压缩空气

在多个压缩机安装中实现负载共享

智能负荷分担系统控制的步骤

由Christopher Nacrelli 2021年9月20日
图1:带有喘振线和调压的典型离心性能曲线。Courtesy: Atlas Copco Compressors

如果你是一名负责降低能源成本和减少工厂碳足迹的工厂设备经理,压缩空气系统可能为解决这两项任务提供了最大的机会。你们的压缩空气系统是否部分或全部由离心式空气压缩机组成?

然后,实现负荷共享控制系统可以大大减少能源使用和碳足迹。为了使负荷分担控制系统的潜在投资回报率(ROI)最大化,必须同时解决压缩空气系统的供给侧和需求侧。你要从空气系统审计开始。项目经理应编制一份审计目标和期望清单,与专门从事压缩空气系统的独立审计师分享。

有许多公司为整个设施提供能源审计。虽然这些公司可能在系统的供应方面做了可以接受的工作,但压缩空气审计专家通常会提供更深入的需求方面的分析,也可能了解供应方面控制的最新进展。这些额外的见解很重要,因为控制是计划中性能和节能方面最关键的部分。

本文概述并解释了实现适用于有多个离心式压缩机的设施的智能负荷分担系统控制器的必要步骤。

推荐的指南

1.设定压缩空气系统审核的目标和期望。

a.收集数据,并以Excel格式提供最终报告,供内部审核。数据读数应至少每15秒收集一次,平均每一分钟收集一次。
b.对于较大的系统,特别是带有多个离心式压缩机的系统,建议在空气管道中使用插入式流量计,在压缩机上使用功率表。
c.要求直方图,显示流量和功率的时间百分比,至少有整整一周的数据。
d.关注设备的清理,包括干燥器和过滤器的压降。如果使用干燥剂干燥器,确认清洗压力按工厂建议设置。如果清洗压力不在工厂建议的范围内,请确认清洗压力。通过烘干机控制面板或安装在烘干机下游的便携式露点监测仪,确认达到了所需的操作压力露点。
e.供应侧的另一个重点是在系统中产生动态压降的气动设备,如快速作用的电磁阀。使用点压力变送器可以记录数据,显示这些生产组件对系统的影响。
f.识别通过安装储罐来提高系统性能的机会,无论储罐是在压缩机室还是在需求方的设施中。
在整个设施范围内进行泄漏测试,显示泄漏的位置和体积。根据维修成本和潜在的节省来估计投资回报率。
识别压缩空气被误用的应用场合。例如,用全压压缩空气吹气是一种常见的错误。使用带有放大器的低压喷嘴和低压鼓风机是更有效的解决方案。

2.熟悉各种类型的压缩机控制。

a.从工厂当前运行的压缩机开始。
b.在许多情况下,审计报告建议可能包括一个或多个新的压缩机,所以花时间了解不同于您的经验的控制方法。
c.要求旋转螺杆压缩机的空载功率和离心式机组的排气点的数据。各种概念的控制曲线显示最佳情况下的功率与负载。

3.理解流缺口。这需要现有的或未来的压缩机控制知识,以及它们将如何影响机会,以减少或消除浪费的能量基于流量分布(直方图时间在流动)。

4.评估多个离心装置或混合离心装置和旋转螺杆压缩机系统的负载共享设计。

a.压力冲击策略-个别离心式压缩机设定值受到冲击,以保持它们在调节范围内运行。碰撞间隔通常低于1 psig,通常在0.25到0.50 psig范围内。这种控制设计使所有的单位在任何压缩机开始放气之前都在下降运行。
b.进口导叶(IGV)和排污阀(BOV)控制-一个本地压缩机控制器操作这两个阀门,使压缩机保持在调节范围内,在任何机组进入排污之前再次调节所有机组。一些提供这种设计的公司要求他们的压缩机控制器安装在机组上。其他供应商可能提供一个单独的,壁挂式接口箱,集成所有压缩机操作在一起。
c.负载塑造-大量的储存,在许多情况下,在一个或多个储罐中增压,提供比工厂操作压力高得多的压力。设计方案包括小马力助推器和流量控制阀,以降低高压罐的压力。通常有一个微调压缩机(或压缩机)。控制逻辑是撞击离心式工作压力,使其在必要时工作在调节范围内。

5.总管的尺寸要合适,以减小压力降。

6.审核完成后,考虑安装永久性流量和功率监测设备。

7.计划未来。在可预见的未来,系统需求是否会增加或减少?

离心控制技术

离心式压缩机利用动态压缩,将动能转换为压力能。环境条件,以及冷却水温度,冲击流量和功率性能。如果最终审计报告建议包含性能曲线,始终要求这些曲线反映标准立方英尺/分钟(scfm)的性能,即14.7 psia、60°F和干燥空气(0% RH)。这在寻找控制差距时很重要。

消除排气是最大限度地提高离心压缩机系统性能的关键。通常这是降低电力成本的最佳机会。

图1描述了标准性能曲线,包括压力线、喘振线、要求流量、最大流量、进口导叶(IGV)位置和调压。压力线是运行压力,所要求的流量是预期所需流量,最大流量是压缩机在运行压力下的输出峰值,喘振线是机组在运行压力下的自然喘振。自然喘振-曲线上喘振线穿过压力线的点-是要避免的,因为这是流量逆转的点,可能会损坏压缩机。彩色曲线以角度表示IGV位置,90°全开,45°半开,0°全开。最小流量是自然喘振线与压力线的交叉点,在这种情况下,2500 scfm @ 120 psig。

图1:带有喘振线和调压的典型离心性能曲线。Courtesy: Atlas Copco Compressors

图1:带有喘振线和调压的典型离心性能曲线。Courtesy: Atlas Copco Compressors

在调试期间,将设置一条控制线,以保护压缩机免受自然喘振。当压力上升(流量下降)时,IGV将节流关闭。当压缩机达到最大转速时,为了防止压缩机喘振,排污阀开始开启。

在图2中,红色虚线(控制线,就在自然喘振线的下方)穿过压力线的点说明了新的、现场调整的吹气点。通常将控制线设置在自然浪涌线以下5-8%。现场的流量下降百分比和泄油流点将小于标准性能曲线上显示的流量。工作现场吹气点现在大约是2,650-scfm @ 120-psig。

图2:显示控制线和调节流量的离心性能曲线(红色虚线)。Courtesy: Atlas Copco Compressors

图2:显示控制线和调节流量的离心性能曲线(红色虚线)。Courtesy: Atlas Copco Compressors

容积式控制

润滑旋转螺杆空压机提供四种类型的控制:进口调制,几何形状(也称为可变位移),负载/空载和VFD(变频驱动,又名变速驱动器或VSD)。无油旋转螺杆压缩机提供负载/空载或VFD (VSD)。请注意,VSD曲线是基于利用变频驱动电机(以VFD驱动代替感应电机)。

图3显示了理想条件下负载百分比(水平轴)与功率百分比(垂直轴)的各种控制。

图3:压缩机控制曲线显示几何形状,负载/空载,调制和VSD。Courtesy: Atlas Copco Compressors

图3:压缩机控制曲线显示几何形状,负载/空载,调制和VSD。Courtesy: Atlas Copco Compressors

每一个空气系统都有独特的性能特点,因此上面显示的曲线数据可能不能反映实际的,真实的世界控制性能。系统设计特性影响压缩机性能。储罐容积、集箱容积、操作压力带、压缩机数量和突然降低系统压力的流量事件等因素都会影响系统效率。VSD曲线显示了百分比负载和百分比功率之间的线性关系,这是基于机组在负载低于压缩机最大转降/最小额定流量时关闭和保持待机状态。

控制差距

控制间隙几乎存在于所有压缩空气系统中。控制间隙是一个流量窗口,当需求过低时,压气机无法在没有吹气的情况下运行,但当需求过高时,压气机无法卸载和关闭。消除系统中的控制差距可能是困难的。了解它们存在的位置和原因是很重要的。了解控制差距将使工厂人员能够选择可消除差距的更换设备和系统改进。

与旋转螺杆系统相比,离心压缩机的控制间隙有时更难消除,特别是当所有压缩机额定流量相似时。利用不同容量和操作压力的压缩机可以减少或消除间隙。

充分了解工厂的流量和压力分布是解锁解决方案的关键。图4显示了带有三个离心式压缩机的系统中的流动间隙。其中一个装置采用IGV的进气阀,另外两个是使用蝶式进气阀的旧装置。在进口采用IGV的离心式压缩机的调节范围比蝶式进口的机组要宽得多。A和B显示了3号涡轮将在吹气处运行的流量间隙,以及储存一分钟的流量间隙cfm所需的储罐容积。涡轮压缩机的压力带宽通常是低的,因此存储容量需要覆盖一个流动间隙,只有一分钟,通常是大的,如图所示。

图4:压缩机控制间隙与3离心式压缩机。Courtesy: Atlas Copco Compressors

图4:压缩机控制间隙与3离心式压缩机。Courtesy: Atlas Copco Compressors

图5是一个直方图,说明了系统需求在不同流量窗口中的时间百分比。当系统压缩机和本地控制器无法有效满足系统需求时,柱状图有助于识别流动间隙。这可能会浪费大量的能量。通过对流量剖面的全面分析,可以正确地确定新的或更换压缩机的尺寸。图5显示了300 cfm窗口的最小到最大流量。

图5:显示不同流量范围内时间百分比的直方图Courtesy: Atlas Copco Compressors

图5:显示不同流量范围内时间百分比的直方图Courtesy: Atlas Copco Compressors

图5说明了图4中列出的设备在吹气(红色条)的频率。在流隙A中,2号涡轮有12.8%的时间被吹出。在流隙B中,#3涡轮吹气的时间占30.3%。这个系统,按照目前的配置,是吹气和浪费43.1%的时间的能源。

图6显示了在同一个系统中两个离心压缩机和一个负载/空载旋转螺杆的控制范围。图表没有显示出流动缺口,但这可能有点误导人。螺杆压缩机可以有较高的循环周期,也可以在空载状态下运行。图5中的直方图将有助于确定定速螺丝是否是系统的正确选择。

图6:两个离心压缩机和一个负载/空载螺杆的压缩机控制间隙。Courtesy: Atlas Copco Compressors

图6:两个离心压缩机和一个负载/空载螺杆的压缩机控制间隙。Courtesy: Atlas Copco Compressors

图7显示了在同一个系统中使用两个离心压缩机和一个VSD螺杆的控制范围。图表没有显示流动缺口,但这也可能会误导人。如果阀内件需求低于最小流量(速度),VSD螺杆压缩机可以在启动/停止时运行。压缩机控制设计会影响压缩机在最小流量范围附近的性能。一些VSD螺钉在负载/空载低于最小流量的情况下工作,因此提供了更大的能力范围,从而提高了效率。同样,使用显示流动时间的直方图将有助于确定哪种类型的VSD螺杆是系统的正确选择。

图7:压缩机控制间隙与两个离心压缩机和一个VSD螺杆。Courtesy: Atlas Copco Compressors

图7:压缩机控制间隙与两个离心压缩机和一个VSD螺杆。Courtesy: Atlas Copco Compressors

系统流量分布对选择正确的设备以减少甚至消除控制间隙有重要影响。

副标题存储

在压缩空气系统中,储罐通常是最经济的性能投资。标题的大小和长度相对于体积(以加仑计)可能是误导。例如,500英尺的8英寸标题可能听起来是一个很大的存储空间,但它只有1,305加仑的体积。每一个空气系统都是独一无二的,所以这里没有一贯适用的经验法则。图8显示了不同管道尺寸1000 '时的当量加仑储油量。从价值的角度来看,储罐提供了一个更好的性能价值的改进,相比设计一个系统,只依靠头容量存储。

图8:每1,000 '管道的集管容量(加仑)。Courtesy: Atlas Copco Compressors

图8:每1,000 '管道的集管容量(加仑)。Courtesy: Atlas Copco Compressors

最后的话

采用负荷分担控制系统可以大大提高多压缩机系统的运行效率和可靠性。具有数据记录功能的永久性计量设备将有助于在工厂条件变化时评估系统性能。设置一个效率指标将允许调查效率的负面变化。有了经验,运营商将能够针对供应侧或需求侧低效的问题。

已实现的投资回报掌握在项目经理或项目团队手中。制定一个行动清单,加上执行要求的清单,将允许设定现实的期望。一个深思熟虑的计划将消除猜测,并给经理所需的数据,使设施的最佳投资。


克里斯托弗Nacrelli
作者简介:Christopher Nacrelli是Atlas Copco压缩机公司的业务开发经理