工业效率

多台变频空压机高效运行的控制策略

到目前为止,世界螺杆式空气压缩机最重要的发展是采用电子变频驱动器(VFD’s)进行变速控制。如果在系统中加入一个控制良好的VFD,那么在部分负载下至少有一台空压机运行的系统几乎总是可以更有效地运行。但是如果一个系统有两个或更多的VFD单元呢?本文讨论了控制多台变频空压机所面临的挑战,并提出了相应的解决方案。

为什么要使用VFD空压机?

自从螺杆式空气压缩机被开发出来以来,数百万美元的研究和设计工作已经花费在优化螺杆式空气压缩机上。在过去的几年里,转子型线的创新、元件转速的变化、内部流道的优化、电机效率的升级以及更多的变化都提高了螺杆空压机的效率。

压缩空气和气体研究所(CAGI)性能数据表的引入,无疑有助于空气压缩机购买者确定他们考虑购买的机器将消耗多少动力。这些数据表显示了功率比,一种“油耗”等级,以及其他重要参数,以便进行比较。这些数据表包含了用户需要了解的重要信息,当固定速度和VFD空压机在单一或多个配置。

考虑一个样品100马力(HP),125 psi级,风冷的油注入空气压缩机(数据未显示)。该空气压缩机模型可在高达125 psig的压力下提供其全气流,但它在115 psig测试。在此压力下,它提供其测量的494倍倍流量,同时耗费89.9千瓦,特定功率为每100 CFM的18.2千瓦。重要的是要了解这些数字仅在全气流时有效,并且在115 psig的试验放电压力下有效。如果在125 psig下操作,则该固定速度空气压缩机将消耗约3%的功率,并提供稍微少的流量。未报告此纸张是部分载荷的操作特性。

图1显示了来自同一制造商的100 HP VFD控制,空气冷却的空气压缩机的测试数据。我们可以看到该装置已经在125个PSIG排出压力下进行了测试,比固定速度空气压缩机高10psi,并且在最小和最大速度之间的点之间有五个测试点。

图像1

图1:一个100 hp VFD空气压缩机的摘录CAGI数据表显示了这台额定125 psi空气压缩机在速度曲线的5个点的效率。突出的评级比文章中提到的定速空压机更高效。这条曲线在接近最低速度时效率显著降低。

通过它的全范围运行可以看出,这台空压机并没有恒定的比功率;当主电机转速降低时,效率就会降低。如果该空压机在一个有多个VFD空压机的系统中运行,则此曲线的形状具有一定的含义。

细心的读者可能会注意到一些有趣的事情,这种特殊的VFD空压机有更高的流量,消耗更多的功率,但在其曲线的某些部分有更好的效率比前面提到的比较定速空压机。这表明,非常常见的神话,即VFD空压机总是比定速空压机在满负荷时由于驱动损失的效率不总是这样的情况。然而,如果我们看一下图2,图中显示的是同一家公司的不同设计的VFD空压机,我们可以看到曲线是浴缸形状的,只有曲线的中间部分比定速空压机更高效。这说明所有的VFD空压机都是不一样的;有许多特征曲线,每一条都略有不同。这些差异意味着一种类型的VFD空气压缩机可能需要不同的控制。

图2.

图2:100 HP VFD空气压缩机CAGI数据表的摘录显示了不同型号空气压缩机的速度曲线的五点的效率。突出显示的额定值比物品中提到的固定速度单元更有效。该曲线具有平坦的浴缸形曲线,在速度的中档更有效。点击在这里扩大。

更好的部分负载效率与VSD控制

对于定速空气压缩机,如前所述,制造商从未报告部分负载效率。如果我们想创建特征曲线,我们必须考虑各种因素,如有效存储接收器大小、压力带宽、排污时间和卸载功耗,并自己计算。

图3显示了一个典型的负载/卸载定速空压机在整个运行范围内的平均功率,该空压机有20秒的排气时间,10 psi宽压力带,每cfm存储1加仑、2加仑、5加仑和10加仑。我们看到具体的功率曲线底部的图,如果这个空气压缩机运行在40%的平均加载两加仑cfm存储,它会有一个特定的权力全负荷值的两倍,约36千瓦/ cfm,远高于任何最严重的特定权力的号码在图1和图2。我们可以看到,定速空压机在轻负荷时效率低于VFD,但在曲线最高流量时效率高于图2中的空压机。这些计算结果表明了VFD空压机控制的最大优势,与加载/卸载控制相比,其部分负载效率要高得多。

图3.

图3:描述的是负载/卸载定速空气压缩机的功率与流量,不同的存储接收器尺寸。最常见的尺寸是每cfm空气压缩机容量约2加仑。在底部的特定功率曲线是为这个大小的存储接收器。除了操作的上限范围外,部分负载操作的效率远远低于变频器控制。点击在这里扩大。

典型的多空压机控制

典型的多定速单元空压机控制策略是采用协调局部控制,将空压机设置在层叠压带内,如图4所示。

在此方案中,当只需要一台空压机满足系统流量时,最高压力整定机组在部分负荷下运行,其他机组在自动控制下定时关机。如果在需要两台空压机的地方负荷增加,系统压力下降到第二机组的负荷/起始点,然后它将成为承载部分负荷的配平机,与2号空压机进行装卸。如果需要三台空压机,同样的操作继续进行;设定最高的两个机组将满负荷运行,第三台空压机将保持平衡。当负载减少时,相反的情况会发生。

图像4.

图4:所示为典型的级联控制,用于多台定速空气压缩机。如果在有多个VFD机组的系统上使用,可能会出现一些不希望出现的条件,如在红线点,两个VFD空气压缩机将以最低速度运行,其中一个可以处理流量。(来源:压缩空气挑战。)

如果所有空压机具有相同的部分负载效率,那么这种方案就足够了,但在轻负载时,系统的平均压力通常高于预期,而在高流量时,系统的平均压力通常低于预期。

如果将VFD空压机引入系统,就会出现问题。采用VFD控制时,理想的状态是变空压机始终是配平单元,定速空压机满载或卸载运行。这意味着控制方案不能设置为典型的级联布置,即所有空压机一次一个分担配平任务。需要一种不同的安排,即VFD目标设定值嵌套在定速空压机重叠的压力带内。这种新方案要求VFD比基础单元大约30%,否则将出现一个不希望出现的控制缺口,空压机将争夺控制。这个问题经常导致操作人员通过在级联协调系统中安装多个变频器来纠正这种情况。但这也会导致不良的结果。

考虑系统压力在图4所示的红线处,空气压缩机1号和2号是变频机组的情况。压力带的底部是VFD的目标压力。因此,空气压缩机会尝试加速或减速,以保持压力恒定在该设置。当系统流量下降时,2号空压机将达到其最小转速极限,通常是其效率最低的点,系统压力将继续上升。如果流量下降足够多,空压机1号也将达到它的最小转速,也是它的最低效率点。由于压力带重叠,1号和2号空压机都将以满载能力的20%左右的最低速度运行。在这种情况下,20%乘以2只等于一个空压机的40%。这意味着一个不必要的VFD空气压缩机将运行。如果两台空压机碰巧都有图1所示的曲线,那么结果就是系统效率显著降低。

这个问题的一个解决方案是堆叠VFD空气压缩机的压力带,这样它们就不会重叠,但这意味着当工厂流量增加到需要两台空气压缩机时,其中一台VFD机组将处于满载状态,另一台处于部分负荷状态。根据空压机的特性曲线,如图2所示的曲线,可能不希望第一台机组满负荷运行。在这种情况下,将有两个不同的压力级别,一个在空压机1号目标,另一个在空压机2号目标。在空压机1号目标设定下运行时,系统压力会不必要地高,浪费功率,并因人为需求造成高于预期流量。

单压力带智能控制

为避免协调问题,最好使用智能系统控制器来协调系统空气压缩机的适当操作,例如在图5中的方案中,其中单压带用于所有空气压缩机。

通常,在任何单个系统中,仅需要一个适当尺寸的VFD空压机进行优化控制。通过这种情况,VFD空气压缩机始终需要在装饰位置占用部分负载,所有其他固定速度空气压缩机都完全装载或关闭。大多数现代中央控制器都具有实现该控制方法的能力,如果VFD空气压缩机的尺寸是正确的,则以良好的效率将实现足够的控制。但是可能会出现一些条件可能导致不太理想的操作。这些都是:

  • 配平VFD空压机始终以最低速度运行。
  • VFD空压机运行在其曲线的低效部分。
  • 系统气流始终在两台空压机容量的边缘运行,导致空压机在负荷变化时启动和停止不理想。

图片5

图5:中央控制器将使最低压力操作能够协调单个窄带内的空气压缩机的操作,并且优选地,在单个目标点控制的VFD空气压缩机。(来源:压缩空气挑战。)

在具有这些条件的系统中,需要一些特殊的智能控制能力,设计要求使变频器和定速空压机的多种尺寸组合可用于控制器。一些特殊设计的控制器可以使用空气压缩机大小组合来混合和匹配机器,以保持系统运行最优化。这些控制器通常具有以下特性:

  • 该系统能够控制定速和变频空压机在一个单一的目标设定值。
  • 各种空气压缩机效率,气流和功率特性被编程到控制器中。
  • 控制器根据空压机状态计算系统总流量。
  • 控制器比较系统流量,找到最佳的空压机组合,以最好地满足气流。
  • 一些机器学习可能是可用的,控制器可以识别重复的条件,例如在每个工作日的特定时间,并预测需要某种空气压缩机组合,以避免大的压力高峰或低谷。
  • 这种类型的最佳控制器具有监控系统,允许运营商跟踪系统KPI,以确保实现最佳效率。

例如,在图6中,压力和放大器图显示了智能系统控制器如何协调不同尺寸和特性的两个VFD空气压缩机的操作(第三个固定速度备用)。

只有低负载周期,只能运行单尺寸VFD空气压缩机或其他尺寸单元是有道理的。控制器自动实现这一点,而是手表系统流,并且可以根据需要交换更大或更小的空气压缩机。如果流量增加到需要两个空气压缩机的位置,则控制器将允许空气压缩机在变速带中的中间部分共享负载,其中效率是最佳的,通常在40到80%之间的流量(但取决于在空气压缩机曲线上)。

图6显示了

图6:一个示例操作显示了三个空压机系统的协调,其中两个是vfd控制的。空压机特性被编程到控制器中,并允许其中一台、另一台或两台空压机在条件变化时进行最佳运行。点击在这里扩大。

并非所有VFD空气压缩机都是相似的

在大多数系统中,与固定速度空气压缩机系统相比,一个或多个VFD空气压缩机的存在导致更好的效率。这是由于VFD空气压缩机的优异部分负载效率。但重要的是要认识到所有VFD空气压缩机都不相似,有许多不同的特征曲线。

最佳类型的控制是通过中央智能空压机控制,其中空压机的最佳组合,以及最佳运行范围,根据负载条件自动选择。了解空压机的特性后,这类系统通过将空压机更高效地运行在最佳负载条件下,降低系统压力,从而降低空压机功率和人为需求,从而保持较低的系统比功率。

有关本文的更多信息,请联系Ron Marshall,Marshall压缩空气咨询,电话:204-806-2085;电子邮件:ronm@mts.net.

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