Pochopení řízení kapacity odstředivého vzduchového kompresoru

Rick Stasyshan a Ian Macleod, Institut stlačeného vzduchu a plynu

Časopis Compressed Air Best Practices® (CABP) nedávno dohnal Ricka Stasyshana, technického konzultanta institutu pro stlačený vzduch a plyn (CAGI) a Iana Macleoda ze sekce CAGI Centrifugal Compressor a členské společnosti Ingersoll Rand.

CABP: Pánové, děkuji za řadu článků o odstředivých kompresorech. Proč jste pro tento rozhovor vybrali ovládání kapacity odstředivého kompresoru a můžete uvést krátký úvod?

CAGI: CAGI a naši odstřediví zákazníci sdílejí společný zájem a cíl - maximalizovat účinnost kompresorového systému a optimalizovat spotřebu energie systému. Vzhledem k tomu, že řízení kapacity odstředivého kompresoru je o něco složitější než u kompresorů s pozitivním objemem, doporučuje se vždy konzultovat s technikem vyškoleným v továrně. Tuto pomoc mohou poskytnout členové sekce odstředivých kompresorů CAGI.

Odstředivé kompresory jsou dynamické a každý z nich má charakteristickou křivku stoupajícího tlaku při snižování kapacity. Bez jakéhokoli řídicího systému by kompresor pracoval podél této přirozené křivky. Průtok a tlak odstředivého kompresoru jsou obvykle řízeny kombinací vstupního ovládacího zařízení a vypouštěcího ventilu (UV).

CABP: Můžete shrnout, jak tato zařízení pracují v kombinaci, aby dosáhly požadovaných výsledků a podělili se o dostupné možnosti?

CAGI: Protože ovládací prvky odstředivého kompresoru jsou o něco složitější, projdeme čtenáře systémy a dostupnými možnostmi.

Řešení pro regulaci vstupu

Vstup může být omezen na dynamickém kompresoru, aby se nepřetržitě snížila kapacita kompresoru. Minimální průtok je stanoven, když tlakový poměr dosáhne limitu čerpadla a stroj dosáhne maximálního tlaku. Rozsah regulace, nebo roztažení, je určen konstrukcí stroje. Například, odbočka je ovlivněna počtem stupňů a designem oběžného kola. Rozsah regulace je také ovlivňován vnějšími faktory, jako jsou například podmínky přiváděného vzduchu (teplota, tlak a vlhkost) a teplota chladicí kapaliny.

Vstupní řídicí zařízení

Toto jsou dvě metody pro omezení přívodu:

Vstupní klapkový ventil (IBV): Vstupní klapkový ventil může být poháněn elektronicky nebo pneumaticky a při jeho uzavření vytváří tlakovou ztrátu přes ventil, účinně snižuje vstupní tlak do kompresoru a snižuje schopnost kompresoru vytvářet tlak a následně proudit .

Vstupní vodicí lopatky nebo (IGV): Vstupní vodicí lopatky mohou být také poháněny elektronicky nebo pneumaticky a jsou to radiální radiální lopatky uspořádané v sání. Tyto lopatky jsou v široce otevřené poloze rovnoběžné s proudem vzduchu a zcela uzavřené jsou v úhlu 90 stupňů k proudění vzduchu. Když se vodicí lopatky otáčejí z plně otevřeného do částečně uzavřeného, způsobují to, že nasávaný plyn rotuje ve stejném směru jako oběžné kolo. Předběžné víření mění úhel dopadu přiváděného vzduchu, když se přibližuje k indukční části oběžného kola, čímž účinně snižuje energii potřebnou k vytvoření tlaku a průtoku. Použití IGV může účinně škrtit kompresor s další výhodou, že je účinnější. V závislosti na tom, kde pracujete na křivce kompresoru, může uživatel vidět až 9 procentní nárůst účinnosti oproti standardnímu omezování IBV.

Nastavená hodnota zatížení odstředivého kompresoru je obvykle při daném tlaku, takže když systémový tlak klesne pod danou úroveň, kompresor se načte.

Řídicí a regulační systém pro odstředivé kompresory

1. Auto-Dual Control (viz obrázek 1)

Standardní regulace se dosahuje pomocí vstupního škrticího ventilu (IBV) nebo vstupních vodicích lopatek (IGV) a ovladače.

Nastavená hodnota vypouštěcího tlaku kompresoru bude nastavena na požadovanou úroveň a IBV nebo IGV budou modulovat vstup kompresoru tak, aby udržovaly konstantní vypouštěcí tlak v regulačním rozsahu (B®C).

V minimálním bodě škrticí klapky (C) se ventil IBV nebo IGV zastaví, což umožní, aby výstupní tlak vzrostl na nastavenou hodnotu vyložení. V tuto chvíli se kompresor vyprázdní, IBV nebo IGV se uzavře a vyprazdňovací ventil se úplně otevře.

Kompresor zůstává v nezatíženém stavu, dokud kompresor neobnoví zatížení při plném průtoku a cyklus se opakuje. Doba opakování se u této metody řízení liší a v závislosti na skladovacích kapacitách systému v závislosti na výkyvech poptávky může být vhodné nainstalovat opatření (další skladování stlačeného vzduchu), která chrání proces a kompresor před krátkým cyklem.

Pokud kompresor není třeba znovu načíst v pevném časovém období, může být jednotka nakonfigurována tak, aby se vypnula a zastavila. Regulátor se automaticky restartuje a načte v reakci na pokles tlaku systému na nastavenou hodnotu zatížení (A).

2. Regulace konstantního tlaku s regulací vykládky (UV) (viz obrázek 2)

Tato metoda řízení používá IBV nebo IGV, modulační UV a ovladač.

Nastavená hodnota vypouštěcího tlaku kompresoru bude nastavena na požadovanou úroveň a IBV nebo IGV bude modulovat vstup kompresoru tak, aby udržoval konstantní vypouštěcí tlak v rozsahu regulace (A®B).

V minimálním škrticím bodě (B) je poloha IBV / IGV udržována jako pevná a vypouštěcí ventil (UV) se začne modulovat otevřený.

Tímto způsobem je udržován konstantní vypouštěcí tlak v celém provozním rozsahu kompresoru (A®C).

Některé ovládací prvky mohou také naprogramovat polohu maximálního vypouštěcího ventilu (UV). To umožňuje majiteli minimalizovat neefektivní provoz během období nízké poptávky omezením vykládací operace na bod mezi (B®C).

Systém řízení konstantního tlaku je navržen tak, aby nepřetržitě reguloval výstup vzduchu a přitom udržoval minimální kolísání tlaku na minimum. Konstantní tlak je v mnoha aplikacích kritický.

Dopad vnějších faktorů na regulaci

CABP: Zmínili jste, že regulace může být do značné míry ovlivněna vnějšími faktory, jako je protitlak, sací teplota a teplota chlazení. Možná, že budoucí rozhovor na toto téma může být v pořádku, ale mohli byste nám poskytnout podrobný náhled a zkrácenou verzi těchto dopadů?

CAGI: Vliv proměnných na odstředivý výkon je snadno znázorněn graficky.

Typické poměry odbočení pro odstředivou konstrukci jsou 30 až 40 procent při provozu v automatickém duálním režimu. Procento závisí na podmínkách přívodního vzduchu, jak je uvedeno výše, a obvykle bude větší při nízkých teplotách a menší v horkých letních podmínkách. V odstředivém provedení existuje kompromis mezi aerodynamickou účinností a rozestupem. Lze dosáhnout větších rozestupů, ale mají za následek nižší aerodynamickou účinnost. Tato analýza musí být provedena ve spolupráci s výrobcem na základě požadovaných profilů toku, aby se stanovil optimální návrh systému.

Tato čísla ukazují účinek proměnných, jako je vstupní teplota, vstupní tlak a teplota chladicí vody.

Jak dochází k přepětí v odstředivých kompresorech

CABP: Zmínil jste se o fenoménu nárůstu. Můžete rozvést, kdy k tomu může dojít?

CAGI: Přepětí je jev aerodynamické nestability, ke kterému může dojít u odstředivých kompresorů. Zvyšování tlaku v odstředivých kompresorech je vytvářeno propouštěním vysoké rychlosti (kinetická energie) do průtokové dráhy vzduchu přes oběžné kolo. K pozdějšímu převodu rychlosti na tlak (potenciální energie) dochází v difuzoru a případně ve volutě, pokud je kompresor takto vybaven.

V důsledku tohoto omezení nemůže žádný jednotlivý kompresní stupeň zvýšit tlakovou hlavu nad mezní hodnotu přibližně 2,5 (v závislosti na konstrukci).

Pokud odstředivý kompresor během provozu kompresoru dojde k přepětí, považuje se za provoz v nestabilním stavu. Výrobci při navrhování svých kompresorů berou v úvahu rázové události, a proto výskyt jednoho nebo i více rázů nesníží životnost ani poškození kompresoru. Pokud dojde k opakovanému nárůstu, je třeba zavolat kvalifikovaného technika. Všichni výrobci používají kontrolu předvídání nárůstu, aby zajistili spolehlivý provoz. Existuje několik různých metod k dosažení kontroly přepětí.

Přepěťová ochrana a ochrana

CABP: Jak ovládáte a chráníte před těmito situacemi, které se vyskytnou během provozu?

CAGI: Naši členové navrhli ochranu proti přepětí a ochranu svých produktů. Přepětí je situace, které lze zabránit. Přepěťová ochrana a ochrana jsou k dispozici pro systémy s automatickým duálním i konstantním tlakem. Ve skutečnosti, jako součást spouštění systému, technici ručně přepínají kompresor, aby nastavili řídicí systém.

1. Řízení proudu motoru:

Proud motoru lze korelovat s průtokem kompresoru. S poklesem průtoku se sníží také proud motoru. To může korelovat s bodem nárůstu kompresoru. S tímto řízením, když motor dosáhne nastavené minimální hodnoty proudu, vypouštěcí ventil se začne otevírat, aby se zabránilo kompresoru v nárůstu. Tato metoda je jednoduchá a přímá, ne vždy však optimalizuje skutečný rozsah roztažení kompresoru.

2. Optimalizace regulace očekávání přepětí:

Aby se optimalizovalo řízení předvídání přepětí, monitoruje skutečná poloha přepěťové linky s ohledem na stávající podmínky okolního vstupu a zabraňuje přepětí kompresoru otevřením vypouštěcího ventilu, jakmile tok kompresoru dosáhne bodu přepětí. Toto ovládání optimalizuje rozběh a umožňuje kompresoru běžet ve skutečném rozběhu na základě existujících okolních podmínek na vstupu.

Moderní řídicí systémy, které používá většina výrobců, mají za následek bezproblémový, spolehlivý a efektivní provoz. S výběrem několika metodik řízení mohou zákazníci optimalizovat svůj výkon odstředivého kompresoru, aby vyhovoval potřebám aplikace. Pochopení vlivu okolních podmínek na výkon kompresoru umožňuje další zlepšení spolehlivosti a účinnosti.

CABP: Děkuji za tento přehled. Můžete našim čtenářům sdělit, jak mohou získat více informací nebo pomoci k těmto tématům?

CAGI: Členové sekce CAGI Centrifugal Compressor Section, včetně společností Atlas Copco, Cameron, FS Elliott a Ingersoll Rand, mají vyškolené inženýry, kteří pomáhají a vedou uživatele výběrem správné velikosti a možností odstředivého kompresoru pro jejich provoz. Při aktualizaci a / nebo výměně stávajících systémů se doporučuje posouzení systému kompresorů, aby bylo zajištěno, že výkon systému je maximalizován. Naši členové mohou také pomáhat při provozu stávajících zařízení a systémů.

Podrobnější informace o společnosti CAGI, jejích členech, aplikacích stlačeného vzduchu nebo odpovědi na jakékoli otázky týkající se stlačeného vzduchu vám poskytne Institut stlačeného vzduchu a plynu. Vzdělávací zdroje společnosti CAGI zahrnují e-learningové kursy pro SmartSite, průvodce výběrem a videa a také Příručku stlačeného vzduchu a plynu.

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