Gaisa sistēmas spiediens ietekmē kompresora jaudu - 2.daļa: Sistēmas spiediena ietekme uz centrbēdzes kompresoriem
Šis ir otrais raksts trīsdaļīgu saspiesta gaisa sērijās, ko izveidojis Marks Krisa, Ingersoll Rand Globālo pakalpojumu risinājumu direktors
Ir ierasts redzēt, ka enerģijas novērtēšanas speciālisti centrbēdzes kompresorus izturas kā pret pozitīvas pārvietošanās kompresoriem, mēģinot samazināt saspiestā gaisa sistēmas enerģijas patēriņu. Diemžēl centrbēdzes kompresori parasti ir daudz lielāki, un kļūdaini aprēķini var radīt simtiem tūkstošu dolāru pārvērtētu enerģijas ietaupījumu. Šīs kļūdas nav ļaunprātīgas; tie izriet no pārāk vienkāršotas labākās prakses, ko turpina cilvēki ar ierobežotām zināšanām par centrbēdzes kompresoru. Šāda veida zināšanas nav viegli pieejamas, un lielākajai daļai enerģijas novērtēšanas speciālistu nav piekļuves inženieru grupām, kas ir atbildīgas par centrbēdzes kompresoru tehnisko attīstību un projektēšanu. No vienības viedokļa centrbēdzes kompresori ir neliela kompresoru tirgus daļa, tāpēc tehniski zinoši resursi ir ierobežoti.
Tehnisko kompresoru resursu identificēšana
Ir svarīgi atzīt, ka cilvēki ar saspiestu gaisu ir viens no lielākajiem tehniskās informācijas avotiem, kas saistīts ar saspiesta gaisa sistēmām un komponentiem. Lai arī daži tirdzniecības cilvēki ir tehniski kompetenti inženieri, nav nekas neparasts, ja amata nosaukumā vārdu “inženieris” izmanto kā īpašības vārdu. Neatkarīgi no tā, vai inženieris ir nosaukums pēc izglītības vai darba funkcijas, tas negarantē tehniski precīzu informāciju. Tāpat pieredze ir termins, ko bieži lieto, lai norādītu uz lielām zināšanām, kas saistītas ar gadu praksi. Pieredzei var būt nozīme funkcijām ar vienkāršiem cēloņu un seku iznākumiem vai atkārtotiem uzdevumiem, kur muskuļu atmiņa var uzlabot sniegumu. Tomēr rūpniecībā, kur reti tiek mērīti rezultāti, izmantojot precīzu instrumentu vadību kontrolētā vidē, daudzi tehniskie mīti sabojājas un, gadiem ilgi atkārtojoties, tiek uzskatīti par zinātniski pierādītiem faktiem. Piemēram, šī raksta pirmajā daļā, kas tika izdrukāts pagājušajā mēnesī, tika paskaidrots, kā tiek izmantots pieņēmums par 1 procentu jaudu līdz 2 psi un kāpēc tas nav pareizs.
Darbs Ingersoll Rand, vienā no pasaules lielākajiem saspiesta gaisa produktu ražotājiem un novatoriem, atvieglo iespēju daudzām tehniskām diskusijām ar talantīgiem inženieriem, kas projektē kompresorus iztikai. Dalība daudzās ar saspiestu gaisu saistītās tehniskās grupās ar ISO, CAGI un CSA nodrošina arī iespēju augsta līmeņa diskusijām ar citu kompresoru ražotāju inženieriem. Interesanti, ka, apspriežot kompresoru spiediena un jaudas tēmu, gandrīz katrs inženieris regurgitē to pašu 1 procentu jaudu līdz 2 psi pieņēmumam. Pēc sistēmisko īpašību un termodinamikas apspriešanas visi piekrīt, ka apgalvojums 2: 1 ir neprecīzs, taču daudzi uzskata, ka tas ir fakts, un to saista ar kompresora darbību attiecībā pret spiedienu tīkla cauruļvados. Kā jaunie inženieri nozarē, 2: 1 paziņojums bija par vecāko inženieru dalītajām tehniskajām zināšanām. Kļūdaina pieredze un zinātnisko faktu vecums, daudzi nevainīgi pieņēmumi palika neapšaubāmi.
Slēgšanas nolūkā teorija, šķiet, ir cēlusies 1900. gadu sākumā kā pamatots aprēķins, kura pamatā ir sarežģīts vienādojums, ko izmanto, lai aprēķinātu bremzēšanas jaudu lieliem virzošajiem kompresoriem attiecībā pret spiedienu cilindrā. Tas nav piemērojams, ņemot vērā visas sastāvdaļas un tehnoloģiskās izmaiņas, kas veido mūsdienu kompresorus. 2: 1 teorija ir gluži kā baumas, ka iteratīvi pārvēršas citā stāstā ar katra cilvēka interpretāciju un turpmāko dalīšanos. Tas notiek, ja tiek vienkāršots un vispārināts sarežģīts tehniskais saturs, pirms tiek sasniegti tirdzniecības darbinieki un citas personas, kas tirgū izplata zināšanas par kompresoriem.
Centrbēdzes kompresoru darbības raksturojums
Atšķirībā no pozitīvas pārvietošanas kompresoriem, kuros spiediens ir mehānisku spēku (jaudas) funkcija, kas iedarbojas uz virsmu, kas fiziski samazina slēgtu tilpumu, centrbēdzes kompresori nevar palielināt savas spiediena iespējas, palielinot jaudu. Centrbēdzes kompresors, pazīstams arī kā dinamiskais kompresors, rada spiedienu citādā veidā. Noteiktā gaisa masa tiek paātrināta caur lāpstiņriteni un piešķir kinētisko enerģiju. Gaiss iet caur difuzoru, samazina ātrumu un daļu kinētiskās enerģijas pārveido siltumā un potenciālajā enerģijā. Tas izpaužas kā paaugstināts gaisa spiediens un temperatūra. Atkarībā no kompresora spiediena prasībām, gaiss nākamajos posmos iziet to pašu procesu un veidojas uz projektētā spiediena prasībām. Lai uzlabotu efektivitāti, daži vai visi posmi atdzesē gaisu, pirms tas nonāk nākamajā posmā. Diskusiju nolūkos darbības skaidrojums ir vienkāršots, cenšoties palikt tajā. Centrbēdzes kompresora spiediena spējas nosaka iekšējo komponentu aerodinamiskais dizains, apkārtējie apstākļi, rotācijas ātrums un gaisa dzesēšana starp posmiem.
Centrbēdzes kompresora attiecības starp plūsmu, spiedienu un jaudu parasti izsaka, izmantojot veiktspējas līkni, kuras pamatā ir noteikti apkārtējās vides apstākļi, dzesēšanas ūdens un pielietotie iekšējie komponenti. Tā rezultātā, mainoties apkārtējās vides apstākļiem visu gadu, mainās arī veiktspējas spiediena iespējas. Lai parādītu šo efektu 1. attēlā, tiek izmantota darba līkne, kas sastāv no trīs vides apstākļu kopumu datu pārklāšanās.
1. attēls - centrbēdzes kompresora veiktspējas līknes
Veiktspējas līkni veido divas daļas: spiediena un plūsmas līkne un jaudas un plūsmas līkne. Spiediena un plūsmas līknei ir spiediens uz vertikālo asi un plūsma uz horizontālās ass. Jaudas un plūsmas līknei ir jauda uz vertikālās ass un plūsma uz horizontālās ass. Katras horizontālās ass plūsmas vērtības ir izlīdzinātas, lai katrai spiediena un plūsmas līknei būtu atbilstoša jaudas un plūsmas līkne. Ievērojiet, kā dabiskā līkne virzās augšup un pa labi, pazeminoties apkārtējās vides temperatūrai. Aplūkojot sarkanās jaudas un spiediena līknes attiecībā pret plūsmu, virzoties no kreisās uz labo, vertikāla līnija, kas šķērso abas līknes, parāda projektēto spiedienu un jaudu šai specifiskajai plūsmai un apkārtējiem apstākļiem. Pārejot no kreisās uz labo pusi, pamaniet, kā sākotnēji jauda palielinās, spiedienam samazinoties, un pēc tam samazinās, virzoties tālāk pa labi. Tas parāda, kā jauda nav tieši proporcionāla spiediena izmaiņām. Šīs attiecības ir balstītas uz iekšējo komponentu aerodinamisko dizainu. Dažiem kompresoriem, kas izmanto radiālā dizaina lāpstiņriteni, maksimālā efektivitāte ir līknes augšpusē tieši pirms dabiskā pārsprieguma. Retrospektīvs noliekums var palielināt efektivitāti, samazinoties spiedienam vai sasniegt līknes maksimālo efektivitāti kādā līknes punktā, un pēc tam samazināties pie zemāka spiediena.
Atsaucoties uz sarkano spiediena un plūsmas līkni, ņemiet vērā, ka, samazinoties spiedienam, palielinās kompresora plūsma. Centrbēdzes kompresors darbojas attiecībā pret dabisko līkni, kad ieplūdes mezgls ir atvērts 100 procentiem, vai arī pietiekami, lai mezgla atvēršana vairāk neietekmētu ieplūdes rīkles spiedienu. Kompresoru, kas darbojas maksimālā stāvoklī, dažreiz sauc par darbošanos ar pilnu slodzi - vai par aktīvo līknes daļu, kur mainās plūsma attiecībā pret spiedienu. Plūsma palielinās, samazinoties spiedienam, taču ievērojiet, kā, samazinoties spiedienam, mainās līknes slīpums. Galu galā līkne kļūst asimptotiska - taisni uz augšu un uz leju -, kad kompresors pārvietojas uz reģionu, kas pazīstams kā aizrīties vai akmens siena.
Šajā brīdī spiediena pazemināšanās laikā plūsma vai jauda nemainās. Jauda nesamazinās, ja kompresors darbojas ar droseli vai zem tās. Kad kompresors ir aizrīties, ātrums dažos kompresora punktos ir sasniedzis skaņas slieksni. Pēc tam kompresors saglabā iekšējo spiedienu pie minimālās vērtības, neatkarīgi no kompresora ārējā izplūdes spiediena. Būtībā iekšējais spiediens samazinās attiecībā pret ārējo spiedienu, līdz tas sasniedz minimālo iekšējo spiedienu. Zem šīs minimālās vērtības spiediens sistēmā tikai samazinās, kamēr iekšējais spiediens paliek pie minimālās vērtības, ko ierobežo skaņas ātruma robeža.
Augstāko spiedienu ierobežo kompresora spēja konvertēt kinētisko enerģiju spiedienā. Zināmā enerģijas bilancē radītais spiediens ir mazāks par iekšējo spiedienu, izraisot nestabilitāti, ko dažreiz sauc par plūsmas maiņu vai pārspriegumu. Kompresora darbība ir nestabila pārsprieguma spiedienā vai tuvu tam. Spiediena iespējas vai dabiskais pārsprieguma spiediens var palielināties tikai tad, ja palielinās ieplūdes gaisa blīvums. Šī pati parādība notiek minimālā stabilā plūsmas stāvoklī, ko sauc par droseļvārsta pārspriegumu. Ja gaisa pieprasījums ir mazāks par nepieciešamā spiediena piegādi, ieplūdes mezgls modulējas, samazinot spiedienu ieplūdes kaklā un plūsmu. To parasti sauc par kompresoru, kas darbojas modulācijā, uz droseles vai pie pastāvīga spiediena.
Spiediena ietekme uz centrbēdzes kompresora jaudu
Aplūkojot veiktspēju līknes aktīvajā daļā, 2. attēlā parādītas detalizētas plūsmas un jaudas izmaiņas attiecībā pret izplūdes spiedienu.
2. attēls - Centrbēdzes kompresora veiktspējas datu paraugs
Dati 2.att. Ir balstīti uz pārbaudītām īpašām centrbēdzes kompresoru funkcijām. Aplūkojot kompresora veiktspēju pie 121 psig un 111 psig, spiediena samazināšana no 121 psl līdz 111 psig samazina jaudu tikai par 5 zirgspēkiem. Tas nozīmē mazāk nekā par 0,35 procentiem samazinātu vārpstas jaudu. Neattiecas noteikums .5 procenti par psig (aprakstīts 1. daļā: Gaisa sistēmas spiediens ietekmē kompresora jaudu, kas bija spēkā jūlija izdevumā “Saspiestā gaisa paraugprakse”). Būtu paredzējis jaudas samazinājumu par 5 procentiem, paredzot ietaupījumus 50 000 USD gadā, pretstatā realizētajiem 3000 USD. Šajā piemērā ietaupījumu aprēķini varētu būt izteikti pārspīlēti, lai vairāk nekā 16 reizes pārsniegtu faktisko vērtību.
Tā kā šajā piemērā kompresors darbojas līknes aktīvajā diapazonā, plūsma palielinās par ~ 100 scfm. Pieņemot, ka pieprasījums nemainās un kompresora jauda mainās tieši proporcionāli plūsmas izmaiņām, kompresora vārpstas jauda tiek samazināta par kopumā 27 zirgspēkiem jeb 1,8 procentiem. Tas ir mazāk nekā 36 procenti no ietaupījumiem, kas aprēķināti, izmantojot .5 procentus par psig īkšķa likumu, nodrošinot nepareizi piemērotu aprēķinu, ietaupot USD 18 000 pretstatā USD 50 000. Ja kompresors parasti darbojas modulētā stāvoklī, izmantojot pareizi uzliktas ieplūdes vadības lāpstiņas, vārpstas jauda tiek samazināta par 1,7 procentiem.
Ir svarīgi atzīmēt, ka atšķirībā no rotācijas skrūvju kompresoriem, centrbēdzes kompresoru modeļu numuri nebūt nenozīmē kompresora veiktspēju. Dotajai ārējai liešanai, konstrukcijai un motoram var izmantot vairākas dažādas lāpstiņriteņa / difuzora kombinācijas. Lāpstiņriteņu un difuzoru kombinācija parasti tiek saukta par kompresora “aero”. Konkrētam kompresora modeļa numuram var izmantot vairākas dažādas aviācijas paketes, un katrai no tām ir sava unikālā veiktspējas spēja. Nevar izmantot vispārēju līkni vai pat tā paša kompresora modeļa līkni, ja vien ražotājs nav apstiprinājis, ka kompresori ir ražoti, izmantojot to pašu aerosolu.
Tikpat svarīgi ir nodrošināt, ka dati tiek laboti, ņemot vērā vietas apstākļus vai apstākļu diapazonu, ja apkārtējā vide mainās attiecībā pret laiku. Atsauces 1. attēlā trīs līknes (no kreisās uz labo) attēlo datus par apkārtējiem apstākļiem 95 ° F, 70 ° F un 30 ° F. Balstoties uz to, kā veiktspējas līkne mainās attiecībā pret temperatūru, nav nekas neparasts atrast kompresorus, kas vairākus gadus gadā darbojas ar aizrīties. Tas ir svarīgi, jo, aprēķinot enerģijas ietaupījumus, kas saistīti ar spiedienu, jāņem vērā laiks, temperatūra un atrašanās līknē. Bez šiem datiem visi mēģinājumi novērtēt ietaupījumus, kas saistīti ar spiedienu, var būt maldinoši. Dažos gadījumos jauda var palielināties, samazinoties spiedienam.
Enerģijas ietaupījums centrbēdzes kompresoriem
Konkrēta kompresora maksimālā spiediena iespējas ir balstītas uz aero paketi, apkārtējiem apstākļiem un mehāniskajiem apstākļiem. Maksimālo darba spiedienu ierobežo kompresors, kas līknes augšpusē kāpj. Šo punktu sauc par dabisko pārsprieguma spiedienu. Atsauces 1. att. Rozā horizontālā līnija apzīmē pastāvīgā spiediena līniju. Kad pieprasījums ir mazāks par maksimālo plūsmu no kompresora, ieplūdes droseles samazina plūsmu. Izmantojot ieplūdes vadotnes, efektivitāte paliek samērā nemainīga, kamēr kompresors droseli. Droseļvārsta jauda tiek parādīta uz apakšējās jaudas un plūsmas līknes kā diagonālā līnija. Centrbēdzes kompresora minimālā droseļvārsta plūsma ir ierobežota, pamatojoties uz dizainu. Pēc rozā horizontālās līnijas 1. attēlā pa kreisi minimālo stabilo plūsmu nosaka punkts, kurā pastāvīgā spiediena līnija šķērso droseļvārsta pārsprieguma līniju. Ja kompresors mēģina ierobežot plūsmu līdz mazākai par šo krustošanās punktu, kompresors palielinās. Acīmredzamu iemeslu dēļ to sauc par droseļvārsta pārspriegumu. Droseļvārsta pārsprieguma līnija ir redzama 1. attēlā kā zilā diagonālā līnija spiediena un plūsmas grafikā.
Ja gaisa pieprasījums ir mazāks par šo minimālo ierobežojumu, lieko gaisu izvada atmosfērā, lai kompensētu atšķirību starp minimālo stabilu plūsmu un pieprasījuma prasībām. Diemžēl pēc tam, kad kompresors pārtrauc droseļvārsta darbību, jauda nemainās. Līdz ar to viss atmosfērā novadītais gaiss tiek izšķiests. Kompresoram, kas bieži darbojas ar gaisa plūsmu uz atmosfēru, spiediena pazemināšana samazina plūsmu tur, kur notiek droseles pārspriegums. Pēc vadības iestatījumu pielāgošanas kompresors, kas darbojas ar minimālu plūsmu, joprojām samazina jaudu, palielinot droseļvārsta iespējas salīdzinājumā ar samazinātu droseles pārsprieguma plūsmu. Tas notiek tikai tad, ja kompresors apiet gaisu atmosfērā un vadības ierīces ļauj kompresoram modulēt ieplūdi, kas palielina droseļvārsta iespējas un samazina jaudu. Vēlreiz ir jānorāda vietas koriģētās veiktspējas līknes, lai aprēķinātu iespējamo ietaupījumu.
Iespēju darbināt kompresoru tuvu droseles pārspriegumam ierobežo vadības algoritmu sarežģītība, izmantotais droseles mainīgais un tas, kā kompresora PID cilpas tiek noregulētas attiecībā pret sistēmas dinamiku. 1. attēlā parādīts jaudas samazinājums, kas saistīts ar kompresora droseļvārsta robežas pielāgošanu no konservatīva iestatījuma uz efektīvāku iestatījumu, noregulējot kompresora PID cilpu, lai kompresora reakcijas ātrumi sakristu ar pieprasījuma izmaiņu ātrumu. Jaudas izmaiņas, kas saistītas ar sistēmas vadības ierīču pielāgošanu, var redzēt, aplūkojot divas vertikālas punktētās, purpursarkanās un brūnās līnijas no nemainīgā spiediena līnijas līdz droseļvārsta elektropārvades līnijai 1. attēlā. Šim kompresoram jauda tika samazināta par 160 Zs. bez kapitāla ieguldījumiem. Kompresors joprojām apiet gaisu atmosfērā, bet daudzums tika samazināts 980 scfm, kas saistīts ar kompresora modulēšanu tuvāk droseļvārsta pārsprieguma vērtībai. Svarīgi ņemt vērā, ka droseļvārsta pārsprieguma vadības robeža parasti tiek noteikta augsta. Lai definētu problēmas, kas ietekmē paaugstinātos iestatījumus, ir nepieciešama atbilstoša cēloņu analīze. Tā kā organizācija ir veikusi simtiem centrbēdzes kompresoru sistēmu revīziju, izmantojot uzlabotas tehniskās detaļas un analītiku, Ingersoll Rand saprot, ka koriģējošās darbības dažādās sistēmās var ievērojami atšķirties. Dažās situācijās sešu skaitļu ietaupījumus var sasniegt, labojot sarežģītu problēmu ar 100 ASV dolāru ieguldījumu. Un otrādi, ietaupījumiem var būt vajadzīgas sarežģītas un dārgas korekcijas, kas nav attaisnojamas.
Centrbēdzes kompresora veiktspējas novērtējums
Ir svarīgi norādīt, ka centrbēdzes kompresora darbība laika gaitā var dramatiski mainīties iekšējo komponentu mehāniskas noārdīšanās dēļ. Lai arī galvenās problēmas ar rotējošiem mezgliem var identificēt ar paaugstinātiem vibrācijas rādījumiem, lāpstiņritenu un difuzoru erozija var ievērojami samazināt centrbēdzes kompresora spiediena spējas, uzticamību un efektivitāti, kam ir nenozīmīga ietekme uz vibrāciju. Šī iemesla dēļ katra centrbēdzes kompresora veiktspējas novērtējums jāveic regulāri un kā daļu no jebkura enerģijas taupīšanas projekta. Jebkurā saspiesta gaisa sistēmas novērtējumā, kas neietver kompresora darbības detalizētu pārbaudi un analīzi, būs nepietiekami vai apšaubāmi dati, un tas var liecināt par revidenta centrbēdzes kompresora kompetenci.
Ir arī svarīgi atzīmēt, ka iepriekšējie centrbēdzes kompresora remonti, iespējams, ir ievērojami mainījuši veiktspēju. Daži pēcpārdošanas pakalpojumu sniedzēji aizstāj iekšējos aviācijas komponentus, kas neatbilst oriģinālajam dizainam. Dažos gadījumos, tā vietā, lai nomainītu komponentus, var ietaupīt izmaksas, slīpējot lāpstiņriteņa lāpstiņas un līdzsvarojot mezglus. Tas novērš vibrācijas problēmas, bet var dramatiski mainīt veiktspēju.
Atsaucoties uz 1. attēlā parādīto līkni, šis kompresors 95 ° F stāvoklī var nodrošināt 135 psig. Ja šo kompresoru pārdod kā 90 psig vienību, daudzi centrbēdzes pakalpojumu sniedzēji pārbauda dabisko pārsprieguma spiedienu un uzskata to par veiktspējas pārbaudi. Sadarbojoties ar daudziem kompresoru aeromehāniķiem, izstrādājot un pārbaudot centrbēdzes kompresoru veiktspējas analītiku un uz vietas neuzbāzīgas pārbaudes procedūras, var droši apgalvot, ka kompresora veiktspējas novērtēšanai ir daudz vairāk nekā pārsprieguma spiediena un vibrācijas pārbaude. Izplatītajos centrbēdzes kompresora apkalpošanas pieņēmumos dabiskais pārsprieguma spiediens, kas pārsniedz 10–15 procentus virs projektētā spiediena, ir normāls, neatkarīgi no temperatūras. Līdz ar to kompresora pārsprieguma pārbaude 1. attēlā un dabiskā pārsprieguma spiediena sasniegšana, kas lielāka par 103 psig, daudzās organizācijās tiek uzskatīta par pozitīvu veiktspējas pārbaudi. Tas netiek darīts ar ļaunprātīgu nodomu, tas ir saistīts ar šī raksta sākumu un jautājumiem, kas saistīti ar pieredzi un uztvertajām zināšanām. Tāpat kā nepareizi informēts inženieris nevainīgi varēja aplēst ietaupījumus 100 000 ASV dolāru apmērā, ja tādu nav, daudzi lauka tehniķi izpildīs to, kas viņiem ir pateikts, ir veiktspējas pārbaude, nejauši atstājot novārtā sliktas kompresora darbības un uzticamības noteikšanu.
--- http: //www.hqcompressor.com
