。
 
  此处不能将磨合与磨损的概念相混淆。磨损指摩擦体接触表面的材料在相对运动中由于机械作用,间或伴有化学作用而产生的不断损耗的现象,长时间的磨损将会影响机器的性能。而磨合是为了使配合件正常稳定运转的一种措施。玛泰滑片空压机的滑片采用特殊材质制作,可以使其寿命长达10年以上无需更换。


 
空压机生命周期成本经济和节能性探究
 
  这种前期磨合效果对摩擦损失的功率有显著的正面影响,并对空压机产生的功率有显著的影响。多年来,这一效应在滑片式空压机工业领域中早已经为人所知,但直到现在,它还没有被独立地和科学地测试过。
 
  在2016年,针对这一理论,玛泰发起了两个同时并行的测试计划:一个是在玛泰总部现代化的研发中心测试一台50Hz的Maxima 75 Xtreme,另一个是在美国的INTERTEK(天祥集团)总部测试一台60Hz的Maxima55。INTERTEK也是美国为CAGI提供空压机测试认证的公司。
 
  在这两种测试环境下,压缩机的性能都是从零点时刻开始记录,然后每100小时采集一次数据。毫不夸张地说,测试结果非常显著。从测试结果中可以看出,在保持一个恒定地空气输出的条件下,电能的消耗呈显著下降,其比功率得到了很大的提升,比零点时刻更低(见表4)。
 
  因此,不难看出,对于滑片式空压机而言,CAGI公布的零点时刻的比功率也不能作为整个空压机是生命周期内的比功率来计算其生命周期成本。
 
  新的“生命周期成本(LCC)分析”
 
  通过以上数据的分析和讨论,我们在模拟计算生命周期成本时,可以勾勒出一个更加真实的场景。再回到前面的例子,尽管滑片机和螺杆机都有着CAGI公布的零点时刻比功率,但是我们在实际计算的时候需要将螺杆机能效衰减和滑片机能效提升的因素考虑进去。
 
  此处,需要重点强调的是不同的螺杆空压机制造商在他们的机器中会选择使用不同的轴承,因此我们不能武断的针对所有品牌的螺杆机使用同样的能效衰减率。但是另一方面,科学研究也表明,如果轴承磨损达到人类头发直径的十四分之一(5微米),螺杆机的容积效率将会损失2%。 因此,我们模拟螺杆机使用5年(大修之前)出现2%,5%和10%这三种能效损耗比率来计算新的生命周期成本,也是希望通过这三种能效衰减比率尽可能的包含绝大多数的螺杆机品牌。
 
  选择两种都是75kW的空压机,相同的CAGI公布的零点比功率,假设其购置成本和保养成本也相同,计算出比功率随着时间的推移变化如图10。
 
  针对表1中的空压机,采用新的生命周期成本方式,计算结果如表5、图11。

 
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空压机生命周期成本经济和节能性探究
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空压机生命周期成本经济和节能性探究
 
空压机生命周期成本经济和节能性探究
 
  如果将使用时间延长至10年,再次计算其生命周期成本,那么就要考虑到螺杆机的大修。在这个试算案例中,假设大修费用占设备购置成本的50%。对于玛泰滑片空压机,在其生命周期内不存在大修的需求。因此,在本次计算中,滑片机的大修费用为0(见图12、13,表6)。
 
  结论
 
  新的生命周期成本计算方式,既考虑到了滑片机能效提升的因素,又考虑到了螺杆机能效衰减的因素。很显然,新旧计算方式在能效成本方面有很大的差异。在螺杆机能效衰减10%的情况下,经过10年运行,加上大修费用,终端用户要多花费€168,000。即使在相同的CAGI零点时刻比功率条件下,螺杆机的能源消耗成本也是其采购成本的3倍有余。这一问题必须得到澄清,尤其是考虑到目前正在使用零点时刻的压缩机性能数据来起草新的立法,以帮助遏制当前全球变暖危机。如果没有考虑到这些重要信息,那么对于降低工业空气压缩所消耗能源的新立法,将面临无法达到预期效果的严重风险。
 
  参考文献
 
  [1] Climate change 2014: mitigation of climate change - D. Victor, D. Zhou, Intergovernmental panel on climate change 5th assessment report; 2013. p. 34e5
 
  [2]https://ec.europa.eu/clima/policies/international/negotiations/paris_en
 
  [3] International Energy Agency. Redrawing the energy-climate map. World En Outlook Rep 2013:32e3.
 
  [4] Energy saving potential in existing industrial compressors - D. Vittorini, R. Cipollone, Energy 102 2016, 502-515
 
  [5] Influence of thermal dilatation upon design of screw machines - A. Kovacevic, N. Stosic, E. Mujic, I. k. Smith, International Design Conference, Design 2006
 
  [6] Improving screw performance - N. Stosic, I. k. Smith, A. Kovacevic, J. Kim, J. Park, Centre for Positive Displacement Compressor Technology, City University London
 
  [7] Calculation of rotor interference in screw compressors - N. Stosic, I. k. Smith, A. Kovacevic, Centre for Positive Displacement Compressor Technology, City University London
 
  [8] Rotor clearance design and evaluation for an oil injected twin screw compressor - D. Buckney, A. Kovacevic, N. Stosic, 9th International Conference on Compressors and Systems 2015
 
  [9] Compressor handbook - P. C. Hanlon - General Bearing Principles 19.3, McGraw-Hill, 2001
 
  [10] Screw Compressor Wear - Australian Government Department of Industry, Australian Meat Industry Council

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