空気需要の変動が激しい圧縮空気システムの最適化

空気システムが大量の空気（およそ100 m3/分以上）を必要とし、空気需要が日中に大きく変動する場合、エンドユーザーの間では、圧縮空気流量をシステムの需要に正確に一致させることで、大型の可変速スクリューコンプレッサーが大幅な節約の機会を提供できるという考えが一般的です。

図1のケースを例に考えてみよう。1日の流量需要が最大空気需要の90％まで変動する場合、この研究では、コンプレッサーの設置台数、コンプレッサーのサイズ、圧縮技術の種類（オイルフリー遠心式とオイルフリーロータリー式）の観点から、6つの代替ソリューションのエネルギー消費量を比較している。

図1：24時間の高変動率（90％）の流量プロファイル。

エアコンプレッサーの制御システムおよびそのさまざまな制御ロジックの影響も、分析において考慮されている。

次に、同じ6つのソリューションのエネルギー消費量を、生産ニーズが変化する場合の6つのシステムの挙動をシミュレートするために、異なる空気需要パターンで比較する（すなわち、異なる変動性を持つ他の4つの1日の空気需要パターンも考慮する）。

正しい圧縮空気ソリューションの選択

圧縮技術にはさまざまなものがあり、用途、作動範囲、出力、容量などによって、それぞれに長所と短所がある。

とはいえ、空気システムが大量の空気を必要とし、空気需要が日中に大きく変動する場合、エンドユーザーの間では、大型の可変速スクリューコンプレッサーを使用することだけが、供給される圧縮空気の流量をシステムの需要に正確に一致させることによって、大きな節約の機会をもたらすことができるという考えが一般的です。

この研究の目的は、空気需要が大きく変動する場合に、6つの異なる圧縮空気ソリューションを比較・評価することである。この研究では、エンドユーザーが用途に最適なシステムを選択するためのガイドラインを定義するために、図1から図5に示すような5つの可変流量プロファイルを検討した。

関連事例

ケースNo.1（図1-2）では、風量は夜勤と日勤で大きく変動しており、約30m3/minから220m3/minまで、流量の90％が変動している。

図2は、ケースNo.1のフロープロファイルをさらに定義したものである。Y軸は、左側では絶対値として、右側では最大要求システムフローに対するパーセンテージとして要求フローを表している。X軸は、全観測期間に占める時間の割合を示す。このデータから、研究者は、ケース1に代表されるプラントは、ほぼ50％の時間、平均流量以下で運転されていると推測できる。この流量スペクトルは、空気需要の少ない6時間の夜勤が2回と、空気需要の多い6時間の日勤が2回ある生産現場で典型的なものである。

図2：高変動率（90%）フロー・スペクトル

他の4つのケースは図3から図6に描かれており、代表的なものである：

ケースNo.2（図3）：ケースNo.1と比較すると、平均流量を下回る流量が要求されるのはわずか30%である。このスペクトルは、空気需要の少ない8時間の夜勤が1回と、空気需要の多い8時間の日勤が2回ある生産に典型的である。

図3：高変動率（90％）フロー・プロファイル（中間時間）

ケースNo.3（図4）：ケースNo.1およびNo.2と似ているが、変動幅は以前より小さい（最大流量の90％ではなく約65％）。前の2つのケースと区別するために、これを中程度の変動性のケースと呼ぶ。ケースNo.1に関しては、この変動は長い間生じており、約50％の時間、平均流量以下の流量しか要求されていない。

ケースNo.4（図5）：ケースNo.3と比較して、平均流量以下の流量が要求されるのは30%に過ぎない。

ケースNo.5（図6）：1日24時間を代表する最大流量の約30％しか変動しない低変動流量パターン（ほぼ一定の生産量）。

省エネコンプレッサー・ソリューション

エネルギー消費の観点から、ケース1～5で説明した状況に対するコンプレッサーの代替案は6つある：

• 解決策 A 最大流量がシステムの最大需要流量の半分である、1台の遠心式コンプレッサーと1台の大型（700kW）可変速スクリューコ ンプレッサーを 考える。
• 解決策 B 最大流量がシステムの最大需要流量の半分である2台の遠心式コンプレッサーを 使用する。遠心式コンプレッサーは、設計効率が低くても、調節範囲を小さくして最高の効率になるように設計することも、ターンダウンとも呼ばれる調節範囲を広くして最高の効率になるように設計することもできることが知られている。この2つ目のソリューションでは、コンプレッサーはピーク効率用に設計され、最新かつ最も効率的な負荷分散制御を備えている。
• 解決策 C 調節範囲が広く設計された2台の遠心式コンプレッサーを 使用している。またこのソリューションでは、複数の遠心式コンプレッサーを使用する以下のすべてのソリューションと同様に、遠心式コンプレッサーは負荷共有制御を行う。この制御システムは、システムの調整範囲を拡大することで、常に遠心式コンプレッサーのブローオフを減らすことができるからである。
• 解決策 D 最大流量がシステムの最大需要流量の3分の1である3台の遠心式コンプレッサーを 考える。ワイドターンダウンとロードシェアリングコントロール用に設計されている。
• 解決策 E は、混合技術を 考慮しているが、この場合、負荷分散制御を備えた2台の遠心式コンプレッサーと、小型（160kW）の可変速スクリューコンプレッサーが1台ある。このシナリオでは、コンプレッサーはスケジューラーによって制御されない。つまり、小型の可変速スクリューコンプレッサーは、ピーク時の空気需要をカバーするためだけに使用される。
• 解決策 F Eと同じコンプレッサーを 利用するが、この場合、3つのコンプレッサーはスケジューラーによって制御される。このスケジューラーによって、システムは、様々な観点からシステムを最適化するために、あらかじめ定義されたスケジュールに従って、各コンプレッサーを運転（例えば、ロード、アンロード、スイッチオフ）することができる。

図1の元の流量プロファイルに戻ると、ソリューションA（遠心式コンプレッサー1台と大型の可変速ロータリーコンプレッサー1台）は、システムが要求する流量に正確に一致することができる。このため、無駄な空気が発生せず、無敵の組み合わせといえる。とはいえ、私たちが確立しなければならないのは、それがエネルギー消費の観点からも最も効率的な解決策であるかどうかということだ。最大流量が最大システム需要に等しい1台の遠心式コンプレッサーを使用することは、図4に示されるように、大量の無駄空気が発生するため、実行可能な解決策ではない。このため、この構成は、先に議論した解決策の中には挙げられていない。

図4：220 m3/分の遠心式コンプレッサー1台のみによるエアブローオフ

遠心圧縮機が複数台設置されている場合、負荷分散制御システムを導入することで、遠心圧縮機のブローオフを低減することが可能である。図8と図9は、最大流量がシステムの最大空気需要の半分である2台の同一のコンプレッサーについて、負荷分散制御システムを使用しない場合と使用した場合の調整範囲の違いを示している。

図5：110 m3/分の遠心式コンプレッサー2台による空気ブローオフ（負荷分散制御なし）

図6：110 m3/分の遠心式コンプレッサー2台による空気ブローオフ（負荷分散制御付き）

遠心式コンプレッサーの自然調整範囲（「ターンダウン」とも呼ばれる）を超える可変流量需要の場合、2台以上の遠心式コンプレッサーをシステムで使用する場合、エアブローオフが減少するため、最先端の負荷分散制御システムの使用は常に有益である。

解決策BからFに記載されているそれぞれの解決策により、システムは異なる量の無駄な空気を持つことができる。解決策F（図7）のように、エアブローが最小限の場合もある。これは、1台の遠心式コンプレッサーと1台の大型可変速スクリューコンプレッサーを使用した解決策Aのブローオフゼロに非常に近い。とはいえ、最適なシステムを決定するのはエアブローの最小化ではなく、エネルギー消費の最小化である。

図7：解決策Fでは、負荷分散制御でピーク効率を実現するように設計された100 m3/分の遠心式コンプレッサー2台と、スケジューラー付き25 m3/分（160 kW）の可変速スクリューコンプレッサー1台によるエアブローオフ。

解決策A～Fで使用された各コンプレッサーの圧力8bargでの性能を考慮すると、図8は、変動が大きいケースNo.1のフローパターンでの1日のエネルギー消費量を長時間比較したものである。また、無敵の解決策である解決策Aと他の5つの解決策の相対的な効率も示している。溶液Aの効率を基準とし、100とする。

図8：システム比較、1日のエネルギー消費量

解決策Aは無敵の解決策ではないが、解決策Fは、ロードシェアリングが可能な2台の遠心式コンプレッサーと、スケジューラー付きの160kWの小型可変速スクリューコンプレッサー1台で構成され、省エネルギーの点で最良の解決策である。解決策Fは、解決策Aに比べて3％近く節約できる。

解決策Cは、広い調整範囲と負荷分散制御で設計された2台の遠心式コンプレッサーで構成され、若干のエアブローオフがあるにもかかわらず、解決策Aよりわずか0.3パーセント効率が低いだけである。実際、年間稼働日数300日、平均エネルギーコストを0.10ユーロ/kWh（0.13ドル/kWh）とすると、解決策Aは、解決策Cに対して、年間1500ユーロ（1万9500ドル）しか節約できない：解決策Aは、予備部品が全く異なる2台のコンプレッサーを使用し、予備コンプレッサーが必要な場合は1台しか選択できないため、同じ運転効率を保証できない。解決策Cは、2台の同じ遠心コンプレッサーを使用することで、これら両方の問題を解消する。

図9は、ケースNo.1と同様のエアフローパターンの場合における、6つのコンプレッサーソリューションの年間純粋エネルギーコスト比較¹を示している。もうひとつの重要な検討事項は、将来の生産変動が日々の空気消費に影響を与える場合の6つのソリューションの挙動を評価することである。

図9：ケースNo.1の年間エネルギーコスト比較。

ケースNo.2からNo.5までのフローパターンは、図3から図6に描かれているように、最も変動しやすいものから最も変動しにくいものまで、ほとんどすべての解決策をカバーする、さまざまな生産条件下でのさまざまな変動気流プロファイルを表している。

表1は、ケースNo.1からNo.5のように流量プロファイルを変化させた場合の、ソリューションAと他の5つのソリューションの相対効率をまとめたものである。

表1：エネルギー効率の比較：ソリューションAの効率を参考としている。赤やオレンジのパーセンテージがマイナスであれば、そのシステムはソリューションAよりも効率が悪いことを示し、プラスや緑の数値であれば、そのシステムはソリューションAよりも効率が良いことを示す。最後の行は、システムの効率（または年間エネルギーコスト）、柔軟性、操作の容易さ、すなわち、共通の予備部品と同様に効率的なバックアップ・コンプレッサを考慮した6つのソリューションの順位を示している。

圧力8barg、年間稼働日数300日、平均エネルギーコスト0.10ユーロ/kWh（0.13ドル/kWh）の場合のコンプレッサー性能をもう一度考えてみよう。解決策Fは、解決策Aと比較して、ケースNo.1では年間15000€（19500ドル）、ケースNo.5では年間約40000€（52000ドル）の節約が可能である。解決策Cは、ケースNo.1では年間約1500€（1950ドル）とエネルギーコストが若干高いが、ケースNo.5では、解決策Aと比較して年間約25000€（32500ドル）の節約が可能である。ケースNo.1を評価すると、エアブローなしでシステムが要求する風量を正確に供給できる解決策Aが、どうして解決策Cとほとんど同じ効率なのか不思議に思うかもしれない。

図10は、異なる遠心モデルと大型可変速スクリューコンプレッサー²の8bargでの比出力を比較したものである。設計点で働く75 m3/分の遠心式コンプレッサーの効率は、500 kWの可変速スクリューコンプレッサーより19％高く、115 m3/分の遠心式コンプレッサーの効率は、700 kWの可変速スクリューコンプレッサーより14％高く、140 m3/分の遠心式コンプレッサーの効率は、900 kWの可変速スクリューコンプレッサーより19％高い。

図10：8bargでのパッケージ比電力比較

まとめると、時間の割合や変動する運転条件の観点から、実際の重量やバランスを知ることだけが、大型の可変速スクリュー・エア・コンプレッサーがシステムに適しているかどうかをオペレーターが判断することを可能にする。これは、軽視されたり誤解されがちな重要な概念である。この概念を明確にするために、もうひとつの実際のケースを使うことにしよう。

70m3/minから120m3/minまでの様々なサイズの古い4バーグ遠心コンプレッサーを5台所有している顧客がいた。昨年、彼は運転コストを削減するためにコンプレッサールームを更新することを決めました。監査が行われ、まずはシステムの効率を改善することになったという。これを達成するために、彼は1台の遠心式コンプレッサーを500kWの可変速スクリュー・エア・コンプレッサーに置き換えることにした。

さらに調査を進めた結果、そのメーカーは朝8時から10時の間、翌日に生産するガラスの種類に対応するため、ある生産ラインを停止しなければならないことが判明した。この2時間で、60m3/分の空気が余った。古い遠心式コンプレッサーは20 m3/分しか調整できなかったため、遠心式コンプレッサーは40 m3/分の空気を吹き飛ばしていた。このコンプレッサーを500kWの可変速スクリューコンプレッサーに置き換えることで、ブローオフを回避し、システムの効率を向上させ、運転コストを削減することができたという。

残念ながら、これは誤った、誤解を招くアプローチだった。確かに500kWの可変速スクリューコンプレッサーであれば、プラントのダウンタイム中のブローオフを避けることができるが、顧客は図12に示すような実際の性能比較を考慮していなかった。顧客は、新しい2段遠心式コンプレッサーと、希望する2段500kW可変速スクリューコンプレッサーとのエネルギーコスト比較を実施したはずである。

図12：4bargにおけるレギュレーション・レンジでのパッケージ比電力比較