Dimensionierung von VFD-Luftkompressoren für Einkompressorsysteme

Von Tim Dugan, PE-Präsident, Compression Engineering Corporation

Einführung

Haben Sie als Endbenutzer jemals die Nachricht gehört, den größten VFD-Luftkompressor einzusetzen , und das System wird immer zuverlässig und effizient sein. Warum ein Audit durchführen? Addieren Sie einfach die Kompressoren vor Ort und setzen Sie einen VFD für diese Größe oder größer ein. Warum ist die Komplexität von mehreren Kompressoren, Speichern, Sequenzieren usw. so hoch? Noch besser, geben Sie zwei davon ein, eine für das gesamte System und eine für die Sicherung. Wenn Sie einen Zauberstab schwenken könnten, sollte dann nicht jedes System so aussehen? Perfekte Ruhe und Effizienz mit 100% igem Vertrauen in die Zuverlässigkeit.

Leser, die als Programmmanager, Bewerter oder Prüfer in das Geschäft mit Rabatt- / Leistungsanreizen involviert waren, wissen, dass diese Art von Entscheidungen durch Rabatte gefördert wurde und dass viele Systeme nicht in der Weise arbeiten, wie sie sollten. oder arbeiten aufgrund von Zuverlässigkeitsproblemen überhaupt nicht.

Die meisten meiner Audits betrafen „große“, komplexe Systeme, Systeme mit insgesamt über 500 PS installierten Luftkompressoren mit mehreren Typen und Kompressorräumen. Was ist mit den "normalen" Systemen, die über die Zahlen von 10: 1 hinausgehen? Die mit einem Kompressorraum und weniger als 100 PS installiert? Ist es nicht angemessen, dass ein VFD-Kompressor das System mit einem Backup in voller Größe ausführt? Und wenn ja, wie sollten Sie den Kompressor dimensionieren?

In diesem Artikel möchte ich die Frage mit einem qualifizierten „Ja“ beantworten. Ja, es gibt viele Systeme, in denen dies vorkommen kann. Ich werde beschreiben, wo Sie nur einen benötigen und in diesen Fällen, wie Sie diesen einen Kompressor dimensionieren.

Zusammenfassung

Kurz gesagt, ich empfehle die Verwendung eines einzelnen VFD-Kompressors (mit Backup), wenn:

1. Die Nachfrage ist bekannt und der Kompressor ist so bemessen, dass die Nachfrage zwischen 30% und 80% des maximalen Kompressors variiert.

2. Das Nachfrageprofil liegt nicht oft am unteren Ende.

3. In den nächsten 10 Jahren sind keine wesentlichen Änderungen in der Nutzung zu erwarten.

4. Das System ist derzeit zentralisiert und dürfte dies auch bleiben.

5. Sie können sich ein Backup in voller Größe leisten.

Nachfrage variiert zwischen 30 - 80%

Woher kennen Sie Ihre Forderung, den Kompressor auf den „Sweet Spot“ zu bringen? Einige sagen, machen Sie ein "Audit". Ich denke, das ist großartig, wenn Sie einen Mann wie mich mit 3.000 bis 10.000 US-Dollar bezahlen möchten und nur ein Bild von der Nachfrage haben und den dazugehörigen Beratungsrat benötigen. Sie können auch einen "kostenlosen" VFD-Kompressor von den Anbietern beziehen, der Ihnen bei der Größenbestimmung eines VFD-Kompressors hilft. Das ist in Ordnung, wenn die „Black Box“ des Audits den Durchfluss genau berechnet.

Der Grund, warum ich sage, dass die Nachfrage nicht unter 30% des Spitzenwerts variieren sollte, ist, dass die Effizienz der meisten VFD-Kompressoren bei 50% abfällt und sich verschlechtert, wenn Sie die Mindestgeschwindigkeit erreichen. Darüber hinaus wird das Kompressoröl bei längerer Mindestdrehzahl nicht warm genug, was zu Zuverlässigkeitsproblemen führt. Interessanterweise ist der Motor eine Ausnahme. Es läuft am heißesten mit der niedrigsten Geschwindigkeit. Dies liegt daran, dass es sich um eine Konstantdrehmomentanwendung handelt, die durch Schlupf bei niedriger Drehzahl ein noch höheres Drehmoment erzeugt und die Motorkühlung bei niedriger Drehzahl erheblich verringert wird. Wenn Sie einen Stromwandler auf den Motorwicklungsstrom klemmen, können Sie feststellen, dass der Wicklungsstrom bei niedrigeren Drehzahlen tatsächlich ansteigt.

Der Grund, warum Sie nicht häufig über 80% liegen möchten, ist, dass der Wirkungsgrad am oberen Ende ebenfalls abnimmt und der Strom zu diesem Zeitpunkt hoch ist. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die „Luftwiderstandsverluste“ des Kompressors hoch sind. Die "Spitzengeschwindigkeit" ist höher als ideal. Abbildung 1 zeigt eine typische Leistungskurve (aus dem CAGI-Datenblatt) für einen 50-PS-VFD-Schraubenkompressor.

Abbildung 1. Eine typische Leistungskurve für einen 50-PS-VFD-Luftkompressor aus einem CAGI-Datenblatt.

Zum Vergleich habe ich diesen Kompressor mit zwei Alternativen desselben Herstellers verglichen, einem einzelnen Lade-Entlade-Kompressor und einem Duplex-Lade-Entlade-Kompressor halber Größe. Siehe unten:

Abbildung 2. Vergleich der VFD mit einer einfachen Lade- / Entladealternative und einer Duplex-Lade- / Entladealternative in halber Größe.

Obwohl die „spezifische Leistung“ des VFD-Kompressors (kW / 100 acfm) bei niedrigeren Drehzahlen nicht optimal ist, sind seine Verluste geringer als die festen Verluste der Lade-Entlade-Alternativen, insbesondere im unteren Bereich. Beachten Sie jedoch, dass die Lade- / Entladekompressoren am oberen Ende besser sind und die Duplex-Funktion einen großen Teil des Profils mit Ausnahme von 50% bis 70% verschließt. Denken Sie jedoch an die niedrige Ölheizung und die hohe Motorwicklungsheizung am unteren Ende.

Betrachten wir ein Lastprofil (Abbildung 3), das möglicherweise nicht für einen einzelnen VFD-Kompressor geeignet ist. Es ist diejenige, bei der es mehrere große Anforderungen gibt, die kommen und gehen, und Druckbeaufschlagung mit geringer Nachfrage dazwischen. Siehe unten. Wenn Sie Ihren Kompressor 25% über dem Spitzenbedarf dimensionieren, kann dies zu einem Ausfallproblem am anderen Ende dieses Profiltyps führen. Die Nachfrage ist am unteren Ende eines 50 PS VFD-Kompressors 34 Stunden pro Woche. Abhängig davon, ob die Produktion häufig hoch genug ist, möchten Sie möglicherweise ein Mehrfachkompressorsystem für diese Art von Anforderungen verwenden, idealerweise ein Duplex-25-PS-System. Es ist ein Urteilsspruch.

Abbildung 3. Lastprofile mit mehreren Anforderungsspitzen können für einen einzelnen VFD problematisch sein.

Hier ist meine Regel zum Anpassen des Durchflussprofils : Wenn ein VFD-Kompressor die meiste Zeit im Durchflussbereich von 30 bis 80% ausgelegt werden kann, ist dies möglicherweise eine gute Anpassung.

Geringe Nachfragezeit ist nicht übermäßig

Dies geht auf das Low-End-Problem zurück. Wenn die Anlage ständig unter Druck steht, aber nur eine Schicht läuft, bedeutet dies, dass der Luftkompressor nur zwei Drittel der Zeit Leckagen fördert. Kleinere Anlagen, in denen einzelne VFD-Kompressoren gut funktionieren, weisen geringere Lecklasten und längere Ausfallzeiten auf. Das Diagramm in Abbildung 4 gilt für einen Zwei-Schicht-Betrieb mit einer niedrigen zweiten Schicht. Ich habe es für eine Schicht weiter unten optimiert. Die Low-End-Zeit betrug 80 Stunden pro Woche. Einzelne VFD-Kompressoren eignen sich für Zwei- und Dreischichtbetriebe oder solche, bei denen der Kompressor nachts abgeschaltet wird, und nicht für Einschichtbetriebe, die die meiste Zeit unter Druck bleiben.

Abbildung 4. Messperioden mit geringer Nachfrage.

Hier ist meine Regel bei geringer Nachfrage: Wenn die Nachfrage weniger als 30% der VFD-Größe beträgt, ist ein einzelner VFD-Kompressor in mehr als 30% der Fälle möglicherweise nicht geeignet.

Produktionsprozess ist stabil

Einige Anlagen sind für eine Sache gebaut und laufen, bis das Gerät das Ende seiner Nutzungsdauer erreicht hat oder der Markt verschwindet. Dies ist typisch, wenn einmal eine größere Investition getätigt wurde, wie bei einem Stretchfolienhersteller mit zwei Produktionslinien. Dies ist eine relativ kleine Anlage, die von einem 50-PS-Luftkompressor gespeist werden kann, und die Anforderungen sind nicht so veränderbar, meistens statischer Druck und kleine Zylinder. Am größeren Ende könnte es sich um eine kleine Wellpappen- oder Linerboard-Anlage mit einer Maschine handeln.

Je größer die Systeme werden, desto zufälliger wird ihre Nachfrage und desto häufiger ändern sie sich. Vor allem Pflanzen, die ich als „Oldtimer-Kollektionen“ bezeichne. Diese Anlagen sind ein großes Lagergebäude, in das eine Gruppe von Investoren zufällig gebrauchte Produktionsmaschinen wirft. Wie ein Hersteller von Lebensmittelkunststoffen (Formverfahren) oder ein „Nutraceutical“ (Hersteller von Gesundheitspillen). Da es eine Menge gebrauchter Maschinen gibt und diese einfach gekauft und auf einen Tieflader gesetzt werden können, handelt es sich bei der Anlage um eine Sammlung von gebrauchten Maschinen, die in Marktnischen passen. Kleine Systeme unterstützen normalerweise ein bis zwei Produktionslinien, und die Anlage wird mit diesen Linien gebaut und in den Boden gefahren. Größere Anlagen sind manchmal Sammlungen von sich ständig ändernden Produktionslinien. Sie können alles messen, was Sie wollen, und Sie sollten es auch, aber Sie werden nicht in der Lage sein, den Sweet Spot eines VFD-Kompressors zu erreichen.

Hier ist meine Regel zur Zufälligkeit bei Bedarf:   Wenn das Produktionssystem der Anlage stabil ist, passt möglicherweise ein einzelner VFD-Kompressor.

System ist zentralisiert

Wenn ein Druckluftsystem funktioniert, bei dem in einem Bereich ein einziger VFD-Luftkompressor und andere Kompressoren aneinandergereiht sind, die es ersetzen soll, funktioniert es in der Regel nach einigen Jahren nicht mehr richtig. Die anderen Kompressoren können automatisch oder manuell starten und den Frequenzumrichter nicht mehr an seinem Sweet Spot betreiben. Vermeiden Sie diese Szenarien, indem Sie VFD-Kompressoren auf bereits zentralisierte Systeme anwenden, oder machen Sie die Systeme zentral, indem Sie Ausreißer außer Betrieb setzen und das Zentrum aufbauen.

Im Allgemeinen haben die meisten kleineren amerikanischen Produktionsstätten überhaupt keinen „Kompressorraum“. Druckluftgeräte (Kompressoren, Trockner, Tanks) sind überall dort eingeklemmt, wo Platz ist, oft nicht am gleichen Ort. Ich nenne diese "Kompressorbereiche". Größere, technisch ausgereifte Anlagen haben (oder hatten) einen zentralen Kompressorraum, der groß genug ausgelegt ist - und über eine ausreichende elektrische Versorgung und Kühlkapazität verfügt -, um das größte potenzielle Druckluftsystem bereitzustellen, das möglicherweise benötigt wird. Wie oft passiert das? Nicht oft. Sogar „zentralisierte“ Systeme landen im „Slum“ der Anlage, der alte Teil, in dem keine Investitionen getätigt werden, und die neuen Geräte und Zusätze werden an die Peripherie ausgeliefert, und ein weiterer Kompressor wird hinzugefügt. Benötigen nicht alle neuen Produktionsgebäude einen Kompressor? Gebäudedesigner denken so ...

Wie Sie meinen Kommentaren entnehmen können, ist die Anzahl der Anlagen mit zentralisierten Kompressorräumen, die so bleiben werden, aufgrund der Erfahrung mit Hunderten von Anlagen nicht in der Mehrzahl. Als Gebäudetechniker, Systemdesigner oder Zulieferer sollten Sie das Management schrittweise in diese Richtung bewegen, wenn nicht sogar auf einen Schlag. Berücksichtigen Sie bei dieser Entscheidung die Verteilung, Lagerung und andere Faktoren der Rohrleitungen.

Wenn Sie jedoch einen ausreichend großen Rohrkreislauf und einen einzelnen Kompressorraum haben, der mindestens 50% über dem aktuellen Spitzenbedarf liegt, können Sie wahrscheinlich davon ausgehen, dass der Standort des Kompressorraums für die Lebensdauer der Anlage stabil ist. Jetzt können Sie einen VFD-Kompressor in diesem Raum aufstellen, für eine ausreichende Kühlung und Belüftung sorgen, wobei der Standby-Modus direkt daneben liegt, und einen oder mehrere Trockner für beide. Idealerweise mit Bedarfssteuerung. OK, ich komme wieder zum Systemdesign, ich entschuldige mich.

Hier ist meine Regel zur Zentralisierung:   Wenn der Kompressorraum neu ist oder für eine permanente Zentralisierung geändert werden kann, ist ein einzelner VFD-Kompressor möglicherweise eine gute Lösung.

Sie können sich ein Backup in voller Größe leisten

Wenn Sie Ihr gesamtes Geld für einen einzigen Luftkompressor ausgeben und kein Backup erhalten, haben Sie die Zuverlässigkeit Ihrer Anlage nur erheblich verringert. Mit zwei funktionierenden 20 Jahre alten Kompressoren sind Sie zuverlässiger als mit einem brandneuen. VFD-Kompressoren können schwierig sein, wenn sie die „Säuglingssterblichkeit“ überwinden. Wenn Sie keine Reserve haben, kann es sein, dass die Anlage aufgrund verschmutzter Leistung, Vibration, Hochtemperatur-Kühlluft und einer Reihe anderer Faktoren heruntergefahren wird dass Ihre alten Kompressoren verwendet werden, um zu tolerieren. Wenn Sie also einen neuen Tesla bekommen, stellen Sie sicher, dass Sie den alten Lincoln Towncar bereit haben, oder holen Sie sich einen und schalten Sie ihn in den Hot-Standby-Modus.

Hier ist meine Regel zum Backup:   Richten Sie ein Backup für ein einzelnes VFD-Kompressorsystem in voller Größe ein.

Fazit

Wenn Sie Ihren einzelnen VFD-Kompressor gemäß diesen Regeln installieren, haben Sie eine gute Chance, Ihre Ziele zu erreichen - stellen Sie einfach sicher, dass Sie diese erreichen.

1. Bleiben Sie in einem Geschwindigkeitsbereich von 30-80%.

2. Vermeiden Sie einschichtige Systeme, die immer unter Druck stehen.

3. Auf stabile Systeme auftragen.

4. Auf zentralisierte Systeme anwenden.

5. Erstellen Sie ein Backup in voller Größe.