SCADA, АСУ ТП, контроллеры – основная тематика журнала «ИСУП»
Журнал «Информатизация и Системы Управления в Промышленности» публикует тематические материалы посвященные SCADA, АСУ ТП, контроллерам, автоматизации в промышленности.

Методы повышения эффективности работы компрессорных станций

В статье рассмотрены методы энергосбережения при эксплуатации центробежных компрессоров и нагнетателей на существующих станциях подготовки сжатого воздуха.
Компания «ТокcСофт», г.Москва
Toxoft.jpg

На большинстве промышленных предприятий в условиях текущего экономического состояния и повышения тарифов на электроэнергию сокращение непроизводительных энергетических затрат играет существенную роль. Поскольку доля компрессорных и нагнетательных станций в балансе энергопотребления составляет 25–30 %, а снижение КПД эксплуатируемых центробежных машин за счет износа увеличивает себестоимость сжатого воздуха, снижение затрат при его производстве дает ощутимый экономический эффект.

Обеспечение сжатым воздухом на многих предприятиях производится c помощью центробежных машин типов К-250, К-500 и их модификаций производства завода Дальэнергомаш и Невского завода. Широко используются также и центробежные нагнетатели, когда необходимы большие объемы воздуха при малых значениях давления (например, на станциях аэрации). Это надежные машины, с хорошим запасом прочности и безопасности, простые в обслуживании. При умелом обслуживании и модернизации они могут проработать еще не одно десятилетие.


Составляющие энергосбережения

Снижение энергетических затрат на существующей компрессорной или нагнетательной станции возможно за счет следующих составляющих:
- использование устройств плавного пуска для запуска агрегатов;
- расширение рабочей зоны компрессора за счет снятия ограничения на закрытие дроссельной заслонки в рабочем режиме;
- уменьшение нагрузки на компрессор в режиме холостого хода за счет перевода его в глубокое дросселирование; 
- увеличение суммарного КПД станции за счет внедрения группового регулирования давления и производительности; 
- прочие составляющие, как: снижение потребления охлаждающей воды, выявление резервов за счет анализа протекания процесса, уменьшение потерь от простоев за счет развитых средств диагностики и т.п. 


Плавный пуск

Запуск агрегата с использованием системы плавного пуска позволяет значительно снизить пусковые токи двигателей, в сетях с ограниченной мощностью КЗ резко уменьшить провалы напряжения сети при пуске двигателя, существенно снизить электродинамические усилия на обмотки двигателя и ударные механические воздействия на механизмы. Это увеличивает моторесурс агрегата и снижает энергопотребление в момент пуска.


Расширение диапазона регулирования

Область регулирования компрессора на малых расходах ограничивается границей зоны помпажа. При заданном давлении нагнетания нельзя уменьшать расход воздуха через компрессор менее, чем критическое значение, при котором возникает помпаж. Однако положение границы зоны помпажа может существенно меняться в зависимости от состояния атмосферного воздуха (давления, температуры, влажности) и технического состояния компрессора (степень сжатия). 

Чтобы обезопасить машину от попадания в помпаж, особенно при быстро меняющихся колебаниях потребления сжатого воздуха, завод-изготовитель и эксплуатирующий персонал устанавливают ограничение, при котором возникновение помпажа на компрессоре невозможно ни при каких условиях. Согласно инструкции завода-изготовителя, дроссельная заслонка компрессора в рабочем режиме не может быть закрыта более чем на 22 градуса, а на некоторых предприятиях угол ее закрытия ограничивают 30 и более градусами. Если потребление сжатого воздуха снижается за границу регулирования производительности, избыток воздуха стравливается в атмосферу через помпажный клапан. Сброс лишнего воздуха в атмосферу – это непроизводительные затраты электроэнергии.

Расширив диапазон регулирования производительности компрессора, можно исключить сброс воздуха в атмосферу при малых расходах и уменьшить энергетические потери. 

Зная текущее положение зоны помпажа и рабочей точки компрессора, можно регулировать производительность компрессора таким образом, чтобы при движении рабочей точки в зону малых расходов максимально приблизить рабочую точку к границе зоны помпажа, не открывая помпажный клапан. Запас по производительности относительно границы зоны помпажа определяет новую нижнюю границу регулирования и выбирается в зависимости от скорости движения рабочей точки в сторону уменьшения расхода. Критический угол закрытия дроссельной заслонки при таком регулировании может быть значительно менее, чем 22 градуса. Экономия электроэнергии при расширении зоны регулирования может составлять до 10 % на один агрегат.


Глубокое дросселирование

Режимом глубокого дросселирования называется такое состояние турбокомпрессора, при котором задвижка нагнетания закрыта, помпажный клапан полностью открыт, дроссельная заслонка закрыта. Всасывание воздуха производится через зазоры дроссельной заслонки. В этом состоянии, когда количество воздуха, перекачиваемого компрессором, минимально, а помпаж еще не наступает, нагрузка на компрессор существенно снижается по сравнению со штатным режимом холостого хода, рекомендуемым заводом-изготовителем.

Глубокое дросселирование также существенно облегчает пуск компрессора. Режим пуска является наиболее тяжелым для компрессора с точки зрения нагрузок на элементы его конструкции. Несмотря на малую продолжительность (около 30 с), пуск оказывает существенное влияние на ресурс агрегата. Связано это прежде всего с высокими пусковыми моментами, которые в два раза превышают номинальные, с прохождением компрессора через зону резонансных механических колебаний и дополнительными нагрузками конструкций при прогреве агрегата. Снижение нагрузки на рабочие колеса компрессора, благодаря глубокому дросселированию, облегчает режим пуска и уменьшает потери ресурса на каждый цикл пуск-останов с 50 до 15 часов. 

Внедрение глубокого дросселирования позволяет осуществлять ежедневные пуски и остановы компрессора без потерь ресурса, а экономия для режима холостого хода может составлять от 5 до 60 % на один компрессор.


Групповое регулирование

Существуют два метода группового регулирования производительности компрессоров, работающих на один коллектор. 

Первый метод заключается в ступенчатом регулировании производительности, когда один компрессор находится в состоянии регулирования, а остальные либо полностью нагружены, либо полностью разгружены и отключены от магистрали. 

При втором методе все компрессоры находятся в состоянии регулирования. Второй метод предпочтителен с точки зрения возможностей экономии энергии. Исследованиями доказано, что в этом случае суммарный КПД группы компрессоров выше, а значит, затраты электроэнергии при том же количестве производимого сжатого воздуха ниже, что позволяет достичь экономии от 3 до 6 % на один компрессор.


Прочие составляющие

Снижение нагрузки на компрессор при расширении его рабочей зоны приводит к снижению расхода охлаждающей воды через воздухоохладители, а в режиме глубокого дросселирования воздухоохладители не требуют охлаждения вообще. Это, в свою очередь, приводит к снижению затрат электроэнергии на привод циркуляционных насосов.

Развитая система управления снижает влияние человеческого фактора на точность управления, ведет архив технологических параметров. Технологический персонал имеет в своем распоряжении инструменты для всестороннего анализа накопленных данных и, исследуя графики изменения параметров в течение длительного времени, имеет возможность делать выводы о техническом состоянии компрессоров и проводить своевременные мероприятия по восстановлению их технических характеристик. 
Экономия электроэнергии от прочих составляющих оценивается на уровне 1 %.


Возможности экономии на производстве

На примере предприятий непрерывного и дискретного цикла возможности экономии за счет модернизации работы компрессорной станции можно представить ниже­описанными способами.

Для предприятий с непрерывным циклом характерны циклические колебания потребления сжатого воздуха в течение суток. Можно выделить несколько пиковых участков максимальной нагрузки на компрессорную станцию, в эти часы для производства необходимого объема сжатого воздуха требуются ресурсы большинства компрессоров, находящихся в работе. Экономия энергии в эти периоды возможна за счет расширения рабочей зоны компрессоров, за счет группового управления и за счет прочих составляющих. Зато в оставшиеся периоды времени нагрузка на компрессорную станцию снижается настолько, что компрессоры становятся невостребованными и могут быть выведены в глубокое дросселирование. Экономия энергии в этом случае возможна за счет режима глубокого дросселирования и за счет прочих составляющих.

Предприятие с дискретным циклом, например машиностроительное, работает, как правило, в две смены с двумя выходными днями в течение недели. Сжатый воздух используется для привода пневмоинструмента и различных исполнительных механизмов в окрасочном, прессовом, штамповочном, кузнечном и других производствах. Потребление сжатого воздуха в течение смены не претерпевает резких изменений и пребывает примерно на одном уровне. В нерабочее время сжатый воздух не потребляется, компрессоры могут быть остановлены. Основная экономия может быть получена в нерабочее время (ночные часы, а также выходные и праздничные дни). При существующем положении дел компрессоры в это время не выключаются, а переводятся в режим холостого хода, поскольку производитель компрессора допускает максимум еженедельные пуски и остановки компрессора. Пуск и остановка компрессора в режиме глубокого дросселирования существенно разгружают компрессор по сравнению со штатным режимом. Затраты ресурса на цикл пуск-остановка в глубоком дросселировании снижаются настолько, что становится возможным осуществлять ежедневные пуски и остановки компрессора.


Мероприятия по достижению экономии

Повышение энергоэффективности требует комплексного подхода и ряда организационно-технических мероприятий, которые подразделяются на две группы: модернизацию механических узлов и внедрение современных средств автоматизации с заменой и установкой дополнительного КИП. 

Например, чтобы при внедрении глубокого дросселирования добиться минимума энергопотребления при полностью закрытой дроссельной заслонке, необходимо произвести некоторую модернизацию механических узлов компрессора: минимизировать зазоры дроссельной заслонки, усилить всасывающий патрубок, провести ревизию помпажного клапана. Необходимо также провести общее техническое обследование состояния компрессора на предмет выявления возможных источников потерь энергии за счет изношенности механических деталей. В качестве примера можно привести трубные пучки воздухоохладителей или уплотнения, изношенность которых существенно снижает технические характеристки компрессора, а потери энергии могут существенно превысить эффект, достигнутый от глубокого дросселирования.

Со стороны средств автоматизации: 
- для обеспечения глубокого дросселирования необходимы алгоритм ввода компрессора в режим и вывода из него;
- для обеспечения расширения рабочей точки требуется измерять параметры атмосферного воздуха, периодически вычислять положение границы зоны помпажа, скорость и направление движения рабочей точки компрессора, регулировать производительность компрессора для поддержания заданного давления (или расхода) в пределах расширенной рабочей зоны путем изменения положения дроссельной заслонки, а в случае выхода рабочей точки за нижнюю границу рабочей зоны регулирование производить за счет изменения положения помпажного клапана;
- для группового управления производительности необходимо измерять расход воздуха в коллекторе, на который работает группа компрессоров, и реализовать действие алгоритма группового управления. Алгоритм, исходя из измеренного текущего потребления сжатого воздуха, рассчитывает уставки производительности для каждого компрессора в группе, стремясь добиться максимального группового КПД.

При всем при этом требуется надежная помпажная защита, срабатывающая, например, при появлении характерных колебаний нагрузки на двигатель главного привода, а также быстродействующие электроприводы дроссельной заслонки и помпажного клапана. Именно это гарантирует, что внедрение системы управления не уменьшит безопасности и безаварийности работы агрегатов.


Заключение

Модернизация компрессорной станции и внедрение системы управления ею — процесс финансоемкий, и эти затраты должны быть эффективными. Можно просто заменить устаревшую систему управления (например УКАС или УКАС-АМ) и получить улучшенное управление и снижение числа остановок агрегатов на величину остановок по причине неисправностей в системе управления, а можно не только улучшить управление, но и добиться энергосбережения за счет новых алгоритмов и мероприятий. Причем разница в цене не столь принципиальна, как может показаться. Большую роль при этом играет выбор контроллерной платформы, связанный с предпочтениями конечного заказчика.

Автоматизация компрессорной станции требует комплексного подхода, поскольку только при этом можно добиться оптимальной работы агрегатов. Но даже при внедрении современной системы управления на единичные агрегаты эффект очевиден. 

Компания «ТоксСофт» имеет девятилетний опыт автоматизации станций подготовки воздуха среди прочих на Красноярском, Иркутском и Павлодарском алюминиевых заводах, заводе «Уральская Кузница», Ашинском металлургическом комбинате, Донском ГОКе. Обобщив накопленный опыт, мы предлагаем систему ВЕТРОЛ (www.vetrol.ru) как современную и надежную систему управления, представленную на различных контроллерных платформах и реализующую различный функционал - от только регулирования производительности и реализации основных защит и блокировок, так и до полнофункциональных систем управления станцией.


Статья опубликована в журнале «ИСУП», № 3(23)_2009

П.А. Кочкин, начальник отдела АСУТП,
И.Н. Мухин, инженер ИУС,
компания «ТокcСофт», г.Москва,
тел.:(495)628-91-50, (391)237-34-16,
e-mail: mail@toxsoft.ru