Dimensionamento dei compressori d'aria VFD per sistemi a compressore singolo

Di Tim Dugan, Presidente PE, Compression Engineering Corporation

introduzione

Come utente finale, hai mai sentito il messaggio di inserire il più grande compressore d'aria VFD e il sistema sarà sempre affidabile ed efficiente. Perché eseguire un audit? Basta aggiungere i compressori sul posto e mettere un VFD per quella dimensione o più grande. Perché la complessità di più compressori, archiviazione, sequenziamento, ecc.? Ancora meglio, inserirne due, uno per l'intero sistema e uno per il backup. Se potessi agitare una bacchetta, non sarebbe quello che dovrebbe apparire ogni sistema? Pace ed efficienza perfette, con affidabilità al 100%.

I lettori che sono stati coinvolti nel settore degli sconti / servizi di pubblica utilità, in qualità di manager di programma, valutatore o revisore contabile, sanno che questo tipo di decisioni sono state incoraggiate dagli sconti e che molti sistemi non funzionano nel modo in cui avrebbero dovuto, o non funzionano affatto a causa di problemi di affidabilità.

La maggior parte dei miei audit è stata condotta su sistemi "grandi" e complessi, sistemi con compressori d'aria installati totali con oltre 500 CV, con più tipi e sale compressori. Che dire dei sistemi "normali" che superano quelli che guardo a 10: 1? Quelli con una sala compressori e meno di 100 CV installati? Non è appropriato avere un compressore VFD in esecuzione sul sistema, con un backup a grandezza naturale? E se è così, come dovresti dimensionare il compressore?

In questo articolo, ho l'obiettivo di rispondere alla domanda con un "sì" qualificato. Sì, ci sono molti sistemi in cui ciò può accadere. Descriverò dove ne hai solo bisogno e, in quei casi, come dimensionare quel compressore.

Sommario

In breve, consiglio di utilizzare un singolo compressore VFD (con backup) quando:

1. I livelli di domanda sono noti e il compressore è dimensionato, quindi la domanda varia tra il 30% e l'80% del massimo del compressore.

2. Il profilo della domanda non è spesso di fascia bassa.

3. Non sono previsti grandi cambiamenti nell'uso nei prossimi 10 anni.

4. Il sistema è attualmente centralizzato e probabilmente rimarrà tale.

5. Puoi permetterti un backup completo.

La domanda varia tra il 30 e l'80%

Come fai a conoscere la tua richiesta, per far sì che il compressore sia dimensionato per essere nel "punto ottimale"? Alcuni dicono di fare un "audit". Penso che sia fantastico se vuoi pagare un ragazzo come me da $ 3k a $ 10k, e ottenere solo una foto della domanda e hai bisogno del consiglio di consulenza che ne consegue. Oppure puoi ottenere uno "gratuito" dai fornitori che ti aiutano a dimensionare quel compressore VFD. Va bene se la loro "scatola nera" di audit calcola accuratamente il flusso.

Il motivo per cui dico che la richiesta non dovrebbe variare al di sotto del 30% del picco è che la maggior parte dell'efficienza dei compressori VFD inizia a scendere alla velocità del 50% e peggiora man mano che si raggiunge la velocità minima. Inoltre, l'olio del compressore non funzionerà abbastanza caldo se alla velocità minima per lunghi periodi, causando problemi di affidabilità. È interessante notare che il motore è un'eccezione. Funziona più caldo alla velocità più bassa. Questo perché si tratta di un'applicazione a coppia costante, oltre allo slittamento che lo rende una coppia ancora più elevata a bassa velocità e il raffreddamento del motore viene notevolmente ridotto a bassa velocità. Se si blocca un CT sulla corrente di avvolgimento del motore, si può vedere che la corrente di avvolgimento aumenta effettivamente a velocità inferiori.

Il motivo per cui non si desidera essere frequentemente al di sopra dell'80% è che la sua efficienza diminuisce anche nella fascia alta e la corrente è elevata a quel punto. È perché le perdite di "windage" del compressore sono elevate. La "velocità della punta" è superiore all'ideale. La Figura 1 mostra una tipica curva di prestazione (dalla scheda tecnica CAGI) per un compressore a vite VFD da 50 CV.

Figura 1. Una curva di prestazione tipica per un compressore d'aria VFD da 50 CV da una scheda tecnica CAGI.

Per fare un confronto, ho confrontato questo compressore con due alternative dello stesso produttore, un singolo carico-scarico e un carico / scarico di mezzo formato duplex. Vedi sotto:

Figura 2. Confronto di VFD con un singolo carico-scarico e un duplex di mezzo carico-scarico alternative.

Anche se il compressore VFD “prestazioni specifiche” (kW / 100 acfm) è meno che ideale alle velocità più basse, le sue perdite sono inferiori alle perdite fisse delle alternative di carico-scarico, specialmente nella fascia bassa. Tuttavia, notare come i compressori a carico e scarico siano migliori nella fascia alta e il duplex chiuda gran parte del profilo tranne dal 50% al 70%. Ma ricorda il riscaldamento a olio basso e il riscaldamento dell'avvolgimento del motore nella parte bassa.

Diamo un'occhiata a un profilo di carico (Figura 3) che potrebbe non essere adatto per un singolo compressore VFD. È quello in cui ci sono molteplici e grandi richieste che vanno e vengono, e pressurizzazione con bassa domanda nel mezzo. Vedi sotto. Quando si dimensiona il compressore del 25% rispetto alla domanda di picco, è possibile che si verifichi un problema di riduzione all'altra estremità in questo tipo di profilo. La richiesta è alla fascia bassa di un compressore VFD da 50 CV 34 ore a settimana. A seconda che la produzione sia abbastanza alta spesso, potresti voler utilizzare un sistema a più compressori per questo tipo di richiesta, idealmente un duplex da 25 CV. È una chiamata di giudizio.

Figura 3. I profili di carico con più picchi di domanda possono essere problematici per un singolo VFD.

Ecco la mia regola sulla corrispondenza del profilo di flusso : se un compressore VFD può essere dimensionato per essere nella gamma di flusso del 30-80% per la maggior parte del tempo, potrebbe essere una buona soluzione.

Il tempo a bassa richiesta non è eccessivo

Questo sta tornando al problema di fascia bassa. Se l'impianto viene pressurizzato continuamente, ma esegue solo un turno, ciò significherebbe che il compressore d'aria sta alimentando le perdite per due terzi del tempo. Gli impianti più piccoli, in cui i singoli compressori VFD funzionano bene, hanno minori perdite di carico e più tempi di fermo per ripararli. Il grafico della Figura 4 è per un'operazione a due turni con un secondo turno basso. L'ho modificato per essere un turno, sotto. Il tempo di fascia bassa è andato a 80 ore alla settimana. I compressori VFD singoli sono utili per le operazioni a due e tre turni, o quelle in cui il compressore viene spento di notte, non per le operazioni a singolo turno che rimangono sotto pressione per la maggior parte del tempo.

Figura 4. Periodi di misurazione di bassa domanda.

Ecco la mia regola sulla bassa domanda: se la domanda è inferiore al 30% della dimensione VFD, più del 30% delle volte, un singolo compressore VFD potrebbe non essere adatto.

Il processo di produzione è stabile

Alcuni impianti sono costruiti per fare una cosa e funzionano fino a quando l'apparecchiatura non ha raggiunto la fine della sua vita utile o il mercato scompare. Questo è tipico quando c'è un grande investimento una volta, come un produttore di film estensibile con due linee di produzione. Si tratta di un impianto relativamente piccolo che può essere alimentato da un compressore d'aria da 50 CV e le esigenze non sono così mutevoli, principalmente pressione statica e piccoli cilindri. All'estremità più grande, potrebbe essere un piccolo impianto ondulato o linerboard con una sola macchina.

Tuttavia, man mano che i sistemi diventano più grandi, diventano più casuali nella loro domanda e cambiano più frequentemente. Soprattutto le piante che chiamo "collezioni di auto d'epoca". Questi impianti sono un grande magazzino in cui un gruppo di investitori lancia macchinari di produzione usati casuali. Come un produttore di materie plastiche alimentari (operazione di stampaggio) o un "nutraceutico" (produttore di pillole per la salute). Dal momento che ci sono molti macchinari usati disponibili là fuori, e può essere acquistato e messo su un camion a pianale abbastanza facile, l'impianto è una raccolta di un gruppo di macchine usate che si adattano alle nicchie di mercato. I piccoli sistemi in genere supportano da una a due linee di produzione e l'impianto viene costruito e messo a terra con quelle linee. Gli impianti più grandi sono talvolta raccolte di linee di produzione in continua evoluzione. Puoi misurare il flusso che desideri e dovresti, ma non sarai in grado di raggiungere il punto ottimale di un compressore VFD.

Ecco la mia regola sulla casualità della domanda:   Se il sistema di produzione dell'impianto è stabile, un singolo compressore VFD potrebbe essere adatto.

Il sistema è centralizzato

Far funzionare un sistema ad aria compressa con un presunto singolo compressore d'aria VFD in una zona e altri compressori collegati, che doveva sostituire, in genere non funziona bene dopo alcuni anni. Gli altri compressori possono avviarsi automaticamente o manualmente e fare in modo che il VFD non funzioni più nel suo punto ottimale. Quindi, evita questi scenari applicando i compressori VFD a sistemi già centralizzati, oppure centralizza i sistemi mettendo fuori servizio i valori anomali e costruendo il centro.

In generale, la maggior parte degli impianti di produzione americani più piccoli non ha affatto una "sala compressori". Le apparecchiature ad aria compressa (compressori, essiccatori, serbatoi) sono bloccate ovunque ci sia spazio, spesso non nello stesso posto l'una dell'altra. Chiamo queste "aree del compressore". Gli impianti più grandi e ben progettati hanno (o avevano) una sala compressori centralizzata progettata abbastanza grande - e dotata di adeguata capacità di alimentazione e raffreddamento elettrico - per il più grande potenziale sistema di aria compressa che potrebbe essere necessario. Quanto spesso succede? Non spesso. Perfino i sistemi "centralizzati" finiscono per essere nei "bassifondi" dell'impianto, la parte vecchia dove non si verificano investimenti, e le nuove attrezzature e le aggiunte escono alla periferia, e viene aggiunto un altro compressore. Tutti i nuovi edifici di produzione non hanno bisogno di un compressore? I progettisti di edifici la pensano così ...

Come puoi vedere dai miei commenti, in base all'esperienza in centinaia di impianti, il numero di impianti con sale compressori centralizzate che rimarranno in questo modo non sono nella maggioranza. Come ingegnere di struttura, progettista di sistema o fornitore, dovresti spostare la gestione in quella direzione, se non in un colpo solo, gradualmente. Prendi in considerazione la distribuzione delle tubazioni, lo stoccaggio e altri fattori in quella decisione.

Ad ogni modo, se si dispone di un circuito di tubazioni abbastanza grande e di una sala compressori singola per almeno il 50% rispetto all'attuale richiesta di picco, probabilmente si è d'accordo sul presupposto che la posizione della sala compressori sia stabile per la vita dell'impianto. Ora puoi posizionare un compressore VFD in quella stanza, fornire un adeguato raffreddamento e ventilazione, con il suo standby proprio accanto ad esso e un essiccatore / i per entrambi. Idealmente con i controlli della domanda. OK, mi sto di nuovo occupando della progettazione del sistema, mi scuso.

Ecco la mia regola sulla centralizzazione:   Se la sala compressori è nuova o può essere modificata per essere centralizzata in modo permanente, un singolo compressore VFD potrebbe essere adatto.

È possibile offrire un backup completo

Se spendi tutti i tuoi fondi su un compressore d'aria e non riesci a ottenere un backup, riduci in modo significativo l'affidabilità del tuo impianto. Sei più affidabile con due compressori funzionanti di 20 anni che con uno nuovo di zecca. I compressori VFD possono essere difficili mentre attraversano la "mortalità infantile" e, se non si dispone di backup, è possibile che la pianta si spenga a causa di energia sporca, vibrazioni, aria di raffreddamento ad alta temperatura e un sacco di altre cose che i vecchi compressori erano soliti tollerare. Quindi, se ottieni una nuova Tesla, assicurati di avere quel vecchio Lincoln Towncar pronto per partire, o vai a prenderne uno e mettilo in hot standby.

Ecco la mia regola sul backup:   Avere un backup completo per un singolo sistema di compressore VFD.

Conclusione

Se installi il tuo singolo compressore VFD secondo queste regole, avrai buone probabilità di raggiungere i tuoi obiettivi, assicurati solo di averli.

1. Resta nel range di velocità del 30-80%.

2. Stare lontano dai sistemi a pressione singola a turno singolo.

3. Applicare a sistemi stabili.

4. Applicare ai sistemi centralizzati.

5. Avere un backup completo.