تأثیر فشار سیستم فشار هوا قدرت کمپرسور - قسمت 2: تأثیر فشار سیستم بر کمپرسورهای گریز از مرکز

این دومین مقاله از یک سری هوای فشرده شده سه قسمتی توسط مارک کریسا ، مدیر - Global Services Solutions ، Ingersoll Rand

معمول است که متخصصان ارزیابی انرژی در هنگام تلاش برای کاهش مصرف انرژی سیستم هوای فشرده ، کمپرسورهای گریز از مرکز مانند کمپرسورهای جابجایی مثبت را درمان کنند. متأسفانه ، کمپرسورهای گریز از مرکز معمولاً بسیار بزرگتر هستند و محاسبات اشتباه می تواند به راحتی صدها هزار دلار صرفه جویی در انرژی بیش از حد را نشان دهد. این خطاها مخرب نیستند؛ آنها ناشی از بهترین روشهای ساده و تكمیل شده توسط افراد دارای دانش كمپرسور گریز از مرکز محدود است. این نوع دانش به راحتی در دسترس نیست و اکثر متخصصان ارزیابی انرژی به تیمهای مهندسی که مسئول توسعه فنی و طراحی کمپرسورهای گریز از مرکز هستند ، دسترسی ندارند. از دید واحد ، کمپرسورهای گریز از مرکز بخش کوچکی از بازار کمپرسور هستند ، بنابراین منابع دانش فنی از نظر محدود هستند.

شناسایی منابع کمپرسور فنی

این مهم است که تشخیص دهیم که افراد فروش هوای فشرده یکی از بزرگترین منابع اطلاعات فنی در ارتباط با سیستم ها و قطعات هوای فشرده را تشکیل می دهند. اگرچه برخی از فروشندگان مهندس فنی هستند ، اما یافتن كلمه "مهندس" كه به عنوان صفت در عنوان شغلی استفاده می شود ، معمول نیست. این که مهندس عنوانی با آموزش یا عملکرد شغلی باشد ، اطلاعات فنی دقیقی را تضمین نمی کند. به طور مشابه ، تجربه اصطلاحی است که اغلب برای دلالت دانش بزرگ در ارتباط با سالها تمرین به کار می رود. ممکن است تجربه برای عملکردهایی با نتایج علت و معلولی ساده یا کارهای تکراری که حافظه ماهیچه ای می تواند عملکرد را افزایش دهد ، داشته باشد. با این وجود ، در صنعتی که نتایج به ندرت با استفاده از ابزار دقیق در محیطهای کنترل شده اندازه گیری می شود ، بسیاری از اسطوره های فنی از بین می روند و در طی سالها تکرار ، واقعیتهای اثبات شده علمی هستند. به عنوان مثال ، قسمت اول این مقاله که ماه گذشته چاپ شد ، توضیح داد که چگونه از قدرت 1 درصد به فرض 2-psi سوءاستفاده می شود و چرا صحیح نیست.

کار در Ingersoll Rand ، یکی از بزرگترین تولید کنندگان و نوآوران جهان در زمینه تولید هوای فشرده ، در بسیاری از بحث های فنی با مهندسین با استعدادی که کمپرسورهای لازم برای زندگی را طراحی می کنند ، تسهیل می کند. مشارکت در بسیاری از تیمهای فنی مربوط به هوای فشرده شده با ISO ، CAGI و CSA همچنین فرصتی برای بحث سطح بالا با مهندسین سایر تولید کنندگان کمپرسور فراهم می کند. جالب اینجاست که هرگاه بحث در مورد موضوع فشار و نیرو برای کمپرسورها می شود ، تقریباً هر مهندس همان قدرت 1 درصد را به فرض 2-psi بازگرداند. پس از بحث در مورد ویژگی های سیستمیک و ترمودینامیک ، همه موافق هستند که بیانیه 2: 1 نادرست است اما بسیاری تصور می کنند این یک واقعیت است و آن را با نحوه عملکرد کمپرسور نسبت به فشار در لوله کشی شبکه ارتباط می دهد. به عنوان مهندسین جوان در صنعت ، بیانیه 2: 1 دانش فنی است که توسط مهندسین ارشد به اشتراک گذاشته شده است. به اشتباه تجربه و سن برای واقعیت علمی ، بسیاری از مفروضات بی گناه بدون تردید پیش رفتند.

به نظر می رسد برای بسته شدن ، این تئوری در اوایل دهه 1900 به عنوان یک برآورد معقول مبتنی بر معادله پیچیده ای است که برای محاسبه اسب بخار ترمز برای کمپرسورهای بزرگ متقابل نسبت به فشار داخل سیلندر به وجود آمده است. این با در نظر گرفتن تمام مؤلفه ها و تغییرات تکنولوژیکی که کمپرسورهای مدرن را تشکیل می دهند ، کاربردی نیست. نظریه 2: 1 دقیقاً مانند شایعه ای است که به طور تکراری با تفسیر هر شخص و به اشتراک گذاری متعاقب آن ، وارد داستان دیگری می شود. این امر زمانی اتفاق می افتد که محتوای پیچیده فنی قبل از رسیدن به میدان فروش افراد و سایر افراد که دانش کمپرسور را به بازار توزیع می کنند ، ساده شده و تعمیم یابد.

ویژگی های عملکرد کمپرسورهای گریز از مرکز

بر خلاف کمپرسورهای جابجایی مثبت که در آنها فشار تابعی از نیروهای مکانیکی (قدرت) است که روی سطحی کار می کنند که از نظر فیزیکی حجم بسته را کاهش می دهد ، کمپرسورهای گریز از مرکز نمی توانند با افزایش قدرت فشارهای خود را افزایش دهند. یک کمپرسور گریز از مرکز ، همچنین به عنوان یک کمپرسور پویا شناخته می شود ، فشار را به روشی متفاوت ایجاد می کند. جرم معینی از هوا از طریق پروانه تسریع می شود و انرژی جنبشی را منتقل می کند. هوا از طریق دیفیوزر عبور می کند ، سرعت را کاهش می دهد و بخشی از انرژی جنبشی را به گرما و انرژی بالقوه تبدیل می کند. این خود را به صورت افزایش فشار هوا و درجه حرارت نشان می دهد. بسته به نیاز فشار کمپرسور ، هوا مراحل مشابه را طی مراحل بعدی طی می کند و به سمت فشار فشار طراحی می شود. برای بهبود کارآیی ، برخی یا تمام مراحل قبل از ورود به مرحله بعدی هوا را خنک می کند. برای اهداف بحث ، توضیحات عملی در تلاش برای ماندن در محدوده ساده شده است. قابلیت فشار یک کمپرسور گریز از مرکز با طراحی آیرودینامیکی اجزای داخلی ، شرایط محیط ، سرعت چرخش و خنک کننده هوا بین مراحل دیکته می شود.

روابط بین جریان ، فشار و قدرت برای یک کمپرسور گریز از مرکز به طور معمول با استفاده از یک منحنی عملکرد بر اساس شرایط محیط مشخص ، آب خنک کننده و اجزای داخلی اعمال شده بیان می شود. در نتیجه ، با تغییر شرایط محیط در طول سال ، عملکرد - و مهمترین آنها - قابلیت های فشار تغییر می کند. برای نشان دادن این اثر در شکل 1 از یک منحنی کاری که شامل داده های همپوشانی از سه مجموعه شرایط محیطی است استفاده می شود.

شکل 1 - منحنی های عملکرد کمپرسور گریز از مرکز

منحنی عملکرد از دو بخش تشکیل شده است: منحنی جریان فشار و منحنی جریان جریان. منحنی جریان فشار دارای فشار به محور عمودی است و در محور افقی جریان می یابد. منحنی جریان نیرو در محور عمودی قدرت دارد و در محور افقی جریان می یابد. مقادیر جریان برای هر محور افقی تراز است ، بنابراین هر منحنی جریان فشار دارای یک منحنی جریان جریان جریان مطابقت است. توجه داشته باشید که با کاهش دمای محیط ، منحنی طبیعی به سمت بالا و به سمت راست می رود. با نگاه به منحنی های قرمز برای قدرت و فشار با توجه به جریان ، حرکت از چپ به راست ، یک خط عمودی که از هر دو منحنی تقاطع دارد ، فشار و قدرت طراحی را برای آن جریان خاص و شرایط محیط نشان می دهد. با حرکت از چپ به راست ، متوجه شوید که چگونه قدرت با افزایش فشار در اوج خود افزایش می یابد و با حرکت بیشتر به سمت راست ، کاهش می یابد. این نشان می دهد که چگونه قدرت مستقیماً با تغییر فشار متناسب نیست. این رابطه مبتنی بر طراحی آیرودینامیکی اجزای داخلی است. برخی از کمپرسورهایی که از پروانه طراحی شعاعی استفاده می کنند ، حداکثر راندمان را در بالای منحنی درست قبل از افزایش طبیعی دارند. طراحی با عقب به عقب ممکن است با کاهش فشار کارآیی را افزایش دهد و یا در مقطعی از منحنی به راندمان اوج برسد و در فشارهای پایین کاهش یابد.

با مراجعه به منحنی جریان فشار قرمز ، توجه داشته باشید که با کاهش فشار ، جریان برای کمپرسور افزایش می یابد. هنگامی که مونتاژ ورودی 100٪ باز باشد ، یک کمپرسور گریز از مرکز نسبت به منحنی طبیعی عملکردی انجام می دهد ، یا به اندازه کافی که باز کردن مونتاژ بیشتر هیچ تاثیری در فشار گلو ورودی ندارد. کمپرسور که در حداکثر حالت کار می کند ، گاهی اوقات به عنوان کار با بار کامل - یا در قسمت فعال منحنی - که در آن جریان با توجه به فشار تغییر می کند ، گفته می شود. با کاهش فشار ، جریان افزایش می یابد اما متوجه می شوید که با کاهش فشار ، شیب منحنی چگونه تغییر می کند. سرانجام هنگامی که کمپرسور به ناحیه ای بنام خفگی یا سنگ تراشی حرکت می کند ، منحنی بدون علامت - مستقیم و پایین می شود.

در این مرحله ، افت فشار بسیار کمی دارد و هیچ تغییری در جریان یا نیرو ندارد. هنگامی که کمپرسور در حالت خفگی یا پایین کار می کند ، قدرت کاهش نمی یابد. هنگامی که کمپرسور دچار خفه شدن است ، سرعت در برخی از نقاط داخل کمپرسور به آستانه صوتی رسیده است. پس از آن ، کمپرسور فشار داخلی را در حداقل مقدار مستقل از فشار تخلیه خارجی به کمپرسور حفظ می کند. در اصل ، فشار داخلی با توجه به فشار خارجی کاهش می یابد تا زمانی که به حداقل فشار داخلی برسد. در زیر این مقدار کمترین فشار ، فشار در سیستم کاهش می یابد در حالی که فشار داخلی در حداقل مقدار محدود شده توسط حداکثر سرعت صوتی باقی می ماند.

فشار بالا با توانایی کمپرسور در تبدیل انرژی جنبشی به فشار محدود است. در برخی از تعادل انرژی ، فشار تولید شده کمتر از فشار داخلی است و باعث عدم ثبات بعضاً برگشت جریان یا افزایش جریان می شود. عملکرد کمپرسور در فشار فشار نزدیک یا نزدیک به آن ناپایدار است. توانایی فشار یا فشار طبیعی افزایش تنها در صورت افزایش تراکم هوای ورودی افزایش می یابد. این پدیده با حداقل جریان پایدار به نام افزایش دریچه گاز رخ می دهد. اگر تقاضا برای هوا کمتر از فشار مورد نیاز باشد ، مونتاژ ورودی تعدیل می کند و فشار و جریان ورودی گلو را کاهش می دهد. این معمولاً به یک کمپرسور که در مدولاسیون ، بر روی دریچه گاز یا فشار ثابت کار می کند ، گفته می شود.

تأثیر فشار بر قدرت کمپرسور گریز از مرکز

با نگاهی به عملکرد در قسمت فعال منحنی ، شکل 2 تغییرات دقیق جریان و قدرت را نسبت به فشار تخلیه نشان می دهد.

شکل 2 - نمونه عملکرد داده های کمپرسور گریز از مرکز

داده ها در شکل 2 براساس عملکرد آزمایش شده برای یک کمپرسور گریز از مرکز خاص است. با نگاهی به عملکرد کمپرسور در 121 psig و 111 psig ، کاهش فشار از 121 به 111 psig فقط باعث کاهش قدرت 5 اسب بخار می شود. این نشان دهنده کمتر از 0.35 درصد کاهش در قدرت شافت است. قانون 5/0 درصد در هر psig (توصیف شده در قسمت 1: فشار کمپرسور تأثیرات فشار سیستم هوایی که در ماه ژوئیه بهترین روشهای هوای فشرده شده را اجرا کرد) کاربرد ندارد. این انتظار می رود کاهش 5 درصدی قدرت با پیش بینی 50،000 دلار در سال ، بر خلاف 3000 دلار تحقق یافته ، کاهش دهد. در این مثال ، تخمین پس انداز می تواند به شدت بیش از 16 برابر ارزش واقعی اغراق شود.

از آنجایی که کمپرسور در این مثال در محدوده فعال منحنی کار می کند ، جریان 100 sc پیمانه در دقیقه افزایش می یابد. با فرض اینکه تقاضا یکسان باقی بماند و قدرت کمپرسور مستقیماً متناسب با تغییر جریان تغییر کند ، قدرت شافت کمپرسور در مجموع 27 اسب بخار یا 1.8 درصد کاهش می یابد. این کمتر از 36 درصد پس انداز تخمین زده شده با استفاده از قانون 5/5 درصد در هر قانون ، و 18،000 دلار پس انداز در مقابل 50،000 دلار با استفاده از محاسبه نادرست اعمال می شود. اگر کمپرسور بطور معمول با استفاده از ونهای راهنمای ورودی صحیح استفاده شده در حالت مدوله شده کار کند ، توان شافت 1.7 درصد کاهش می یابد.

لازم به ذکر است که برخلاف کمپرسورهای پیچ دوار ، شماره های مدل کمپرسور گریز از مرکز لزوماً عملکرد کمپرسور را نشان نمی دهد. چندین ترکیب پروانه / پراکندگی متفاوت ممکن است برای ریخته گری ، طراحی و موتور خاص داده شده استفاده شود. معمولاً به ترکیبی از پروانه ها و دیفیوزرها به عنوان "هوادهی" کمپرسور گفته می شود. چندین بسته هوایی مختلف برای یک شماره مدل کمپرسور معین قابل استفاده است و هر کدام قابلیت عملکرد منحصر به فرد خود را دارند. نمی توان از یک منحنی عمومی - یا حتی از همان مدل کمپرسور- منحنی استفاده کرد - مگر اینکه سازنده تأیید کند که کمپرسورها با استفاده از همین Aero تولید شده اند.

اطمینان از داده ها برای اصلاح شرایط سایت یا طیف وسیعی از شرایط اگر محیط با توجه به زمان تغییر کند ، به همان اندازه مهم است. با استفاده از شکل 1 ، سه منحنی (از چپ به راست) داده های مربوط به شرایط محیط در دمای 95 درجه فارنهایت ، 70 درجه فارنهایت و 30 درجه فارنهایت را نشان می دهد. بر اساس چگونگی تغییر منحنی عملکرد نسبت به دما ، پیدا کردن کمپرسورهایی که برای چند ماه در سال در خفگی کار می کنند ، غیر معمولی نیست. این قابل توجه است زیرا هرگونه تخمین برای صرفه جویی در مصرف انرژی در رابطه با فشار باید زمان ، دما و محل قرارگیری در منحنی را در نظر بگیرد. بدون این داده ها ، هرگونه تلاش برای برآورد پس انداز مربوط به فشار ممکن است گمراه کننده باشد. در بعضی موارد ، با كاهش فشار ، توان افزایش می یابد.

صرفه جویی در مصرف انرژی برای کمپرسورهای گریز از مرکز

حداکثر توان فشار یک کمپرسور خاص بر اساس بسته هوازی ، شرایط محیط و شرایط مکانیکی است. حداکثر فشار کار با افزایش فشار کمپرسور در بالای منحنی محدود است. به این نقطه فشار طبیعی گفته می شود. با استفاده از شکل 1 ، خط افقی صورتی خط فشار ثابت را نشان می دهد. هنگامی که تقاضا کمتر از حداکثر جریان از کمپرسور باشد ، ورودی را کاهش می دهد تا جریان را کاهش دهد. در هنگام پرتاب شدن کمپرسور ، با استفاده از ونهای راهنمای ورودی ، بازده معقول و منطقی ثابت باقی می ماند. قدرت پرتاب شده در منحنی جریان جریان پایین به عنوان خط مورب نشان داده شده است. حداقل جریان پرتابی برای یک کمپرسور گریز از مرکز بر اساس طراحی محدود است. به دنبال خط افقی صورتی در شکل 1 از سمت چپ ، حداقل جریان پایدار توسط نقطه‌ای تعیین می شود که خط فشار ثابت از خط افزایش دریچه گاز عبور می کند. اگر کمپرسور سعی کند جریان را به کمتر از این نقطه تقاطع محدود کند ، کمپرسور بالا می رود. به دلایل واضح ، این امر را افزایش گاز دریچه گاز می نامند. خط افزایش گاز دریچه گاز را می توان در شکل 1 به عنوان خط مورب آبی در طرح فشار جریان مشاهده کرد.

اگر تقاضای هوا کمتر از این محدودیت حداقل باشد ، هوای اضافی برای جبران تفاوت بین حداقل جریان پایدار و تقاضای تقاضا ، به جو تخلیه می شود. متأسفانه ، پس از متوقف کردن کمپرسور ، قدرت تغییر نمی کند. در نتیجه تمام هوایی که در جو تخلیه می شود هدر می رود. برای یک کمپرسور که به طور مکرر با هوای دور از دسترس به جو کار می کند ، کاهش فشار باعث کاهش جریان در هنگام افزایش دریچه گاز می شود. پس از تنظیم تنظیمات کنترلی ، یک کمپرسور که با حداقل جریان کار می کند ، با افزایش قابلیت های دریچه گاز نسبت به کاهش جریان افزایش نیروی دریچه گاز ، قدرت را کاهش می دهد. این تنها در صورتی اتفاق می افتد که کمپرسور هوا را وارد جو کند و کنترل ها به کمپرسور اجازه دهند تا ورودی را تعدیل کند ، این امر باعث افزایش قابلیت های دریچه گاز و کاهش قدرت می شود. بار دیگر ، منحنی های عملکرد سایت اصلاح شده برای تعیین کمیت پس انداز احتمالی مورد نیاز سایت هستند.

توانایی عملکرد یک کمپرسور نزدیک به افزایش دریچه گاز با پیچیدگی الگوریتم های کنترل ، متغیر دریچه گاز مورد استفاده و نحوه تنظیم حلقه های PID کمپرسور نسبت به پویایی سیستم محدود است. شکل 1 با تنظیم تنظیم حلقه PID کمپرسور ، کاهش قدرت همراه با تنظیم حد مجاز گاز دریچه کمپرسور از یک تنظیم محافظه کار را به یک تنظیم کارآمد تر نشان می دهد ، بنابراین میزان واکنش کمپرسور با نرخ تغییرات تقاضا مطابقت دارد. تغییر در قدرت همراه با تنظیمات در سیستم کنترل را می توان با نگاه کردن به دو خط عمودی ، ارغوانی و قهوه ای عمودی از خط فشار ثابت تا خط برق پرتاب شده در شکل 1 مشاهده کرد. برای این کمپرسور قدرت 160 اسب بخار کاهش یافته است بدون سرمایه گذاری کمپرسور هنوز هوا را از جو دور می کند ، اما مقدار آن 980 scfm کاهش یافت ، که با تعدیل کمپرسور نزدیک به مقدار افزایش گاز دریچه گاز همراه است. ذکر این نکته حائز اهمیت است که حد مجاز کنترل فشار دریچه گاز معمولاً به دلایلی تنظیم شده است. تجزیه و تحلیل مناسب علت اصلی برای تعریف مشکلات تأثیرگذار بر تنظیمات بالا مورد نیاز است. به عنوان سازمانی که صدها سیستم کمپرسور گریز از مرکز را با استفاده از جزئیات فنی و تجزیه و تحلیل پیشرفته ممیزی کرده است ، Ingersoll Rand متوجه می شود که اقدامات اصلاحی ممکن است بین سیستم ها تفاوت قابل توجهی داشته باشد. در برخی شرایط ، با اصلاح یک مشکل پیچیده با یک سرمایه گذاری 100 دلاری ، می توان شش پس انداز رقم را تحقق بخشید. برعکس ، پس انداز می تواند نیاز به اصلاحات پیچیده و گران داشته باشد که قابل توجیه نباشند.

ارزیابی عملکرد کمپرسور گریز از مرکز

ذکر این نکته حائز اهمیت است که عملکرد یک کمپرسور گریز از مرکز به دلیل تخریب مکانیکی اجزای داخلی می تواند با گذشت زمان به طرز چشمگیری تغییر کند. اگرچه مسائل عمده مربوط به مجموعه های دوار را می توان از طریق خواندن لرزش بالا شناسایی کرد ، اما فرسایش پروانه ها و پراکندگی ها می توانند قابلیت فشار ، قابلیت اطمینان و کارآیی یک کمپرسور گریز از مرکز با تأثیر ناچیز در ارتعاش را کاهش دهند. به همین دلیل ، ارزیابی عملکرد باید برای هر کمپرسور گریز از مرکز به طور منظم و به عنوان بخشی از هر پروژه حفاظت از انرژی انجام شود. هرگونه ارزیابی سیستم هوای فشرده شده که شامل آزمایش دقیق و آنالیز عملکرد کمپرسور نمی شود ، داده های ناکافی یا مشکوکی را در بر می گیرد و ممکن است نشانه ای از صلاحیت کمپرسور گریز از مرکز حسابرس باشد.

این نکته همچنین حائز اهمیت است که تعمیرات قبلی به یک کمپرسور گریز از مرکز ممکن است عملکرد قابل توجهی تغییر داده باشد. برخی از ارائه دهندگان خدمات پس از فروش اجزای هوایی داخلی را که با طرح اصلی مطابقت ندارند جایگزین می کنند. در برخی موارد ، به جای تعویض قطعات ، می توان با سنگ زنی پره های پروانه و تعادل مجدد مجامع ، هزینه صرفه جویی کرد. این موارد به ارتعاش می پردازد اما می تواند عملکرد را به طور چشمگیری تغییر دهد.

با مراجعه به منحنی در شکل 1 ، این کمپرسور قادر است 135 psig را در شرایط 95 درجه فارنهایت تحویل دهد. اگر این کمپرسور به عنوان یک قطعه 90 psig فروخته شود ، بسیاری از ارائه دهندگان خدمات گریز از مرکز فشار فشار طبیعی را آزمایش می کنند و آن را یک تست عملکرد می دانند. با داشتن بسیاری از مهندسان هواپيماي کمپرسور در زمینه توسعه و تأييد آناليز عملکرد عملکرد کمپرسور گریز از مرکز و روشهای آزمایشی غیرتحرک در محل ، به جرات می توان گفت که برای ارزیابی عملکرد کمپرسور نسبت به تست فشار و ارتعاش فشار قابل توجهی وجود دارد. مفروضات سرویس کمپرسور گریز از مرکز معمولی ، فشار طبیعی افزایش بیش از 10-15 درصد بالای فشار طراحی را بدون توجه به دما ، طبیعی می دانند. در نتیجه ، تست فشار کمپرسور در شکل 1 و دستیابی به فشار طبیعی افزایش بیش از 103 psig ، تأیید مثبت عملکرد توسط بسیاری از سازمانها تلقی می شود. این کار با هدف مخرب انجام نمی شود ، به ابتدای این مقاله و موضوعات مرتبط با تجربه و دانش درک شده پیوند می یابد. درست همانطور که مهندس نادرست می تواند پس از تخمین ، 100،000 دلار پس انداز را تخمین بزند ، بسیاری از تکنسین های میدانی آنچه را که گفته می شود را اجرا می کنند ، یک آزمایش عملکرد است ، ناخواسته از شناسایی عملکرد کمپرسور تخریب شده و قابلیت اطمینان.

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