Dimensionamento de compressores de ar VFD para sistemas de compressor único

Por Tim Dugan, presidente da PE, Compression Engineering Corporation

Introdução

Como usuário final, você já ouviu a mensagem para colocar o maior compressor de ar VFD e o sistema sempre será confiável e eficiente. Por que fazer uma auditoria? Basta adicionar os compressores no local e colocar um VFD para esse tamanho ou maior. Por que ter a complexidade de vários compressores, armazenamento, seqüenciamento, etc? Melhor ainda, coloque dois deles, um para todo o sistema e outro para backup. Se você pudesse acenar com uma varinha, não seria assim que todo sistema deveria ser? Paz e eficiência perfeitas, com 100% de confiança na confiabilidade.

Os leitores envolvidos no negócio de descontos / incentivos às concessionárias, como gerente de programa, avaliador ou auditor, sabem que esses tipos de decisões foram incentivados por descontos e que muitos sistemas não estão operando da maneira que deveriam, ou não está funcionando devido a problemas de confiabilidade.

A maioria das minhas auditorias foi em sistemas “grandes” e complexos, com mais de 500 hp de compressores de ar instalados, com vários tipos e salas de compressores. E os sistemas "normais" que superam os sistemas que considero 10: 1? Aqueles com uma sala de compressores e menos de 100 hp instalados? Não é apropriado ter um compressor VFD executando o sistema, com um backup em tamanho normal? E se sim, como você deve dimensionar o compressor?

Neste artigo, pretendo responder à pergunta com um "sim" qualificado. Sim, existem muitos sistemas em que isso pode ocorrer. Descreverei onde você só precisa de um e, nesses casos, como dimensionar esse compressor.

Sumário

Em poucas palavras, recomendo usar um único compressor VFD (com backup) quando:

1. Os níveis de demanda são conhecidos e o compressor é dimensionado para que a demanda varie entre 30% e 80% do máximo do compressor.

2. O perfil de demanda não costuma ser baixo.

3. Nenhuma mudança importante no uso é prevista nos próximos 10 anos.

4. O sistema está atualmente centralizado e provavelmente permanecerá assim.

5. Você pode pagar por um backup em tamanho normal.

A demanda varia entre 30 e 80%

Como você conhece sua demanda, para que o compressor seja dimensionado para o "ponto ideal"? Alguns dizem que fazem uma "auditoria". Acho ótimo se você quiser pagar de US $ 3 mil a US $ 10 mil a um cara como eu, e obter apenas uma imagem da demanda e precisar dos conselhos de consultoria que o acompanham. Ou você pode obter um "grátis" dos fornecedores, ajudando-o a dimensionar esse compressor VFD. Tudo bem se a "caixa preta" da auditoria calcular com precisão o fluxo.

A razão pela qual digo que a demanda não deve variar abaixo de 30% do pico é que a eficiência da maioria dos compressores VFD começa a cair a 50% da velocidade e piora à medida que você atinge a velocidade mínima. Além disso, o óleo do compressor não ficará quente o suficiente se estiver em velocidade mínima por longos períodos, causando problemas de confiabilidade. Curiosamente, o motor é uma exceção. Ele roda mais quente na velocidade mais baixa. Isso ocorre porque é uma aplicação de torque constante, além de derrapagem, tornando-o ainda mais alto em baixa velocidade, e o resfriamento do motor diminui significativamente em baixa velocidade. Se você prender um TC na corrente de enrolamento do motor, poderá ver que a corrente de enrolamento realmente aumenta em velocidades mais baixas.

O motivo pelo qual você não deseja estar frequentemente acima de 80% é que sua eficiência também cai na ponta alta e a corrente é alta nesse ponto. É porque as perdas de “vento” do compressor são altas. Sua "velocidade da ponta" é maior que o ideal. A Figura 1 mostra uma curva de desempenho típica (da folha de dados CAGI) para um compressor de parafuso VFD de 50 hp.

Figura 1. Uma curva de desempenho típica para um compressor de ar VFD de 50 hp a partir de uma folha de dados CAGI.

Apenas para comparação, comparei esse compressor com duas alternativas do mesmo fabricante, uma única carga-descarga e uma carga-descarga duplex de tamanho médio. Ver abaixo:

Figura 2. Comparando o VFD com uma única carga-descarregada e uma dúplex de meia carga-descarregada alternativas.

Embora o “desempenho específico” do compressor VFD (kW / 100 acfm) seja inferior ao ideal em velocidades mais baixas, suas perdas são menores que as perdas fixas das alternativas de carga e descarga, especialmente na extremidade baixa. No entanto, observe como os compressores de carga e descarga são melhores na extremidade superior e o duplex fecha grande parte do perfil, exceto 50% a 70%. Mas lembre-se do baixo aquecimento do óleo e do alto aquecimento do motor na extremidade baixa.

Vejamos um perfil de carga (Figura 3) que pode não ser adequado para um único compressor VFD. É aquele em que existem várias grandes demandas que vêm e vão e pressurização com baixa demanda no meio. Ver abaixo. Ao dimensionar o compressor em 25% acima do pico de demanda, você pode acabar enfrentando um problema de queda na outra extremidade desse tipo de perfil. A demanda está na parte baixa de um compressor VFD de 50 hp, 34 horas por semana. Dependendo se a produção é alta o suficiente, convém usar um sistema de múltiplos compressores para esse tipo de demanda, idealmente um duplex de 25 hp. É uma decisão de julgamento.

Figura 3. Os perfis de carga com vários picos de demanda podem ser problemáticos para um único VFD.

Aqui está minha regra sobre o perfil de fluxo correspondente : se um compressor VFD puder ser dimensionado para estar na faixa de fluxo de 30 a 80% na maioria das vezes, pode ser uma boa opção.

O tempo de baixa demanda não é excessivo

Isso está voltando ao problema low-end. Se a planta estiver pressurizada o tempo todo, mas apenas executar um turno, isso significa que o compressor de ar está apenas alimentando vazamentos dois terços do tempo. Plantas menores, onde os compressores VFD individuais funcionam bem, têm cargas de vazamento mais baixas e mais tempo de inatividade para repará-las. A tabela da Figura 4 é para uma operação de dois turnos com um segundo turno baixo. Eu ajustei para ser um turno abaixo. O tempo low-end foi de 80 horas por semana. Os compressores VFD simples são bons para operações de dois e três turnos, ou onde o compressor é desligado à noite, não para operações de turno único que ficam pressurizadas a maior parte do tempo.

Figura 4. Períodos de medição de baixa demanda.

Aqui está minha regra sobre baixa demanda: se a demanda estiver abaixo de 30% do tamanho do VFD, mais de 30% do tempo, um único compressor VFD poderá não ser um bom ajuste.

Processo de produção é estável

Algumas plantas são construídas para fazer uma coisa e funcionam até o equipamento atingir o fim de sua vida útil ou o mercado desaparecer. Isso é típico quando há um grande investimento uma vez, como um fabricante de filme extensível com duas linhas de produção. Esta é uma planta relativamente pequena que pode ser alimentada por um compressor de ar de 50 hp e as demandas não são tão variáveis, principalmente a pressão estática e os pequenos cilindros. Na extremidade maior, pode ser uma pequena planta de papelão ondulado ou forro com uma máquina.

No entanto, os sistemas, à medida que crescem, tornam-se mais aleatórios em sua demanda e mudam com mais frequência. Especialmente plantas que eu chamo de "coleções de carros clássicos". Essas plantas são um grande armazém onde um grupo de investidores joga máquinas de produção usadas aleatoriamente. Como um fabricante de plásticos para alimentos (operação de moldagem) ou um “nutracêutico” (fabricante de pílulas de saúde). Como existem muitas máquinas usadas disponíveis no mercado e podem ser compradas e colocadas em um caminhão de cama plana com facilidade, a fábrica é uma coleção de várias máquinas usadas que se encaixam nos nichos de mercado. Normalmente, os pequenos sistemas suportam uma a duas linhas de produção e a planta é construída e executada no solo com essas linhas. Às vezes, fábricas maiores são coleções de linhas de produção em constante mudança. Você pode medir a vazão o quanto quiser e deve, mas não conseguirá atingir o ponto ideal de um compressor VFD.

Aqui está minha regra de aleatoriedade sob demanda:   Se o sistema de produção da planta for estável, um único compressor VFD pode ser uma boa opção.

O sistema está centralizado

Fazer um sistema de ar comprimido funcionar com um compressor de ar VFD supostamente único em uma área e outros compressores amarrados, que ele deveria substituir, normalmente não acaba funcionando bem depois de alguns anos. Os outros compressores podem iniciar automática ou manualmente e fazer com que o VFD não funcione mais no seu ponto ideal. Portanto, evite esses cenários aplicando compressores VFD a sistemas já centralizados ou faça com que os sistemas sejam centralizados retirando discrepantes e construindo o centro.

Em geral, a maioria das fábricas americanas menores não tem uma "sala de compressores". Os equipamentos de ar comprimido (compressores, secadores, tanques) ficam atolados onde quer que haja espaço, geralmente não no mesmo local um do outro. Eu chamo essas "áreas de compressor". Plantas maiores e bem projetadas têm (ou tiveram) uma sala de compressores centralizada que é projetada suficientemente grande - e tem capacidade elétrica e de refrigeração adequada - para o maior sistema potencial de ar comprimido que possa ser necessário. Com que frequencia acontece? Não frequente. Até os sistemas “centralizados” acabam na “favela” da fábrica, a parte antiga onde não está ocorrendo investimento, e os novos equipamentos e adições vão para a periferia, e outro compressor é adicionado. Todos os novos edifícios de produção não precisam de um compressor? Designers de construção pensam que sim…

Como você pode ver nos meus comentários, com base na experiência em centenas de plantas, o número de plantas com salas de compressores centralizadas que permanecerão assim não é a maioria. Como engenheiro de instalações, designer de sistemas ou fornecedor, você deve mover o gerenciamento nessa direção, se não todos de uma só vez, gradualmente. Considere distribuição de tubulação, armazenamento e outros fatores nessa decisão.

De qualquer forma, se você tiver um loop de tubulação grande o suficiente e uma única sala de compressor para, pelo menos, 50% acima do pico de demanda atual, provavelmente estará certo com a suposição de que a localização da sala de compressor seja estável durante toda a vida útil da planta. Agora você pode instalar um compressor VFD nessa sala, fornecer refrigeração e ventilação adequadas, com o modo de espera ao lado e secadores para os dois. Idealmente com controles de demanda. OK Estou entrando no design do sistema novamente, peço desculpas.

Aqui está minha regra sobre centralização:   Se a sala do compressor for nova ou puder ser modificada para ficar permanentemente centralizada, um único compressor VFD pode ser uma boa opção.

Você pode pagar por um backup em tamanho normal

Se você gasta todos os seus fundos em um compressor de ar e não pode obter um backup, reduziu significativamente a confiabilidade da sua planta. Você é mais confiável com dois compressores de 20 anos de trabalho do que com um novo. Os compressores VFD podem ser complicados enquanto passam pela "mortalidade infantil" e, se você não tiver backup, poderá desligar a fábrica devido a energia suja, vibração, ar de alta temperatura e muitas outras coisas. que seus compressores antigos costumavam tolerar. Portanto, se você adquirir um novo Tesla, certifique-se de ter o Lincoln Towncar antigo pronto para ir ou pegue um e coloque-o em modo de espera.

Aqui está minha regra sobre backup:   Tenha um backup completo para um único sistema de compressor VFD.

Conclusão

Se você instalar seu único compressor VFD de acordo com essas regras, terá uma boa chance de atingir seus objetivos - apenas certifique-se deles.

1. Mantenha-se na faixa de velocidade de 30 a 80%.

2. Fique fora dos sistemas pressurizados de turno único.

3. Aplique a sistemas estáveis.

4. Aplique a sistemas centralizados.

5. Tenha um backup em tamanho normal.