Въздействие на налягането на въздушната система Компресорната мощност - Част 2: Влиянието на налягането на системата върху центробежните компресори

Това е втората статия от поредица от три части сгъстен въздух от Марк Криса, директор - Global Services Solutions, Ingersoll Rand

Обичайно е да се види, че специалистите по оценка на енергията третират центробежни компресори като компресори с положително изместване, когато се опитват да намалят консумацията на енергия в системата за сгъстен въздух. За съжаление центробежните компресори обикновено са много по-големи и грешките в изчисленията лесно могат да представляват стотици хиляди долари при надценени икономии на енергия. Тези грешки не са злонамерени; те са резултат от свръхпростени най-добри практики, поддържани от хора с ограничени познания за центробежен компресор. Този тип знания не са лесно достъпни и повечето специалисти по оценка на енергията нямат достъп до инженерни екипи, отговорни за техническото развитие и проектирането на центробежните компресори. От гледна точка на устройството, центробежните компресори са малка част от пазара на компресори, така че технически знаещите ресурси са ограничени.

Идентифициране на ресурси за технически компресор

Важно е да се признае, че хората, продаващи сгъстен въздух, представляват един от най-големите източници на техническа информация, свързана със системите и компонентите на сгъстен въздух. Въпреки че някои търговци са технически компетентни инженери, не е необичайно да намерите думата „инженер“, използвана като прилагателно в заглавието на длъжността. Независимо дали инженерът е заглавие по образование или работа, това не гарантира технически точна информация. По подобен начин опитът е термин, често използван за внушаване на големи знания, свързани с години практика. Опитът може да има стойност за функции с прости причини и последици или повтарящи се задачи, при които мускулната памет може да повиши работата. Въпреки това, в индустрията, където резултатите рядко се измерват с помощта на точна апаратура в контролирана среда, много технически митове се разпадат и с години на повтаряне се приемат като научно доказани факти. Например, част първа от тази статия, която беше отпечатана миналия месец, обясни как се злоупотребява предположението за мощност от 2 процента до 2 psi и защо не е правилно.

Работата в Ingersoll Rand, един от най-големите световни производители и иноватори на продукти за сгъстен въздух, улеснява възможностите за много технически дискусии с талантливи инженери, които проектират компресори за прехраната. Участието в много технически екипи, свързани със сгъстен въздух, с ISO, CAGI и CSA също дава възможност за обсъждане на високо ниво с инженери от други производители на компресори . Интересното е, че когато обсъждаме темата за налягането и мощността на компресорите, почти всеки инженер регенерира същата мощност от 1% до 2 psi. След обсъждане на системни атрибути и термодинамика, всички са съгласни, че изявлението 2: 1 е неточно, но мнозина приемат, че това е факт, и го свързват с това как работи компресорът спрямо налягането в мрежовите тръбопроводи. Като млади инженери, нови за индустрията, изявлението 2: 1 беше технически знания, споделени от старши инженери. Грешка опит и възраст за научен факт, много невинни предположения останаха безспорни.

В интерес на затварянето изглежда, че теорията е възникнала в началото на 1900 г. като разумна оценка, базирана на сложно уравнение, използвано за изчисляване на спирачните конски сили за големи възвратно-постъпателни компресори спрямо налягането вътре в цилиндъра. Това не е приложимо, като се имат предвид всички компоненти и технологични промени, които изграждат съвременните компресори. Теорията 2: 1 е точно като слух, който итеративно се преобразува в различна история с тълкуването на всеки човек и последващото споделяне. Това се случва, когато сложното техническо съдържание е опростено и обобщено, преди да се стигне до хората, продаващи на място, и други лица, разпространяващи знанията за компресорите на пазара.

Работни характеристики на центробежните компресори

За разлика от компресорите с положително преместване, при които налягането е функция от механични сили (сила), действащи върху повърхност, която физически намалява затворен обем, центробежните компресори не могат да увеличат своите възможности за налягане чрез увеличаване на мощността. Центробежен компресор, известен още като динамичен компресор, генерира налягане по различен начин. Дадена маса въздух се ускорява чрез работно колело и придава кинетична енергия. Въздухът преминава през дифузор, намалява скоростта и преобразува част от кинетичната енергия в топлинна и потенциална енергия. Това се проявява под формата на повишено въздушно налягане и температура. В зависимост от изискванията за налягане на компресора, въздухът преминава през същия процес през следващите етапи и се придвижва към проектните изисквания за налягане. За да се подобри ефективността, някои или всички етапи охлаждат въздуха преди да премине на следващия етап. За целите на дискусията, оперативното обяснение е опростено в опит да остане в обхвата. Възможностите за налягане на центробежен компресор са продиктувани от аеродинамичния дизайн на вътрешните компоненти, условията на околната среда, скоростта на въртене и охлаждането на въздуха между етапите.

Връзките между дебит, налягане и мощност за центробежен компресор обикновено се изразяват с помощта на крива на ефективност, базирана на зададени условия на околната среда, охлаждаща вода и приложени вътрешни компоненти. В резултат на това производителността - и най-вече - възможностите за налягане се променят, тъй като условията на околната среда се променят през цялата година. Използва се работна крива, която се състои от припокриващи се данни от три групи условия на околната среда, за да се илюстрира този ефект на фиг.

Фигура 1 - Криви на центробежен компресор

Кривата на производителност е съставена от две части: кривата налягане-дебит и кривата мощност-дебит. Кривата на налягането на потока има налягане върху вертикалната ос и поток по хоризонталната ос. Кривата на мощностния поток има мощност по вертикалната ос и поток по хоризонталната ос. Стойностите на дебита за всяка хоризонтална ос се подравняват, така че всяка крива на налягане-дебит има съвпадаща крива на мощност-дебит. Забележете как естествената крива се движи нагоре и надясно, когато температурата на околната среда се понижава. Разглеждайки червените криви за мощност и налягане по отношение на потока, движейки се отляво надясно, вертикална линия, пресичаща двете криви, илюстрира проектното налягане и мощност за този специфичен поток и околни условия. Придвижвайки се отляво надясно, забележете как мощността първоначално се увеличава, когато налягането намалява и след това намалява, когато човек се движи по-надясно. Това илюстрира как силата не е пряко пропорционална на промяна в налягането. Тази връзка се основава на аеродинамичния дизайн на вътрешните компоненти. Някои компресори, които използват колело с радиален дизайн, имат максимална ефективност в горната част на кривата, точно преди естествения удар. Обратно наклонената конструкция може да увеличи ефективността, тъй като налягането намалява или може да постигне максимална ефективност в някакъв момент на кривата и след това да намалее при по-ниско налягане.

Позовавайки се на червената крива на дебита на налягането, имайте предвид, че с намаляването на налягането дебитът на компресора се увеличава. Центробежният компресор работи по отношение на естествената крива, когато входният възел е отворен 100 процента, или достатъчно, че отварянето на монтажа повече не оказва влияние върху налягането на входящото гърло. Компресор, работещ в максимално състояние, понякога се нарича работа при пълно натоварване - или върху активната част на кривата, където дебитът се променя по отношение на налягането. Потокът се увеличава с намаляването на налягането, но забележете как наклонът на кривата се променя с намаляването на налягането. В крайна сметка кривата става асимптотична - право нагоре и надолу - когато компресорът се премести в област, известна като дросел или каменна стена.

В този момент падащото налягане има много малко, за да няма промяна на потока или мощността. Мощността не намалява, когато компресорът работи при дросела или под него. Когато компресорът е в задух, скоростта в някои точки на компресора достига звуков праг. Впоследствие компресорът запазва вътрешното налягане при минимална стойност, независимо от налягането на изпускане, външно за компресора. По същество вътрешното налягане намалява по отношение на външното налягане, докато достигне минимално вътрешно налягане. Под тази минимална стойност налягането намалява само в системата, докато вътрешното налягане остава при минималната стойност, ограничена от границата на звуковата скорост.

Горното налягане е ограничено от способността на компресора да преобразува кинетична енергия в налягане. При някакъв енергиен баланс генерираното налягане е по-малко от вътрешното налягане, което причинява нестабилност, понякога наричана обръщане на потока или скок. Работата на компресора е нестабилна при или близо до налягането на пренапрежение. Възможността за налягане или естественото налягане може да се увеличи само ако се увеличи плътността на входящия въздух. Същото явление се случва при условие на минимален стабилен дебит, наречен приток на газта. Ако търсенето на въздух е по-малко от предлаганото за необходимо налягане, входящият комплект модулира, намалявайки налягането и потока на входящото гърло. Това обикновено се нарича компресор, работещ в модулация, на дросела или при постоянно налягане.

Влиянието на налягането върху центробежната мощност на компресора

Разглеждайки производителността в активната част на кривата, Фиг. 2 илюстрира подробните промени в дебита и мощността спрямо налягането на разряда.

Фигура 2 - Данни за производителност на центробежен компресор

Данните от фиг. 2 се основават на тестваните характеристики на специфичен центробежен компресор. Гледайки ефективността на компресора при 121 psig и 111 psig, намаляването на налягането от 121 до 111 psig намалява мощността само с 5 конски сили. Това представлява по-малко от 0,35 процента намаление на мощността на вала. Правилото от .5 процента на psig (описано в част 1: Въздействие на налягането на въздушната система Компресорната мощност, което се включи в юлския брой на най-добрите практики за сгъстен въздух) не се прилага. Щеше да прогнозира 5-процентово намаление на мощността с прогнозни спестявания от 50 000 долара годишно, за разлика от реализираните 3000 долара. В този пример прогнозите за спестявания могат да бъдат преувеличени до 16 пъти повече от действителната стойност.

Тъй като компресорът в този пример работи в активния диапазон на кривата, дебитът се увеличава ~ 100 scfm. Ако приемем, че търсенето остава същото и мощността на компресора се променя пряко пропорционално на промяната в дебита, мощността на вала на компресора се намалява с общо 27 конски сили или 1,8 процента. Това е по-малко от 36 процента от спестяванията, изчислени с помощта на .5 процента за psig правило, което осигурява 18 000 долара спестявания, вместо 50 000 долара при неправилно приложено изчисление. Ако компресорът нормално работи в модулирано състояние, използвайки правилно приложени входни направляващи лопатки, мощността на вала се намалява с 1,7 процента.

Важно е да се отбележи, че за разлика от ротационните винтови компресори, номерата на моделите на центробежни компресори не представляват непременно работата на компресора. Няколко различни комбинации от работно колело / дифузор могат да бъдат използвани за даден външен леене, дизайн и мотор. Комбинацията от работните колела и дифузорите обикновено се нарича "аеро" на компресора. За даден номер на модела на компресора могат да се използват няколко различни пакета aero и всеки има своя уникална способност за изпълнение. Човек не може да използва обща крива - или дори крива от същия модел на компресор - освен ако производителят не потвърди, че компресорите са произведени с едно и също аеро.

Също толкова важно е да се гарантира, че данните се коригират за условията на обекта или за редица условия, ако околната среда се промени по отношение на времето. Позовавайки се на фиг. 1, трите криви (отляво надясно) представляват данни от атмосферни условия при 95 ° F, 70 ° F и 30 ° F. Въз основа на това как кривата на производителност се измества спрямо температурата, не е рядкост да се намерят компресори, които работят в задушаване в продължение на няколко месеца в годината. Това е важно, тъй като всяка оценка за икономия на енергия, свързана с налягането, трябва да отчита времето, температурата и местоположението на кривата. Без тези данни всеки опит за оценка на спестяванията, свързани с натиска, може да бъде подвеждащ. В някои случаи мощността може да се увеличи с намаляване на налягането.

Спестяване на енергия за центробежни компресори

Възможностите за максимално налягане на конкретен компресор се основават на пакета aero, околната среда и механичното състояние. Максималното работно налягане е ограничено от компресора, който се повдига в горната част на кривата. Тази точка се нарича естествено напрежение на напрежението. Позовавайки се на фиг. 1, розовата хоризонтална линия представлява линията с постоянно налягане. Когато потреблението е по-малко от максималния поток от компресора, входящият дросел намалява дебита. При входящите направляващи лопатки ефективността остава сравнително постоянна, докато компресорът се дросели. Дроселната мощност е показана на долната крива на мощност и дебит като диагонална линия. Минималният поток на дросела за центробежен компресор е ограничен въз основа на дизайна. След розовата хоризонтална линия от фиг. 1 вляво, минималният стабилен поток се диктува от точката, в която линията на постоянно налягане се пресича от напречната линия на дросела. Ако компресорът се опита да ограничи дебита на по-малко от тази точка на пресичане, компресорът пренапрежава. По очевидни причини това се нарича натиск на дросела. Линията на пренапрежение на дросела може да се види на фиг. 1 като синя диагонална линия на диаграмата на потока на налягането.

Ако търсенето на въздух е по-малко от това минимално ограничение, излишъкът на въздух се изхвърля в атмосферата, за да компенсира разликата между минималните изисквания за стабилен дебит и потребление. За съжаление, след като компресорът спре да дросе, мощността не се променя. Следователно целият въздух, който се изхвърля в атмосферата, се губи. За компресор, който работи често с въздух, заобиколен в атмосферата, понижаването на налягането намалява потока там, където се появява пренапрежение на дросела. След коригиране на настройките за управление, компресор, който работи с минимален дебит, все още намалява мощността, като увеличава възможностите на дросела спрямо намаления поток на дросела. Това е само в случай, че компресорът заобикаля въздуха в атмосферата и контролите позволяват на компресора да модулира входа, което увеличава възможностите на дросела и намалява мощността. За пореден път са необходими коригирани от сайта криви на ефективността, за да се оцени потенциалната икономия.

Възможността за работа на компресор в близост до пренапрежение на дросела е ограничена от сложността на използваните алгоритми за управление, използваната променлива на дросела и начина на настройване на PID контурите на компресора спрямо динамиката на системата. Фиг. 1 илюстрира намаляването на мощността, свързано с регулирането на границата на дросела на компресора от консервативна настройка към по-ефективна настройка чрез настройка на PID контура на компресора, така че скоростите на реакция на компресора да съответстват на скоростта на промяна на търсенето. Промяната в мощността, свързана с настройките в системните контроли, може да се види, като се разгледат двете вертикални пунктирани, лилави и кафяви линии от линията за постоянно налягане към затворения електропровод на фиг. 1. За този компресор мощността е намалена 160 к.с. без капиталова инвестиция. Компресорът все още заобикаля въздуха в атмосферата, но количеството е намалено 980 scfm, свързано с модулирането на компресора по-близо до стойността на пренапрежението на дросела. Важно е да се отбележи, че нормата за контрол на пренапрежението на дросела е нормално зададена висока причина. Подходящ анализ на първопричината е необходим за определяне на проблемите, които влияят на повишените настройки. Като организация, извършила одит на стотици центробежни компресорни системи, използвайки напреднали технически детайли и анализи, Ingersoll Rand осъзнава, че коригиращите действия могат да варират значително в различните системи. В някои ситуации може да се реализират шест фигурни спестявания чрез коригиране на сложен проблем с инвестиция от 100 долара. Обратно, спестяванията могат да изискват сложни и скъпи корекции, които не са оправдани.

Центробежна оценка на работата на компресора

Важно е да се отбележи, че работата на центробежен компресор може да се промени драстично с течение на времето поради механично разграждане на вътрешните компоненти. Въпреки че основните проблеми с въртящите се възли могат да бъдат идентифицирани чрез повишени показания на вибрациите, ерозията на работните колела и дифузорите може значително да намали възможностите за налягане, надеждността и ефективността на центробежен компресор с незначително въздействие върху вибрациите. Поради тази причина трябва да се прави оценка на ефективността на всеки центробежен компресор редовно и като част от всеки проект за енергоспестяване. Всяка оценка на системата за сгъстен въздух, която не включва подробно изпитване и анализ на работата на компресора, ще има недостатъчни или съмнителни данни и може да е индикация за компетентността на центробежния компресор на одитора.

Важно е също да се отбележи, че предишните ремонти на центробежен компресор може да са променили значително производителността. Някои доставчици на следпродажбени услуги заменят вътрешни аерокомпоненти, които не съответстват на първоначалния дизайн. В някои случаи, вместо подмяна на компоненти, разходите могат да бъдат спестени чрез смилане на лопатките на работното колело и повторно балансиране на монтажите. Това адресира проблемите с вибрациите, но може драстично да промени производителността.

Като се позовава на кривата на фиг. 1, този компресор е способен да подава 135 psig при 95 ° F. Ако този компресор се продава като 90 psig единица, много доставчици на центробежни услуги тестват естественото налягане на пренапрежение и го считат за тест за ефективност. Работейки с много аероинженери на компресори по разработването и проверката на анализа на работата на центробежните компресори и процедурите на неинструктивни тестове на място, е безопасно да се каже, че има значително повече за оценка на работата на компресора, отколкото тестване на налягането и вибрациите. Общите предположения за обслужване на центробежни компресори считат, че естественото налягане от пренапрежение, по-голямо от 10-15 процента над проектното налягане, е нормално, независимо от температурата. Следователно изпитването на пренапрежение на компресора на фиг. 1 и постигането на естествено налягане от пренапрежение над 103 psig се счита за положителна проверка на работата от много организации. Това не е направено със злонамерено намерение, тя се връзва към началото на тази статия и въпросите, свързани с опита и възприеманите знания. Точно както дезинформираният инженер би могъл невинно да оцени спестяванията от 100 000 долара, когато няма такива, много полеви техници биха изпълнили това, за което им се казва, че е тест за ефективност, неволно пренебрегващ да идентифицира влошени характеристики и надеждност на компресора.

--- HTTP: //www.hqcompressor.com