Енергийна ефективност и регулиране на системи за сгъстен въздух

АвтоматизацияСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 4, 2011

Енергийна ефективност и регулиране на системи за сгъстен въздух Енергийна ефективност и регулиране на системи за сгъстен въздух Енергийна ефективност и регулиране на системи за сгъстен въздух

Част 2. Методи и стратегии за регулиране на производителността
на компресорни системи

В първата част на статията (сп. Инженеринг ревю, бр. 2/2011) бяха анализирани и дискутирани разходите за сгъстен въздух и основните насоки за подобряване на енергийната ефективност на промишлените компресорни системи. Методите и стратегиите за регулиране на производителността оказват съществено влияние върху ефективността на системата, затова те ще бъдат подробно разгледани в тази втора част.

   Системите за сгъстен въздух се състоят от един или няколко компресора, подаващи въздух в общ колектор. Комбинираната производителност на машините се оразмерява така, че да покрие най-малкото максималната потребност на предприятието. Почти винаги се налага използването на регулираща система, която да намали производителността на отделен компресор (или компресори) в периодите с ограничена консумация. Следи се системното налягане и регулиращата система намалява производителността, когато то достигне предварително зададена максимална стойност. Производителността се увеличава отново, когато налягането спадне до друга, по-ниска зададена стойност. Разликата между тези две стойности на налягането представлява обхвата на регулиране. На практика обхватът на регулиране се среща в доста широки граници - от 0.15 до 1.5 bar. Всеки отделен компресор обикновено се доставя със собствена регулираща система. В по-старите компресори тези системи са бавни и недостатъчно прецизни, което води до необходимост от задаване на по-широки обхвати на регулиране и значителни амплитуди на колебание на системното налягане. В резултат на това, наляганията за превключване на всеки отделен компресор се установяват така, че всъщност се поддържат налягания по-големи от нужните. Това дава гаранция, че колебанията на налягането няма да доведат до негови моментни спадания под минимално необходимото за системата. Съвременните бързи и по-прецизни микропроцесорни системи за регулиране осигуряват възможност за по-тесен обхват на регулиране и, съответно, снижение на наляганията за превключване.
Това предимство е илюстрирано на фиг. 1, от която се вижда, че прецизната система за регулиране може да поддържа много по-ниско средно налягане, без спадане под минимално необходимото. На всеки 0.15 bar разлика в наляганията съответства около 1% промяна в консумацията на енергия, т. е. като се стеснява диапазонът на изменение на налягането, се повишава енергийната ефективност на системата. При намаляване на средното системно налягане съществува опасността при внезапно увеличаване на консумацията налягането да спадне под минимално необходимото за нормалната работа на оборудването. За да се избегне това, е необходимо внимателно подбиране и съгласуване на системата за регулиране и акумулиращия обем.
Системите за сгъстен въздух рядко работят при пълно натоварване през цялото време, затова видът на системата за регулиране и съответният обхват на регулиране са критични за енергийната ефективност на цялата система. Основно внимание ще отделим на регулирането на винтовите компресори, защото към момента това е най-разпространеният индустриален тип.

Методи за индивидуално регулиране
Включване/изключване. Това е най-простата и теоретично най-ефективна стратегия за регулиране, тъй като компресорът работи винаги при пълно натоварване. Задължително е наличието на акумулиращ обем - ресивер. Налягането за изключване се настройва обикновено на стойност 25% над налягането за включване. Работата с налягане над минимално необходимото обаче води до повишаване на консумираната мощност, което на практика намалява ефекта от работата на компресора в оптимален режим. В подобни системи се налага използването на регулатори за налягане към крайните консуматори, които да редуцират и поддържат налягането на необходимата минимална стойност. Вече бе казано, че увеличаването на налягането с 15 kPa повишава консумацията на енергия с 1%. Този тип регулиране е подходящ за компресори с мощност до около 30 kW. Обемът на ресивера трябва да осигурява адекватно време между две включвания на електродвигателя.
Натоварване/разтоварване. При този метод двигателят и компресорът работят непрекъснато, но при достигане на максималното налягане компресорната машина се разтоварва по някакъв начин. Производителите прилагат различни способи за разтоварване на компресорите. Например при ротационните компресори най-често се използва пълно затваряне на смукателния отвор или тръбопровод, но и в този режим се консумира мощност от порядъка на 50 - 70% от номиналната (при пълно натоварване). Допълнително снижаване на мощността може да се получи чрез вентилиране на нагнетателната страна към атмосфера. За съвременните бутални компресори мощността на празен ход е 8 до 12% от номиналната, а при винтовите е между 15 и 30%. Енергийни загуби се получават и от работата с налягания по-високи от минимално необходимото, както бе коментирано по-горе. При центробежните и маслените винтови компресори, поради специфични конструктивни особености, е необходимо определено време, за да преминат в режим на празен ход или да се натоварят до номиналната мощност. В резултат на това, по отношение на енергийната ефективност такива компресорни системи стават чувствителни към обема на ресивера. Неговото намаляване, освен познатите експлоатационни проблеми, свързани с увеличаване на броя на работните цикли, води до снижаване на ефективността.
Това се илюстрира от фиг. 2, на която е показана осреднената мощност в проценти от номиналната мощност Pn при различна консумация, изразена в проценти от номиналния дебит Qn за един маслен винтов компресор. Обемът на ресивера е даден като акумулиращ обем, отнесен към производителността на машината в единици l/(m3/h). Вижда се, че един акумулиращ обем от порядъка на 10 l/(m3/h) е напълно достатъчен.
Стъпково регулиране. Това е доминиращата стратегия за регулиране на бутални компресори. Няколко превключвателя по налягане задействат дроселната клапа на входа на различни положения или отварят въздушни джобове в цилиндровата глава (регулиране чрез промяна на мъртвото пространство). Използва се тристъпково (0, 50, 100%) или петстъпково (0, 25, 50, 75, 100%) регулиране. По отношение на енергийната ефективност методът не е по-добър от предния, но дава някои експлоатационни предимства.
Дроселиране на входа. Този метод осигурява възможност за безстепенно регулиране на дебита. По отношение на ротационните компресори това е неефективен метод. При винтовите компресори дроселирането например до 50% от номиналния дебит намалява консумираната мощност само с около 15%, както се вижда от фиг. 3. С увеличаване на дроселирането ефективността относително намалява. За решаване на проблема методът се комбинира с използването на различни конструктивни способи за промяна и на работния обем, например чрез скъсяване на ефективната дължина на винтовете посредством връщане на част от газа към входа (вентилиране). Този механизъм обикновено се включва за регулиране под 40% от номиналния дебит - фиг. 3. При центробежните компресори методът осигурява ефективно регулиране, но в сравнително тесни граници - до около 70-80% от Qn, поради възникването на обратни течения при по-малките дебити. При по-голямо намаление на консумацията се преминава към изпускане (байпасиране) на излишния газ директно в атмосферата или към входа на машината, което рязко снижава ефективността.
Промяна на работния обем. Методът е икономичен и ефективен, но за сметка на усложнената конструкция. При маслените винтови компресори посредством различни технически решения се изменя ефективната дължина на винтовете. От фиг. 4 се вижда, че при регулиране на 50% от номиналния дебит, консумираната мощност вече намалява значително - с около 40%. В повечето случаи това регулиране се използва до 40% от Qn, след което се преминава автоматично на регулиране чрез дроселиране или разтоварване.
Променлива честота на въртене. По принцип този метод на регулиране осигурява най-ефективна работа при частично натоварване на системата. Използва се и за обемните, и за турбокомпресорите. До неотдавна приложението на метода се ограничаваше от липсата на икономични и надеждни начини за изменение на честотата на въртене на най-масовите АС (променливотокови) двигатели. С интензивното навлизане в практиката на честотните инвертори, проблемът със задвижването може да се счита за решен и първоначалната инвестиция вече не е решаващ фактор.
Фиг. 5 илюстрира честотното регулиране на маслен винтов компресор с приети загуби в инвертора 5%. Обикновено честотното регулиране се използва до 40% от Qn, но понякога и до 20%. Под тези граници производителността се регулира чрез спиране или разтоварване. Енергийната ефективност на това регулиране се разкрива най-пълно при частични натоварвания и трябва да се има предвид, че при пълно натоварване се консумира повече енергия в сравнение с подобен по параметри двигател с постоянна честота.
Ефективност и енергийни разходи. На фиг. 6 са обобщени данни за изменението на мощността при различни методи за регулиране на съвременните компресори. Означенията на графичните зависимости са както следва:
1 - дроселиране на входа;
2 - натоварване/разтоварване с ресивер от 2 l/(m3/h);
3 - натоварване/разтоварване с ресивер от 20 l/(m3/h);
4 - честотно регулиране.
Зависимостите дават възможност да се правят бързо ориентировъчни пресмятания на енергийните разходи и да се взима икономически обосновано решение при подбиране на системата за регулиране. Като пример е направена оценка на годишните разходи за електроенергия при различни методи за регулиране на компресор с номинална мощност 50 kW при следните условия: к. п. д. на електродвигателя е 90%; загубите в честотния регулатор са 5%; компресорът работи 4000 часа; средната цена на електроенергията е 0.15 лв./kWh. Резултатите са дадени в таблица 1. Както може да се очаква, честотното регулиране е икономически най-ефективно. Например, при средно годишно натоварване от 65%, потенциалната икономия, която може да се реализира, е между 3200 и 8200 лв. за година, в зависимост от метода, с който се прави сравнение. При ценовите нива на инвертори с подобна мощност в момента това дава ориентировъчен срок на откупуване между 1 и 2.5 години.
При работа със средно натоварване близко до номиналното, използването на честотен инвертор икономически не е оправдано, поради допълнителните електрически загуби. Но пък в този случай има някои експлоатационни предимства (напр. плавен старт и др.).

Групово регулиране
Каскадното управление е най-простата стратегия за регулиране при наличието на няколко компресора. Машините се включват и изключват при изменение на системното налягане в определена последователност, като обхватите на регулиране на отделните машини се припокриват. В резултат на увеличения общ обхват на регулиране на системата, се поддържа средно налягане по-високо от необходимото, което е неефективно и бе коментирано в началото на материала.
Съвременните микропроцесорни системи за управление използват различни схеми, но като цяло се използват няколко подхода:
- своевременно изключване на ненужните компресори;
- задържане на включването на друга машина, докато това не стане абсолютно необходимо;
-  когато са включени, компресорите, доколкото е възможно, да работят при пълно натоварване.
 Идеалният случай е, когато всички компресори без един, работят с пълно натоварване или са изключени, а оставащият балансира системата. Центробежни или винтови компресори с дроселно регулиране са добър избор за базисни машини. Буталните и винтовите компресори с променлив работен обем или с честотно регулиране са подходящи за балансиращ елемент. Винтовите компресори с регулиране чрез натоварване/разтоварване също могат да работят ефективно като балансиращи, ако акумулиращият обем е адекватен. Когато се определя необходимото съотношение на акумулиращия обем и производителността трябва да се има предвид само балансиращият компресор. Следващият пример показва оценка на енергийната ефективност при работа на няколко компресора, като се използват обобщените данни, приведени по-горе, във фиг. 2 до фиг. 6.

Пример
Системата за сгъстен въздух на едно предприятие включва три еднакви винтови компресора, всеки един с номинална производителност Qn = 1500 m3/h и номинална мощност Pn = 150 kW. Средната консумация е 3600 m3/h с пикове до 3600 m3/h. Ако и трите компресора работят като базисни с дроселно регулиране, всеки един от тях ще е с производителност 0,8Qn = 1200 m3/h и ще консумира мощност 0,95Pn (142 kW) или общо 426 kW. Ако два работят с пълно натоварване, т. е. общо 3000 m3/h , третият компресор трябва да се дроселира до дебит 0,4Qn  (600 m3/h), при което ще консумира все още голяма обща мощност 418 kW или 0,93Pn. Ако балансиращият компресор се регулира чрез натоварване/разтоварване и се инсталира ресивер от 15 m3 (това отговаря на 10 l/m3/h от производителността на балансиращия компресор), то общата мощност се получава вече 87% от пълната или 392 kW. Ако се използва регулиране на балансиращия компресор чрез изменение на работния обем, общата консумирана мощност се получава почти същата – 390 kW, но вече не е нужно инсталирането на голям ресивер, за да се поддържа ефективност при частични натоварвания. Неговият обем трябва да се определи само като се изходи от колебанието в консумацията. Най-накрая, ако се използва един компресор с честотно регулиране, общата мощност се намалява до 360 kW или 80% от пълната. При използване на честотно регулиране за балансиращия компресор може да се спестят до 30 000 лв. годишно (при вече споменатите по-горе в табл. 1 условия на работа), което при честотен инвертор за мощност 150 kW резултира в кратък срок на откупуване.




ЕКСКЛУЗИВНО

Top