空壓機生命周期成本經(jīng)濟和節(jié)能性探究

1、目前被普遍接受的評估工業(yè)用空氣壓縮機生命周期成本的標準方法已經(jīng)受到質(zhì)疑。因為該方法假設空氣壓縮機在其整個生命周期內(nèi)的效能是恒定不變的，而這個假設是不恰當?shù)?。本文闡述了，螺桿壓縮機中，很小的葉片和軸向間隙差異如何導致了能效的損失以及螺桿機如何在軸承磨損可接受的范圍內(nèi)所做的一些變革。文章還解釋了為何瑪泰滑片壓縮機在初期進行大約1000小時左右的短期磨合后，其性能提升了高達5%，而這個數(shù)據(jù)得到了瑪泰公司以及美國知名的第三方評測機INTERTEK公司認證。通過這些數(shù)據(jù)，可以更加合理的計算出螺桿機和滑片機的生命周期成本。而如果只是僅僅依據(jù)美國CAGI提供的零點效能數(shù)據(jù)去對比兩種空氣壓縮技術(shù)的話，其結(jié)果只

2、能是誤導終端用戶。文中舉例說明了具有相同零點比功率的空壓機，在經(jīng)歷了長達10年以上的使用和大修后，其整個生命周期成本的差異高達68,000。如果使用零點的能效作為空壓機整個生命周期的能效指標，那么在起草旨在抑制全球變暖危機的空壓機行業(yè)新規(guī)則時，將會影響這個行業(yè)的節(jié)能目標的設定。 生命周期成本和工業(yè)壓縮空氣在工業(yè)制造領(lǐng)域，計算企業(yè)主設備投入總成本的一種公認方法就是生命周期成本，然而對于生命周期成本的計算會因行業(yè)不同而不同。在空氣壓縮機行業(yè)，一般考慮以下三個因素：設備購置成本 (Capex)-何為設備購置成本? 如果只是考慮兩個競爭品牌的對比，那么就是空壓機的購置費；但是如果要計算整個投資回報的話

3、，那么安裝費用以及其它相關(guān)費用也需要考慮進去。設備維護成本-何為設備維護成本? 根據(jù)制造商保養(yǎng)要求定期更換易耗品的成本以及保養(yǎng)中所發(fā)生的人工成本。能源耗費成本-何為設備運轉(zhuǎn)的能耗成本? 計算設備運轉(zhuǎn)的能耗成本，最關(guān)鍵的一點是空壓機的能效，即比功率，通常是用于衡量每分鐘產(chǎn)生1立方米的壓縮空氣需要多少kW電量。用比功率乘以空氣流量乘以運行時間乘以當?shù)氐碾娰M，就可以計算出空壓機運轉(zhuǎn)的總體能耗成本。當設備購置成本確定后，維護成本和運轉(zhuǎn)成本會因其它一些因素的影響而不同，如：年運行時間、當?shù)仉娰M等。對于功率越大、年度運行時間越長的壓縮機，生命周期成本的評估就越重要?？諌簷C生命周期成本經(jīng)濟和節(jié)能性探究空壓機

4、生命周期成本經(jīng)濟和節(jié)能性探究空壓機生命周期成本經(jīng)濟和節(jié)能性探究表1這個例子將貫穿整篇文章, 假設某一使用環(huán)境如表1。在這個例子中，假設機器使用5年，生命周期成本計算如見表2，圖1?？諌簷C生命周期成本經(jīng)濟和節(jié)能性探究空壓機生命周期成本經(jīng)濟和節(jié)能性探究空壓機生命周期成本經(jīng)濟和節(jié)能性探究 在這個案例中，壓縮機的能耗成本遠高于購置成本和維護成本，高達總成本的90%以上。正是因為非常高比例的能耗成本，所以空壓機比功率在過去幾十年中一直至關(guān)重要。鑒于這個原因，很多壓縮機生產(chǎn)商在研發(fā)中投入大量的預算，旨在提升他們產(chǎn)品的性能。盡管在降低能耗方面的競賽主要是出于經(jīng)濟利益的驅(qū)動，但是當下，各個空壓機生產(chǎn)商們也不得

5、不面對一個現(xiàn)實，就是他們產(chǎn)品的能效高低將直接對環(huán)境產(chǎn)生影響?？諝鈮嚎s機和全球變暖目前，一個不爭的事實就是，全球變暖已經(jīng)成為我們這個星球以及人類生存最大的威脅。由政府間氣候變化專門委員會進行的一項獨立研究證實，在目前的溫室氣體排放率下，本世紀末全球平均氣溫超過4將不可避免。1.對外行來說，這可能聽起來并不多，而專家一致認為對于避免氣候系統(tǒng)不可逆轉(zhuǎn)破壞，并防止全球社會經(jīng)濟模式崩潰，溫度升高2是個極限。2015年12月12日，195個國家在巴黎批準了具有里程碑意義的氣候協(xié)議，承諾采取積極措施應對全球變暖危機。雖然巴黎協(xié)議肯定是歷史性的，但它本身并不能解決全球變暖問題。最好的結(jié)果是，它將減少全球溫室氣

6、體排放量的一半左右，以避免全球氣溫上升22。二氧化碳排放導致全球變暖的一個主要原因就是電力消耗。圖2展示了不同行業(yè)電力消耗的具體情況。工業(yè)領(lǐng)域的電能消耗占全球電能消耗的50%以上，而這里面高達20%的電能被用于空氣壓縮和傳送以滿足終端用戶的需求。4考慮到目前旋轉(zhuǎn)式空壓機高達160億美金的巨大市場份額，而且據(jù)預測在接下來的7年內(nèi)將以3.6%的復合年增長率增長，因此在制定降低溫室氣體排放及全球升溫計劃時，工業(yè)壓縮氣體系統(tǒng)中的能源節(jié)約或者回收將顯得尤為重要。自從歐洲生態(tài)指令2009/125/EC認定“電機驅(qū)動型壓縮機”這類產(chǎn)品組作為產(chǎn)品節(jié)能工作計劃的優(yōu)先研究產(chǎn)品，這個課題就顯得尤為重要。該指令要求歐

7、洲委員會展開針對空壓機及改善對環(huán)境影響的應對措施的研究。目前，這項研究正在進行中，其很有可能引起一次新的法規(guī)變更從而在全球范圍內(nèi)叫停那些高能耗的空壓機。雖然在過去的幾十年里，空壓機行業(yè)的大多數(shù)主要的生產(chǎn)商成功地降低了他們產(chǎn)品的比功率，但是用于計算和比較產(chǎn)品生命周期成本的所謂的標準方式，其實是有失偏頗的。本文將著重討論這個問題。空壓機生命周期成本傳統(tǒng)評估方式當下，如果一個潛在客戶打算購買工業(yè)用空壓機，他們一般都會要求生產(chǎn)商提供相關(guān)的技術(shù)參數(shù)資料以便他們評估該投資在未來5-10年內(nèi)的生命周期成本。在美國，壓縮氣體協(xié)會（CAGI）建立了一個消費者友好溝通平臺，在這個平臺上消費者可以下載全球各主要品牌

8、空壓機的技術(shù)參數(shù)。發(fā)布在CAGI網(wǎng)站上的任何數(shù)據(jù)都通過了美國第三方測試機構(gòu)INTERTEK的驗證和測試，而INTERTEK 的所有測試都是嚴格按照ISO1217執(zhí)行的。當下大家對于很多空壓機生產(chǎn)商提供的能效數(shù)據(jù)持有懷疑態(tài)度，而因為CAGI提供的數(shù)據(jù)更加精準和公正，所以被廣泛認可。使用與表1相同的方法，對比兩款在購置成本和維護成本上有著少許差異但是相同CAGI認可的比功率的機器，其生命周期成本估算如表3。在上面例子中，空壓機2和空壓機1相比，其購置成本高出10%，維護成本高出20%，但是在相同的CAGI的比功率情況下，生命周期成本的差異只有9,000，占總成本的1.1%。這時，終端用戶會相信自己

9、已經(jīng)有了足夠的數(shù)據(jù)去做出明智的決定，很清楚自己的工廠應該安裝哪一臺空壓機。但是，很不幸的是，這種計算方式依據(jù)的是一個從根本上就錯誤的假設，從而誤導了終端用戶的決策。這個錯誤的假設就是：空壓機的比功率隨著時間的推移是恒定不變的然而，鑒于兩個客觀存在的原因，這個假設既不適用于螺桿空壓機也不適用于滑片空壓機。螺桿壓縮機為了理解為什么上述假設不適用于螺桿壓縮機，我們必須理解其工程原理。螺桿空壓機基本構(gòu)造：在壓縮機的機體中，平行地配置著一對相互嚙合的螺旋形轉(zhuǎn)子，通常把節(jié)圓外具有凸齒的轉(zhuǎn)子，稱為陽轉(zhuǎn)子或陽螺桿。把節(jié)圓內(nèi)具有凹齒的轉(zhuǎn)子，稱為陰轉(zhuǎn)子或陰螺桿，一般陽轉(zhuǎn)子與原動機連接，由陽轉(zhuǎn)子帶動陰轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子上

10、的最后一對軸承實現(xiàn)軸向定位，并承受壓縮機中的軸向力。轉(zhuǎn)子兩端的圓柱滾子軸承使轉(zhuǎn)子實現(xiàn)徑向定位，并承受壓縮機中的徑向力。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，陰陽轉(zhuǎn)子的齒溝空間在轉(zhuǎn)至進氣端壁開口時，其空間最大，此時轉(zhuǎn)子齒溝空間與進氣口的相通，因在排氣時齒溝的氣體被完全排出，排氣完成時，齒溝處于真空狀態(tài)，當轉(zhuǎn)至進氣口時，外界氣體即被吸入，沿軸向進入陰陽轉(zhuǎn)子的齒溝內(nèi)。當氣體充滿了整個齒溝時，轉(zhuǎn)子進氣側(cè)端面轉(zhuǎn)離機殼進氣口，在齒溝的氣體即被封閉。 潤滑油被用于密封、潤滑和冷卻壓縮空氣，隨后在油氣分離器裝置中分離。壓縮機的啟動和停止是通過系統(tǒng)壓力開關(guān)設置為最大和最小值。（見圖3、4）泄漏途徑和間隙要了解在螺桿壓縮機中間隙的重要關(guān)鍵

11、作用，必須首先對所有可能的泄漏路徑有一個清晰的認識。圖5是一個典型的螺桿壓縮機的橫截面圖，其顯示了通過間隙的各種泄漏途徑。對機器性能影響最大的是轉(zhuǎn)子間的間隙（徑向間隙）和端面間隙（軸向間隙）導致的泄漏。這些泄漏路徑連接著高低壓的工作腔，因此潛在的泄漏是非常高的。而下圖中的其它泄漏路徑涉及到較小的壓力差，因此對性能影響相對較小。徑向間隙的大小取決于空壓機主要部件的尺寸和公差。而軸向間隙則取決于機器組裝。因此，由于螺桿壓縮機的性能受到泄漏的嚴重影響，任何對其內(nèi)部間隙的修改都會對其效率產(chǎn)生重要影響。6徑向間隙對螺桿壓縮機性能的影響當下，某些現(xiàn)代化的轉(zhuǎn)子加工中心，已經(jīng)能夠?qū)⑥D(zhuǎn)子的公差降低至3微米。這意

12、味著，就單單生產(chǎn)轉(zhuǎn)子而言，轉(zhuǎn)子間的間隙可以低至12微米。7 (作為參考：人類頭發(fā)的平均寬度是70微米)雖然這樣可以減少徑向間隙，從而提高了壓縮機的容積效率，而且這樣的細小間隙幾乎可以與滾動軸承的間隙相媲美，但是這樣也會影響到壓縮機的可靠性和性能表現(xiàn)?？諌簷C生命周期成本經(jīng)濟和節(jié)能性探究空壓機生命周期成本經(jīng)濟和節(jié)能性探究對間隙尺寸和分布的影響進行了深入的研究后發(fā)現(xiàn)，這些非常小的間隙扮演著非常重要性的角色。研究結(jié)果顯示，移動軸承50微米就能導致空壓機的比功率發(fā)生2.5%的變化（在1500rpm，9bar的排氣壓力下）6。研究結(jié)果還顯示，如果轉(zhuǎn)子間的間隙增加31.5%，比如從15微米增加到20微米，將

13、會導致容積流量損失1.7%8。軸向間隙以及其對螺桿機能效的影響徑向間隙和轉(zhuǎn)子間隙的大小取決于壓縮機主要部件的尺寸和公差，以及相對于滾動軸承間隙的位置，而軸向間隙是在機器裝配過程中就已經(jīng)設定好的。由于其幾何形狀機構(gòu)，螺桿空壓機在壓縮空氣過程中產(chǎn)生了軸向推力，使轉(zhuǎn)子減少了進氣端的側(cè)隙，但增加了在輸送端的間隙，而在此過程中，端口密封起到非常關(guān)鍵的作用如圖6。制造商也已經(jīng)將此考慮進去，并抵消了其低壓和高壓軸向間隙的影響。側(cè)推力由推力軸承承擔，從而防止轉(zhuǎn)子接觸到端蓋的表面。因此，較好地推力軸承的質(zhì)量和阻力，才能實現(xiàn)正確的密封?？諌簷C生命周期成本經(jīng)濟和節(jié)能性探究無油螺桿壓縮機在排放端的間隙出現(xiàn)35微米的波

14、動，就會導致22%的能效損耗。5.對于注油式螺桿壓縮機，人們期望這種波動對比功率產(chǎn)生的影響不那么顯著，但是很明顯，這些間隙值與整體壓縮機性能之間存在很強的相關(guān)性。螺桿空壓機的零點時刻在生產(chǎn)流水線上組裝的時候，螺桿機的徑向和軸向間隙非常精密，在嚴格遵循生產(chǎn)商安裝手冊的情況下，可以使螺桿機達到最佳的性能：CAGI的數(shù)據(jù)也表明，一些主要品牌的螺桿機，其在零點時刻的能效表現(xiàn)是最佳的。但是當螺桿壓縮機開始運行時這些重要的間隙會發(fā)生什么變化呢?總所周知，滾子軸承和止推軸承都會存在磨損，而磨損速率則取決于其運轉(zhuǎn)速度和負載程度9，雖然各生產(chǎn)商會采用不同類型、不同尺寸的軸承來延長其壽命，但是磨損無法避免的，所以

15、他們會建議用戶在機器運行一定時間后需要對機頭進行大修。大修主要是要更換滾動和止推部件，還空壓機一個“安全”的運行環(huán)境，避免給機頭造成災難性的損壞。絕大多數(shù)國際一線品牌的生產(chǎn)商通常會建議在機器每運行3萬-5萬小時后，進行一次大修。考慮到軸承磨損，在軸向方向，止推軸承能夠承受的最大磨損間隙是50微米，超過50微米到200微米之間，將會對機器性能造成影響。在徑向方向，軸承任何部位的磨損不能超過生產(chǎn)商的轉(zhuǎn)子間隙（12微米-15微米），否則將會對機器性能造成影響。這兩種情況都表明，這些間隙的變化會導致顯著的性能損失。因此，也就不難理解，為什么螺桿機的能效表現(xiàn)不是恒久不變的，而是會隨著時間而衰減的。盡管目

16、前很難找到研究這種現(xiàn)象的學術(shù)文獻，然而在現(xiàn)實環(huán)境中，能效審計公司對一些舊的、即將大修的螺桿壓縮機的流量和功率進行了測量，并有很多的文檔記錄。在一個測量案例中10，澳大利亞工業(yè)部測量了一批運行了10年左右的螺桿機，發(fā)現(xiàn)其平均能效衰減30%，最差機器的能效衰減高達55%。雖然上述測量結(jié)果是基于一些特定的狀況，而且當下螺桿機所使用的軸承的性能也有了很大的提升，但是不管如何改善，隨著使用時間的變化，螺桿機的性能衰減是個無法避免的事實，這是由軸承本身的特性和螺桿機的工作原理所決定的?；諌簷C運作原理對于滑片式空壓機而言，隨著時間的推移，零點時刻的比功率也不會保持一成不變。要解釋這一現(xiàn)象，先要了解其工作

17、原理。滑片機的定轉(zhuǎn)子總成由一個偏置的轉(zhuǎn)子和一個圓柱形的定子組成，兩端由端蓋密封并配以巴氏白瓦合金套管。轉(zhuǎn)子上面有機加工過的縱向槽，以便滑片在里面自由滑動。轉(zhuǎn)子通過電機進行直接驅(qū)動，轉(zhuǎn)速通常在1000到1500轉(zhuǎn)（50Hz）之間，通過偏心力轉(zhuǎn)動使滑片與定子內(nèi)壁進行密封接觸從而形成壓縮袋?？諝獗晃牒?，此時容積最大，隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，容積逐漸減小（壓力上升）從而形成一個壓縮循環(huán)。當容積減到最小時，空氣通過壓縮元件被釋放出來。泄漏路徑和間隙在滑片式空氣壓縮機中，滑片總是與定子內(nèi)表面的潤滑膜相接觸，這樣既可以避免兩個金屬表面直接接觸，也避免了氣體泄漏。在滑動葉片的前緣存在一個潤滑楔子，精確加工的葉片尖端

18、半徑，潤滑的滑動元件和支撐面（定子）的附著力增加了潤滑壓力，并在兩個表面之間產(chǎn)生了流體動力潤滑膜。當施加非常大的壓力時，潤滑劑的粘度會增加，潤滑油就可以避免被擠壓在表面之間，從而保持一個恒定的薄膜。此外，潤滑油也起到了一個完美的密封功能（見圖7、8）。空壓機生命周期成本經(jīng)濟和節(jié)能性探究空壓機生命周期成本經(jīng)濟和節(jié)能性探究另一個可能的泄漏途徑是通過壓縮機端蓋。 然而，滑片空壓機沒有軸向推力將轉(zhuǎn)子推向兩側(cè)端蓋，因此也就沒有必要安裝止推軸承來控制軸向位置。軸向間隙是在機器裝配過程中就已經(jīng)設定好的。轉(zhuǎn)子可以自由地沿著軸向移動，它通過在壓力下注入的潤滑油，與兩端端蓋保持同樣的距離，從而防止接觸和提供有效的

19、密封（見圖9）。由于在滑片式空壓機內(nèi)沒有磨損的滾子和推力軸承，所以在機器制造的時候設定的間隙是恒定的，該間隙在壓縮機的整個生命周期內(nèi)都不會變化。這樣的設計有兩個好處：首先，隨著時間的推移，容積效率不會有任何衰減；其次，永遠不需要進行更換磨損軸承這樣的大修。這就保證了瑪泰的壓縮單元（機頭）可以達到超過10年不限時間的使用壽命。既然已經(jīng)證明容積效率不會隨著時間的推移而衰減，為什么上面提到的比功率恒定的假設也不適用于瑪泰滑片式空壓機呢？滑片的磨合期與前1000小時從啟動滑片式空壓機開始到前1000個小時期間，滑片進行著一個前期磨合的過程。雖然瑪泰在生產(chǎn)滑片的時候已經(jīng)對其滑片進行了非常精確的打磨，但是

20、前1000小時的運轉(zhuǎn)可以更好地磨合轉(zhuǎn)子槽和滑片之間鍥合度，從而達到最佳效果。從摩擦學的角度講，必要的拋光處理可以使表面更加平整、光滑。此處不能將磨合與磨損的概念相混淆。磨損指摩擦體接觸表面的材料在相對運動中由于機械作用,間或伴有化學作用而產(chǎn)生的不斷損耗的現(xiàn)象，長時間的磨損將會影響機器的性能。而磨合是為了使配合件正常穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的一種措施?，斕┗諌簷C的滑片采用特殊材質(zhì)制作，可以使其壽命長達10年以上無需更換?？諌簷C生命周期成本經(jīng)濟和節(jié)能性探究這種前期磨合效果對摩擦損失的功率有顯著的正面影響，并對空壓機產(chǎn)生的功率有顯著的影響。多年來，這一效應在滑片式空壓機工業(yè)領(lǐng)域中早已經(jīng)為人所知，但直到現(xiàn)在，它還

21、沒有被獨立地和科學地測試過。在2016年，針對這一理論，瑪泰發(fā)起了兩個同時并行的測試計劃：一個是在瑪泰總部現(xiàn)代化的研發(fā)中心測試一臺50Hz的Maxima 75 Xtreme，另一個是在美國的INTERTEK（天祥集團）總部測試一臺60Hz的Maxima55。INTERTEK也是美國為CAGI提供空壓機測試認證的公司。在這兩種測試環(huán)境下，壓縮機的性能都是從零點時刻開始記錄，然后每100小時采集一次數(shù)據(jù)。毫不夸張地說，測試結(jié)果非常顯著。從測試結(jié)果中可以看出，在保持一個恒定地空氣輸出的條件下，電能的消耗呈顯著下降，其比功率得到了很大的提升，比零點時刻更低（見表4）。因此，不難看出，對于滑片式空壓機而

22、言，CAGI公布的零點時刻的比功率也不能作為整個空壓機是生命周期內(nèi)的比功率來計算其生命周期成本。新的“生命周期成本（LCC）分析”通過以上數(shù)據(jù)的分析和討論，我們在模擬計算生命周期成本時，可以勾勒出一個更加真實的場景。再回到前面的例子，盡管滑片機和螺桿機都有著CAGI公布的零點時刻比功率，但是我們在實際計算的時候需要將螺桿機能效衰減和滑片機能效提升的因素考慮進去。此處，需要重點強調(diào)的是不同的螺桿空壓機制造商在他們的機器中會選擇使用不同的軸承，因此我們不能武斷的針對所有品牌的螺桿機使用同樣的能效衰減率。但是另一方面，科學研究也表明，如果軸承磨損達到人類頭發(fā)直徑的十四分之一（5微米），螺桿機的容積效率將會損失2%。 因此，我們模擬螺桿機使用5年（大修之前）出現(xiàn)2%，5%和10%這三種能效損耗比率來