Компресори с променлива честота на въртене

МашиниСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 7, 2012

Компресори с променлива честота на въртенеКомпресори с променлива честота на въртенеКомпресори с променлива честота на въртене

В индустриалните предприятия, използващи големи количества сгъстен въздух, енергийната ефективност на оборудването е от първостепенно значение. Това изискване е съпроводено и от обстоятелството, че повечето приложения се характеризират с променлива консумация при различни налягания и значителни колебания в товарната диаграма. Това усложнява задачата за избор на подходящата за конкретните цели компресорна система. През последните години компресорите с променлива честота на въртене стават все по-често основен избор при поръчка на ново или при подмяна на старо компресорно оборудване.

Популярността на тези компресори се дължи на нарастващите цени на електроенергията и тяхната наистина висока ефективност при определени условия. Към момента най-широко използваните промишлени компресори са винтовите, които все по-често се предлагат и с честотно регулируем електрически двигател. Масовото навлизане в практиката на подобни машини е съпроводено и с все по-широко налагане на мнението, че винтовите компресори с променлива честота осигуряват по-висока енергийна ефективност в сравнение с другите методи за регулиране. Често се посочва енергоспестяване между 30 и 50%. Все пак, независимо от многото добри качества на компресорите с променлива честота на въртене, те не винаги са най-подходящото решение за проблемите със системите за сгъстен въздух.

Ефективност на компресорите с променлива честота
Често срещано твърдение е, че честотното регулиране е по-ефективно решение в сравнение с регулирането чрез разтоварване/натоварване или дроселиране при компресорите с постоянна честота. Генезисът на това схващане се крие в убеждението, че работните характеристики на винтовите компресори с променлива честота са сходни с характеристиките на вентилаторите с променлива честота. Съществува обаче една основна разлика - ефективността на компресорите съществено зависи от периферната скорост на винтовете, докато ефективността на вентилаторите в голям диапазон от честоти на въртене практически е постоянна. Този вид компресори конструктивно заложено работят с висока ефективност в диапазона от 20 до 40 m/s - фиг. 1. При скорости по-малки от 20 m/s има обратно протичане на въздух през периферната хлабина, докато скорости по-големи от 40 m/s създават интензивна турбулентност и недостатъчна компресия. Компресорите обикновено се проектират така, че да работят с максимална ефективност при честота, отговаряща на производителност около 70% от номиналната Qn. В резултат, винтовите компресори с променлива честота работят с висока ефективност в ограничен отрязък от общия диапазон на възможното регулиране на дебита, който обикновено се декларира, че е между 100% и 40(20)% от Qn.

Много често за сравнение на различните методи за регулиране се използват графични зависимости на осреднената мощност в проценти от номиналната мощност Pn при различна консумация, изразена в проценти от номиналния дебит Qn. Това се илюстрира от фиг. 2 за някои от най-популярните методи. Тази графика обаче не показва напълно обективно действителността. Както вече бе коментирано, при пълно натоварване компресорите с променлива честота не работят с максимален к. п. д., освен това има допълнителни загуби на енергия в честотния инвертор, достигащи до 4 - 5%. По-обективна картина се получава, ако като аргумент се използва действителната производителност Q. Подобни зависимости за промишлени винтови компресори на един и същи производител са показани на фиг. 3. От графиката се вижда, че с доближаване на пълното натоварване (100% Pn), компресорите с постоянна честота стават по-ефективни от честотно регулируемите. Освен това, максималната им производителност е с около 10% по-голяма.

Икономии на енергия
По отношение на компресорите с променлива честота производителите използват често твърдения от типа, че те "намаляват разходите за енергия с 50%..." или "намаляват цената на жизнения цикъл с 25%" и т. н. Това създава усещането, че е достатъчно да се инсталира компресор с честотно управление и разходите за енергия автоматично ще спаднат например с 50%. Добре е да се има предвид обаче, че това е възможно само ако системата се състои от един компресор. В действителност, компресорните станции на по-големите предприятия включват няколко съвместно работещи машини. В този случай за по-подходяща стратегия се счита всички компресори, освен един, да работят при пълно натоварване, за което най-подходящи са машини с постоянна честота на въртене и един компресор с честотно управление да поема колебанията в консумацията - балансиращ компресор.

Добре е да се има предвид, че дори компресорът да е само един, честотното регулиране не винаги гарантира икономия на енергия от порядъка на често посочваните 40 - 50%. На фиг. 4 е показана годишната икономия на енергия ES  при честотно регулиране на 100 kW винтов компресор, изразена като процент от консумираната енергия от подобен компресор с постоянна честота на въртене, регулиран чрез натоварване/разтоварване. Вижда се, че икономия на енергия би се получила при средно годишно натоварване под 80% Qn. При по-големи натоварвания компресорът с постоянна честота е по-изгоден. При по-малки натоварвания икономии на енергия могат да се получат и чрез замяна на преоразмерения компресор с постоянна честота с друг по-малък, който е и значително по-евтин. От казаното следва, че основен въпрос, който трябва да се реши чрез технико-икономически анализ, е дали инсталирането на компресор с честотно регулиране ще осигури достатъчно икономии, за да се получи един приемлив срок на възвръщаемост, например 2 години.

Диапазон на регулиране
Обикновено се счита, че при налягане 7 bar маслените винтови компресори имат диапазон на регулиране по дебит от 100% до 15 - 20%, както се вижда от фиг. 2. Оказва се обаче, че при различните производители, модели и настройки на налягането диапазонът може да е и по-малък, например от 100% до 50%. Диапазонът намалява при увеличаване на работното налягане. При 8.5 bar диапазонът може да се свие в граници от 100% до 60%. Намаляването на диапазона на регулиране намалява възможните икономии на енергия, увеличава колебанията на налягането, съкращава работния цикъл и може да оскъпи интеграцията на подобен компресор в системата. Препоръката е при избор на компресор с честотно управление да се сравняват и диапазоните на регулиране.

Акумулиращ обем
Принципно, когато консумацията попада в диапазона на регулиране на компресора, не е нужен акумулиращ обем (ресивер). Добавянето на адекватен допълнителен обем обаче е наложително, когато консумацията ще спада и под минималната производителност на машината. В подобни случаи компресорът преминава в режим на регулиране посредством включване/изключване или натоварване/разтоварване. Поради специфични конструктивни особености маслените винтови компресори изискват определено минимално време за разтоварване и отново натоварване. Акумулиращият обем, необходим за минимизиране на колебанията в налягането, е правопропорционален на времето за натоварване/разтоварване и обратнопропорционален на диапазона на регулиране. Производителите препоръчват различен минимален обем на ресивера, изразен като акумулиращ обем, отнесен към производителността на машината - от 2 до 4 l/(m3/h). Може да се даде и по-точна препоръка: обемът на ресивера при разлика в наляганията за включване и изключване 0.5 - 0.8 bar е необходимо да бъде между 10 и 20 l/(m3/h) от производителността на компресора при долната граница на честотното регулиране.

Ретрофит (модернизиране) или нов компресор с честотно управление
В последно време много фирми предлагат честотни инвертори, с помощта на които всеки стандартен АС двигател може да се превърне в регулируем. Във връзка с това на пазара за компресорна техника съществува дебат относно плюсовете и минусите от ретрофит на честотно управление към съществуващи компресори с постоянна честота. По-надолу се коментират няколко основни проблема, които са обект на въпросния дебат. Това може да помогне при решение за избор на една от двете възможности.

В система само с един компресор ретрофитът може да осигури същите възможности за енергоспестяване, както и замяната с нов агрегат. Ако към система с няколко компресора се включи нов честотно регулируем компресор, е възможно да възникнат проблеми с интеграцията му към съществуващата система за управление, което да намали потенциала за икономии на енергия. При ретрофит на съществуващ компресор от системата тази интеграция е значително по-лесна.

Новият честотно регулируем компресор може да има по-широк диапазон на възможно изменение на дебита. От гледна точка на енергийната ефективност това не е от съществено значение, тъй като диапазонът за високо ефективно регулиране на дебита е по-ограничен - фиг. 1.

Чрез ретрофит съществено се увеличава сигурността на съществуващия компресор: честотното управление осигурява контролирано включване ("мек" старт); компресорът ще работи по-рядко на празен ход или с максимална честота на въртене, което намалява износването и авариите. Новият компресор теоретично има по-дълъг експлоатационен живот отколкото машина, която вече е работила, но това трябва да се съпостави с много по-големите капитални разходи, понякога надвишаващи с пъти разходите за ретрофит на стария компресор. Освен това, ако компресорът е съвсем нов модел са възможни "проблеми на растежа", които са по-малко вероятни при вече добре усвоен за производство и доказал се с годините работа компресор.

При захранване с честотен инвертор двигателят на компресора с постоянна честота ще работи при малко по-висока температура (няколко градуса), но само при пълно натоварване. От друга страна, контролираният старт ще предпазва двигателя от ударни натоварвания и ще удължи живота му.

Съществуват съмнения, че работата с понижена честота на въртене ще повлияе отрицателно на охлаждането. Качествените стандартни електродвигатели могат да работят без прегряване продължително време при пълно натоварване, с понижена честота на въртене до около половината от номиналната. Охлаждащият вентилатор на самия компресор осигурява допълнително обдухване на електродвигателя. При екстремни температурни условия може да се монтира допълнителен охлаждащ вентилатор към електродвигателя.

Безмаслените винтови компресори имат принудително вътрешно мазане с помпа, задвижвана от вала на компресора. При много ниски честоти на въртене могат да възникнат  проблеми с качеството на мазането, затова се препоръчва подмяна на помпата с такава, която има самостоятелно задвижване. Това е евтино и лесно осъществимо технически решение.

Преди да се вземе решение за купуване на компресор с честотно регулиране е добре да се направи внимателен анализ на нуждите от сгъстен въздух за конкретните приложения. Всеки винтов компресор работи с висока ефективност в ограничен диапазон от периферни скорости, затова ако в процеса на работа честотата на въртене често попада извън този диапазон, енергийната ефективност от честотното регулиране намалява значително. Компресорите с честотно регулиране са по-ефективни в определени случаи. На практика може да се окаже, че не винаги употребата им води до явни ползи. Конвенционалните компресори с постоянна честота и регулиране чрез натоварване/разтоварване често са сравними по ефективност при значително по-ниска цена. Една много добра и икономически обоснована алтернатива може да се окаже и ретрофитът с честотен инвертор на съществуващи компресорни агрегати.

ЕКСКЛУЗИВНО

Top