Dimensionamiento de compresores de aire VFD para sistemas de compresor único

Por Tim Dugan, presidente de PE, Compression Engineering Corporation

Introducción

Como usuario final, ¿alguna vez escuchó el mensaje de poner en el compresor de aire VFD más grande y el sistema siempre será confiable y eficiente? ¿Por qué hacer una auditoría? Simplemente agregue los compresores en el sitio y coloque un VFD para ese tamaño o más grande. ¿Por qué tener la complejidad de múltiples compresores, almacenamiento, secuenciación, etc.? Mejor aún, ponga dos de ellos, uno para todo el sistema y otro para la copia de seguridad. Si pudieras mover una varita, ¿no sería eso lo que debería ser cada sistema? Perfecta paz y eficiencia, con 100% de confiabilidad de confiabilidad.

Los lectores que han estado involucrados en el negocio de incentivos / reembolsos de servicios públicos, como gerente de programa, evaluador o auditor, saben que este tipo de decisiones se han fomentado mediante reembolsos, y que muchos sistemas no están operando en el modo que se suponía que debían hacerlo. o no están funcionando en absoluto debido a problemas de confiabilidad.

La mayoría de mis auditorías han sido en sistemas complejos "grandes", sistemas con compresores de aire instalados en total de más de 500 hp, con múltiples tipos y salas de compresores. ¿Qué pasa con los sistemas "normales" que superan en número a los que miro 10: 1? ¿Los que tienen una habitación de compresor y menos de 100 hp instalados? ¿No es apropiado tener un compresor VFD funcionando con el sistema, con una copia de seguridad de tamaño completo? Y si es así, ¿cómo debe dimensionar el compresor?

En este artículo, intento responder la pregunta con un "sí" calificado. Sí, hay muchos sistemas donde esto puede ocurrir. Describiré dónde solo necesita uno, y en esos casos, cómo dimensionar ese compresor.

Resumen

En pocas palabras, recomiendo usar un solo compresor VFD (con copia de seguridad) cuando:

1. Los niveles de demanda son conocidos y el compresor tiene un tamaño tal que la demanda varía entre 30% y 80% del máximo del compresor.

2. El perfil de demanda no se encuentra en el extremo inferior a menudo.

3. No se prevén cambios importantes en el uso en los próximos 10 años.

4. El sistema está actualmente centralizado y es probable que permanezca así.

5. Puede pagar una copia de seguridad de tamaño completo.

La demanda varía entre 30 - 80%

¿Cómo conoce su demanda para que el tamaño del compresor esté en el "punto óptimo"? Algunos dicen hacer una "auditoría". Creo que es genial si quieres pagarle a un tipo como yo de $ 3k a $ 10k, y obtener solo una imagen de la demanda y necesitar el consejo de consultoría que viene con eso. O puede obtener uno "gratis" de los proveedores ayudándole a dimensionar ese único compresor VFD. Eso está bien si su auditoría "caja negra" calcula con precisión el flujo.

La razón por la que digo que la demanda no debe variar por debajo del 30% del pico es que la mayoría de la eficiencia de los compresores VFD comienza a descender al 50% de velocidad y empeora al alcanzar la velocidad mínima. Además, el aceite del compresor no funcionará lo suficientemente caliente a una velocidad mínima durante períodos prolongados, lo que ocasionará problemas de fiabilidad. Curiosamente, el motor es una excepción. Funciona más caliente a la velocidad más baja. Esto se debe a que es una aplicación de par constante, más un deslizamiento que hace que el par sea aún más alto a baja velocidad, y la refrigeración del motor disminuye significativamente a baja velocidad. Si sujeta un TI en la corriente de bobinado del motor, puede ver que la corriente de bobinado aumenta a velocidades más bajas.

La razón por la que no desea estar con frecuencia por encima del 80% es que su eficiencia también cae en el extremo superior, y la corriente es alta en ese punto. Es porque las pérdidas de "viento" del compresor son altas. Su "velocidad punta" es más alta que ideal. La Figura 1 muestra una curva de rendimiento típica (de la hoja de datos de CAGI) para un compresor de tornillo VFD de 50 hp.

Figura 1. Una curva de rendimiento típica para un compresor de aire VFD de 50 hp de una Hoja de datos de CAGI.

Solo para comparar, comparé este compresor con dos alternativas del mismo fabricante, una sola carga-descarga y una carga-descarga dúplex de medio tamaño. Vea abajo:

Figura 2. Comparación de VFD con una sola carga-descarga y un dúplex de mitad de tamaño de carga-descarga de alternativas.

Aunque el "rendimiento específico" del compresor VFD (kW / 100 acfm) es menos que ideal a bajas velocidades, sus pérdidas son menores que las pérdidas fijas de las alternativas de carga-descarga, especialmente en el extremo inferior. Sin embargo, tenga en cuenta cómo los compresores de carga y descarga son mejores en el extremo superior, y el dúplex cierra gran parte del perfil, excepto del 50% al 70%. Pero recuerde la calefacción de bajo nivel de aceite y la calefacción de alto devanado del motor en el extremo inferior.

Miremos un perfil de carga (Figura 3) que podría no ser adecuado para un solo compresor VFD. Es en el que hay múltiples demandas grandes que van y vienen, y presurización con baja demanda en el medio. Vea abajo. Cuando dimensiona su compresor en un 25% por encima de la demanda pico, podría terminar corriendo en un problema de rechazo en el otro extremo de este tipo de perfil. La demanda está en el extremo inferior de un compresor VFD de 50 hp 34 horas por semana. Dependiendo de si la producción es alta con frecuencia suficiente, es posible que desee utilizar un sistema de compresor múltiple para este tipo de demanda, idealmente un dúplex de 25 CV. Es una llamada de juicio.

Figura 3. Cargar perfiles con múltiples picos de demanda puede ser problemático para un solo VFD.

Aquí está mi regla sobre el correspondiente perfil de flujo : si un compresor VFD puede ser dimensionado para estar en el rango de flujo de 30-80% la mayor parte del tiempo, podría ser una buena opción.

El bajo tiempo de demanda no es excesivo

Esto está volviendo al problema de gama baja. Si la planta está presurizada todo el tiempo, pero solo funciona un turno, esto significa que el compresor de aire solo está alimentando fugas dos terceras partes del tiempo. Las plantas más pequeñas, donde los compresores VFD únicos funcionan bien, tienen menores cargas de fuga y más tiempo de inactividad para repararlas. El gráfico de la figura 4 es para una operación de dos turnos con un segundo turno bajo. Lo modifiqué para ser un turno, abajo. El tiempo de finalización baja fue de 80 horas por semana. Los compresores VFD simples son buenos para operaciones de dos y tres turnos, o aquellas en las que el compresor se apaga por la noche, no las operaciones de un solo turno que se mantienen presurizadas la mayor parte del tiempo.

Figura 4. Medición de períodos de baja demanda.

Esta es mi regla sobre la baja demanda: si la demanda está por debajo del 30% del tamaño del VFD, más del 30% de las veces, un solo compresor VFD podría no ser adecuado.

El proceso de producción es estable

Algunas plantas están diseñadas para hacer una cosa, y funcionan hasta que el equipo ha llegado al final de su vida útil o el mercado desaparece. Esto es típico cuando hay una gran inversión una vez, como un fabricante de películas extensibles con dos líneas de producción. Esta es una planta relativamente pequeña que puede ser alimentada por un compresor de aire de 50 hp, y las demandas no son tan cambiantes, la mayoría de presión estática y pequeños cilindros. En el extremo más grande, podría ser una pequeña planta corrugada o de cartón con una máquina.

Sin embargo, a medida que crecen, los sistemas se vuelven más aleatorios en su demanda y cambian con mayor frecuencia. Especialmente plantas que llamo "colecciones de autos clásicos". Estas plantas son una gran construcción de depósito en la que un grupo de inversores arroja maquinaria de producción usada al azar. Como un fabricante de plásticos para alimentos (operación de moldeo) o un "nutracéutico" (fabricante de píldoras para la salud). Dado que existe una gran cantidad de maquinaria usada disponible, y que se puede comprar y colocar en un camión de plataforma plana lo suficientemente fácil, la planta es una colección de máquinas usadas que se adaptan a los nichos de mercado. Los sistemas pequeños generalmente soportan de una a dos líneas de producción, y la planta se construye y se ejecuta en el suelo con esas líneas. Las plantas más grandes son a veces colecciones de líneas de producción siempre cambiantes. Puedes medir el flujo todo lo que quieras, y deberías hacerlo, pero no podrás alcanzar el punto óptimo de un compresor VFD.

Aquí está mi regla sobre la aleatoriedad de la demanda:   Si el sistema de producción de la planta es estable, un solo compresor VFD podría ser una buena opción.

El sistema está centralizado

Hacer funcionar un sistema de aire comprimido que tiene un compresor de aire VFD supuestamente único en un área y otros compresores enganchados, que estaba destinado a reemplazar, generalmente no termina funcionando bien después de unos años. Los otros compresores pueden iniciarse automática o manualmente y hacer que el VFD ya no funcione en su punto óptimo. Por lo tanto, evite estos escenarios mediante la aplicación de compresores VFD a sistemas ya centralizados, o centralice los sistemas mediante la desactivación de valores atípicos y la creación del centro.

En general, la mayoría de las plantas de fabricación estadounidenses más pequeñas no tienen una "sala de compresores" en absoluto. Los equipos de aire comprimido (compresores, secadores, tanques) están atascados donde sea que haya espacio, a menudo no en el mismo lugar. Yo llamo a estas "áreas de compresor". Las plantas más grandes y bien diseñadas tienen (o tenían) una sala de compresores centralizada que está diseñada lo suficientemente grande y tiene un suministro eléctrico y capacidad de enfriamiento adecuados para el sistema de aire comprimido con mayor potencial que pueda ser necesario. ¿Con qué frecuencia ocurre esto? No a menudo. Incluso los sistemas "centralizados" terminan en el "barrio pobre" de la planta, la parte antigua donde no se realizan inversiones, y el nuevo equipo y las adiciones salen a la periferia, y se agrega otro compresor. ¿No todos los edificios de producción nuevos necesitan un compresor? Los diseñadores de edificios piensan que sí ...

Como puede ver en mis comentarios, en base a la experiencia en cientos de plantas, la cantidad de plantas con salas de compresores centralizadas que permanecerán así no es mayoritaria. Como ingeniero de instalaciones, diseñador de sistemas o proveedor, debe mover la administración en esa dirección, si no de una sola vez, gradualmente. Considere la distribución de las tuberías, el almacenamiento y otros factores en esa decisión.

De todos modos, si tiene un circuito de tuberías lo suficientemente grande y una sala de compresor única al menos un 50% sobre la demanda máxima actual, probablemente esté bien asumiendo que la ubicación de la sala del compresor es estable durante toda la vida útil de la planta. Ahora puede ubicar un compresor VFD en esa habitación, proporcionar la refrigeración y la ventilación adecuadas, con su modo de espera justo al lado y la (s) secadora (s) para ambos. Idealmente con controles de demanda. De acuerdo, me estoy metiendo nuevamente en el diseño del sistema, me disculpo.

Aquí está mi regla sobre la centralización:   Si la sala del compresor es nueva o se puede modificar para centralizarla permanentemente, un único compresor VFD podría ser una buena opción.

Puede pagar una copia de seguridad de tamaño completo

Si gasta todos sus fondos en un compresor de aire y no puede obtener una copia de seguridad, simplemente redujo significativamente la confiabilidad de su planta. Usted es más confiable con dos compresores que funcionan desde hace 20 años que con uno nuevo. Los compresores VFD pueden ser complicados mientras superan la "mortalidad infantil", y si no tiene respaldo, es posible que la planta se cierre debido a la energía sucia, a la vibración, al aire de enfriamiento a altas temperaturas y a un montón de otras cosas que tus viejos compresores solían tolerar Entonces, si obtienes un nuevo Tesla, asegúrate de tener el viejo Lincoln Towncar listo para usar, o ve a buscar uno, y póngalo en modo de espera.

Aquí está mi regla sobre copia de seguridad:   Tenga una copia de seguridad de tamaño completo para un solo sistema de compresor VFD.

Conclusión

Si instala su único compresor VFD de acuerdo con estas reglas, tendrá buenas posibilidades de alcanzar sus objetivos, solo asegúrese de hacerlo.

1. Manténgase en un rango de velocidad de 30-80%.

2. Manténgase alejado de los sistemas siempre a presión de un turno.

3. Aplicar a sistemas estables.

4. Aplicar a sistemas centralizados.

5. Tener una copia de seguridad de tamaño completo.