La pressione del sistema dell'aria influenza la potenza del compressore - Parte 2: L'influenza della pressione del sistema sui compressori centrifughi
Questo è il secondo articolo di una serie in tre parti di aria compressa di Mark Krisa, direttore di Global Services Solutions, Ingersoll Rand
È comune vedere specialisti della valutazione energetica che trattano i compressori centrifughi come compressori a spostamento positivo quando tentano di ridurre il consumo di energia del sistema di aria compressa. Sfortunatamente, i compressori centrifughi sono normalmente molto più grandi e gli errori di calcolo possono facilmente rappresentare centinaia di migliaia di dollari in risparmi energetici sopravvalutati. Questi errori non sono dannosi; derivano dalle migliori pratiche semplificate perpetuate da individui con una conoscenza limitata del compressore centrifugo. Questo tipo di conoscenza non è prontamente disponibile e la maggior parte degli specialisti in valutazione dell'energia non ha accesso ai team di ingegneria responsabili dello sviluppo tecnico e della progettazione di compressori centrifughi. Dal punto di vista unitario, i compressori centrifughi sono una piccola parte del mercato dei compressori, quindi le risorse tecnicamente competenti sono limitate.
Identificazione delle risorse tecniche del compressore
È importante riconoscere che i venditori di aria compressa rappresentano una delle maggiori fonti di informazioni tecniche associate ai sistemi e ai componenti dell'aria compressa. Sebbene alcuni addetti alle vendite siano ingegneri tecnicamente competenti, non è raro trovare la parola "ingegnere" utilizzata come aggettivo in un titolo professionale. Se l'ingegnere è un titolo per istruzione o funzione lavorativa, non garantisce informazioni tecnicamente accurate. Allo stesso modo, l'esperienza è un termine spesso usato per implicare una grande conoscenza associata ad anni di pratica. L'esperienza può avere valore per funzioni con risultati di causa ed effetto semplici o compiti ripetitivi in cui la memoria muscolare può migliorare le prestazioni. Tuttavia, in un settore in cui i risultati vengono raramente misurati utilizzando strumenti accurati in ambienti controllati, molti miti tecnici si attenuano e, attraverso anni di ripetizione, si presume che siano fatti scientificamente provati. Ad esempio, la prima parte di questo articolo, che è stato stampato il mese scorso, ha spiegato come l'abuso dell'1 percento dell'assunzione di 2 psi venga abusato e perché non sia corretto.
Lavorare in Ingersoll Rand, uno dei maggiori produttori e innovatori al mondo di prodotti ad aria compressa, facilita le opportunità di molte discussioni tecniche con ingegneri di talento che progettano compressori per vivere. La partecipazione a numerosi team tecnici relativi all'aria compressa con ISO, CAGI e CSA offre anche l'opportunità di discussioni di alto livello con ingegneri di altri produttori di compressori . È interessante notare che, ogni volta che si discute dell'argomento della pressione e della potenza per i compressori, quasi tutti gli ingegneri rigurgitano la stessa potenza dell'1 percento in ipotesi a 2 psi. Dopo aver discusso degli attributi sistemici e della termodinamica, tutti concordano sul fatto che l'istruzione 2: 1 sia inaccurata, ma molti ritengono che sia un dato di fatto e lo mettono in relazione con il funzionamento del compressore in relazione alla pressione nelle tubazioni della rete. Come giovani ingegneri nuovi nel settore, l'affermazione 2: 1 era conoscenza tecnica condivisa da ingegneri senior. Sconvolgente esperienza ed età per fatti scientifici, molte ipotesi innocenti non sono state contestate.
Per motivi di chiusura, la teoria sembra aver avuto origine nei primi anni del 1900 come una stima ragionevole basata su un'equazione complessa utilizzata per calcolare la potenza del freno per grandi compressori alternativi relativi alla pressione all'interno del cilindro. Ciò non è applicabile considerando tutti i componenti e i cambiamenti tecnologici che compongono i moderni compressori. La teoria 2: 1 è proprio come una voce che si trasforma in una storia diversa con l'interpretazione di ogni persona e la successiva condivisione. Ciò si verifica quando il contenuto tecnico complesso viene semplificato e generalizzato prima di raggiungere il personale di vendita sul campo e altre persone che diffondono la conoscenza del compressore sul mercato.
Caratteristiche operative dei compressori centrifughi
A differenza dei compressori a spostamento positivo in cui la pressione è una funzione delle forze meccaniche (potenza) che agiscono su una superficie che riduce fisicamente un volume chiuso, i compressori centrifughi non possono aumentare le loro capacità di pressione aumentando la potenza. Un compressore centrifugo, noto anche come compressore dinamico, genera pressione in modo diverso. Una determinata massa d'aria viene accelerata attraverso una girante e impartisce energia cinetica. L'aria passa attraverso un diffusore, riduce la velocità e converte una parte dell'energia cinetica in calore e energia potenziale. Ciò si manifesta sotto forma di aumento della pressione e della temperatura dell'aria. A seconda dei requisiti di pressione del compressore, l'aria passa attraverso lo stesso processo attraverso le fasi successive e procede verso i requisiti di pressione di progetto. Per migliorare l'efficienza, alcune o tutte le fasi raffreddano l'aria prima che entri nella fase successiva. A fini di discussione, la spiegazione operativa è stata semplificata nel tentativo di rimanere nell'ambito. Le capacità di pressione di un compressore centrifugo sono dettate dal design aerodinamico dei componenti interni, dalle condizioni ambientali, dalla velocità di rotazione e dal raffreddamento dell'aria tra gli stadi.
Le relazioni tra flusso, pressione e potenza per un compressore centrifugo sono normalmente espresse usando una curva di prestazione basata su condizioni ambientali specificate, acqua di raffreddamento e componenti interni applicati. Di conseguenza, le prestazioni - e in particolare - le capacità di pressione cambiano con il variare delle condizioni ambientali nel corso dell'anno. Una curva di lavoro che consiste nella sovrapposizione di dati provenienti da tre serie di condizioni ambientali viene utilizzata per illustrare questo effetto in Fig. 1.
Figura 1 - Curve di prestazione del compressore centrifugo
La curva delle prestazioni è composta da due parti: la curva del flusso di pressione e la curva del flusso di potenza. La curva del flusso di pressione ha pressione sull'asse verticale e flusso sull'asse orizzontale. La curva del flusso di potenza ha potenza sull'asse verticale e flusso sull'asse orizzontale. I valori di flusso per ciascun asse orizzontale si allineano in modo tale che ciascuna curva del flusso di pressione abbia una curva del flusso di potenza corrispondente. Notare come la curva naturale si sposta verso l'alto e verso destra quando la temperatura ambiente diminuisce. Osservando le curve rosse per potenza e pressione rispetto al flusso, spostandosi da sinistra a destra, una linea verticale che interseca entrambe le curve illustra la pressione e la potenza del progetto per quel flusso specifico e le condizioni ambientali. Spostandoti da sinistra a destra, nota come la potenza inizialmente aumenta quando la pressione diminuisce e poi diminuisce man mano che ci si sposta ulteriormente a destra. Ciò dimostra come il potere non sia direttamente proporzionale a un cambiamento di pressione. Questa relazione si basa sul design aerodinamico dei componenti interni. Alcuni compressori che utilizzano una girante con design radiale hanno la massima efficienza nella parte superiore della curva appena prima del picco naturale. Un design inclinato all'indietro può aumentare l'efficienza quando la pressione diminuisce o può raggiungere l'efficienza di picco in un determinato punto della curva e quindi diminuire a pressioni più basse.
Facendo riferimento alla curva rossa del flusso di pressione, notare che quando la pressione diminuisce, aumenta il flusso per il compressore. Un compressore centrifugo si comporta rispetto alla curva naturale quando il gruppo di aspirazione è aperto al 100 percento, o abbastanza che l'apertura del gruppo più non ha alcun impatto sulla pressione della gola di entrata. Un compressore che funziona allo stato massimo è talvolta definito come funzionante a pieno carico - o sulla parte attiva della curva in cui il flusso cambia rispetto alla pressione. Il flusso aumenta man mano che la pressione viene ridotta, ma notare come la pendenza della curva cambia man mano che la pressione diminuisce. Alla fine la curva diventa asintotica - dritta su e giù - quando il compressore si sposta in una regione nota come choke o stonewall.
A questo punto, la caduta di pressione ha pochissime o nessuna variazione sul flusso o sulla potenza. La potenza non diminuisce quando il compressore funziona allo starter o al di sotto. Quando il compressore è nello starter, la velocità ha raggiunto una soglia sonora in alcuni punti all'interno del compressore. Successivamente, il compressore mantiene la pressione interna ad un valore minimo indipendente dalla pressione di scarico esterna al compressore. In sostanza, la pressione interna diminuisce rispetto alla pressione esterna fino a raggiungere una pressione interna minima. Al di sotto di questo valore minimo, la pressione diminuisce solo nel sistema mentre la pressione interna rimane al valore minimo vincolato dal limite di velocità sonora.
La pressione superiore è limitata dalla capacità del compressore di convertire l'energia cinetica in pressione. Ad un certo bilancio energetico, la pressione generata è inferiore alla pressione interna, causando instabilità a volte denominata inversione di flusso o impennata. Il funzionamento del compressore è instabile o vicino alla pressione di picco. La capacità di pressione, o la pressione di picco naturale, può aumentare solo se aumenta la densità dell'aria in ingresso. Questo stesso fenomeno si verifica a una condizione di flusso minimo stabile chiamata impulso dell'acceleratore. Se la richiesta di aria è inferiore all'offerta per una pressione richiesta, il gruppo di ingresso modula, riducendo la pressione e il flusso della gola di ingresso. Questo è comunemente indicato come un compressore che funziona in modulazione, sull'acceleratore o a pressione costante.
L'influenza della pressione sulla potenza del compressore centrifugo
Osservando le prestazioni all'interno della parte attiva della curva, la Fig. 2 illustra le variazioni dettagliate del flusso e della potenza relative alla pressione di scarico.
Figura 2 - Esempio di dati sulle prestazioni del compressore centrifugo
I dati in Fig. 2 si basano sulle prestazioni testate per un compressore centrifugo specifico. Osservando le prestazioni del compressore a 121 psig e 111 psig, riducendo la pressione da 121 a 111 psig si riduce solo la potenza di 5 cavalli. Ciò rappresenta una riduzione inferiore allo 0,35 percento della potenza dell'albero. La regola del 0,5% per psig (descritta nella Parte 1: la pressione del sistema dell'aria influenza la potenza del compressore che è stata pubblicata nel numero di luglio di Best Practices Air Compressed) non si applica. Avrebbe previsto una riduzione del 5% del potere con un risparmio stimato di $ 50.000 all'anno, rispetto ai $ 3.000 realizzati. In questo esempio, le stime di risparmio potrebbero essere esagerate a oltre 16 volte il valore reale.
Poiché il compressore in questo esempio sta funzionando all'interno dell'intervallo attivo della curva, il flusso aumenta di ~ 100 scfm. Supponendo che la domanda rimanga invariata e la potenza del compressore cambi direttamente proporzionalmente alla variazione del flusso, la potenza dell'albero del compressore viene ridotta di un totale di 27 cavalli o dell'1,8 percento. Questo è meno del 36 percento dei risparmi stimati usando la regola empirica dello 0,5 percento per psig, offrendo $ 18.000 di risparmi invece di $ 50.000 usando il calcolo applicato in modo errato. Se il compressore funziona normalmente in uno stato modulato utilizzando palette di guida di ingresso correttamente applicate, la potenza dell'albero viene ridotta dell'1,7 percento.
È importante notare che, diversamente dai compressori rotativi a vite, i numeri di modello del compressore centrifugo non rappresentano necessariamente le prestazioni del compressore. Diverse combinazioni girante / diffusore diverse possono essere utilizzate per un determinato modello, design e motore esterni. La combinazione di giranti e diffusori viene comunemente definita "aerodinamica" del compressore. È possibile utilizzare diversi pacchetti aerodinamici per un determinato numero di modello del compressore e ognuno ha la propria capacità di prestazione unica. Non è possibile utilizzare una curva generica - o persino una curva dello stesso modello di compressore - a meno che il produttore non confermi che i compressori sono stati fabbricati utilizzando lo stesso aeromobile.
È altrettanto importante garantire che i dati siano corretti per le condizioni del sito o per una serie di condizioni se l'ambiente cambia nel tempo. Facendo riferimento alla Fig. 1, le tre curve (da sinistra a destra) rappresentano i dati delle condizioni ambientali a 95 ° F, 70 ° F e 30 ° F. In base al modo in cui la curva delle prestazioni si sposta rispetto alla temperatura, non è raro trovare compressori che funzionano a strozzatore per diversi mesi all'anno. Ciò è significativo poiché qualsiasi stima del risparmio energetico associato alla pressione deve tenere conto del tempo, della temperatura e della posizione sulla curva. Senza questi dati, qualsiasi tentativo di stimare i risparmi associati alla pressione potrebbe essere fuorviante. In alcuni casi, la potenza può aumentare con la riduzione della pressione.
Risparmio energetico per compressori centrifughi
Le capacità di pressione massima di un compressore specifico si basano sul pacchetto aerodinamico, sulle condizioni ambientali e meccaniche. La massima pressione di esercizio è limitata dall'impulso del compressore nella parte superiore della curva. Questo punto è chiamato pressione naturale di sovratensione. Facendo riferimento alla Fig. 1, la linea orizzontale rosa rappresenta la linea di pressione costante. Quando la domanda è inferiore al flusso massimo dal compressore, l'ingresso rallenta per ridurre il flusso. Con le alette di guida dell'iniettore, l'efficienza rimane ragionevolmente costante mentre il compressore sta rallentando. La potenza ridotta è indicata sulla curva del flusso di potenza inferiore come linea diagonale. Il flusso minimo dell'acceleratore per un compressore centrifugo è limitato in base al design. Seguendo la linea orizzontale rosa in Fig. 1 a sinistra, il flusso minimo stabile è dettato dal punto in cui la linea a pressione costante interseca la linea di picco dell'acceleratore. Se il compressore tenta di limitare il flusso a meno di questo punto di intersezione, il compressore si alza. Per ovvie ragioni, questo è chiamato un aumento del throttle. La linea di sovratensione dell'acceleratore può essere vista in Fig. 1 come la linea diagonale blu sul diagramma del flusso di pressione.
Se la richiesta di aria è inferiore a questo limite minimo, l'aria in eccesso viene scaricata nell'atmosfera per compensare la differenza tra flusso minimo stabile e requisiti di domanda. Sfortunatamente, dopo che il compressore smette di limitare, la potenza non cambia. Di conseguenza, tutta l'aria che viene scaricata nell'atmosfera viene sprecata. Per un compressore che funziona frequentemente con aria bypassata nell'atmosfera, l'abbassamento della pressione riduce il flusso in cui si verifica l'impulso dell'acceleratore. Dopo aver regolato le impostazioni di controllo, un compressore che funziona al flusso minimo riduce ancora la potenza aumentando le capacità dell'acceleratore rispetto al flusso di aumento dell'acceleratore ridotto. Questo è solo il caso in cui il compressore bypassa l'aria nell'atmosfera e i controlli consentono al compressore di modulare l'ingresso, il che aumenta le capacità dell'acceleratore e diminuisce la potenza. Ancora una volta, le curve di prestazione corrette del sito sono necessarie per quantificare i potenziali risparmi.
La capacità di far funzionare un compressore vicino all'impulso dell'acceleratore è limitata dalla complessità degli algoritmi di controllo, dalla variabile dell'acceleratore utilizzata e dal modo in cui i circuiti PID del compressore sono regolati in relazione alla dinamica del sistema. La Figura 1 illustra la riduzione di potenza associata alla regolazione del limite dell'acceleratore del compressore da un'impostazione conservativa a un'impostazione più efficiente sintonizzando il circuito PID del compressore in modo che le velocità di reazione del compressore corrispondano alla velocità delle variazioni della domanda. La variazione di potenza associata alle regolazioni nei controlli di sistema può essere osservata osservando le due linee tratteggiate verticali, viola e marrone dalla linea di pressione costante alla linea di alimentazione a farfalla in Fig. 1. Per questo compressore, la potenza è stata ridotta di 160 CV senza investimenti di capitale. Il compressore ha ancora bypassato l'aria nell'atmosfera, ma la quantità è stata ridotta di 980 scfm, associata alla modulazione del compressore più vicino al valore di accelerazione dell'acceleratore. È importante notare che il limite di controllo del throttle throttle è normalmente impostato alto per un motivo. È necessaria un'analisi appropriata della causa principale per definire i problemi che influenzano le impostazioni elevate. In quanto organizzazione che ha verificato centinaia di sistemi di compressori centrifughi utilizzando dettagli tecnici avanzati e analisi, Ingersoll Rand si rende conto che le azioni correttive possono variare in modo significativo tra i sistemi. In alcune situazioni, è possibile realizzare risparmi a sei cifre correggendo un problema complesso con un investimento di $ 100. Inversamente, i risparmi possono richiedere correzioni complesse e costose che non sono giustificabili.
Valutazione delle prestazioni del compressore centrifugo
È importante sottolineare che le prestazioni di un compressore centrifugo possono cambiare drasticamente nel tempo a causa del degrado meccanico dei componenti interni. Sebbene i principali problemi con gli assiemi rotanti possano essere identificati attraverso letture elevate delle vibrazioni, l'erosione delle giranti e dei diffusori può ridurre significativamente le capacità di pressione, l'affidabilità e l'efficienza di un compressore centrifugo con un impatto trascurabile sulle vibrazioni. Per questo motivo, è necessario effettuare una valutazione delle prestazioni per ciascun compressore centrifugo su base regolare e nell'ambito di qualsiasi progetto di risparmio energetico. Qualsiasi valutazione del sistema di aria compressa che non include test dettagliati e analisi delle prestazioni del compressore avrà dati insufficienti o discutibili e può essere un'indicazione della competenza del compressore centrifugo dell'auditor.
È anche importante notare che le precedenti riparazioni di un compressore centrifugo potrebbero aver cambiato significativamente le prestazioni. Alcuni fornitori di servizi post-vendita sostituiscono i componenti aerodinamici interni che non corrispondono al design originale. In alcune occasioni, invece di sostituire i componenti, è possibile risparmiare sui costi rettificando le pale della girante e riequilibrando gli assiemi. Questo risolve i problemi di vibrazione ma può alterare notevolmente le prestazioni.
Facendo riferimento alla curva in Fig. 1, questo compressore è in grado di erogare 135 psig a una condizione di 95 ° F. Se questo compressore viene venduto come unità da 90 psig, molti fornitori di servizi centrifughi testano la pressione di sovratensione naturale e lo considerano un test delle prestazioni. Avendo collaborato con molti ingegneri aeronautici del compressore allo sviluppo e alla verifica dell'analisi delle prestazioni del compressore centrifugo e delle procedure di prova non intrusive in loco, è sicuro affermare che vi è molto di più nella valutazione delle prestazioni del compressore rispetto al collaudo della pressione e delle vibrazioni. I presupposti di servizio del compressore centrifugo comuni considerano una pressione di sovratensione naturale superiore del 10-15 percento sopra la pressione di progetto normale, indipendentemente dalla temperatura. Di conseguenza, il test di sovratensione del compressore in Fig. 1 e il raggiungimento di una pressione di picco naturale superiore a 103 psig è considerata una verifica positiva delle prestazioni da molte organizzazioni. Questo non è fatto con intenti maliziosi, si ricollega all'inizio di questo articolo e ai problemi associati all'esperienza e alla conoscenza percepita. Proprio come l'ingegnere disinformato potrebbe stimare innocentemente $ 100.000 di risparmi quando non ce ne sono, molti tecnici sul campo eseguiranno quello che viene loro detto un test delle prestazioni, trascurando involontariamente per identificare prestazioni e affidabilità del compressore degradate.
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