Как давление в сети влияет на энергопотребление компрессоров

Чем выше давление, которое должен создавать компрессор, тем больше энергии обычно требуется для сжатия одного и того же количества воздуха. Поэтому завышенная уставка давления может увеличивать расход электроэнергии даже при неизменной полезной потребности производственного оборудования.

Однако высокое давление на выходе компрессора не всегда означает неправильно выбранную уставку. Оно может быть необходимо для компенсации потерь давления в фильтрах, трубопроводах и других элементах распределительной сети. Если уменьшить давление на источнике без проверки удалённых потребителей, оборудование может перестать получать воздух с необходимыми параметрами.

Технически обоснованное решение принимают после сопоставления давления на выходе компрессоров и у потребителей, фактического расхода воздуха, сопротивления сети и характеристик компрессорного оборудования. Результатом должен стать допустимый диапазон давления и расчёт потенциального снижения энергопотребления.

Почему повышение давления увеличивает электрическую нагрузку компрессора

Компрессор затрачивает механическую работу на повышение давления воздуха. При одинаковом количестве подаваемого воздуха более высокое конечное давление требует большей работы сжатия при прочих сопоставимых условиях.

Электродвигатель обеспечивает эту механическую работу, поэтому изменение давления влияет на потребляемую электрическую мощность.

Например, если производственному оборудованию достаточно давления 6 бар, а компрессор поддерживает 8 бар, возникает вопрос о необходимости дополнительного давления. Но разница в 2 бар сама по себе ещё не доказывает наличие энергетического резерва: между компрессором и потребителем может существовать значительное гидравлическое сопротивление.

Для правильной оценки необходимо различать:

• Давление на выходе компрессора — параметр, поддерживаемый компрессорным оборудованием в соответствии с его настройками.
• Давление у потребителя — параметр, фактически доступный технологическому оборудованию после прохождения распределительной сети.
• Потери давления — разность давлений, обусловленная прохождением воздуха через элементы системы при определённом расходе.

Эти величины связаны между собой. Если на выходе компрессорной давление высокое, а у удалённого потребителя оно близко к минимально необходимому, простое снижение уставки может оказаться недопустимым.

Какие измерения необходимы перед изменением уставки

Основные исходные данные — действующие уставки компрессоров и измеренные давления у удалённых потребителей. Их сопоставление показывает, какое давление создаётся на источнике и какая его часть фактически доступна производственному оборудованию.

Однако одной разности давлений недостаточно. Необходимо также знать расход воздуха и потери давления на фильтрах и трубопроводах.

Параметр	Что позволяет установить
Уставки компрессоров	Диапазон давления, который система управления стремится поддерживать на источнике
Давление у удалённых потребителей	Достаточно ли воздуха по давлению в наиболее требовательных точках сети
Расход воздуха	При какой фактической нагрузке получены показатели давления
Потери давления на фильтрах	Какая часть необходимого напора расходуется на прохождение узлов фильтрации
Потери давления в трубопроводах	Насколько распределительная сеть снижает давление до конечных устройств

Измерения необходимо проводить в согласованных режимах. Например, давление на выходе компрессора при малом ночном расходе нельзя непосредственно сопоставлять с давлением у удалённого оборудования, зарегистрированным в момент максимальной производственной нагрузки.

При разных расходах сопротивление сети может существенно отличаться. Поэтому несинхронные данные способны создать ложное представление о величине потерь давления и допустимости изменения уставки.

Первый практический результат измерений — установление давления, которое реально требуется создать на источнике для обеспечения критичных потребителей.

Как определить минимально допустимое давление в сети

Минимально допустимое давление определяют исходя из потребностей конечного оборудования, а не только паспортных характеристик компрессоров.

Сначала устанавливают требования потребителей к давлению. Затем измеряют фактические значения в удалённых и наиболее чувствительных точках сети при характерных рабочих расходах.

Критичной считают точку, в которой снижение давления способно привести к нарушению необходимой работы оборудования. Это не обязательно географически самый удалённый потребитель: существенное значение имеет сопротивление конкретного участка сети и требуемый режим устройства.

Условие допустимости настройки можно выразить следующим образом:

pист ≥ pпотр,мин + Δpсети,

где pист — необходимое давление на источнике; pпотр,мин — минимально допустимое давление у критичного потребителя; Δpсети — потери давления между источником и этим потребителем при рассматриваемом расходе воздуха.

В данной зависимости используют согласованные значения давления, измеренные и выраженные на одной основе. Если для надёжной работы предусмотрен дополнительный запас, его также необходимо учитывать при установлении рабочей уставки.

Например, если технологическому устройству требуется не менее 6 бар, а потери между компрессорной и этим устройством составляют 0,7 бар при проверенной нагрузке, давление на источнике должно обеспечивать эти условия с необходимым эксплуатационным запасом.

Однако полученное значение применимо к проверенному режиму. Если при увеличении расхода потери в сети возрастают, минимальное давление на источнике также может измениться.

Снижать давление допустимо только тогда, когда во всех критичных точках сохраняется необходимый запас. Настройку нельзя обосновывать исключительно показаниями манометра возле компрессора.

Как фильтры и трубопроводы создают дополнительные потери давления

При прохождении сжатого воздуха через трубопроводы, соединения и фильтры давление уменьшается вследствие сопротивления потоку.

Чем больше потери давления между компрессорной и потребителями, тем более высокое давление приходится обеспечивать на источнике для выполнения той же технологической задачи.

Особое внимание необходимо уделить двум обстоятельствам.

Состояние фильтров. Засорённый фильтр может создавать повышенное сопротивление и требовать дополнительного давления перед ним для сохранения необходимого давления после фильтра. Если обнаружено значительное падение давления, проверяют его соответствие фактическому расходу и состоянию фильтрующего элемента.

Характеристики трубопроводов. Потери могут быть обусловлены самой конфигурацией распределительной сети. Например, неправильно выбранный по пропускной способности трубопровод способен создавать значительное сопротивление при необходимом производственном расходе.

В обоих случаях высокая уставка компрессора может компенсировать проблему, расположенную за пределами компрессорного агрегата.

Эти причины важно разграничивать. При повышенном сопротивлении фильтра необходимо проверить его состояние и допустимость обслуживания или замены. Если же значительные потери формирует трубопровод, корректировка одной только уставки проблему не устраняет.

Поэтому высокое давление может быть следствием сопротивления сети, а не ошибкой настройки компрессора. Для определения причины нужны измерения давления до и после соответствующих участков при известном расходе воздуха.

Как сравнить энергопотребление компрессора при разных давлениях

Потенциальный эффект снижения давления оценивают при одинаковом полезном отпуске сжатого воздуха. Под полезным отпуском понимают объём воздуха, необходимый конечным потребителям для выполнения их технологических функций в установленном режиме.

Это условие принципиально: если после снижения давления оборудование получает меньше воздуха и работает с недостаточной производительностью, уменьшение электрической мощности компрессорной нельзя полностью считать энергосбережением.

Для сопоставления определяют два варианта:

• Исходный режим. Фактическое рабочее давление, потребление электроэнергии и полезная подача воздуха.
• Проверяемый режим. Меньшее давление на источнике при сохранении необходимого полезного отпуска и допустимых параметров у критичных потребителей.

При наличии характеристик компрессора определяют его электрическую мощность в обоих режимах. Если изменение давления влияет на алгоритм загрузки или работу нескольких компрессоров, расчёт должен учитывать соответствующие изменения работы системы.

Для периода продолжительностью t при сопоставимых постоянных режимах потенциальное снижение потребления можно представить как:

ΔE = (Pисх − Pнов) × t,

где Pисх — электрическая мощность в исходном режиме; Pнов — мощность при предлагаемой настройке; t — продолжительность соответствующей работы.

При переменной производственной нагрузке расчёт выполняют отдельно для характерных режимов и объединяют результаты с учётом фактической продолжительности каждого из них.

При этом значения мощности должны определяться по достоверной характеристике оборудования или по согласованным измерениям. Нельзя назначать их произвольно на основании одной лишь разницы давления.

Почему нельзя применять универсальный процент экономии на каждый бар

На практике иногда предполагают, что снижение давления на определённую величину всегда обеспечивает фиксированный процент экономии электроэнергии.

Такой подход недостоверен без характеристики конкретного компрессора.

Энергетический эффект зависит от рабочей точки агрегата, способа регулирования производительности, фактического расхода воздуха и режима управления компрессорной.

Например, уменьшение уставки может изменить электрическую мощность компрессора, продолжительность его работы под нагрузкой и режим разгрузки. Для разных систем соотношение этих изменений будет неодинаковым.

Кроме того, если снижение давления сопровождается изменением фактического отпуска воздуха, прямое сравнение общего электропотребления не позволяет выделить эффект именно уменьшения давления.

Универсальный процент экономии на единицу давления без кривой компрессора применять нельзя. Необходимо использовать его технические характеристики либо фактические измерения в сопоставимых рабочих режимах.

Если таких данных нет, предполагаемое уменьшение потребления можно рассматривать как направление для проверки, но не как подтверждённый количественный результат.

Как определить допустимый диапазон настройки и следующее действие

Итог анализа — не обязательно одна рекомендуемая уставка. В зависимости от изменения производственной нагрузки может потребоваться допустимый диапазон рабочих давлений.

Его устанавливают по условиям критичных потребителей и фактическим потерям давления в сети. Затем проверяют, какому режиму компрессорного оборудования соответствует каждый допустимый вариант.

Если давление у удалённых потребителей имеет достаточный запас, можно рассмотреть уменьшение уставки с последующей проверкой фактического режима.

Если запас отсутствует, сначала необходимо определить причину потерь давления. Повышенное сопротивление фильтра или трубопровода может ограничивать возможность энергетически выгодной настройки компрессора.

Для оформления результата достаточно отразить следующие сведения:

Результат проверки	Решение
У критичных потребителей сохраняется необходимый запас давления	Проверить допустимое снижение уставки и рассчитать энергетический эффект
На фильтре обнаружено повышенное падение давления	Уточнить причину сопротивления до изменения настройки источника
Значительные потери связаны с трубопроводом	Оценить влияние сопротивления сети на необходимое давление компрессора
Данные о давлении и расходе несинхронны	Провести согласованные измерения в характерных режимах нагрузки
Нет характеристики компрессора для расчётных режимов	Уточнить мощность по техническим данным или измерениям до заявления количественной экономии

После изменения настройки проверяют давление у критичных потребителей и соответствие фактического отпуска воздуха технологической потребности. Только затем сопоставляют электрические показатели компрессорной.

Какой результат можно считать технически обоснованным

Завышенное давление увеличивает затраты на сжатие воздуха, но уменьшать его необходимо с учётом сопротивления распределительной сети и требований конечных потребителей.

Главный результат — допустимый диапазон настройки давления и расчёт потенциального энергетического эффекта. Для его получения сопоставляют уставки компрессоров, давления в критичных точках, расход воздуха и потери давления на фильтрах и трубопроводах.

Если высокое давление компенсирует засорённый фильтр или значительное сопротивление трубопровода, изменение уставки без устранения причины может ухудшить работу потребителей. Если же подтверждён достаточный запас давления, снижение уставки становится предметом технического и энергетического сравнения.

При отсутствии синхронных измерений и достоверных характеристик компрессора вывод остаётся предварительным. Рассчитанная потенциальная экономия не равна фактически достигнутой: последнюю подтверждают после изменения режима при сохранении необходимого полезного отпуска воздуха.

Состав и параметры обследования таких систем рассмотрены на странице «Компрессорное оборудование и системы сжатого воздуха». Анализ режимов эксплуатации оборудования раскрывается на странице «Выявление неэффективных режимов работы оборудования».

Другие технические материалы представлены в разделе «Материалы».