Implementujte koncepci sdílené zátěže v rámci instalace sestávající z více kompresorů

Obrázek 1: Typická výkonová křivka odstředivého čerpadla s čárou náběhu a poklesem otáček. Všechny obrázky byly publikovány se svolením společnosti Atlas Copco Compressors Obrázek 1: Typická výkonová křivka odstředivého čerpadla s čárou náběhu a poklesem otáček. Všechny obrázky byly publikovány se svolením společnosti Atlas Copco Compressors

Jaké jsou kroky vedoucí k zavedení inteligentního systému řízení sdílené zátěže?

Pokud jste manažer podniku, jehož úkolem je neustále snižovat náklady na energii a minimalizovat uhlíkovou stopu podniku, pak možná víte, že systém stlačeného vzduchu pravděpodobně nabízí největší příležitost k řešení obou úkolů. Skládá se váš systém stlačeného vzduchu částečně nebo zcela z odstředivých vzduchových kompresorů? Tak v tomto případě může zavedení systému řízení sdílené zátěže podstatně redukovat spotřebu energie a uhlíkovou stopu vašeho podniku.

Pro dosažení maximální možné návratnosti investic (ROI) do systému řízení sdílené zátěže je důležité řešit jak stranu nabídky, tak stranu poptávky po stlačeném vzduchu. Začněte tím, že si necháte provést audit systému stlačeného vzduchu. Projektový manažer by měl sestavit seznam cílů a očekávání auditu, což následně sdělí nezávislému auditorovi, jenž se specializuje na systémy stlačeného vzduchu. Existuje mnoho firem, které nabízejí energetické audity celého zařízení. Zatímco tyto firmy mohou odvést přijatelnou práci na straně nabídky (přívodu) systému, specialista na audit systému stlačeného vzduchu obvykle poskytuje hlubší analýzu na straně poptávky (odběru) a pravděpodobně také ví o nejnovějším pokroku v oblasti řízení na straně nabídky. Tyto další poznatky jsou důležité, protože řídicí prvky systému představují nejkritičtější část plánu z hlediska výkonu a úspor energie.

Tento článek popisuje a vysvětluje kroky nezbytné k zavedení inteligentní řídicí jednotky, aby mohla být implementována koncepce sdílené zátěže, kterou lze použít v rámci provozovny s větším počtem odstředivých kompresorů.

Doporučené pokyny

  1. Stanovte cíle a očekávání auditu zaměřeného na systém stlačeného vzduchu.
    a. Shromážděte data a poskytněte je ve formátu Excel spolu se závěrečnou zprávou k internímu přezkoumání. Údaje by měly být shromažďovány nejméně každých 15 sekund a zprůměrovány do minutových intervalů.
    b. U větších systémů, zejména s více odstředivými kompresory, se doporučuje používat zásuvné průtokoměry ve vzduchovém potrubí a měřiče výkonu na kompresoru.
    c. Vyžádejte si histogramy zobrazující procento času při průtoku a výkonu s údaji za nejméně jeden celý týden.
    d. Zaměřte se na vyčištění zařízení, včetně tlakových ztrát na sušičkách a filtrech. Pokud se používají adsorpční sušičky, ověřte, zda je tlak proplachu nastaven podle doporučení výrobce. Pokud není tlak proplachu nastaven dle doporučení výrobce, zjistěte aktuálně nastavený tlak proplachu. Zkontrolujte, zda je dosaženo požadovaného provozního tlaku rosného bodu, a to buď z ovládacího panelu sušičky, nebo pomocí přenosného monitoru rosného bodu instalovaného bezprostředně za sušičkou.
    e. Mezi další zařízení na straně přívodu, jimž je zapotřebí věnovat pozornost, patří různá pneumatická zařízení, která vytvářejí dynamický pokles tlaku v systému, například rychle působící elektromagnetické ventily. Převodníky tlaku v místě použití mohou zaznamenávat data ukazující dopady těchto výrobních komponent na systém.
    f. Identifikujte příležitosti ke zvýšení výkonu systému tím, že nainstalujete dodatečné akumulační zásobníky, ať už v kompresorovně, nebo v místě spotřeby.
    g. Provádějte kontrolu netěsností a úniků v celém zařízení a prokažte jejich lokalizaci a objem. Odhadněte návratnost investic na základě nákladů na opravy v porovnání s potenciálními úsporami.
    h. Identifikujte aplikace, při nichž je stlačený vzduch nesprávně používán. Například foukání stlačeným vzduchem pod plným tlakem představuje běžný způsob nesprávného používání. Efektivnějším řešením je použití nízkotlakých trysek vybavených zesilovači a nízkotlakých ofukovacích zařízení.
  2.  Seznamte se s různými typy ovládacích prvků kompresoru.
    a. Začněte s kompresory, které jsou v současné době v provozu v podniku.
    b. V mnoha případech mohou doporučení auditní zprávy zahrnovat instalaci nového kompresoru nebo kompresorů, proto věnujte čas pochopení metod řízení, které se liší od těch, s nimiž máte zkušenosti.
    c. Vyžádejte si údaje o výkonu bez zatížení u rotačních šroubových kompresorů a o místech odfuku u odstředivých jednotek. Regulační křivky pro různé koncepce ukazují nejlepší hodnoty výkonu v závislosti na zatížení.
  3. Porozumějte tomu, co znamenají a představují ztráty průtoku. To vyžaduje znalost stávajícího nebo budoucího systému řízení kompresorů a toho, jak ovlivní možnosti snížení nebo odstranění plýtvání energií na základě profilu průtoku (histogram času při průtoku).
  4. Vyhodnoťte možnosti návrhů řešení se sdílenou zátěží v rámci instalace skládající se z několika odstředivých kompresorů nebo systémů, které tvoří kombinaci odstředivých a rotačních šroubových kompresorů.
    a. Strategie stupňování tlaku – nastavené body jednotlivých odstředivých kompresorů se stupňují, aby se udržel jejich provoz v rozsahu snížení tlaku. Intervaly mezi jednotlivými nárůsty jsou obvykle nižší než 1 psig, obvykle v rozmezí 0,25 až 0,50 psig. Tato koncepce regulace udržuje všechny jednotky v provozu v režimu snižování otáček, dříve než některý z kompresorů začne odfukovat.
    b. Řízení ventilu pro natáčení vstupních naváděcích lopatek kompresoru (IGV) a odfukovacího ventilu (BOV) – místní řídicí jednotka kompresoru ovládá oba ventily a udržuje kompresor v rozsahu snižování otáček, přičemž opět snižuje otáčky všech jednotek, dříve než některá jednotka začne odfukovat. Některé společnosti nabízející toto provedení vyžadují, aby byl jejich regulátor kompresoru instalován na jednotkách. Jiní dodavatelé mohou dodávat samostatnou, na stěnu montovanou skříňku rozhraní, jež integruje všechny operace kompresoru dohromady.
    c. Formování zátěže – velké objemy zásobníků a v mnoha případech zvýšení tlaku v jedné nebo více nádržích zajišťují výrazně vyšší tlak, než je provozní tlak v podniku. Konstrukční schéma zahrnuje zesilovače s malým výkonem a ventily pro regulaci průtoku, které snižují tlak z vysokotlakých nádrží. Obvykle je k dispozici vyrovnávací kompresor (nebo kompresory). Řídicí logika spočívá v tom, že odstředivé kompresory v případě potřeby zvyšují provozní tlaky tak, aby pracovaly v rozsahu snížení.
  5.  Správně dimenzujte sběrné potrubí, abyste minimalizovali tlakové ztráty.
  6. Po dokončení auditu zvažte instalaci trvalého zařízení pro monitorování průtoku a výkonu.
  1. Plánujte do budoucna. Očekává se v dohledné budoucnosti zvýšení nebo snížení odběru stlačeného vzduchu?

Technologie řízení odstředivých kompresorů

Odstředivé kompresory využívají dynamickou kompresi, při níž se kinetická energie mění na tlakovou. Průtok a výkon ovlivňují okolní podmínky a teplota chladicí vody. Pokud doporučení v závěrečné zprávě o auditu obsahují výkonové křivky, vždy požadujte, aby křivky odrážely výkon ve standardních kubických stopách za minutu (scfm), což představuje tlak 14,7 psi, teplotu 60 °F a suchý vzduch o relativní vlhkosti 0 %. Toto jsou důležité podmínky při vyhledávání nedostatků v oblasti řízení a regulace.

Eliminace odfuků je rozhodující pro maximalizaci výkonu odstředivého kompresorového systému. Často je to jediná a největší příležitost ke snížení nákladů na energii.

Na obrázku 1 je znázorněna standardní výkonová křivka s vyznačením průběhu tlaku, nárůstu, požadovaného průtoku, maximálního průtoku, polohy vstupní naváděcí lopatky (IGV) a poklesu otáček. Čára tlaku představuje provozní tlak, vyžádaný průtok je předpokládaný požadovaný průtok, maximální průtok znamená špičkový výkon kompresoru při provozním tlaku a čára nárůstu značí přirozený nárůst jednotky při provozním tlaku. Přirozenému nárůstu – bodu na křivce, kde čára nárůstu protíná čáru tlaku – je třeba se vyhnout, protože je to bod, kde dochází k obrácení průtoku, což může vést k poškození kompresoru. Zakřivené barevné čáry znázorňují polohy vstupní lopatky IGV podle úhlu nastavení, přičemž 90° indikuje zcela uzavřený přívod, 45° označuje polootevřený stav a 0° zcela otevřený. Minimální průtok je bod, kde čára přirozeného nárůstu protíná čáru tlaku, v tomto případě 2 500 scfm při 120 psig.

Během uvádění do provozu bude nastavena řídicí (regulační) čára pro ochranu kompresoru před přirozeným nárůstem tlaku. Vstupní vodicí lopatka IGV se při zvýšení tlaku (poklesu průtoku) uzavře škrcením. Jakmile kompresor dosáhne maximálního poklesu, začne se otevírat přepouštěcí (odfukovací) ventil, aby se zabránilo prudkému nárůstu tlaku v kompresoru.

PLE21109 MAG Atlas Copco Figure 2Obrázek 2: Výkonová křivka odstředivého kompresoru s čárou regulace a průtokem při vypnutí (červená přerušovaná čára)

Na obrázku 2 znázorňuje bod, kde červená přerušovaná čára (řídicí čára těsně pod čarou přirozeného nárůstu) protíná čáru tlaku, nový, na místě nastavený bod odfuku. Je běžné nastavit řídicí čáru 5–8 % pod čáru přirozeného nárůstu. Procento poklesu v místě instalace a bod odfuku budou nižší, než je uvedeno na standardní výkonnostní křivce. Bod odfuku na pracovišti je nyní přibližně 2 650 scfm při 120 psig.

Způsoby řízení rotačních objemových kompresorů

Olejové rotační šroubové kompresory nabízejí čtyři typy možnosti řízení: řízení vstupního tlaku, řízení s proměnným výtlakem, řízení při zatížení / bez zatížení a řízení prostřednictvím VFD (frekvenční měnič, známý také jako pohon s proměnnými otáčkami nebo VSD /dále v textu/). Bezmazné rotační šroubové kompresory nabízejí možnost řízení při zatížení / bez zatížení nebo řízení prostřednictvím frekvenčního měniče (VFD, VSD). Všimněte si, že křivka VSD je založena na využití motoru s proměnnou frekvencí (namísto indukčního motoru s pohonem VFD).

Obrázek 3 ukazuje různé způsoby řízení ve vztahu k procentuálnímu zatížení (vodorovná osa) a procentuálnímu výkonu (svislá osa) za ideálních podmínek.

PLE2109 MAG Atlas Copco Figure 3Obrázek 3: Regulační křivka kompresoru zobrazující geometrii, režim se zátěží / bez zátěže, modulaci a s frekvenčním měničem VSD

Každý vzduchotechnický systém má jedinečné výkonnostní charakteristiky, proto výše uvedené údaje na křivce nemusejí odrážet skutečný, reálný výkon regulace. Konstrukční charakteristiky systému ovlivňují výkon kompresoru. Účinnost systému mohou ovlivnit faktory, jako je objem zásobníku, objem hlavního sběrače, provozní tlakové pásmo, počet kompresorů a průtokové jevy náhle snižující tlak v systému. Křivka VSD zobrazuje lineární vztah mezi procentem zatížení a procentem výkonu, který vychází z toho, že jednotka se vypíná a zůstává v pohotovostním režimu při zatížení nižším, než je maximální snížení otáček / minimální jmenovitý průtok kompresoru.

Provozní pásma mimo možnost regulace

Pásma mimo možnost regulace se vyskytují téměř ve všech systémech stlačeného vzduchu. Pásmo mimo možnost regulace představuje určitý úsek průtoku, kde je odběr příliš nízký na to, aby mohl kompresor pracovat bez odfuků, ale příliš vysoký na to, aby se mohl úplně odlehčit a vypnout. Zcela eliminovat výskyt takovýchto provozních úseků v systému je docela náročný úkol. Je důležité pochopit, kde se vyskytují a proč. Chápání problematiky těchto úseků, které se nacházejí mimo možnost regulace, umožní pracovníkům podniku zvolit náhradní zařízení a vylepšení systému, která mohou výskyt těchto nežádoucích úseků eliminovat.

Pásma nacházející se mimo možnost regulace je u odstředivých kompresorů někdy obtížnější odstranit než u rotačních šroubových systémů, zejména pokud jsou všechny kompresory dimenzovány na podobné průtoky. Využití kompresorů o různých výkonech a provozních tlacích může přispět k eliminaci nebo omezení výskytu těchto nežádoucích pásem.

PLE2109 MAG Atlas Copco Figure 4Obrázek 4: Pásma nacházející se mimo možnost regulace v rámci instalace tvořené třemi odstředivými kompresory

Klíčem k nalezení řešení je úplné pochopení průtokového a tlakového profilu v daném podniku. Obrázek 4 ukazuje pásma průtoku mimo oblast regulace v systému se třemi odstředivými kompresory. Jedna jednotka je nová se vstupním ventilem využívajícím vstupní naváděcí lopatky IGV a dvě jsou starší jednotky využívající motýlkové vstupní ventily. Rozsah průtoku odstředivého kompresoru využívajícího na vstupu IGV je podstatně širší než u jednotky s motýlkovým vstupem. Na obrázcích A a B je znázorněno pásmo průtoku mimo oblast regulace, při které by turbodmychadlo č. 3 běželo v režimu odfuku, a objem nádrže potřebný k uložení průtoku mimo oblast regulace po dobu jedné minuty.  Šířka tlakového pásma u turbokompresorů je obvykle malá, proto je objem zásobníku potřebný k pokrytí pásma průtoku mimo oblast regulace po dobu pouhé jedné minuty obvykle velký, jak je znázorněno na obrázku.

Na obrázku 5 můžeme vidět histogram zachycující profil potřeby systému jako procento času v různých průtokových oknech. Histogramy jsou užitečné pro identifikaci mezer v průtoku, kdy kompresory systému a místní regulátory nejsou schopny efektivně pokrýt poptávku systému. To může vést k obrovským ztrátám energie. Důkladná analýza průtokového profilu umožňuje správně dimenzovat nové nebo náhradní kompresory. Obrázek 5 zobrazuje minimální až maximální průtok ve sloupcích po 300 cfm.

PLE2109 MAG Atlas Copco Figure 5Obrázek 5: Histogram zobrazující procenta času v různých rozmezích průtoku

Z obrázku 5 můžeme vyčíst, jak často je zařízení uvedené na obrázku 4 ve stavu odfuku (červené sloupce). U pásma s výpadkem průtoku A dochází u turbodmychadla č. 2 k odfuku ve 12,8 % případů. U pásma s výpadkem průtoku B je turbodmychadlo č. 3 odfukováno v 30,3 % případů. Tento systém, jak je v současné době nakonfigurován, odfukuje a plýtvá energií ve 43,1 % svého času.

Obrázek 6 zobrazuje regulační rozsah ve stejném systému se dvěma odstředivými kompresory a jedním rotačním šroubem se zátěží / bez zátěže. Graf nezobrazuje žádné nežádoucí výpadky průtoku, což však může být poněkud zavádějící. Šroubový kompresor může mít vysoký interval cyklu nebo může běžet v nezatíženém stavu. Histogram na obrázku 5 pomůže určit, zda je šroubový kompresor s konzistentními otáčkami pro systém správnou volbou.

PLE2109 MAG Atlas Copco Figure 6Obrázek 6: Pásma nacházející se mimo možnost regulace v rámci instalace tvořené dvěma odstředivými kompresory a jedním šroubovým kompresorem v režimu se zátěží / bez zátěže

Na obrázku 7 je znázorněn rozsah regulace ve stejném systému se dvěma odstředivými kompresory a jedním šroubovým kompresorem s VSD. Graf neukazuje žádné výpadky v průtoku, ale to může být také zavádějící. Šroubový kompresor VSD může běžet v režimu start/stop, pokud je požadavek na trimování nižší než minimální průtok (otáčky). Konstrukce regulace kompresoru by mohla ovlivnit výkon v blízkosti minimálního rozsahu průtoku kompresoru. Některé šroubové kompresory VSD pracují v režimu se zátěží / bez zátěže pod minimálním průtokem a poskytují tak širší rozsah výkonu, což vede ke zvýšení účinnosti. Opět platí, že použití histogramu zobrazujícího čas při průtoku pomůže určit, který typ šroubu VSD je pro systém správnou volbou.

PLE2109 MAG Atlas Copco Figure 7Obrázek 7: Pásma nacházející se mimo možnost regulace v rámci instalace tvořené dvěma odstředivými kompresory a jedním šroubovým kompresorem s frekvenčním měničem VSD

Průtokový profil soustavy má významný vliv na výběr správného zařízení, aby se snížila, nebo dokonce odstranila pásma mimo možnosti regulace.

Dimenze potrubního sběrače vs. objem zásobníků

Akumulační zásobníky jsou často nejekonomičtější investicí do systému stlačeného vzduchu. Velikost a délka sběrače může být zavádějící s ohledem na objem v galonech. Například zásobník o objemu 500 galonů s potrubím o dimenzi 8" se může zdát jako velký skladovací prostor, ale objemově se jedná pouze o 1 305 galonů. Každý vzduchotechnický systém je jedinečný, takže zde důsledně neplatí žádná pravidla. Obrázek 8 ukazuje ekvivalent galonů zásobníku v porovnání s 1 000 galony při různých velikostech potrubí. Z hodnotového hlediska poskytují nádrže mnohem výraznější zlepšení hodnoty výkonu ve srovnání s návrhem systému, který se spoléhá pouze na skladovací kapacitu sběrače potrubí.

Závěrečná slova

Zavedení systému řízení sdílené zátěže může výrazně zlepšit provozní účinnost a spolehlivost v systému zahrnujícím více kompresorů. Trvalé měřicí zařízení s možností záznamu dat pomůže při vyhodnocování výkonnosti systému podle toho, jak se mění podmínky v provozu. Nastavení metriky účinnosti umožní zkoumat negativní změny účinnosti. Díky zkušenostem budou provozovatelé schopni zaměřit se na neefektivitu na straně nabídky nebo poptávky.

Realizovaná návratnost investice je v rukou projektového manažera nebo projektového týmu. Vypracování seznamu opatření plus seznamu požadavků na realizaci umožní stanovit realistická očekávání. Dobře promyšlený plán vyloučí dohady a poskytne manažerovi potřebná data, aby mohl pro daný provoz učinit tu nejlepší investici.

Christopher Nacrelli je manažer obchodního rozvoje ve společnosti Atlas Copco Compressors.

Řízení a údržba průmyslového podniku

Časopis Řízení a údržba průmyslového podniku již přes 10 let patří mezi neodmyslitelný zdroj informací v oblasti průmyslové údržby a diagnostiky. Část obsahu je z pera licenčních autorů Plant Engineering z USA.

www.udrzbapodniku.cz