Как управлять несколькими компрессорами

Как управлять несколькими компрессорами

Попытка координировать систему сжатого воздуха может быть в лучшем случае удручающей, особенно если есть несколько компрессоров, расположенных в разных компрессорных комнатах. Если система сжатого воздуха регулируется вручную, и вы создали стратегию управления, используя только настройки локального давления компрессора, вполне вероятно, что ваша система потребляет гораздо больше энергии, чем необходимо. Решение этого вопроса может не только уменьшить счета за электричество, но также даст вам более надёжное и стабильное давление воздуха в системе.

Как давление управляет компрессором?

Мы рассмотрим здесь управление винтовых компрессоров на промышленных предприятиях, как наиболее распространённый вид. Давление является наиболее важным параметром в системе сжатого воздуха. Если давление не превышает минимально требуемого, то оборудование, потребляющее сжатый воздух, не будет работать или будет с неполадками, влияющие на производительность. В идеальном случае, вы можете установить свои компрессоры именно на минимально необходимое давление, и они будут контролировать себя: запуск и остановка, нагрузка и холостой ход, и поддерживать идеальный уровень давления при оптимальном потреблении энергии. Но мир сжатого воздуха далёк от совершенства, и самая большая проблема – перепад давления.
control1
Рассмотрим рис.1, который представляет собой упрощённую схему системы сжатого воздуха. Компрессоры в этой системе контролируются давлением в точке P1. Если не контролировать давление группы с типичным каскадным расположением (набор точек давления перекрываются 0,3бар), эти компрессоры обеспечат давление, скажем, 7бар, когда оба полностью нагружены и, скажем, 8бар при минимальном расходе. Но важно понимать, что мы говорим о давлении в точке P1. Давление же в точке Р6, в самом критичном для конечного потребителя, является именно тем расположением, которое необходимо регулировать. Реальные условия, однако, против этого требования.

Реальная система же имеет перепады давления в компонентах самой системы. При полной нагрузке, может быть 0,25бар на фильтре, 0,50бар в осушителе, 0,30бар в системе трубопроводов и падение 1,0бар на фильтре-регуляторе-маслёнке (FRL), плюс в шлангах и соединениях. Это оставляет потребителю только 5бар давления в худшем случае, если система полностью нагружена, и давление на компрессорах выставлено на мин. 7 бар. В лёгких условиях работы, потому что разница давления вырастает с нижнего значения, давление у пользователя может подниматься высоко, до 8бар, в зависимости от местных условий регулятора давления.

Можно ли контролировать компрессор при стабилизации давления у конечного потребителя? Нет, потому что компрессоры регулируются давлением в точке Р1. Поэтому, когда загрузка системы изменяется больше/меньше в течении дня, давление в точках от Р4 до P6 будет изменяться в широком диапазоне. Это широкий разброс может вызвать неустойчивую работу всего предприятия, и, если конечный потребитель чувствителен к давлению, это может остановить работу полностью. Чтобы решить эти проблемы, операторы будут увеличивать давление нагнетания компрессора, чтобы компенсировать падения, скажем, в нашем случае на 0,7бар, так что бы давление было значительно выше минимальных требований в условиях полной нагрузки.

Расплата за более высокое давление

Если произвести такую регулировку, то компрессоры будут регулироваться давлением в диапазоне от 7,7 до 8,7 бар в зависимости от условий нагрузки. Это высокое давление имеет свою цену. По общему правилу, при 7барах, мощность, потребляемая компрессором, увеличивается примерно на 1% на каждые 100мбар повышения давления нагнетания. Кроме того, на каждые 50мбар увеличения давления, потребление нерегулируемыми пользователями сжатого воздуха идёт вверх на чуть меньше 1 процента. Этот высокий поток, который зависит от характеристик системы, дополнительно увеличивает энергопотребление компрессора.

Более высокое давление может также вызвать другие проблемы эффективности. Общее максимальное давление для воздушных компрессоров составляет 8,7бар. Возможно, фильтра в системы старые и забились, поэтому системные операторы должны увеличить давление на выходе компрессора, чтобы и это компенсировать. Но если это будет сделано, компрессор будет работать с настройками выше установленных производителем, что приведёт к перегрузке двигателя и активирует внутреннюю защиту от избыточного давления. Это высокое давление может также потребовать от компрессора, работающего в режиме плавного регулирования, работать неэффективно при частичной нагрузке.

Несколько компрессорных станций

Если в системе имеется несколько компрессоров – возможно, в нескольких компрессорных комнатах, как показано на рисунке 2 – то проблемы умножаться. Каждая компрессорная станция будет иметь различные условия нагрузки и различные перепады давления. Коллекторы распределения воздуха на разных концах завода могут иметь различную нагрузку. Чтобы эффективно управлять системой, компрессоры в одной комнате должны быть правильно скоординированы с другими. Чтобы правильно координировать воздушные компрессоры с местной регулировкой, потребуется очень широкий диапазон давления. В системах, где нагрузка изменяется в больших диапазонах, их координация практически невозможна, если нет компрессоров, работающих при частичных нагрузках.
control2
Частичная нагрузка неэффективна

Одна неправильная стратегия, которая может быть использована, это установить на всех компрессорах одинаковое давление, так что бы все они разделяют нагрузку. Все компрессоры будет поддерживать давление в системе в той же полосе давления и разделят нагрузку системы. Это можно просто выполнить, но это выльется в огромные счета за электроэнергию. Обычный винтовой компрессор (с постоянной производительностью) является наиболее эффективным при полной нагрузке (или когда выключен).

Работающий компрессор, скажем, при 30% нагрузке может потреблять от 60 до 80% полной мощности компрессора. При запуске трёх компрессоров всего при 30%ой нагрузке потребление энергии будет вдвое больше, чем одного компрессора при полной загрузке. Реализация такой стратегии с девятью компрессорами выльется в заоблачный счёт за электроэнергию.

Оптимальная стратегия управления, в любой системе, должна быть такой, чтобы держать все компрессоры, кроме одного, полностью нагруженными. Компрессор, который принимает частичную нагрузку, будет выбран путём оценки – какой компрессор имеет максимальную эффективность при частичной нагрузке (нагрузка/холостой ход, с частотным преобразователем или с переменным объёмом). Возможно, это решение будет принято автоматически.

Перемещение точки управления и автоматизация управления

Для достижения оптимизации управления давления компрессоры должны быть консолидированы в одну общую сеть. Попытка выполнить оптимальное управление компрессорами на основе различных дифференциалов падений давления, которые меняются с течением времени – это просто упражнение в бесполезности. Первым шагом в достижении оптимального управления надо обеспечить, чтобы все компрессоры в системе “видели” то же самое давление. Например, на рисунке 1, мы хотели бы, чтобы компрессоры регулировались по давлению в точке Р3, а ещё лучше P4. В дополнение к этому, если есть несколько компрессоров в нескольких компрессорных помещениях, нужно своего рода зондирование. А также была бы желательна система автоматизации, которая будет контролировать давление в центральной точке системы. Этот тип управления обычно включает в себя МАСТЕР-пульт, который организовывает систему широкого контроля компрессоров на основе одной или более критических точек давления в системе.
control3

Рисунок 3 показывает типичную стратегию каскадного управления давлением, которая обеспечивает работу всех компрессоров, кроме одного блока, с полной нагрузкой. Вы можете себе представить, если бы было девять компрессоров для контроля – вам может не хватить диапазона давления в верхней и нижней части полосы. Рисунок 4 показывает типичную группу одного давления, которая может быть применена с помощью управления МАСТЕР-пультом. С этой стратегией, группа давления остаётся такой-же с любым количеством компрессоров. МАСТЕР-пульт включает следующий компрессор, если давление упало ниже нижнего заданного значения и выключает очередной компрессор, как только давление достигло высшего уровня. Если в системе будут использованы один или несколько компрессоров с инвертором, то заданное давление, как правило, будет установлено посередине между давлением нагрузки и давлением холостого хода.
control4
Кроме перспективного оптимального управления компрессорами, некоторые из МАСТЕР систем управления также выполняют другие функции, такие как – контроль отработанный часов каждого компрессора, контроль различных вспомогательных систем и отчётность об эффективности системы. Эти системы со временем будут усложнятся и адаптироваться. В настоящее время, однако, практически все они выполняют свою основную функцию – только что описанное управление системой: работа всех необходимых компрессоров полностью нагруженными, кроме одного с неполной нагрузкой. Другие компрессоры выключаются, уменьшая время холостого хода и повышая эффективность всей системы.

Устранение перепада давления

Внимательный читатель, возможно, уже понял, что контроль давления в точке Р3 или P4 не может полностью решить проблемы разности давления, которые могут существовать в точке P6, у критического потребителя. В системе могут быть сотни критических потребителей и невозможно контролировать давление системы сжатого воздуха для каждого из них. Возможно, для улучшения ситуации необходимо расположить таких потребителей рядом.

Чаще всего фильтры, регуляторы, шланги и соединения для пневматических инструментов и оборудования выбраны потому, что они являются стандартным/общим размером/видом и используются на всём заводе. Их установка часто делается без учёта фактических пиковых нагрузок конкретного оборудования, подключённого на дальнем конце шланга. Подключение большого пневматического ударного гайковёрта в конце длинного шланга с ¼-дюймовым соединением, например, может привести к экстремальному перепаду давления, превышающего допустимое на 3бара или вызвать очень низкую производительность инструмента. Улучшая размеры компонентов, соответствующих требованиям конкретного инструмента, можно достичь разности давления в 0,5бара и возможность лучше отслеживать и управлять давлением в точке Р3 или Р4.

В том же ключе, нужно снижать перепады давления между точками P1 и P4 путём модернизации компонентов системы. Фильтра/осушители воздуха с более низким перепадом давления, а также увеличение объёма трубопровода переносит точку P1 ближе к P3 или P4. И как результат: более низкое давление нагнетания компрессора и низкое потребление энергии.

В реальном мире

Тысячи систем были оптимизированы по всему миру, используя правильно установленную и отрегулированную МАСТЕР системы управления. Вот лишь одна из них:

Большой литейный цех имел систему из четырёх больших 7-барных 110кВт компрессоров, расположенных в двух компрессорных. Расход воздуха на заводе варьируется широко, в выходные дни работает только один компрессор и то с перерывами, в то время как пиковые нагрузки в рабочие дни требуют три, а иногда и четыре компрессора на полную мощность. Требуемое качество сжатого воздуха достигалось с помощью фильтров общего назначения и рефрижераторной осушителя.

Отправная точка была расположена на клапане минимального давления в корпусе компрессора. Из этого места “посмотрели” сквозь все перепады давления, радиатор компрессора, фильтры и осушителя. Желаемое минимальное давление системы 6бар. Самое высокое давление компрессоров составляет 7бар. Перепад давления на осушителе и фильтрах 0,5бар, это оставило только 0,5бар, в диапазоне которого можно контролировать четыре компрессора.

Были предприняты попытки улучшить контроль компрессоров каскадным перепадом давления, но сервисный персонал категорически возражал. Тогда сотрудники выбрали самый простой способ управления компрессором, одни установки для всех компрессоров. Эта стратегия приводила к тому, что работали три компрессора, даже в периоды, когда можно было бы сделать эту работу и одним. Персонал пытался выключать компрессоры вручную; однако, это негативно влияло на надёжность давления в системе. Много раз, из-за непредвиденных пиковых нагрузок были краткосрочные перебои в работе оборудования, иногда необходимые компрессоры были выключены, так как нужного сотрудника не было на месте, и в результате неустойчивое давление в системе. Это сказывалось на производстве. В другой раз, сотрудники просто забывали включить или выключить компрессоры. Аудиторы оценили систему сжатого воздуха и расходы энергии в 4 млн кВт-ч в год – почти в два раза, чем необходимо для фактической нагрузки завода.

Компания модернизировала всю систему сжатого воздуха, установив три новых компрессора, в том числе с переменной производительностью (VS). Новый главный МАСТЕР-пульт координирует работу всех компрессоров, всегда обеспечивая VS компрессора частичными нагрузками, в то время как базовые компрессоры с фиксированной скоростью остаются полностью нагружены. Когда нагрузка падает, базовые компрессоры выключаются, и остаются в режиме ожидания для любого непредвиденного события, которое может потребовать дополнительной мощности. Регулирование давления поддерживается в пределах 0,5бара. Воздушные фильтры и осушитель были заменены на с более низким перепадом давлений, для экономии энергию. Надёжность давления на заводе и стабильность была улучшена добавлением варианта управления, где давление измерялось главным контроллером на обоих концах системы. Это оптимальное управление снизило потребление энергии на 45% и достигло 1,8 млн кВт-ч в год.

Ваша система эффективнее?

Если вы не знаете, как ваши компрессоры управляются, спросите у главного энергетика/техн.директора. Если никто не знает (очень распространённое явление), у Вас, вероятно, есть проблемы с чрезмерным потреблением энергии. Представители/официальные дилеры ведущих заводов-производителей компрессоров могут предложить Вам обучение по основам эффективности сжатого воздуха, чтобы помочь операторам стать более искусными в управлении использования сжатого воздуха на предприятии. Вооружившись лучшим пониманием, как и почему, вы будете в лучшем положении, чтобы улучшить эффективность системы сжатого воздуха.

Comments are closed