Ottimizzare un sistema di aria compressa con una domanda di aria altamente fluttuante

Quando un sistema d'aria richiede grandi quantità d'aria (circa >100 m3/min) e la domanda d'aria oscilla fortemente durante il giorno, è opinione comune tra gli utenti finali che i grandi compressori a vite a velocità variabile possano offrire significative opportunità di risparmio, adattando con precisione il flusso d'aria compressa alla domanda del sistema.

Consideriamo il caso illustrato nella Fig. 1 come esempio. Nei casi in cui la domanda giornaliera di flusso ha una variabilità fino al 90% della domanda massima di aria, lo studio confronta il consumo energetico di sei soluzioni alternative in termini di numero di compressori installati, dimensioni dei compressori e tipi di tecnologie di compressione (ad esempio, centrifuga oil free e rotativa oil free).

Fig. 1: Profilo di flusso ad alta variabilità (90%) per un periodo di 24 ore.

Nell'analisi si tiene conto anche dell'influenza del sistema di controllo di un compressore d'aria e delle sue diverse logiche di controllo.

Il consumo energetico delle stesse sei soluzioni viene poi confrontato con diversi modelli di domanda d'aria per simulare il comportamento dei sei sistemi nel caso di esigenze di produzione variabili (cioè, vengono considerati anche altri quattro modelli di domanda d'aria giornaliera con diversa variabilità).

SELEZIONARE LA GIUSTA SOLUZIONE PER L'ARIA COMPRESSA

Esistono diverse tecnologie di compressione e ognuna può presentare vantaggi e svantaggi, a seconda della particolare applicazione, del campo di funzionamento, della potenza, della capacità e di altri aspetti.

Tuttavia, quando un sistema d'aria richiede grandi quantità d'aria e la domanda d'aria fluttua fortemente durante il giorno, è convinzione comune tra gli utenti finali che solo l'uso di grandi compressori a vite a velocità variabile possa offrire grandi opportunità di risparmio, adeguando esattamente il flusso dell'aria compressa erogata alla domanda del sistema.

Lo scopo di questo studio è quello di confrontare e valutare sei diverse soluzioni per l'aria compressa quando la domanda di aria è altamente fluttuante. Lo studio ha preso in considerazione cinque profili di flusso variabili, come illustrato nelle figure da 1 a 5, per definire alcune linee guida che aiutino gli utenti finali a scegliere il sistema migliore per la loro applicazione.

Case study correlati

Nel caso n. 1 (Fig. 1-2), la domanda d'aria oscilla fortemente tra i turni di notte e di giorno, da circa 30 m3/min a 220 m3/min, il che rappresenta una variabilità del 90% del flusso.

La Fig. 2 definisce ulteriormente il profilo del flusso nel Caso n. 1. L'asse delle ordinate rappresenta il flusso di richiesta come dato assoluto a sinistra e come percentuale del flusso massimo richiesto dal sistema a destra. L'asse delle ascisse mostra il tempo come percentuale del periodo di osservazione totale. Sulla base di questi dati, il ricercatore può dedurre che l'impianto rappresentato nel caso n. 1 opera al di sotto della portata media per quasi il 50% del tempo. Questo spettro di flusso è tipico di un sito di produzione con due turni notturni di sei ore con bassa richiesta di aria e due turni diurni di sei ore con alta richiesta di aria.

Fig. 2: Spettro di flusso ad alta variabilità (90%)

Gli altri quattro casi analizzati sono illustrati nelle figure da 3 a 6 e sono rappresentativi di:

Caso n. 2 (Fig. 3): Un altro spettro altamente variabile con il 90% di variabilità, ma rispetto al caso n. 1, solo il 30% delle volte viene richiesto un flusso inferiore alla media. Questo spettro è tipico di una produzione con un turno notturno di otto ore con bassa richiesta di aria e due turni diurni di otto ore con alta richiesta di aria.

Fig. 3: Profilo di flusso ad alta variabilità (90%) per il tempo medio

Caso n. 3 (Fig. 4): Simile ai casi n. 1 e n. 2, ma con una variabilità inferiore rispetto a prima (circa il 65% del flusso massimo invece del 90%). Per differenziarlo dai due casi precedenti, lo chiamiamo caso a media variabilità. Per quanto riguarda il caso n. 1, questa variabilità si verifica per un lungo periodo, poiché per circa il 50% del tempo viene richiesta una portata inferiore alla media.

Caso n. 4 (Fig. 5): Un modello di flusso a media variabilità (circa il 65% del flusso massimo, come il caso n. 3); rispetto al caso n. 3, solo il 30% delle volte viene richiesto un flusso inferiore alla media.

Caso n. 5 (Fig. 6): Un modello di flusso a bassa variabilità con una variabilità di solo circa il 30% del flusso massimo per tutto il giorno, rappresentativo di 24 ore al giorno - una produzione quasi costante.

SOLUZIONI PER COMPRESSORI A RISPARMIO ENERGETICO

Dal punto di vista del consumo energetico, esistono sei soluzioni alternative di compressore per le situazioni descritte nei casi 1-5:

• Soluzione A considera un compressore centrifugo e un compressore a vite a velocità variabile di grandi dimensioni (700 kW), la cui portata massima è pari alla metà della richiesta di portata massima del sistema.
• Soluzione B utilizza due compressori centrifughi la cui portata massima è pari alla metà della richiesta di portata massima del sistema. È noto che i compressori centrifughi possono essere progettati per ottenere la migliore efficienza con un intervallo di regolazione ridotto o un ampio intervallo di regolazione, detto anche turndown, con un'efficienza di progetto inferiore. In questa seconda soluzione, i compressori sono progettati per ottenere la massima efficienza e sono dotati del più recente ed efficiente controllo di condivisione del carico.
• La soluzione C utilizza due compressori centrifughi progettati con un ampio intervallo di regolazione. Anche in questa soluzione, come in tutte le soluzioni successive con compressori centrifughi multipli, i compressori centrifughi hanno un controllo di condivisione del carico, poiché questo sistema di controllo consente sempre di ridurre il blow-off dei compressori centrifughi estendendo il campo di regolazione del sistema.
• La soluzione D considera tre compressori centrifughi la cui portata massima è pari a un terzo della richiesta di portata massima del sistema. È progettato per un ampio turndown e per il controllo della condivisione del carico.
• La soluzione E considera tecnologie miste, ma in questo caso ci sono due compressori centrifughi con controllo di condivisione del carico e un piccolo compressore a vite a velocità variabile (160 kW). In questo scenario, i compressori non sono controllati da uno scheduler. Ciò significa che il piccolo compressore a vite a velocità variabile viene utilizzato solo per coprire i picchi di richiesta d'aria.
• La soluzione F utilizza gli stessi compressori della soluzione E, ma in questo caso i tre compressori sono controllati da uno scheduler. Lo scheduler consente al sistema di far funzionare - ad esempio, di caricare, scaricare o spegnere - ogni compressore secondo un programma predefinito, al fine di ottimizzare il sistema da vari punti di vista; in questo caso, dal punto di vista del consumo energetico.

Tornando al profilo di flusso originale della Fig. 1, la soluzione A - con un compressore centrifugo e un grande compressore rotativo a velocità variabile - può corrispondere esattamente al flusso richiesto dal sistema. Per questo motivo, si tratta di una combinazione imbattibile, in quanto non c'è spreco d'aria. Tuttavia, è necessario stabilire se sia anche la soluzione più efficiente dal punto di vista del consumo energetico. L'uso di un unico compressore centrifugo con una portata massima pari alla richiesta massima del sistema non è una soluzione praticabile a causa della grande quantità di aria sprecata, come mostrato nella Fig. 4. Questa configurazione non è stata quindi inserita tra le soluzioni precedentemente discusse. Per questo motivo, questa configurazione non è stata inserita tra le soluzioni precedentemente discusse.

Fig. 4: Soffiaggio dell'aria con un solo compressore centrifugo da 220 m3/min

Quando in un sistema sono installati più compressori centrifughi, è possibile ridurre il blow-off dei compressori centrifughi con l'installazione di un sistema di controllo della condivisione del carico. Le figure 8 e 9 mostrano la differenza, in termini di intervallo di regolazione, tra due compressori identici, la cui portata massima è pari alla metà della domanda massima di aria del sistema, senza e con un sistema di controllo della condivisione del carico.

Fig. 5: Soffiaggio dell'aria con due compressori centrifughi da 110 m3/min senza controllo della ripartizione del carico

In caso di richiesta di portata variabile oltre il campo di regolazione naturale - chiamato anche "turn-down" - di un compressore centrifugo, l'uso di un sistema di controllo di condivisione del carico all'avanguardia è sempre vantaggioso quando si utilizzano due o più compressori centrifughi in un sistema, in quanto si riducono i soffi d'aria.

Ciascuna delle soluzioni descritte nelle soluzioni da B a F consente al sistema di avere una diversa quantità di aria dispersa. In alcuni casi, come nella Soluzione F (Fig. 7), la fuoriuscita di aria è minima. È molto vicino allo zero blow-off della soluzione A, che utilizza un compressore centrifugo e un grande compressore a vite a velocità variabile. Tuttavia, non è la minimizzazione dell'aria soffiata a determinare i sistemi migliori, ma la minimizzazione del consumo energetico.

Fig. 7: Nella soluzione F, soffiaggio dell'aria con due compressori centrifughi da 100 m3/min progettati per la massima efficienza con controllo di condivisione del carico più un compressore a vite a velocità variabile da 25 m3/min (160 kW) con programmatore

Considerando le prestazioni a una pressione di 8 barg per ciascuno dei compressori utilizzati nelle soluzioni da A a F, la Fig. 8 mostra il confronto del consumo energetico giornaliero per il modello di flusso del caso n. 1 con un'elevata variabilità per un lungo periodo. Mostra anche l'efficienza relativa tra la soluzione A - la soluzione imbattibile - e le altre cinque soluzioni. L'efficienza della soluzione A è presa come riferimento ed è pari a 100.

Fig. 8: Confronto tra i sistemi, consumo energetico giornaliero

La soluzione A non è la soluzione imbattibile, ma la soluzione F - composta da due compressori centrifughi con condivisione del carico e un piccolo compressore a vite a velocità variabile da 160 kW con un programmatore - è la migliore in termini di conservazione dell'energia. La soluzione F consente all'utente di risparmiare quasi il 3% rispetto alla soluzione A.

La soluzione C - configurata con due compressori centrifughi progettati con un ampio intervallo di regolazione e un controllo di condivisione del carico - nonostante alcuni soffi d'aria, ha un'efficienza inferiore solo dello 0,3% rispetto alla soluzione A; pertanto, è un'opzione preferibile dal punto di vista operativo. Infatti, se si considerano 300 giorni di funzionamento all'anno e un costo medio dell'energia di 0,10 €/kWh (0,13 $/kWh), la soluzione A consente agli operatori di risparmiare solo 1500 € (19.500 $) all'anno rispetto alla soluzione C. Questi risparmi non giustificano gli svantaggi operativi di questo sistema: La soluzione A utilizza due compressori con parti di ricambio completamente diverse e, se è necessario un compressore di riserva, è possibile sceglierne solo uno, il che non garantisce la stessa efficienza operativa. La soluzione C, che utilizza due compressori centrifughi identici, elimina entrambi i problemi.

La Fig. 9 mostra il confronto dei costi energetici puri annui¹ delle sei soluzioni di compressori nel caso di un modello di flusso d'aria, come nel Caso n. 1. Un'altra considerazione importante è quella di valutare il comportamento delle sei soluzioni nel caso in cui i futuri cambiamenti di produzione influenzino il consumo giornaliero di aria.

Fig. 9: Confronto dei costi energetici annuali nel caso n. 1.

I modelli di flusso nei casi da 2 a 5 rappresentano diversi profili di flusso d'aria variabile in varie condizioni di produzione, che coprono quasi tutte le soluzioni - dalla più variabile alla meno variabile - come illustrato nelle figure da 3 a 6.

La tabella 1 riassume le efficienze relative tra la soluzione A e le altre cinque soluzioni con profili di flusso variabili, come nei casi da 1 a 5.

Tabella 1: Confronto dell'efficienza energetica: L'efficienza della soluzione A viene utilizzata come riferimento. Le percentuali negative in rosso o arancione indicano che il sistema è meno efficiente della soluzione A, mentre le cifre positive e verdi indicano che il sistema è più efficiente della soluzione A. Il giallo indica che i due sistemi sono più o meno uguali. L'ultima riga mostra la classifica delle sei soluzioni considerando l'efficienza del sistema (o i costi energetici annui), la flessibilità e la facilità di funzionamento, cioè parti di ricambio comuni e un compressore di riserva altrettanto efficiente.

Consideriamo ancora una volta le prestazioni del compressore a una pressione di 8 barg, 300 giorni di funzionamento all'anno e un costo energetico medio di 0,10 €/kWh (0,13 $/kWh). La soluzione F consente agli operatori di risparmiare 15.000 € (19.500 $) all'anno nel caso n. 1 e circa 400.000 € (52.000 $) all'anno nel caso n. 5, rispetto alla soluzione A. La soluzione C ha costi energetici leggermente superiori, circa 1500 € (1.950 $) all'anno nel caso n. 1, ma nel caso n. 5 consente circa 25.000 € (32.500 $) di risparmio rispetto alla soluzione A. 5 consente un risparmio di circa 25.000 € (32.500 $) all'anno rispetto alla soluzione A. Valutando il caso n. 1, ci si potrebbe chiedere come mai la soluzione A - che è in grado di fornire esattamente il flusso d'aria richiesto dal sistema senza alcuno sfiato d'aria - abbia quasi la stessa efficienza della soluzione C. La risposta è rivelata dalle figure 13 e 14.

La Fig. 10 confronta la potenza specifica a 8 barg di diversi modelli centrifughi con grandi compressori a vite a velocità variabile². Un compressore centrifugo da 75 m3/min che lavora al punto di progetto è più efficiente del 19% rispetto a un compressore a vite a velocità variabile da 500 kW; un compressore centrifugo da 115 m3/min è più efficiente del 14% rispetto a un compressore a vite a velocità variabile da 700 kW; e un compressore centrifugo da 140 m3/min è più efficiente del 19% rispetto a un compressore a vite a velocità variabile da 900 kW.

Fig. 10: Confronto della potenza specifica del package a 8 barg

In sintesi, solo la conoscenza del peso o del bilanciamento reale, in termini di percentuale di tempo o di condizioni operative variabili, consente agli operatori di stabilire se il compressore d'aria a vite a velocità variabile di grandi dimensioni è adatto all'impianto. Si tratta di un concetto importante che spesso viene trascurato o frainteso. Per chiarire questo concetto utilizzeremo un altro caso reale.

Un cliente aveva cinque vecchi compressori centrifughi da 4 barg di varie dimensioni, da 70 m3/min a 120 m3/min. L'anno scorso ha deciso di aggiornare la sala compressori per ridurre i costi operativi. Ha detto che è stato eseguito un audit e il primo passo è stato quello di migliorare l'efficienza del sistema. A tal fine, ha deciso di sostituire un compressore centrifugo con un compressore d'aria a vite a velocità variabile da 500 kW.

Dopo ulteriori indagini, hanno stabilito che alcune mattine, tra le 8 e le 10, il produttore doveva chiudere una linea di produzione per prepararsi al tipo di vetro da produrre il giorno successivo. Durante queste due ore, hanno avuto un eccesso d'aria di 60 m3/min. Poiché il vecchio compressore centrifugo era in grado di regolare solo 20 m3/min, il compressore centrifugo soffiava via 40 m3/min di aria. Sostituendo questo compressore con un compressore a vite a velocità variabile da 500 kW, ha detto, si sarebbero potuti evitare i blow off, migliorando l'efficienza del sistema e riducendo i costi operativi.

Purtroppo si tratta di un approccio errato e fuorviante. È vero che un compressore a vite a velocità variabile da 500 kW eviterebbe il blow-off durante i tempi di inattività dell'impianto, ma il cliente non ha preso in considerazione un confronto reale delle prestazioni, come mostrato nella Fig. 12. Il cliente avrebbe dovuto effettuare un confronto dei costi energetici tra un nuovo compressore centrifugo a due stadi e il desiderato compressore a vite bistadio da 500 kW a velocità variabile.

Fig. 12: Confronto della potenza specifica del package nel campo di regolazione a 4 barg