Luftsystemets tryckpåverkan Kompressorkraft - Del 2: Påverkan av systemtryck på centrifugalkompressorer
Detta är den andra artikeln i en tredelad tryckluftsserie av Mark Krisa, Director - Global Services Solutions, Ingersoll Rand
Det är vanligt att se specialister på energiutvärdering behandla centrifugalkompressorer som positiva förskjutningskompressorer när man försöker minska energiförbrukningen för tryckluftssystemet. Tyvärr är centrifugalkompressorer normalt mycket större, och felberäkningar kan lätt representera hundratusentals dollar i överskattade energibesparingar. Dessa fel är inte skadliga; de är resultatet av överförenklad bästa praxis som upprätthålls av individer med begränsad kunskap om centrifugalkompressor. Denna typ av kunskap är inte lättillgänglig och de flesta specialister på energiutvärdering har inte tillgång till ingenjörsteam som ansvarar för teknisk utveckling och design av centrifugalkompressorer. Ur ett enhetsperspektiv är centrifugalkompressorer en liten del av kompressormarknaden så tekniskt kunniga resurser är begränsade.
Identifiera tekniska kompressorresurser
Det är viktigt att inse att säljare av tryckluft representerar en av de största källorna till teknisk information förknippad med tryckluftssystem och komponenter. Även om vissa säljare är tekniskt behöriga ingenjörer, är det inte ovanligt att hitta ordet ”ingenjör” som används som adjektiv i ett jobb. Oavsett om ingenjör är en titel efter utbildning eller jobbfunktion, garanterar det inte tekniskt noggrann information. På liknande sätt är erfarenhet ett begrepp som ofta används för att antyda stor kunskap förknippad med många års praktik. Erfarenhet kan ha värde för funktioner med enkla resultat och resultat eller upprepade uppgifter där muskelminne kan förbättra prestanda. I en bransch där resultat sällan mäts med exakt instrumentering i kontrollerade miljöer antas många tekniska myter och genom år av upprepning antas vara vetenskapligt beprövade fakta. Till exempel, en del av den här artikeln som trycktes förra månaden, förklarade hur antagandet på 1 procent till 2-psi antas missbrukas och varför det inte är korrekt.
Att arbeta på Ingersoll Rand, en av världens största tillverkare och innovatörer av tryckluftsprodukter, underlättar möjligheter för många tekniska diskussioner med begåvade ingenjörer som designar kompressorer för ett levande. Deltagande i många tryckluftsrelaterade tekniska team med ISO, CAGI och CSA ger också möjlighet till diskussion på hög nivå med ingenjörer från andra kompressortillverkare . Intressant nog, när man diskuterar ämnet tryck och effekt för kompressorer, uppgraderar nästan varje ingenjör samma 1 procent effekt till antagande om 2 psi. Efter att ha diskuterat systemiska attribut och termodynamik, är alla överens om att 2: 1-uttalandet är felaktigt men många antar att det är ett faktum och relaterar det till hur kompressorn fungerar relativt trycket i nätverksröret. Som unga ingenjörer som är nya i branschen var uttalandet om 2: 1 teknisk kunskap som delades av senioringenjörer. Felaktig erfarenhet och ålder för vetenskapligt faktum, många oskyldiga antaganden gick utan tvekan.
För stängningens skull verkar teorin ha sitt ursprung i början av 1900-talet som en rimlig uppskattning baserad på en komplex ekvation som användes för att beräkna bromshästkrafter för stora fram- och återgående kompressorer relativt tryck inuti cylindern. Detta är inte tillämpligt med tanke på alla komponenter och tekniska förändringar som utgör moderna kompressorer. Teorien 2: 1 är precis som ett ryktet om att iterativt omvandlas till en annan berättelse med varje persons tolkning och efterföljande delning. Detta inträffar när komplext tekniskt innehåll förenklas och generaliseras innan de når säljarna och andra individer som sprider kompressorkunskap till marknaden.
Funktionsegenskaper för centrifugalkompressorer
Till skillnad från positiva förskjutningskompressorer där tryck är en funktion av mekaniska krafter (effekt) som verkar på en yta som fysiskt reducerar en stängd volym, kan centrifugalkompressorer inte öka sina tryckfunktioner genom att öka effekten. En centrifugalkompressor, även känd som en dynamisk kompressor, genererar tryck på ett annat sätt. En given luftmassa accelereras genom ett pumphjul och förmedlar kinetisk energi. Luften går igenom en diffusor, minskar hastigheten och omvandlar en del av den kinetiska energin till värme och potentiell energi. Detta manifesterar sig i form av ökat lufttryck och temperatur. Beroende på kompressorns tryckkrav går luft igenom samma process genom efterföljande steg och bygger sig mot konstruktionens tryckkrav. För att förbättra effektiviteten kyler vissa eller alla steg luften innan den går in i nästa steg. För diskussionsändamål har driftsförklaringen förenklats för att förbli inom räckvidden. Tryckförmågan hos en centrifugalkompressor bestäms av aerodynamisk utformning av de inre komponenterna, omgivningsförhållanden, rotationshastighet och kylning av luften mellan steg.
Förhållandena mellan flöde, tryck och effekt för en centrifugalkompressor uttrycks normalt med användning av en prestandakurva baserad på specificerade omgivningsförhållanden, kylvatten och applicerade interna komponenter. Som ett resultat förändras prestandan - och framför allt - tryckkapaciteten när omgivningsförhållandena förändras under året. En arbetskurva som består av överlappande data från tre uppsättningar av omgivningsförhållanden används för att illustrera denna effekt i fig 1.
Bild 1 - Centrifugalkompressorprestanda kurvor
Prestandakurvan består av två delar: tryckflödeskurvan och kraftflödeskurvan. Tryckflödeskurvan har tryck på den vertikala axeln och flödet på den horisontella axeln. Kraftflödeskurvan har effekt på den vertikala axeln och flödet på den horisontella axeln. Flödesvärdena för varje horisontell axel är i linje så att varje tryckflödeskurva har en matchande effektflödeskurva. Lägg märke till hur den naturliga kurvan rör sig upp och åt höger när omgivningstemperaturen minskar. Ser man på de röda kurvorna för kraft och tryck med avseende på flöde, rörande från vänster till höger, illustrerar en vertikal linje som korsar båda kurvorna konstruktionstrycket och kraften för det specifika flödet och omgivningsförhållandena. När du rör dig från vänster till höger, märker du hur kraften initialt ökar när trycket sjunker och sedan minskar när man rör sig längre åt höger. Detta illustrerar hur kraft inte står i direkt proportion till en förändring i tryck. Detta förhållande är baserat på den aerodynamiska utformningen av de interna komponenterna. Vissa kompressorer som använder ett radiellt designhjul har maximal effektivitet längst upp på kurvan strax före naturlig kraft. En bakåtbenad konstruktion kan öka effektiviteten när trycket minskar eller kan uppnå toppeffektivitet vid någon punkt på kurvan och sedan minska vid lägre tryck.
Med hänvisning till den röda tryckflödeskurvan, observera att när trycket minskar ökar flödet för kompressorn. En centrifugalkompressor fungerar i förhållande till den naturliga kurvan när inloppsaggregatet är öppet 100 procent, eller tillräckligt för att öppning av aggregatet mer inte har någon inverkan på inloppshalstrycket. En kompressor som arbetar i maximalt tillstånd benämns ibland drift vid full belastning - eller på den aktiva delen av kurvan där flödet förändras med avseende på tryck. Flödet ökar när trycket reduceras men märk hur kurvets lutning förändras när trycket minskar. Så småningom blir kurvan asymptotisk - rakt upp och ner - när kompressorn rör sig in i ett område som kallas choke eller stenvägg.
Vid denna tidpunkt har dropptrycket väldigt liten eller ingen förändring på flöde eller effekt. Effekten minskar inte när kompressorn arbetar vid eller under choken. När kompressorn är i choke har hastigheten nått en sonisk tröskel vid vissa punkter i kompressorn. Därefter behåller kompressorn det inre trycket vid ett minimivärde oberoende av utloppstrycket utanför kompressorn. I huvudsak minskar det inre trycket med avseende på yttre tryck tills det når ett minimalt inre tryck. Under detta minimivärde minskar trycket endast i systemet medan det inre trycket förblir på det minsta värde som begränsas av sonisk hastighetsgräns.
Det övre trycket begränsas av kompressorns förmåga att omvandla kinetisk energi till tryck. Vid en viss energibalans är det genererade trycket mindre än det inre trycket, vilket orsakar instabilitet som ibland kallas flödesomvändning eller våg. Kompressordrift är instabil vid, eller nära, överspänningstrycket. Tryckförmågan eller det naturliga överspänningstrycket kan bara öka om tilluftsdensiteten ökar. Samma fenomen inträffar vid ett minimalt stabilt flödesförhållande som kallas gasströmmen. Om efterfrågan på luft är mindre än utbudet för ett erforderligt tryck, moduleras inloppsaggregatet, vilket minskar inloppstrycket och flödet. Detta kallas vanligen en kompressor som arbetar i modulering, på gasen eller vid konstant tryck.
Påverkan av tryck på centrifugalkompressorkraft
Ser man på prestanda inom den aktiva delen av kurvan, illustrerar fig. 2 de detaljerade förändringarna i flöde och effekt relativt avloppstrycket.
Bild 2 - Provcentrifugalkompressorprestationsdata
Uppgifterna i fig. 2 är baserade på testad prestanda för en specifik centrifugalkompressor. Om man tittar på kompressorns prestanda vid 121 psig och 111 psig, minskar trycket från 121 till 111 psig endast effekt med 5 hästkrafter. Detta motsvarar mindre än 0,35 procent minskning av axelkraften. .5 procent per psig-regel (beskrivs i del 1: Luftsystemets tryckpåverkan Kompressorkraft som gick i juliutgåvan av komprimerad luft bästa metoder) gäller inte. Det skulle ha förutspått en minskning av makt med 5 procent med en uppskattad besparing på $ 50 000 per år, i motsats till de realiserade $ 3 000. I det här exemplet kan besparingar uppskattas grovt överdrivna till mer än 16 gånger det verkliga värdet.
Eftersom kompressorn i detta exempel arbetar inom det aktiva området för kurvan ökar flödet ~ 100 scfm. Förutsatt att efterfrågan förblir densamma och kompressorkraften ändras direkt i proportion till förändringen i flöde, reduceras kompressoraxelens effekt med totalt 27 hästkrafter eller 1,8 procent. Detta är mindre än 36 procent av besparingarna som beräknas med hjälp av .5 procent per psig tumregel, vilket levererar $ 18.000 av besparingar i motsats till $ 50.000 med den felaktiga tillämpade beräkningen. Om kompressorn normalt arbetar i ett modulerat tillstånd med korrekt applicerade inloppsstyrningsskovlar reduceras axeleffekten 1,7 procent.
Det är viktigt att notera att till skillnad från roterande skruvkompressorer, representerar inte centrifugalkompressormodellnummer kompressorns prestanda. Flera olika impeller / diffusorkombinationer kan användas för en given extern gjutning, design och motor. Kombinationen av pumphjul och diffusor benämns vanligtvis kompressorns "aero". Flera olika aero-paket kan användas för ett visst kompressormodellnummer och har var och en sin unika prestanda. Man kan inte använda en generisk kurva - eller till och med en kurva från samma modell av kompressor - om inte tillverkaren bekräftar att kompressorerna tillverkades med samma aero.
Det är lika viktigt att se till att data korrigeras för platsförhållanden eller för en rad förhållanden om omgivningsförändringar med avseende på tid. Med hänvisning till fig 1 representerar de tre kurvorna (från vänster till höger) data från omgivningsförhållanden vid 95 ° F, 70 ° F och 30 ° F. Baserat på hur prestandakurvan förskjuts i förhållande till temperaturen är det inte ovanligt att hitta kompressorer som arbetar i choke flera månader om året. Detta är betydelsefullt eftersom alla uppskattningar för energibesparingar som är förknippade med tryck måste ta hänsyn till tid, temperatur och placering på kurvan. Utan dessa uppgifter kan alla försök att uppskatta besparingar i samband med tryck vara vilseledande. I vissa fall kan effekten öka när trycket sänks.
Energibesparingar för centrifugalkompressorer
Maximal tryckfunktioner för en specifik kompressor baseras på aero-paketet, omgivningsförhållanden och mekaniska tillstånd. Det maximala driftstrycket begränsas av kompressorn som strömmar i toppen av kurvan. Denna punkt kallas det naturliga överspänningstrycket. Med hänvisning till fig 1 representerar den rosa horisontella linjen den konstanta trycklinjen. När efterfrågan är mindre än det maximala flödet från kompressorn stänger inloppet för att minska flödet. Med inloppsstyrskovlar förblir verkningsgraden ganska konstant medan kompressorn stegrar. Spjällkraften visas på den nedre effektflödeskurvan som den diagonala linjen. Det minsta strypade flödet för en centrifugalkompressor är begränsat baserat på design. Efter den rosa horisontella linjen i fig. 1 till vänster, dikteras det minsta stabila flödet av den punkt där konstanttryckslinjen korsar gasspjällsspänningslinjen. Om kompressorn försöker begränsa flödet till mindre än denna skärningspunkt, växer kompressorn. Av uppenbara orsaker kallas detta en gasström. Spjällöverspänningslinjen kan ses i fig. 1 som den blå diagonala linjen på tryckflödesdiagrammet.
Om efterfrågan på luft är mindre än denna minsta begränsning, släpps överskottsluft ut i atmosfären för att kompensera för skillnaden mellan minimalt stabilt flöde och efterfrågan. Tyvärr, efter att kompressorn slutat strypa, ändras inte effekten. Följaktligen slösas all luft som släpps ut i atmosfären. För en kompressor som ofta arbetar med luft förbi atmosfären, minskar sänkningstrycket flödet där gasströmmen uppstår. Efter justering av kontrollinställningar, minskar fortfarande en kompressor som arbetar med minsta flöde genom att öka gasegenskaperna relativt det reducerade gasflödet. Detta är bara fallet om kompressorn går förbi luft till atmosfären och kontrollerna tillåter kompressorn att modulera inloppet, vilket ökar gasegenskaperna och minskar effekten. Återigen krävs webbplatskorrigerade prestationskurvor för att kvantifiera de potentiella besparingarna.
Möjligheten att manövrerar en kompressor nära spjällkraften begränsas av komplexiteten hos styralgoritmerna, den använda gasregleringen och hur kompressorns PID-slingor är inställda relativt systemdynamiken. Fig. 1 illustrerar effektreduktionen förknippad med att justera kompressorens gasgräns från en konservativ inställning till en mer effektiv inställning genom att ställa in kompressorns PID-slinga så att kompressorns reaktionshastigheter matchar hastigheten för efterfrågan. Förändringen i effekt som är förknippad med justeringar i systemkontrollerna kan ses genom att titta på de två vertikala streckade, purpurfärgade och bruna linjerna från konstant trycklinje till den strypade kraftledningen i fig. 1. För denna kompressor reducerades effekten 160 hk utan kapitalinvesteringar. Kompressorn passerade fortfarande luft ut i atmosfären, men mängden reducerades 980 scfm, förknippad med att modulera kompressorn närmare gasreglaget. Det är viktigt att notera att gränsvärden för gasreglage normalt sett är hög av en anledning. Lämplig rotorsakanalys krävs för att definiera de problem som påverkar de förhöjda inställningarna. Som en organisation som har granskat hundratals centrifugalkompressorsystem med avancerad teknisk detalj och analys, inser Ingersoll Rand att korrigerande åtgärder kan variera betydligt mellan systemen. I vissa situationer kan man spara sex siffror genom att korrigera ett komplicerat problem med en investering på $ 100. Omvänt kan besparingar kräva komplexa och dyra korrigeringar som inte är motiverade.
Centrifugal Compressor Performance Assessment
Det är viktigt att påpeka att prestandan hos en centrifugalkompressor kan förändras dramatiskt över tid på grund av mekanisk nedbrytning av interna komponenter. Även om stora problem med roterande enheter kan identifieras genom förhöjda vibrationsavläsningar, kan erosion av impeller och diffusorer avsevärt minska tryckförmågan, tillförlitligheten och effektiviteten hos en centrifugalkompressor med försumbar inverkan på vibrationer. Av denna anledning bör en prestationsbedömning göras för varje centrifugalkompressor regelbundet och som en del av varje energibesparingsprojekt. Alla bedömningar av tryckluftssystem som inte inkluderar detaljerad testning och analys av kompressorns prestanda kommer att ha otillräckliga eller ifrågasatta data och kan vara en indikation på revisorns centrifugalkompressorkompetens.
Det är också viktigt att notera att tidigare reparationer av en centrifugalkompressor kan ha väsentligt förändrat prestanda. Vissa leverantörer av eftermarknadstjänster ersätter interna flygkomponenter som inte matchar den ursprungliga designen. Vid vissa tillfällen, istället för att byta ut komponenter, kan kostnaden sparas genom slipning av impellerbladen och återbalansering av enheterna. Detta åtgärdar vibrationsproblem men kan dramatiskt förändra prestanda.
Med hänvisning till kurvan i fig 1 kan denna kompressor avge 135 psig vid 95 ° F-tillstånd. Om denna kompressor säljs som en 90 psig-enhet testar många leverantörer av centrifugaltjänster naturligt överspänningstryck och anser det som ett prestandatest. Efter att ha arbetat med många kompressorflygtekniker för utveckling och verifiering av centrifugalkompressorns prestandaanalys och icke-påträngande testförfaranden på plats, är det säkert att det är betydligt mer att bedöma kompressorns prestanda än att testa överspänningstryck och vibration. Vanliga antaganden om centrifugalkompressortjänster anser att ett naturligt överspänningstryck överstiger 10-15 procent över konstruktionstrycket är normalt, oavsett temperatur. Följaktligen anses överspänningstestning av kompressorn i fig. 1 och uppnå ett naturligt överspänningstryck större än 103 psig som positiv verifiering av prestanda av många organisationer. Detta görs inte med skadlig avsikt, det binder tillbaka till början av denna artikel och de problem som är förknippade med erfarenhet och upplevd kunskap. Precis som den felinformerade ingenjören oskyldigt kunde uppskatta 100 000 dollar i besparingar när det inte finns några, skulle många fälttekniker utföra vad de sägs är ett prestandatest, som oavsiktligt försummar för att identifiera försämrad kompressors prestanda och tillförlitlighet.
--- http: //www.hqcompressor.com
