Een persluchtsysteem met sterk fluctuerende persluchtvraag optimaliseren

Wanneer een luchtsysteem grote hoeveelheden lucht nodig heeft (ca. >100 m3/min) en de vraag naar lucht sterk fluctueert gedurende de dag, zijn eindgebruikers ervan overtuigd dat grote schroefcompressoren met variabele snelheid aanzienlijke besparingen kunnen opleveren door het persluchtdebiet nauwkeurig af te stemmen op de vraag van het systeem.

Beschouw het geval in Fig. 1 als voorbeeld. Waar de dagelijkse vraag naar lucht een variabiliteit heeft tot 90% van de maximale luchtvraag, vergelijkt het onderzoek het energieverbruik van zes alternatieve oplossingen in termen van aantal geïnstalleerde compressoren, compressorgrootte en compressietechnologieën (d.w.z. olievrije centrifugale en olievrije roterende).

Fig. 1: Debietprofiel met hoge variabiliteit (90 procent) voor een periode van 24 uur.

De invloed van het besturingssysteem van een luchtcompressor en de verschillende besturingslogica's wordt ook meegenomen in de analyse.

Het energieverbruik van dezelfde zes oplossingen wordt vervolgens vergeleken met verschillende luchtvraagpatronen om het gedrag van de zes systemen te simuleren in het geval van variërende productiebehoeften (d.w.z. andere vier dagelijkse luchtvraagpatronen met verschillende variabiliteit worden ook beschouwd).

DE JUISTE PERSLUCHTOPLOSSING KIEZEN

Er zijn verschillende compressietechnologieën en elke technologie kan zijn eigen voor- en nadelen hebben, afhankelijk van de specifieke toepassing, het werkgebied, het vermogen, de capaciteit en andere aspecten.

Wanneer een persluchtsysteem echter grote hoeveelheden lucht nodig heeft en de vraag naar perslucht sterk fluctueert gedurende de dag, is het een gangbare overtuiging onder eindgebruikers dat alleen het gebruik van grote schroefcompressoren met variabele snelheid grote besparingsmogelijkheden kan opleveren door het debiet van de geleverde perslucht exact af te stemmen op de vraag van een systeem.

Het doel van dit onderzoek is om zes verschillende persluchtoplossingen te vergelijken en te evalueren wanneer de vraag naar perslucht sterk fluctueert. Het onderzoek heeft vijf variabele debietprofielen bekeken, zoals weergegeven in Fig. 1 tot 5, om enkele richtlijnen te definiëren die eindgebruikers kunnen helpen bij het kiezen van het beste systeem voor hun toepassing.

GERELATEERDE CASESTUDIES

In Geval nr. 1 (Afb. 1-2) schommelt de luchtvraag sterk tussen nacht- en dagdiensten, van ongeveer 30 m3/min tot 220 m3/min, wat neerkomt op een variabiliteit van 90 procent van het debiet.

Fig. 2 definieert verder het stroomprofiel in Geval nr. 1. De y-as geeft de aanvraagstroom weer als een absoluut getal aan de linkerkant en als een percentage van de maximale aangevraagde systeemstroom aan de rechterkant. De x-as toont de tijd als een percentage van de totale observatieperiode. Op basis van deze gegevens kan de onderzoeker concluderen dat de installatie in Case No. 1 bijna 50% van de tijd onder het gemiddelde debiet werkt. Dit stromingsspectrum is typisch voor een productielocatie met twee nachtdiensten van zes uur met een lage luchtbehoefte en twee dagdiensten van zes uur met een hoge luchtbehoefte.

Fig. 2: Hoog variabel (90 procent) stromingsspectrum

De andere vier geanalyseerde gevallen worden weergegeven in Figuren 3 tot 6 en zijn representatief voor:

Geval nr. 2 (Fig. 3): Nog een zeer variabel spectrum met 90% variabiliteit, maar vergeleken met Geval nr. 1 wordt er slechts 30% van de tijd minder dan het gemiddelde debiet gevraagd. Dit spectrum is typisch voor een productie met een achturige nachtploeg met lage luchtbehoefte en twee achturige dagploegen met hoge luchtbehoefte.

Fig. 3: Debietprofiel met hoge variabiliteit (90 procent) voor middellange tijd

Geval nr. 3 (Fig. 4): Vergelijkbaar met Gevallen nr. 1 en nr. 2, maar met een lagere variabiliteit dan voorheen (ca. 65 procent van het maximale debiet in plaats van 90 procent). Om het te onderscheiden van de vorige twee gevallen, noemen we dit een geval met gemiddelde variabiliteit. Net als in Geval nr. 1 treedt deze variabiliteit gedurende lange tijd op, aangezien gedurende ongeveer 50 procent van de tijd minder dan het gemiddelde debiet wordt aangevraagd.

Geval nr. 4 (Fig. 5): Een debietpatroon met gemiddelde variabiliteit (ca. 65 procent van het maximale debiet, net als in Geval nr. 3); vergeleken met Geval nr. 3 wordt slechts 30 procent van de tijd minder dan het gemiddelde debiet gevraagd.

Geval nr. 5 (Fig. 6): Een debietpatroon met een lage variabiliteit van slechts ongeveer 30 procent van het maximale debiet gedurende de hele dag, representatief voor 24 uur per dag - bijna constante productie.

ENERGIEBESPARENDE COMPRESSOROPLOSSINGEN

Vanuit het oogpunt van energieverbruik zijn er zes alternatieve compressoroplossingen voor de situaties beschreven in Cases 1-5:

• Oplossing A beschouwt één centrifugaalcompressor en één grote (700 kW) schroefcompressor met variabele snelheid waarvan het maximale debiet de helft is van het maximale gevraagde debiet van het systeem.
• Oplossing B gebruikt twee centrifugaalcompressoren waarvan het maximale debiet de helft is van het maximale gevraagde debiet van het systeem. Het is bekend dat centrifugaalcompressoren kunnen worden ontworpen voor het beste rendement met een kleiner regelbereik of een groot regelbereik, ook wel turndown genoemd, met een lager ontwerprendement. Bij deze tweede oplossing zijn de compressoren ontworpen voor piekrendement en hebben ze de nieuwste en meest efficiënte regeling voor lastverdeling.
• Solution C gebruikt twee centrifugaalcompressoren met een groot regelbereik. Ook in deze oplossing, net als in alle volgende oplossingen met meerdere centrifugaalcompressoren, hebben de centrifugaalcompressoren een lastverdelende regeling, omdat dit regelsysteem altijd een vermindering van de blow-off van de centrifugaalcompressoren mogelijk maakt door het regelbereik van het systeem uit te breiden.
• Oplossing D beschouwt drie centrifugaalcompressoren waarvan het maximale debiet een derde is van de maximale debietvraag van het systeem. Hij is ontworpen voor een brede turndown en load-sharing regeling.
• Oplossing E gaat uit van gemengde technologieën, maar in dit geval zijn er twee centrifugaalcompressoren met lastverdelende regeling en één kleine (160 kW) schroefcompressor met variabele snelheid. In dit scenario worden de compressoren niet bestuurd door een planner. Dit betekent dat de kleine schroefcompressor met variabel toerental alleen wordt gebruikt om piekbelastingen op te vangen.
• Oplossing F gebruikt dezelfde compressoren als in E, maar in dit geval worden de drie compressoren bestuurd door een planner. Met de planner kan het systeem elke compressor laten werken - bijvoorbeeld laden, ontladen of uitschakelen - volgens een vooraf gedefinieerd schema om het systeem vanuit verschillende oogpunten te optimaliseren; in dit geval vanuit het oogpunt van energieverbruik.

Terugkomend op ons oorspronkelijke stromingsprofiel in Fig. 1, kan oplossing A - met één centrifugaalcompressor en één grote roterende compressor met variabel toerental - precies voldoen aan het door het systeem gevraagde debiet. Daarom is het een onverslaanbare combinatie, want er wordt geen lucht verspild. We moeten echter vaststellen of dit ook de meest efficiënte oplossing is vanuit het oogpunt van energieverbruik. Het gebruik van een enkele centrifugaalcompressor met een maximaal debiet dat gelijk is aan de maximale vraag van het systeem is geen haalbare oplossing vanwege de grote hoeveelheid verspilde lucht, zoals te zien is in Fig. 4. Daarom is deze configuratie niet opgenomen onder de eerder besproken oplossingen. Daarom is deze configuratie niet opgenomen in de lijst met eerder besproken oplossingen.

Fig. 4: Afblazen met slechts één centrifugaalcompressor van 220 m3/min

Als er meerdere centrifugaalcompressoren in een systeem zijn geïnstalleerd, is het mogelijk om de blow-off van de centrifugaalcompressoren te verminderen door een load-sharing regelsysteem te installeren. Fig. 8 en 9 tonen het verschil in regelbereik van twee identieke compressoren, waarvan het maximale debiet de helft is van de maximale luchtvraag van het systeem, zonder en met een regelsysteem voor lastverdeling.

Fig. 5: Afblazen met twee 110 m3/min centrifugaalcompressoren zonder lastverdelende regeling

Bij variabele debietvraag buiten het natuurlijke regelbereik - ook wel "turn-down" genoemd - van een centrifugaalcompressor is het gebruik van een geavanceerd lastverdelende regelsysteem altijd gunstig als er twee of meer centrifugaalcompressoren in een systeem worden gebruikt, omdat er dan minder lucht wordt afgeblazen.

Elk van de oplossingen beschreven in Oplossingen B tot en met F zorgt ervoor dat het systeem een andere hoeveelheid luchtverspilling heeft. In sommige gevallen, zoals bij oplossing F (afb. 7), is het wegblazen van lucht minimaal. Het ligt heel dicht bij de nulblaassnelheid van oplossing A, waarbij één centrifugaalcompressor en één grote schroefcompressor met variabele snelheid worden gebruikt. Toch is het niet de minimalisatie van de uitblaaslucht die bepalend is voor de beste systemen, maar de minimalisatie van het energieverbruik.

Fig. 7: In oplossing F, luchtafvoer met twee centrifugaalcompressoren van 100 m3/min ontworpen voor piekrendement met lastverdelende regeling plus één schroefcompressor van 25 m3/min (160 kW) met variabel toerental en planner

Rekening houdend met de prestaties bij een druk van 8 barg voor elk van de compressoren gebruikt in de oplossingen A tot F, toont Fig. 8 de vergelijking van het dagelijkse energieverbruik voor het stromingspatroon van Geval nr. 1 met hoge variabiliteit gedurende een lange tijd. Het toont ook de relatieve efficiëntie tussen oplossing A - de onverslaanbare oplossing - en de andere vijf oplossingen. De efficiëntie van oplossing A wordt als referentie genomen en is gelijk aan 100.

Fig. 8: Vergelijking van systemen, dagelijks energieverbruik

Oplossing A is niet de onverslaanbare oplossing, maar oplossing F - bestaande uit twee centrifugaalcompressoren met lastendeling en een kleine schroefcompressor van 160 kW met variabele snelheid en een planner - is de beste oplossing in termen van energiebesparing. Met oplossing F kan de gebruiker bijna 3% besparen ten opzichte van oplossing A.

Oplossing C - geconfigureerd met twee centrifugaalcompressoren met een groot regelbereik en lastverdelende regeling - is ondanks enige luchtafvoer slechts 0,3% efficiënter dan oplossing A; daarom is dit vanuit bedrijfstechnisch oogpunt een te verkiezen optie. Als we uitgaan van 300 bedrijfsdagen per jaar en gemiddelde energiekosten van 0,10 €/kWh ($ 0,13/kWh), kunnen operators met oplossing A slechts 1500 € ($ 19.500) per jaar besparen ten opzichte van oplossing C. Deze besparingen rechtvaardigen niet de nadelen van dit systeem: Oplossing A gebruikt twee compressoren met volledig verschillende reserveonderdelen en als er een reservecompressor nodig is, kan er maar één worden gekozen, wat niet dezelfde bedrijfsefficiëntie garandeert. Oplossing C, waarbij twee identieke centrifugaalcompressoren worden gebruikt, elimineert beide problemen.

Fig. 9 toont de vergelijking van de jaarlijkse pure energiekosten¹ van de zes compressoroplossingen in het geval van een luchtstroompatroon, zoals in casus nr. 1. Een andere belangrijke overweging is het evalueren van het gedrag van de zes oplossingen in het geval dat toekomstige productieveranderingen het dagelijkse luchtverbruik beïnvloeden.

Fig. 9: Vergelijking van de jaarlijkse energiekosten in Geval nr. 1.

De stromingspatronen in de gevallen 2 tot en met 5 vertegenwoordigen verschillende variabele luchtstromingsprofielen onder verschillende productieomstandigheden, die bijna alle oplossingen omvatten - van de meest variabele tot de minst variabele - zoals weergegeven in Fig. 3 tot en met 6.

Tabel 1 geeft een overzicht van de relatieve efficiëntie tussen oplossing A en de andere vijf oplossingen met variabele stroomprofielen, zoals in de gevallen 1 tot en met 5.

Tabel 1: Vergelijking van energie-efficiëntie: De efficiëntie van oplossing A wordt gebruikt als referentie. Negatieve rode of oranje percentages geven aan dat het systeem minder efficiënt is dan oplossing A, en positieve en groene cijfers geven aan dat het systeem efficiënter is dan oplossing A. Geel betekent dat de twee systemen min of meer gelijk zijn. De laatste rij toont de rangschikking van de zes oplossingen, rekening houdend met de efficiëntie van het systeem (of de jaarlijkse energiekosten), flexibiliteit en gebruiksgemak, d.w.z. gemeenschappelijke reserveonderdelen en een even efficiënte reservecompressor.

Beschouw opnieuw de prestaties van de compressor bij een druk van 8 barg, 300 bedrijfsdagen per jaar en een gemiddelde energiekost van 0,10 €/kWh (0,13 $/kWh). Oplossing F stelt operators in staat om 15000 € ($19.500) per jaar te besparen in Geval nr. 1 en ongeveer 40000 € ($52.000) per jaar in Geval nr. 5, vergeleken met Oplossing A. Oplossing C heeft iets hogere energiekosten, ongeveer 1500 € ($1.950) per jaar in Geval nr. 1, maar maakt in Geval nr. 5 ongeveer 25000 € ($32.500) per jaar aan besparingen mogelijk vergeleken met Oplossing A. 5 levert het ongeveer 25000 € (32.500 $) per jaar aan besparingen op in vergelijking met oplossing A. Bij het evalueren van situatie nr. 1 kan iemand zich afvragen hoe oplossing A - die in staat is om precies de luchtstroom te leveren die door het systeem wordt gevraagd zonder dat er lucht wordt afgeblazen - bijna dezelfde efficiëntie heeft als oplossing C. Het antwoord wordt onthuld in fig. 13 en 14.

Fig. 10 vergelijkt het specifieke vermogen bij 8 barg van verschillende centrifugale modellen met grote schroefcompressoren met variabel toerental². Een centrifugaalcompressor van 75 m3/min die op het ontwerppunt werkt, is 19% efficiënter dan een schroefcompressor van 500 kW met variabele snelheid; een centrifugaalcompressor van 115 m3/min is 14% efficiënter dan een schroefcompressor van 700 kW met variabele snelheid; en een centrifugaalcompressor van 140 m3/min is 19% efficiënter dan een schroefcompressor van 900 kW met variabele snelheid.

Fig. 10: Vergelijking van specifiek pakketvermogen bij 8 barg

Kortom, alleen de kennis van het werkelijke gewicht of de werkelijke balans, in termen van percentage van de tijd of variabele bedrijfsomstandigheden, stelt operators in staat om te bepalen of de grote schroefcompressor met variabel toerental geschikt is voor het systeem. Dit is een belangrijk concept dat vaak wordt verwaarloosd of verkeerd begrepen. We zullen een ander echt geval gebruiken om dit concept te verduidelijken.

Er was een klant met vijf oude 4 barg centrifugaalcompressoren van verschillende groottes, variërend van 70 m3/min tot 120 m3/min. Vorig jaar besloot hij de compressorruimte te moderniseren om de bedrijfskosten te verlagen. Hij zei dat er een audit was uitgevoerd en dat de eerste stap was om de efficiëntie van hun systeem te verbeteren. Om dit te bereiken besloot hij een centrifugale compressor te vervangen door een schroefcompressor met variabele snelheid van 500 kW.

Na verder onderzoek stelden ze vast dat de fabrikant op sommige ochtenden tussen 8 en 10 uur 's ochtends een productielijn moest stilleggen om zich voor te bereiden op het type glas dat de volgende dag geproduceerd zou worden. Gedurende deze twee uur hadden ze een luchtoverschot van 60 m3/min. Aangezien de oude centrifugaalcompressor slechts 20 m3/min kon regelen, blies de centrifugaalcompressor 40 m3/min lucht weg. Door deze compressor te vervangen door een schroefcompressor met variabel toerental van 500 kW, hadden ze volgens hem afblazen kunnen voorkomen, waardoor de efficiëntie van het systeem zou zijn verbeterd en de bedrijfskosten zouden zijn gedaald.

Helaas was dit een onjuiste en misleidende benadering. Het is waar dat een schroefcompressor met variabele snelheid van 500 kW afblazen tijdens stilstand van de fabriek zou voorkomen, maar de klant heeft geen rekening gehouden met een echte prestatievergelijking zoals weergegeven in Fig. 12. De klant had een energiekostenvergelijking moeten maken tussen een nieuwe tweetraps centrifugale compressor en de gewenste tweetraps 500 kW schroefcompressor met variabel toerental.

Fig. 12: Vergelijking van specifiek pakketvermogen in regelbereik bij 4 barg