工业实用效率

在乙醇植物中解决了空气压缩机控制差距问题

一个新建的乙醇工厂在调试后不久就经历了控制缺口问题。本文讨论了问题产生的原因以及如何解决问题。

背景

乙醇工厂位于加拿大,投入约35万吨粮食,产出1.3亿升乙醇。在电厂的动力室内是一个压缩空气系统,使用三个风冷润滑螺杆空气压缩机,其中两个是VSD控制,和一个加热鼓风机式干燥剂干燥器。压力/流量控制器用于保持工厂压力在恒定的88psi。空气压缩机由一个精密的中央控制器控制,该控制器控制空气压缩机以获得最佳效率,并提供一个数据接口,使压缩空气设备可以从电厂SCADA系统进行集中监控。

图1

图1:中央控制系统提供最优控制和监测数据。-点击这里扩大。

加载配置文件

植物负载曲线相当平坦,大部分压缩空气被一般过程操作消耗的大多数随着偶尔的峰值。乙醇分批生产。在部分发酵过程中,将压缩空气流入发酵容器(图2)的底部以混合液体以更好的稠度。这种流动一次发生12至14小时。在该流程的顶部是空气干燥器冷却吹扫的要求。在每个空气干燥器再生循环之后,使用压缩空气的流动来冷却加热的干燥剂,因此它已准备好用于下一个干燥循环。这两个额外的负载导致或多或少一致的三步流特性。

设计过程

在设计阶段,工程顾问订婚并指定压缩空气系统,计算压缩空气流量的步骤变化,以帮助他们降低原始设计的成本。该计划是使用VSD控制保持系统效率高,但对该单位的额外成本进行了额外的担忧。变速压缩机与固定速度单位相比具有成本溢价。为了试图降低预算范围内的成本,工程团队基于特定的估计负载轮廓大小,其中固定速度压缩机在高流量搅拌期间运行,在血管搅拌期间具有VSD修剪。另一次,在低负载步骤期间,VSD将单独运行。这允许顾问指定更小,更便宜的75 HP VSD,以使用100 HP固定速度单元。

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图2:发酵过程中注入空气进行混合。这将导致流中的步骤变化。

在设计审查阶段,通过外部审阅者指出了设计团队,该外部审阅者使用比基本单位的较小的VSD导致称为“控制间隙”的条件。当控制差距问题发生时,在较大的基础压缩机的容量和较小的VSD压缩机之间的流动时,两个单元将争取控制,导致不希望的和低效操作。然而,该团队确信,它们的计算是准确的,因为过程流量或多或少是可重复的,因此永远不会发生控制间隙内的流动。

该团队就项目的其他方面作出了一些良好的决定:

  • 指定了中央控制器以更好地控制空气压缩机
  • 采用露点控制购买加热的鼓风机风格烘干机(图3)以降低再生能量消耗
  • 指定了高效滤波以减少压力损失
  • 包括无流动漏极,以减少压缩空气废物
  • 安装流量压力/流量控制器以降低植物压力并限制人工需求流量
  • 空气压缩机室管道的大小是为了限制压力损失,并考虑到未来的额外负荷
  • 安装了大容量的接收器,以更好地稳定压力控制和防止大量瞬态空气需求

    图3

    图3:鼓风机风格烘干机由于凉爽的干燥条件和露点控制而节省了71%。

    调试后问题

    正如读者可能预测的那样,设计计算略有偏差。墨菲定律也起了作用。根据图4,压缩空气系统在运行的第一个月左右运行得很好,100马力的空压机满负荷运行,VSD压缩机以接近最低速度运行。这使基础压缩机保持在其最有效的点,但这是一个关注VSD压缩机长期健康的原因。以或接近最小速度运行是VSD流量相对于功率特性的最低效点(见图6),此外,通常在低流量时,压缩机内部产生的热量不足,无法将凝结成压缩机润滑剂的水分排出。这可能导致压缩机内部部件的水损坏和轴承故障。因此,制造商建议不要长时间以最低转速或低于最低转速运行VSD压缩机。

    如图4所示,控制差距的影响开始变得明显。在图的最后三分之一处,我们可以看到空压机在争夺控制,VSD在加速和减速,但同时固定速度基础的空压机在高频率下无法有效地装载和卸载。在一些低负载时期,VSD最终获得控制,是唯一的压缩机运行,这是样品中唯一的良好效率时期。

    装具

    图4:调试期间的压缩空气剖面显示低于最佳压缩机运行。-点击这里扩大。

    由于调试进展,生产人员发现,需要将额外的意想不到的压缩空气用途添加到生产过程中。这增加了载荷到流动几乎始终在控制间隙内,超过90%的时间,如图5所示。

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    图5:加载添加最终将系统推动到大部分时间的控制间隙中。压缩机正在争取控制。-点击这里扩大。

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    图6:最佳VSD效率为中等。中央控制器使VSD压缩机保持在这个范围内。来源:Kaeser压缩机。

    解决方案

    为了解决控制差距问题,需要添加更多可变容量,以便该变量容量大于100 HP基本单元。可以添加更小的固定速度单元,但站点运营商决定安装另外的50 HP VSD压缩机。这带来了高达125 HP的总变量容量,该尺寸可确保压缩机制造商推荐的最低速度最小的VSD操作。幸运的是,中央压缩机控制器具有内置的算法,始终寻求将运行的VSD压缩器保持在30%至80%的容量之间,这是大多数VSD效率曲线的甜蜜点。

    然而,这种变化并非没有问题。有时,当将VSD压缩机放置在将其压力传感点的中央控制器上放置在干燥剂干燥器的下游时,将延迟引入控制回路。这可以使VSD PID控制回路不稳定,使压缩机捕获最大速度,然后通过正弦波特性降至最小速度。这种类型的操作可以在图7的第一部分看到。制造商被咨询,并给出了如何调整压缩机控制以使其不太敏感的说明。解决问题,两个VSD压缩机开始正常运行。

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    图7:当安装新的压缩机时,需要调整PID控制参数的控制问题。-点击这里扩大。

    结论

    如果压缩机尺寸选择导致控制间隙,则良好的意图可以减少购买新设备的成本可能会导致效率问题。避免控制间隙的最佳选择是尺寸为VSD容量,使VSD容量的可变部分(最小速度和全速之间的容量)等于或大于最大的基础压缩机。如果是这种情况,则可以从零中有效地控制系统,以满足差距差距。

    选择良好的控制策略或中央系统对效率和压力稳定性很重要。一个足够智能的系统,可以保持安装在最佳效率点的安装压缩机可节省能量。其他组件的选择,如有效的过滤器,干燥器,管道和漏斗,使系统更加高效。

    关于这个系统的一个重要点是,它是在安装后进行验证的。许多系统操作员认为他们的系统会按照设计和指定的方式有效地运行,并且经常没有对系统进行验证。但是,正如我们所看到的,对系统的一些意想不到的更改导致了糟糕的系统操作,如果没有进行度量,这些可能不会被注意到。

    如果你想知道,工厂目前正在寻找更有效的低压源的压缩空气搅拌。

    欲了解更多信息,请联系Ron Marshall, Marshall压缩空气咨询公司,电话:204-806-2085,电子邮件:ronm@mts.net。

    阅读更多空气压缩机控制的文章,请拜访airbestpractics.com/technology/compressor-controls.