Pritisak zračnog sustava utječe na snagu kompresora - Dio 2: Utjecaj tlaka sustava na centrifugalne kompresore

Ovo je drugi članak iz trodijelne serije komprimiranog zraka Marka Krisa, direktora - Global Services Solutions, Ingersoll Rand

Uobičajeno je vidjeti kako stručnjaci za energetsku procjenu tretiraju centrifugalne kompresore poput kompresora s pozitivnim pomakom prilikom pokušaja smanjenja potrošnje energije sustava komprimiranog zraka. Nažalost, centrifugalni kompresori su obično puno veći, a pogrešne proračune lako mogu predstavljati stotine tisuća dolara precijenjene uštede energije. Te pogreške nisu zlonamjerne; proizilaze iz pojednostavljenih najboljih praksi koje provode pojedinci s ograničenim znanjem centrifugalnog kompresora. Ova vrsta znanja nije lako dostupna i većina stručnjaka za energetsku procjenu nema pristup inženjerskim timovima koji su odgovorni za tehnički razvoj i dizajn centrifugalnih kompresora. Iz perspektive jedinice, centrifugalni kompresori mali su dio tržišta kompresora, tako da su tehnički osposobljeni resursi ograničeni.

Prepoznavanje tehničkih resursa kompresora

Važno je shvatiti da ljudi koji prodaju komprimirani zrak predstavljaju jedan od najvećih izvora tehničkih informacija povezanih sa sustavima i komponentama komprimiranog zraka. Iako su neki prodavači tehnički kompetentni inženjeri, nije neuobičajeno da riječ „inženjer“ koja se koristi kao pridjev u nazivu radnog mjesta pronalazi. Bez obzira na to je li inženjer zvanje prema obrazovanju ili poslu, to ne jamči tehnički točne podatke. Slično tome, iskustvo je pojam koji se često koristi da podrazumijeva veliko znanje povezano s godinama prakse. Iskustvo može imati vrijednost za funkcije s jednostavnim ishodima uzroka i posljedica ili ponavljajućim zadacima u kojima mišićna memorija može poboljšati rad. Međutim, u industriji u kojoj se rezultati rijetko mjere pomoću preciznih instrumenata u kontroliranim okruženjima, mnogi tehnički mitovi gnjave i, kroz godine ponavljanja, pretpostavljaju se kao znanstveno dokazane činjenice. Na primjer, u prvom dijelu ovog članka koji je tiskan prošlog mjeseca, objasnjeno je kako se zloupotrebljava pretpostavka od 1 posto do 2 psi i zašto nije točna.

Rad u Ingersoll Randu, jednom od najvećih svjetskih proizvođača i inovatora proizvoda na komprimiranom zraku, olakšava mogućnosti mnogih tehničkih razgovora s talentiranim inženjerima koji dizajniraju kompresore za život. Sudjelovanje u mnogim tehničkim timovima koji se odnose na komprimirani zrak s ISO, CAGI i CSA također pruža priliku za diskusiju na visokoj razini s inženjerima drugih proizvođača kompresora . Zanimljivo je da, kad god se raspravlja o temi tlaka i snage za kompresore, gotovo svaki inženjer regurgira istu snagu od 1 posto na pretpostavku od 2 psi. Nakon razgovora o sistemskim atributima i termodinamici, svi se slažu da je izjava 2: 1 netočna, ali mnogi pretpostavljaju da je činjenica, i povezuju je s načinom na koji kompresor djeluje u odnosu na tlak u mrežnim cjevovodima. Budući da su mladi inženjeri novi u industriji, izjava 2: 1 bila je tehnička znanja koja su dijelili stariji inženjeri. Pogrešno iskustvo i starost znanstvenih činjenica, mnoge su nedužne pretpostavke postale nesporne.

Radi zatvaranja, čini se da je teorija nastala početkom 1900-ih kao razumna procjena koja se temelji na složenoj jednadžbi koja se koristi za izračunavanje kočnih snaga za velike povratne kompresore u odnosu na tlak u cilindru. To se ne primjenjuje s obzirom na sve sastavne dijelove i tehnološke promjene koje čine moderni kompresori. Teorija 2: 1 je poput glasine koja iterativno pretvara u drugačiju priču sa svakim tumačenjem i daljnjim dijeljenjem. To se događa kada se složeni tehnički sadržaji pojednostavljuju i generaliziraju prije nego što dođu do terenskih prodavača i drugih pojedinaca koji šire znanje kompresora na tržište.

Radne karakteristike centrifugalnih kompresora

Za razliku od kompresora s pozitivnim pomakom u kojima je tlak funkcija mehaničkih sila (snage) koje djeluju na površinu koja fizički smanjuje zatvoreni volumen, centrifugalni kompresori ne mogu povećati svoje tlačne mogućnosti povećanjem snage. Centrifugalni kompresor, također poznat kao dinamični kompresor, stvara pritisak na drugačiji način. Davana masa zraka se ubrzava kroz rotor i daje kinetičku energiju. Zrak prolazi kroz difuzor, smanjuje brzinu i pretvara dio kinetičke energije u toplinsku i potencijalnu energiju. To se manifestira u obliku povećanog tlaka i temperature zraka. Ovisno o tlačnim zahtjevima kompresora, zrak prolazi kroz isti postupak kroz sljedeće faze i nadovezuje se na projektne zahtjeve za tlakom. Da bi se poboljšala učinkovitost, neki ili svi stupnjevi hlade zrak prije nego što prijeđe u sljedeću fazu. U svrhu rasprave pojednostavljeno je objašnjenje rada u nastojanju da i dalje ostane unutar dosega. Tlačne mogućnosti centrifugalnog kompresora diktiraju aerodinamički dizajn unutarnjih komponenti, ambijentalni uvjeti, brzina rotacije i hlađenje zraka između stupnjeva.

Odnosi između protoka, tlaka i snage centrifugalnog kompresora obično se izražavaju pomoću krivulje performansi temeljene na određenim uvjetima okoline, rashladnoj vodi i primijenjenim unutarnjim komponentama. Kao rezultat toga, performanse - i najvažnije - mogućnosti tlaka mijenjaju se s promjenom ambijentalnih uvjeta tijekom cijele godine. Radna krivulja koja se sastoji od podataka koji se preklapaju iz tri skupa ambijentalnih uvjeta koristi se za ilustriranje ovog efekta na slici 1.

Slika 1 - Centrifugalne krivulje učinkovitosti kompresora

Krivulja performansi sastoji se od dva dijela: krivulje tlaka-protoka i krivulje protoka snage. Krivulja protoka tlaka ima pritisak na okomitu os i protok na vodoravnoj osi. Krivulja protoka snage ima snagu na okomitoj osi i protok na vodoravnoj osi. Vrijednosti protoka za svaku vodoravnu os poravnavaju se tako da svaka krivulja protoka tlaka ima odgovarajuću krivulju protoka snage. Primijetite kako se prirodna krivulja pomiče gore i udesno kako temperatura okoline opada. Gledajući crvene krivulje snage i tlaka s obzirom na protok, pomičući se s lijeva na desno, okomita crta koja presijeca obje krivulje ilustrira dizajnerski tlak i snagu za taj specifični protok i okolne uvjete. Pomičući se slijeva udesno, primijetite kako se snaga u početku povećava kako pritisak pada, a zatim opada kako se neko pomiče dalje udesno. Ovo ilustrira kako snaga nije izravno proporcionalna promjeni tlaka. Taj se odnos temelji na aerodinamičnom dizajnu unutarnjih komponenata. Neki kompresori koji koriste rotor dizajnerskog rotora imaju maksimalnu učinkovitost na vrhu zavoja neposredno prije prirodnog naprezanja. Nagnuta konstrukcija okrenuta prema naprijed može povećati učinkovitost s obzirom na smanjenje tlaka ili postizanje vršne učinkovitosti u nekom trenutku krivulje, a zatim pad pri nižim pritiscima.

Navodeći crvenu krivulju protoka tlaka, imajte na umu da se s padom tlaka protok kompresora povećava. Centrifugalni kompresor djeluje u odnosu na prirodnu krivulju kada je ulazni sklop otvoren 100 posto, ili dovoljno da otvaranje sklopa više nema utjecaja na ulazni tlak u grlu. Kompresor koji radi u maksimalnom stanju ponekad se naziva i pri punom opterećenju - ili na aktivnom dijelu krivulje gdje se protok mijenja s obzirom na tlak. Protok se povećava kako se tlak smanjuje, ali primijetite kako se nagib krivulje mijenja kako se pritisak smanjuje. Konačno krivulja postaje asimptotska - ravno gore-dolje - kada se kompresor pomakne u područje poznato kao prigušnica ili kamena stijenka.

U ovom trenutku pad tlaka ima vrlo malo da se ne promijeni protok ili snaga. Snaga se ne smanjuje kada kompresor djeluje na ili ispod prigušnice. Kad se kompresor nalazi u prigušnici, brzina je dostigla zvučni prag u nekim točkama unutar kompresora. Nakon toga, kompresor zadržava unutarnji tlak na minimalnoj vrijednosti neovisnoj o tlaku pražnjenja izvan kompresora. U osnovi, unutarnji tlak se smanjuje u odnosu na vanjski tlak dok ne dosegne minimalni unutarnji tlak. Ispod ove minimalne vrijednosti tlak u sustavu opada samo dok unutarnji tlak ostaje na minimalnoj vrijednosti ograničenoj granicom zvučne brzine.

Gornji tlak je ograničen sposobnošću kompresora da pretvara kinetičku energiju u tlak. Kod neke energetske bilance, generirani tlak je manji od unutarnjeg tlaka, uzrokujući nestabilnost koja se ponekad naziva preokret protoka ili porast struje. Rad kompresora je nestabilan pri visokom tlaku ili je blizu njega. Mogućnost pritiska ili prirodni prenaponski tlak može se povećati samo ako se poveća gustoća ulaznog zraka. Isti se fenomen događa pri minimalnom stabilnom stanju protoka koji se naziva porast leptira za gas. Ako je potražnja za zrakom manja od potrebne za potreban tlak, ulazni sklop modulira, smanjujući ulazni tlak u grlu i protok. To se obično naziva kompresor koji radi u modulaciji, na leptiru ili pri konstantnom pritisku.

Utjecaj tlaka na snagu centrifugalnog kompresora

Gledajući performanse unutar aktivnog dijela krivulje, slika 2 prikazuje detaljne promjene protoka i snage u odnosu na tlak pražnjenja.

Slika 2 - Podaci o učinku centrifugalnog uzorka kompresora

Podaci na slici 2 temelje se na testiranim performansama za određeni centrifugalni kompresor. Gledajući performanse kompresora od 121 psig i 111 psig, smanjenje tlaka sa 121 na 111 psig smanjuje snagu samo za 5 konjskih snaga. To predstavlja manje od 0,35% smanjenja snage osovine. Pravilo od 5 posto po psig-u (opisano u dijelu 1: Tlak zračnog sustava utječe na snagu kompresora koji je sudjelovao u julskom izdanju najboljih praksi komprimiranog zraka) ne primjenjuje se. Predvidjeli bi smanjenje snage od 5 posto uz procijenjene uštede od 50 000 USD godišnje, za razliku od ostvarenih 3000 dolara. U ovom primjeru, procjene uštede mogu se pretjerano pretjerati u više od 16 puta više od stvarne vrijednosti.

Budući da kompresor u ovom primjeru radi unutar aktivnog raspona krivulje, protok raste ~ 100 scfm. Pod pretpostavkom da je potražnja ista, a snaga kompresora izravno se proporcionalna promjeni protoka, snaga osovine kompresora smanjuje se za ukupno 27 konjskih snaga ili 1,8 posto. To je manje od 36 posto uštede procijenjene korištenjem pravila od .5 posto po psig-u, čime se postiže ušteda od 18.000 USD, a ne 50.000 USD korištenjem pogrešno primijenjenog izračuna. Ako kompresor normalno radi u moduliranom stanju, koristeći pravilno postavljene ulazne vodeće lopatice, snaga osovine se smanjuje 1,7 posto.

Važno je napomenuti da za razliku od rotacijskih vijčanih kompresora, centrifugalni modeli modela kompresora ne predstavljaju nužno rad kompresora. Nekoliko različitih kombinacija rotora / difuzora može se koristiti za dano vanjsko lijevanje, dizajn i motor. Kombinacija rotora i difuzora obično se naziva "aero" kompresora. Nekoliko različitih paketa aero može se koristiti za zadani broj modela kompresora i svaki ima svoje jedinstvene sposobnosti performansi. Ne može se koristiti generička krivulja - ili čak krivulja istog modela kompresora - osim ako proizvođač ne potvrdi da su kompresori proizvedeni istim zrakom.

Jednako je važno osigurati ispravljanje podataka za uvjete na gradilištu ili za niz uvjeta ako se ambijent mijenja s obzirom na vrijeme. Prema slici 1, tri krivulje (slijeva udesno) predstavljaju podatke iz ambijentalnih uvjeta pri 95 ° F, 70 ° F i 30 ° F. Na temelju načina na koji se krivulja radne snage pomiče u odnosu na temperaturu, nije neuobičajeno pronaći kompresore koji u prigušnici rade nekoliko mjeseci godišnje. Ovo je značajno jer svaka procjena uštede energije povezana s tlakom mora uzeti u obzir vrijeme, temperaturu i položaj na krivulji. Bez ovih podataka, svaki pokušaj procjene uštede povezane s pritiskom može biti zabludu. U nekim slučajevima snaga se može povećavati kako se tlak smanjuje.

Ušteda energije za centrifugalne kompresore

Maksimalne tlačne mogućnosti određenog kompresora temelje se na paketu aero, ambijentalnim i mehaničkim uvjetima. Maksimalni radni tlak ograničen je porastom kompresora na vrhu krivulje. Ta se točka naziva prirodnim tlakom prenapona. Prema slici 1, ružičasta vodoravna linija predstavlja liniju stalnog pritiska. Kad je potražnja manja od najvećeg protoka iz kompresora, usisni plin se smanjuje za protok. Kod ulaznih krilnih lopatica učinkovitost ostaje razumno konstantna dok kompresor gasi. Snaga leptira prikazana je na krivulji donjeg napona kao dijagonalna linija. Minimalni protok leptira za centrifugalni kompresor ograničen je na temelju dizajna. Slijedeći ružičastu vodoravnu liniju na slici 1 s lijeve strane, minimalni stabilni protok diktira točka u kojoj linija stalnog pritiska presijeca liniju napona gasa. Ako kompresor pokušava ograničiti protok na manje od ove točke sjecišta, kompresor se podiže. Iz očitih razloga, to se naziva navala gasa. Linija prenapona leptira za gas može se vidjeti na Sl. 1 kao plava dijagonalna linija na crtežu protoka tlaka.

Ako je potražnja za zrakom manja od ove minimalne granice, višak zraka se ispušta u atmosferu radi nadoknade razlike između minimalnog i stabilnog protoka. Nažalost, nakon što se kompresor prestane gasiti, snaga se ne mijenja. Zbog toga se sav zrak koji se ispušta u atmosferu gubi. Za kompresor koji često radi sa zrakom koji je zaobiđen u atmosferu, niži tlak smanjuje protok tamo gdje dolazi do navale gasa. Nakon prilagodbe postavki upravljanja, kompresor koji radi s minimalnim protokom i dalje smanjuje snagu povećavajući mogućnosti leptira u odnosu na smanjeni protok prenaponskog leptira. To se događa samo ako kompresor zaobiđe zrak u atmosferi, a komande omogućuju kompresoru da modulira ulaz, što povećava mogućnosti prigušivanja i smanjuje snagu. Još jednom, web stranice ispravljene krivulje performansi potrebne su za kvantificiranje potencijalnih ušteda.

Mogućnost rada kompresora blizu prenapona gasa ograničena je složenošću upravljačkih algoritama, varijablom leptira za gas i načinom podešavanja PID petlji kompresora u odnosu na dinamiku sustava. Sl. 1 prikazuje smanjenje snage povezano s podešavanjem granice gasa kompresora iz konzervativnog podešavanja na učinkovitije podešavanje podešavanjem PID petlje kompresora tako da stope reakcije kompresora odgovaraju brzini promjene zahtjeva. Promjena snage povezana s podešavanjima u upravljačkim sustavima može se vidjeti gledanjem dviju okomitih iscrtanih, ljubičastih i smeđih linija od linije za konstantni pritisak do ugašenog dalekovoda na slici 1. Za ovaj kompresor snaga je smanjena za 160 KS bez kapitalnih ulaganja. Kompresor je još uvijek zaobišao zrak u atmosferi, ali količina je smanjena za 980 scfm, što je povezano s moduliranjem kompresora bliže vrijednosti prenapona leptira za gas. Važno je napomenuti da je granica kontrole prenapona leptira za gas normalno postavljena s razlogom. Za definiranje problema koji utječu na povišene postavke potrebna je odgovarajuća analiza uzroka uzroka. Kao organizacija koja je izvršila reviziju stotina centrifugalnih kompresorskih sustava koristeći napredne tehničke detalje i analitiku, Ingersoll Rand shvaća da korektivne radnje mogu značajno varirati između sustava. U nekim situacijama, šest ušteda od brojke može se postići ispravljanjem složenog problema s investicijom od 100 USD. Suprotno tome, ušteda može zahtijevati složene i skupe korekcije koje nisu opravdave.

Procjena centrifugalnog rada kompresora

Važno je napomenuti da se performanse centrifugalnog kompresora tijekom vremena mogu dramatično mijenjati zbog mehaničke degradacije unutarnjih komponenti. Iako se glavni problemi s rotirajućim sklopovima mogu prepoznati povišenim očitavanjima vibracija, erozija rotora i difuzera može značajno smanjiti tlačne mogućnosti, pouzdanost i učinkovitost centrifugalnog kompresora s zanemarivim utjecajem na vibracije. Iz tog razloga treba redovito provoditi procjenu učinkovitosti svakog centrifugalnog kompresora i kao dio bilo kojeg projekta zaštite energije. Svaka procjena sustava komprimiranog zraka koja ne uključuje detaljno ispitivanje i analizu performansi kompresora imat će nedovoljne ili upitne podatke i može biti pokazatelj revizorske kompetencije kompresora.

Važno je također napomenuti da su prethodni popravci centrifugalnog kompresora mogli značajno promijeniti performanse. Neki davatelji daljnjih usluga zamjenjuju unutarnje zračne dijelove koji ne odgovaraju originalnom dizajnu. U nekim prilikama, umjesto zamjene komponenti, ušteda se može uštedjeti brušenjem lopatica rotora i ponovnim uravnoteženjem sklopova. Ovo rješava probleme s vibracijama, ali može dramatično promijeniti performanse.

Referencirajući krivulju na slici 1, ovaj kompresor može isporučiti 135 psig u uvjetima 95 ° F. Ako se ovaj kompresor prodaje kao jedinica od 90 psig, mnogi pružatelji usluga centrifugalnih ispitivanja testiraju prirodni tlak prenapona i smatraju ga ispitivanjem učinkovitosti. Radeći s mnogim inženjerima kompresora na razvoju i provjeri analitike djelovanja centrifugalnih kompresora i neintruzivnim ispitnim postupcima na licu mjesta, sa sigurnošću je reći da je za procjenu učinkovitosti kompresora značajno više nego ispitivanje prenaponskog tlaka i vibracija. Uobičajene pretpostavke o centrifugalnom servisu kompresora smatraju da je prirodni tlak prenapona veći od 10-15 posto iznad projektnog tlaka normalnim, bez obzira na temperaturu. Stoga se testiranje prenaponskog kompresora na slici 1 i postizanje prirodnog tlaka prenapona veće od 103 psig smatraju pozitivnom provjerom učinkovitosti mnogih organizacija. To se ne čini zlonamjernom namjerom, veže se za početak ovog članka i za pitanja povezana s iskustvom i spoznatim znanjem. Baš kao što je pogrešno informirani inženjer nevino procijenio uštedu od 100.000 dolara kada ih nema, tako će i mnogi terenski tehničari izvršiti ono što im kažu da je test performansi, nenamjerno zanemarivanje da bi se utvrdilo degradirano djelovanje kompresora i pouzdanost.

--- http: //www.hqcompressor.com