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食品加工领域压缩空气系统优化分析

   在完成新的压缩空气系统的安装之后,设计师和安装人员通常会感到非常自豪,尤其是当它启动并运行良好时。看到机器运转完美,以最低的成本产生可靠、清洁、干燥的压缩空气,这让我们非常满意。它使所有相关人员脸上露出笑容,并且还可以得到电力公司和能源公司的支持,他们随后可能会拿出一些资金支持这项措施。
 
  但是几年后会发生什么,事情是否像刚开始一样完美? 这个问题的答案很少有人知道。本文介绍了一家食品公司分别在两家工厂的一些有趣经验,这些公司在系统升级几年后对优化系统进行的评估显示出问题。
 
  1号工厂:系统优化节省能源,提供优质空气
 
  第一家大型工厂建于大约20年前,其特点是压缩空气系统由三台300匹马力的风冷空气压缩机组成,这些压缩机在主锅炉房的中央控制器上运行。工厂的一部分区域被冷却到接近4.44℃的温度,以防止食品变质,还要使用干燥剂干燥以保持空气质量。安装了加热式干燥机以调节压缩空气,并具有板载压力露点相关的开关控制功能,该功能可通过减少再生功率消耗和低湿度负载时的干燥剂冷却吹扫来节省能源。
 
  该系统在主空气压缩机室中具有两个非常大的储罐,以协助空气压缩机控制,减缓压力变化,使得空气压缩机关闭并再次启动时,不会发生低压事件。安装了压力/流量控制器,以将工厂压力调节到尽可能低的压力,来减少因向生产机械提供高于所需压力而引起的人工需求。
 
  所有的空气压缩机最初都是定频压缩机,但在系统开始使用约五年后才升级为变频压缩机,以节省能源。升级此系统后,在项目开始几个月后就发现了可观的节省量。
 
  空气压缩机控制器通过将压缩机的排气压力保持在单个压力范围内尽可能低的水平,从而保持了非常好的压缩空气系统效率。通过对变频控制进行改造,可以将改良的空气压缩机用作调节流量,通过加快和降低速度来改变其流量输出,以在其控制范围内获得更恒定的压力。该操作最大程度地减少了浪费的卸载运行时间。通常,定频压缩机在空载运行情况下会消耗额定满载功率的30%,约为80kW。系统设计应始终专注于尽可能减少其运行时间和功耗。
 
  得到的压缩空气质量非常好,空气压缩机和干燥机的运行效率都达到了最高。大型加热式干燥器在所有条件下均保持4.44℃及以下的压缩空气压力露点。该干燥器尺寸合适,额定容积比三台空气压缩机各自的容量略大。最初只需要两台压缩机来满足峰值流量,剩下一个做备用。由于空气干燥器的负荷仅为其容量的一小部分,因此其机载压力露点控制器在需要时才会进行再生循环,从而降低了干燥器的功耗,并减少了在加热循环后用以冷却干燥剂的冷却液。
 
  1号工厂:压缩空气系统性能下降
 
  随着系统的老化,各种变化都会影响已有的设备。最近对压缩空气系统进行了评估,该评估显示了一些影响系统效率和压缩空气质量的主要问题。与其他系统一样,随着工厂的老化,系统泄漏越来越多,随之负荷也越来越高。此外,随着生产过程的优化,其它设备也被增加到压缩空气系统中。这增加了压缩空气的流量,在这种情况下,需要运行第三台压缩机组才能满足流量的需求。这是一个非常重要的问题,因为任何一台空气压缩机的故障现在都会在需求高峰期间导致生产中断,从而影响工厂的产量。
 
  当前的主要问题是热量,较高的系统负载意味着压缩机会产生更多的热量。该系统位于工厂的主锅炉房中,因此环境温度始终很高。由于压缩机是风冷的,所以这种高温会对系统及其各个组件产生负面影响。尤其是压缩机的变频驱动器,该风冷设备成功运行了很多年,但最终由于热量过高而损坏。工厂为此组件苦苦挣扎了好几个月,对其进行了维修,但驱动器反复发生故障,维护人员只能无奈放弃尝试。移除此设备会导致空载运行时效率降低而降低系统的整体效率。
 
  此外,几年后,由于环境温度过高,同样位于锅炉房的中央空气压缩机控制器也发生了故障(图1)。该控制器已过时,因此,某些部件无法被替换。该故障意味着压缩机现在必须以级联压力带控制运行,这会导致排气压力要高于所需的平均排气压力。排气压力越高,空气压缩机的单位能耗越多,从而系统的效率仍然较低。由于工厂的预算紧张,更换控制器的成本太高了,所以控制器无法更换。
食品加工领域压缩空气系统优化分析
 
 
  中央控制器还控制压力/流量控制器。随着主控制器的故障,压力/流量控制器也发生了故障,这大大增加了系统压力。额外的压缩气流,使得空气压缩机消耗更多的能量,从而产生更多的热量。
 
  最后,由于环境温度高,以及空气压缩机的风冷器偶尔发生故障,空气压缩机经常会过热。随着这些机器的老化,机壳内的冷却器变得越来越难以消除压缩热,从而导致空气压缩机排气温度高于期望值。过热的空气压缩机会使润滑剂加速分解,从而在内部传热表面形成清漆。即使在正常的环境条件下,这种清漆和冷却器性能下降也会排气温度较高。
 
  较高的排气温度导致空气干燥设备出现问题。经验表明,温度每降低6.67℃,未干燥压缩空气的水分含量就会增加一倍。因此,由于过多的水蒸气含量,经过空气干燥器的过热压缩空气会使设备不堪重负。在过载状态下,干燥机无法保持额定压力露点。并且在生产高峰期间,进入冷藏设备的压缩空气的压力露点达到了该设备无法接受的水平(图2)。
食品加工领域压缩空气系统优化分析
 
  压缩空气中过量的水分会在干燥剂上产生压力,干燥机的出口有时会存在水分。这些水有些附着在用于控制干燥机的机载压力露点探针上,导致干燥机出现故障。尽管更换了许多昂贵的部件,工作人员还是放弃了使用干燥机的压力露点相关开关功能,该装置被切换为固定循环模式,由于加热器和冷却空气的需求量超过要求,系统效率又一次降低。
 
  如今,上述措施是许多公司的典型做法,这会使得操作和维护人员超负荷工作。并且公司预算紧张,以至于无法维修和更换较旧的故障设备,并且还会导致系统可靠性降低、系统运行效率低下和空气质量差。 
 
  2号工厂:多个问题推动压缩空气系统优化
 
  这个加工工厂实际上是两个工厂合二为一。该工厂虽然已经使用了50多年,但是进行了各种大规模的翻新,最后一次是为了生产新产品而扩大了规模。由于某种原因,该公司选择安装独立控制的压缩空气系统,而不是将新管路连接到旧的主系统中。
 
  主压缩空气系统大约在15年前进行了升级,为工厂的两台定频空气压缩机增加了水冷变频空气压缩机。在其中一台较旧的定频压缩机使用寿命到期后,安装了第二台风冷变频空气压缩机。几年前,由于关键生产线发生了低压事件,所以在其附近安装了第三台风冷远程控制变频压缩机。
 
  生产区域使用的是冷却式干燥器,因此为第一台空气压缩机安装了带压力露点控制的干燥器,然后在安装第二台空气压缩机时购买了单独的加热式干燥器。当安装了第三台变频空气压缩机时,该公司购买了带有压力露点控制的干燥器,以远程控制系统的压缩空气需求,并通过止回阀将新的空气压缩机与主工厂系统隔离开来,从而可以在工厂系统发生故障时独立运行。
 
  为了扩大工厂生产,安装了两台75匹马力变频空气压缩机,并配有独立的干燥器。系统中设计了大容量储罐和流量控制器,以帮助控制空气压缩机并降低工厂压力。在工厂生产的早期,发现两台空气压缩机的容量不足以在流量高峰期间维持压力,因此添加了第三台100匹马力的空气压缩机。该系统最初由当地电力公司进行了验证,结果显示在最高效率下运行,但是当安装较大的空气压缩机时,系统的整体性能会下降。
 
  2号工厂:评估指出系统效率和空气质量的问题
 
  最近对这两个工厂的系统进行评估发现,系统效率均不理想,并且出现了一些空气质量问题。
 
  对于主系统而言,空气压缩机全部独立运行,没有中央控制系统,设置了本地控制,以使变频空气压缩机平均分担负荷。这导致了较差的结果,其中变频空气压缩机都以最小速度运行,这是这种空气压缩机的最低效率点。评估发现其中一台空气压缩机存在内部问题,导致其运行效率极低,每2.8m3/min流量的比功率非常差,超过35 kW,但由于压缩机的设定,该设备会继续在这种条件下运行。即使在轻载期间,整个系统仅需一个主空气压缩机运行,但由止回阀隔开的远程空气压缩机在夜间和周末将继续运行。
 
  干燥器的控制器由于老化和缺乏维护而导致三台干燥机中的两台在整个非生产周期内以满负荷的功率继续循环运行。干燥器功耗占据了低流量期间的大部分工厂功耗,浪费了大量功率。而且评估发现其中一台干燥器出现故障,但在整个操作过程中没有被发现(图3)。该干燥机将饱和空气通入系统的干燥侧,这对空气质量产生了负面影响。由于没有二次压力露点测量设备监视系统压力露点,操作人员并没有意识到此问题。
 
食品加工领域压缩空气系统优化分析
 

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