優化具有高度波動空氣需求的壓縮空氣系統

當空氣系統需要大量空氣（例如大於 100 m³/min），且空氣需求在一天當中高度波動時，終端用戶普遍認為大型變速螺桿式空壓機能精確匹配壓縮空氣流量與系統需求，從而帶來顯著的節能機會。

以圖 1 所示的案例為例。在每日流量需求變化幅度高達最大空氣需求量 90% 的情況下，該研究比較了六種替代方案在壓縮機安裝台數、壓縮機尺寸與壓縮技術類型（即無油離心式與無油螺桿式）方面的能耗表現。

圖 1：24 小時期間內高變異性（90%）的流量曲線。

分析中也考慮了空氣壓縮機控制系統及其不同控制邏輯的影響。

然後，將這六種解決方案的能耗與不同的空氣需求模式進行比較，以模擬這六個系統在不同生產需求情況下的行為（即，還考慮了其他四種具有不同變化性的日常空氣需求模式）。

選擇合適的壓縮空氣解決方案

壓縮技術有很多種，每種技術都有其自身的優點和缺點，取決於應用、工作範圍、功率、容量和其他方面。

然而，當空氣系統需要大量空氣且空氣需求在一天中波動很大時，終端用戶普遍認為，只有使用大型變速螺桿壓縮機才能透過精確匹配壓縮空氣的輸送量與系統需求，從而帶來巨大的節省機會。

本研究的目的是比較和評估在空氣需求波動較大的情況下六種不同的壓縮空氣解決方案。研究考慮了圖 1 至圖 5 所示的五種可變流量曲線，以定義一些指導原則，幫助最終用戶為其應用選擇最佳系統。

相關案例研究

圖 2 進一步定義了案例 1 中的流量曲線。Y 軸左側以絕對數值表示需求流量，右側則以系統最大需求流量的百分比表示。X 軸顯示時間佔總觀察期間的百分比。根據這些數據，研究人員可以推斷，案例 1 中所代表的廠區，其運轉低於平均流量的時間幾乎占總時間的 50%。這種流量分布是典型生產廠區的寫照：兩個六小時的夜班空氣需求較低，而兩個六小時的日班則空氣需求較高。

圖 2: 高變異性（90%）的流量分布

圖 3 至圖 6 展示了分析的其他四個案例，這些案例分別具有代表性：

案例 2（圖 3）：另一個高度可變的頻譜，變異性達 90%，但與案例 1 相比，只有 30% 的時間請求的流量低於平均流量。這種光譜是典型的生產模式，包括一個八小時夜班（空氣需求低）和兩個八小時白班（空氣需求高）。

圖 3: 中等時間內流量曲線具有較高的變異性（90%）

案例 3（圖 4）：與案例 1 和案例 2 類似，但變異性比以前低（約為最大流量的 65%，而不是 90%）。為了將其與前兩種情況區分開來，我們稱之為中等變異性的情況。至於案例 1，這種波動會持續很長時間，因為大約 50% 的時間裡，請求的流量低於平均流量。

案例 4（圖 5）：中等變異流量模式（約佔最大流量的 65%，與案例 3 類似）；與案例 3 相比，請求的流量低於平均流量的時間僅佔 30%。

案例 5（圖 6）：流量模式波動較小，全天流量波動僅為最大流量的 30% 左右，代表每天 24 小時—幾乎持續生產。

節能型壓縮機解決方案

從能耗角度來看，針對案例 1-5 所描述的情況，有六種替代的壓縮機解決方案：

• 解決方案 A 考慮一台離心式空壓機和一台大型（700 kW）變速螺桿式空壓機，其最大流量為系統最大流量需求的一半。
• 方案 B 使用兩台離心式壓縮機，其最大流量為系統最大流量需求的一半。眾所周知，離心式空壓機可以設計成具有較小調節範圍的最佳效率，也可以設計成具有較大調節範圍（也稱為調節比），但設計效率較低。在第二種解決方案中，空壓機被設計成效率最高，並具有最新、最高效的負載分配控制。
• 方案 C 採用兩台具有寬調節範圍的離心式壓縮機。此外，與以下所有採用多台離心式壓縮機的解決方案一樣，此解決方案中的離心式壓縮機也具有負載分擔控制，因為此控制系統始終允許透過擴展系統的調節範圍來減少離心式壓縮機的排污量。
• 方案 D 考慮了三個離心式壓縮機，其最大流量為系統最大流量需求的三分之一。它專為大範圍調節和負載平衡控製而設計。
• 方案 E 考慮混合技術，但在這種情況下，有兩個帶負載分配控制的離心式壓縮機和一個小型（160 kW）變速螺桿壓縮機。在這種情況下，壓縮機不受調度程序控制。這意味著小型變速螺桿壓縮機僅用於滿足高峰期的空氣需求。
• 方案 F 使用了與方案 E 相同的空壓機，但在此方案中，三台空壓機由調度程序控制。調度器允許系統按照預先定義的計劃運行（例如，加載、卸載或關閉）每個壓縮機，以便從各個方面優化系統；在本例中，是從能源消耗的角度優化系統。

回到圖 1 的原始流動剖面，方案 A（配備一台離心式壓縮機和一台大型變速旋轉式壓縮機）可完全滿足系統所需的流量。因此，這是一個無與倫比的組合，因為沒有浪費任何空氣。然而，我們必須確定的是，從能源消耗的角度來看，它是否也是最有效的解決方案。如圖 4 所示，由於會造成大量空氣浪費，使用最大流量等於系統最大需求的單一離心式壓縮機並不是可行的解決方案。因此，這種配置沒有列入先前討論的解決方案中。

圖 4: 僅使用一台 220 m³/min 離心式空壓機時的空氣排放狀況

當一個系統中安裝多個離心式壓縮機時，可以透過安裝負載分擔控制系統來減少離心式壓縮機的排污。圖 8 和圖 9 顯示了兩個相同的壓縮機在調節範圍方面的差異，這兩個壓縮機的最大流量是系統最大空氣需求的一半，分別在沒有負載分擔控制系統和有負載分擔控制系統的情況下。

圖 5：使用兩台 110 m³/min 離心式空壓機且無負載分配控制時的空氣排放狀況

圖 6：使用兩台 110 m³/min 離心式空壓機並搭配負載分配控制時的空氣排放狀況

對於超出離心式壓縮機自然調節範圍（也稱為“調節範圍”）的可變流量需求，當系統中使用兩個或多個離心式壓縮機時，使用最先進的負載分配控制系統總是有益的，因為可以減少空氣吹掃。

方案 B 至 F 中所述的每種方案都允許系統產生不同量的廢空氣。在某些情況下，例如溶液 F（圖 7），空氣吹出量很小。它非常接近方案 A 中的零洩壓，採用一台離心式壓縮機和一台大型變速螺桿壓縮機。然而，決定最佳系統的不是減少空氣吹掃量，而是減少能源消耗。

考量解決方案 A 至 F 中所使用各空壓機在壓力 8 barg 下的性能表現，圖 8 顯示了案例 1 中長時間高變異性流量模式下的每日能耗比較。該圖也顯示了解決方案 A（無可比擬的解決方案）與其他五種解決方案之間的相對效率。解決方案 A 的效率被作為基準，設定為 100。

圖 8：系統比較，每日能耗

解決方案 A 並非無可比擬的解決方案，而是解決方案 F——由兩台配備負載分配控制的離心式空壓機與一台配備排程控制的小型 160 kW 變速螺桿空壓機所組成——在節能方面是最佳解決方案。與解決方案 A 相比，解決方案 F 可為用戶節省近 3% 的能耗。

解決方案 C——由兩台設計為寬調節範圍並配備負載分配控制的離心式空壓機所組成——儘管存在部分空氣排放，其效率僅比解決方案 A 低 0.3%；因此，從運營角度來看，這是一個更優的選擇。事實上，若以每年運轉 300 天、平均能源成本 0.10 歐元 / kWh（0.13 美元 / kWh）計算，解決方案 A 相較於解決方案 C，每年僅能為運營方節省 1,500 歐元（19,500 美元）。這些節省並不足以彌補該系統在運營上的劣勢：解決方案 A 使用了兩台備用零件完全不同的空壓機，且若需要備用空壓機，只能選擇其中一台，無法保證相同的運轉效率。而解決方案 C 使用兩台相同的離心式空壓機，則同時消除了這兩個問題。

圖 9 顯示了在案例 1 的空氣流量模式下，六種空壓機解決方案的年度純能源成本比較¹。另一個重要的考量是評估這六種解決方案在未來生產變化影響每日空氣消耗量時的行為表現。

圖 9：案例 1 中的年度能源成本比較。

案例 2 至 5 中的流量模式，代表了不同生產條件下的各種變動空氣流量曲線，其變異程度涵蓋了從最大到最小的幾乎所有情況，如圖 3 至圖 6 所示。

表 1 彙整了在案例 1 至 5 的變動流量模式下，解決方案 A 與其他五種解決方案之間的相對效率。

表 1：能源效率比較：以解決方案 A 的效率作為基準。紅色或橘色的負值百分比表示該系統效率低於解決方案 A，綠色的正值則表示該系統效率高於解決方案 A。黃色表示兩個系統的效率大致相當。最後一行顯示了考量系統效率（或年度能源成本）、靈活性與運營便利性（即共用備用零件與同等效率的備用空壓機）後，六種解決方案的排名。

再次考量空壓機在壓力 8 barg 下的性能表現、每年運轉 300 天，以及平均能源成本 0.10 歐元 / kWh（0.13 美元 / kWh）。在案例 1 中，解決方案 F 相較於解決方案 A，每年可為運營方節省 15,000 歐元（19,500 美元）；在案例 5 中，則可節省約 40,000 歐元（52,000 美元）。解決方案 C 的能源成本略高，在案例 1 中每年約高出 1,500 歐元（1,950 美元），但在案例 5 中，相較於解決方案 A，它每年可節省約 25,000 歐元（32,500 美元）。評估案例 1 時，人們可能會疑惑：解決方案 A 能夠精確提供系統所需的空氣流量，且無任何空氣排放，為何其效率與解決方案 C 幾乎相同？答案揭示於圖 13 與圖 14 中。

圖 10 比較了不同離心式機型與大型變速螺桿空壓機在壓力 8 barg 下的比功率²。一台 75 m³/min 的離心式空壓機在設計點運轉時，其效率比一台 500 kW 的變速螺桿空壓機高出 19%；一台 115 m³/min 的離心式空壓機，其效率比一台 700 kW 的變速螺桿空壓機高出 14%；而一台 140 m³/min 的離心式空壓機，其效率則比一台 900 kW 的變速螺桿空壓機高出 19%。

圖 10：壓力 8 barg 下的機組比功率比較

總而言之，只有了解系統在運轉時間比例或變動運轉條件方面的實際權重或平衡，運營方才能判斷大型變速螺桿空壓機是否適合該系統。這是一個經常被忽略或誤解的重要概念。我們將用另一個實際案例來說明此概念。

有一位客戶，其廠內有五台老舊的 4 barg 離心式空壓機，規格從 70 m³/min 到 120 m³/min 不等。去年，他決定更新空壓機房以降低運轉成本。他表示已經進行過稽核，而首要之務是提升系統效率。為此，他決定將其中一台離心式空壓機更換為一台 500 kW 的變速螺桿空壓機。

經過進一步調查後發現，在某些早晨 8 點到 10 點之間，該製造商必須關閉一條生產線，以準備隔天要生產的玻璃類型。在這兩個小時內，他們會多出 60 m³/min 的空氣。由於舊的離心式空壓機僅能調節 20 m³/min，因此該離心式空壓機會排放掉 40 m³/min 的空氣。他表示，透過將這台空壓機更換為 500 kW 的變速螺桿空壓機，他們將能夠避免任何空氣排放，從而提升系統效率並降低運轉成本。

不幸的是，這是一種錯誤且具誤導性的做法。確實，一台 500 kW 的變速螺桿空壓機可以在工廠停機期間避免空氣排放，但該客戶並未考慮如圖 12 所示的實際性能比較。該客戶本應進行新型雙段離心式空壓機與其所期望的雙段 500 kW 變速螺桿空壓機之間的能源成本比較。

圖 12：壓力 4 barg 下調節範圍內的機組比功率比較