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1、 http:/ 案例分析案例分析 CDACDA 系统企业节能调节应用系统企业节能调节应用压缩空气做为一种相对容易获得的动力源，在半导体动力领域备受青睐。压缩空气经 过一系列的处理之后，可获得相应的品质，因此而轻易的成为动力之首。压缩空气广泛应 用于工厂的工艺、控制系统中，用来驱动气动设备、气动阀门、产生真空、吹扫产品等。在半导体行业中，压缩空气的品质用压力、露点、颗粒数量来评价，因此也称做 CDA 系统。本文用 CDA 代表半导体行业中相应品质的压缩空气及后处理系统。二、CDA 系统及能耗分析1.半导体厂 CDA 系统典型的 CDA 系统如下图： 空压机、储气罐、干燥机、过滤器以及管路组成了
2、CDA 系统。以上设备中能耗最大的 就是空压机，其能耗约占到整个 CDA 系统的 90-95%。在全厂电能消耗中，CDA 系统占比为 20%左右。2.半导体厂用空压机空压机按照工作原理分为容积式、速度式两大类。螺杆机和离心机便分别是两类空压 机的典型代表，也是半导体工厂中应用最多的机型。我们重点讨论半导体工厂无油螺杆机、无油离心机的能耗状况及其组成系统能耗的分 析。3.螺杆机与离心机的能耗(kW/m3)无论是螺杆机还是离心机，单机排气量越大，效率越高。而螺杆机和离心机因工作原理的区别，两者的能耗有较大的差异。以单位能耗 kW/m3 比较，额定排气量同为 4000m3/h、额定排气压力为 8.6
3、bar 的螺杆机和离心机能耗相差 5%。http:/4.半导体厂 CDA 系统的成本(元/m3)以 CDA 系统来考量(包含空压机、吸附式干燥机、冷却循环水泵等设备)，电单价以 0.7 元/kWh 计算，CDA 的单位成本在 0.08-0.095 元/m3 之间。三、CDA 系统的节能手段1.系统压力设定空压机的能耗与排气压力的高低成正比，通常来讲，压力每升高 1bar，能耗增加 6.5- 7%。因此 CDA 系统压力设定以满足工厂动力需求为基准，比如工厂最高压力需求为 6.7bar，克服后处理及输送过程中的压损(约 0.2-0.5bar)后设定空压机排气压力为 7bar 为宜。排气压力的设定
4、值最好在实际运行过程中动态的调整后选择适应系统的最佳值。2.储气罐储气罐的作用有两个：1)降低系统压力的波动;储气罐的容积大小设定通常在系统总用气量的 10%以上，也可按照系统的特性比如气 量需求的波动幅度、波动的时间、系统配置的空压机的特性等因素来计算。针对大用气量 的设备单独设置储气罐也可以减少系统压力的波动。2)减少系统的放空(系统负荷不足时，空压机在调节范围外的旁通排放);螺杆机的调节范围在 10-100%，离心机的调节范围在 70-100%，在此范围之外则以放空 的方式运行。这直接导致了系统能耗的增加，同时放空的噪音异常的大，影响作业环境， 甚至触发噪音超标的违法行为。3.压力波动与
5、调节CDA 系统压力的波动与用户息息相关，不同的系统引起的波动幅度、波动周期、波动 频率也都有所区别。通过配置储气罐，不同气量、不同类型的空压机的搭配，系统的压力 设定、采用控制系统等，可以对波动进行有效管控，下文将重点进行分析。4.泄露管理由于密封的问题，系统总会有导致泄露的因素存在：1)系统管路的材质、连接方式;2)空压机、储气罐、前置过滤器的排水方式;3)用户点的管路材质、连接方式、使用方式等;http:/泄露引起的能耗的增加暂无数据，有时也无法进行统计，但不管怎样，做好泄露管理 对节能总是有贡献的。四、CDA 系统的压力波动特点及调节控制1.CDA 系统压力波动特点对 CDA 系统压力
6、波动的特点，本文以波动幅度、波动周期、波动频率等来进行分析， 并以某工厂瞬时流量约为 17 万 cmh 的系统为例。该系统为单一机型的离心机 CDA 系统，离 心机单机排气量为 15000cmh，储气罐容积不足系统用量的 1%。1)压力波动幅度系统压力波动的幅度取决于系统的设置及用户的用气规律，在系统设计建设期无法一 一掌握，所以需要在运行中调整各项参数设定甚至是系统改造，以建立适应用气特性的系 统。http:/上图所示系统是单离心机系统的压力波动曲线，其波动的幅度在 58%。2)压力波动周期压力波动周期没有统一的规律，同样受到用气特性的影响，在 27min 内流量的波动都 超过了单机组的排气
7、量。这种波动为运行管理带来了挑战，如果没有自动控制系统，开停 机的契机将难以捕捉，压力溢出管理标准也不可避免。但周期低于两分钟、流量超过一台机组排气量的波动发生的频率就没有那么高了，见 下文波动的频率中的统计分析。当有了这些数据进行分析，我们就可以针对性的制定运行 控制策略。(为什么我们选择 2 分钟?因为离心机从开机到加载至 100%大约需要两分钟。)3)波动的频率http:/我们以流量的变化量做为基准来考核波动的频率，下表是不同流量标准下的波动频率 统计表。以 2 分钟为周期来看，不同流量搭配情况下的波动频率逐渐降低。虽然是设定条 件的分析，具有片面性，但也能一窥系统运行的规律。分析的数据
8、越多，掌握的情况越接近真实的情况，但需要鉴别无关的影响。2.仅配置离心机的 CDA 系统的调节控制CDA 系统仅配置离心式空压机时，鉴于离心机有效调节范围为 70%100%，30%70%要辅 以放空来控制喘振的特点，其流量为：Q=X(n+0.31.0)，其中 n 为满载机数量，为机组额定排气量。上式中 0.3-0.7 是离心机无法按需调节的，通过放空来平衡控制喘振。这种情况属于 机组自身的运行控制，设备没有在最佳的运行点，运行能耗也有较大的浪费。(注：本文以额定排气量计，实际排气量可通过理想气体状态方程换算，安装流量计进 行监测是最理想的配置。)仅有配置离心机的系统的调节是通过机组单机控制系统
9、外加运行台数(配置多台离心机 的系统)来进行，运行台数控制可以人工的方式或以程序自动控制的方式，比如设备厂商自 带的群控系统来执行。群控可以灵活的应对系统的变化，但也存在两个问题：a)离心机的开机空压机能顺利开机并加载到 100%，群控才能有意义。离心机能否正常开机，与电力系 统的配置、启动方式、机组自身状况、机组配套如冷却水阀门、出口阀门等的状况关联。 电力系统变压器负载、开关大小、速断与过流定值的设定等都有可能造成开机失败;直接启 动、电抗降压启动、电磁调压启动启动电流依次减小，对电力系统的冲击也相应减小;阀门 处于开的状态是空压机启动的基本条件。http:/b)离心机的启动时间离心机的启
10、动时间比螺杆机长 40s 左右，应对负载的快速变化就会有问题。如果将 1 台机组开机放空，则 CDA 系统能耗增加约 2%(200 万元/年)，相当的不划算。1)离心机的调节特性离心机的调节是要在保持压力持续供应的情况下避开喘振，尤其是部分符合的时候要 协调好进口阀门和旁通排放阀门的开度。因此部分负载的时候，不可避免的会有放空而导 致了能源的浪费，即便是在总量很大的系统中，末端需求的大幅度变化也是不可抗拒的。从离心机的恒压控制曲线中来看，a)B 点满负载运行，进口阀门开度 100%，排空阀开度 0;b)B-C 段，进口阀门开度 0100%，排空阀开度 0;进口导叶全关，但中心有一个开口， 因此
11、会有气流进入空压机压缩腔。C-D 段，排空阀开始开启，0100%逐渐增大，排空运行。此时电能浪费，也是系统的 节能空间。2)离心机的优缺点及单一机种系统的优缺点A.离心机的优缺点离心机的优点有很多，从节能方面来讲，效率比螺杆机高：a)排气量范围广泛，单机从 20m3/min 到数千 m3/min，单台排气量愈大则单位排气量 的投资成本愈低;b)构造简单，坚固耐用，消耗性零件极少，保养容易，长期连续运转的故障率极低， 噪音低;http:/c)具有等压变容 (Constant Pressure, Variable Volume) 的特性，不仅有保持压力 稳定的作用，而且有某种程度的节流作用，甚至还
12、有超过额定排气量(Rated Flow)的能力;d)恒压供应，压力波动仅受末端用户需求的影响;e)如果保养得当，长期运转后的效率不会有显著的差异;离心机的缺点也不少：a)环境因素的改变，例如进气温度、进气压力、湿度、水温对离心式空压机效率的冲 击较大，甚至导致离心式机完全不能使用，选购离心机需要更周详的规划来弥补此项缺陷;b)离心式空压机仍然不适合低排气量 (100hp 以下)、高压(50kg/cm2 以上)用途;c)构造虽然简单但是非常精密，维修人员的技术要远高于容积式空压机，因此维修人 员必须经过相当的培训才能承担精密部份的维修工作;d)用于高转速的轴封气密性无法达到 100%，因此不适合
13、空气或氮气以外的任何气体压 缩。e)停机中(备用)的离心机一旦遭受压缩空气系统的逆流将会反转，如果油泵也是停止 的，离心机会有因为供油而严重损坏的风险。因此，操作人员要养成良好的习惯，将停止 的空压机的出口阀关闭以杜绝仅靠逆止阀来保护空压机的风险;f)离心机与容积式空压机有截然不同的压缩特性，操作人员最好要有离心机的基本概 念以防止离心机的喘振现象(Surge)，连续性旳喘振很可能会造成离心机严重的损坏，修复 的费用相当高;g)不能使用变速控制;http:/B.离心机系统仅配置离心机的 CDA 系统能够连续的恒压供应，而供应的流量与配置机组的数量有关， 更与末端用户的需求有关。末端用户大幅度的
14、流量变动，也会致使 CDA 系统压力的波动， 如前面篇幅的介绍，在短时间内压力波动超过 5%。为了避免用户的停机，不得不将系统压 力提高，由此也致使能耗升高。在产能变动的情况下，单离心机系统不能灵活适应流量短时大幅变动的特性暴露无遗， 需要改善配置弥补离心机本身的不足。变频螺杆机就是一个最好的选择，无论在调节灵活 性还是单位效率上，变频螺杆机都有可圈可点的优点。3.配置离心机和螺杆机(变频)的 CDA 系统的调节控制系统的调节控制须根据系统的配置、系统设备的特点、系统变动特性来确定设备参数 设定、控制逻辑及控制参数设定。1)螺杆机的调节特性(变频)螺杆机属容积式空压机，可通过变速来控制排气量，
15、转速越高排气量越大，直至满负 载运行。变频螺杆机与螺杆机流量范围的比较见下图。http:/变频螺杆机的特点：a)更宽广的流量变动范围;运行效率更高，单位成本更低;2)离心机、螺杆机搭配后的系统调节特性结合离心机和变频螺杆机的特点，CDA 系统在合理搭配离心机和变频螺杆机后，系统 的调节能力、运行效率都会有提升。不同的搭配方式将体现不同的初期投资、调节能力和 运行效率。无论如何配置，离心机和螺杆机的优点需要突出并得到体现，更宽广的流量调 节范围、更高的运行效率、更窄的压力波动幅度等。在充分理解离心机和螺杆机的加卸载、启停特点后，设定机组的压力值及加载、卸载 偏差值，还需结合系统流量波动情况设定机组启停控制逻辑(群组控制)。所有的设定在运 行一段时间后再进行复核，统计分析设备启停、加卸载情况、系统能耗情况，确定是否需 要做出调整及调整的细节。3)混搭系统的调试和运行控制以某 CDA 系统为例：改造前机组配置为：n离心机 Q+Q 螺杆机改造后机组配置为：(n-1)离心机 Q+Q 变频螺杆机+Q 螺杆机其中 Q 为单机额定排气量。因是改造项目，力求最小投资及最大限度的利用现有设备 以最大的获益。改造后，离心机数量减少一台搬迁至其它新项目使用，增加一台大流量变 频螺杆机，设备增减后增加投资不超过 30%。因系统离心机数量较多，避免离心机同时卸载造成压力的大幅下降，压力及偏差设定 值需要
