Как режим загрузки компрессоров влияет на энергопотребление
Режим загрузки компрессоров влияет на энергопотребление через соотношение времени работы под нагрузкой, разгрузки и остановки. Компрессор, работающий под нагрузкой, производит сжатый воздух и потребляет электрическую энергию. В режиме разгрузки выработка может прекращаться или существенно уменьшаться, но электродвигатель и вспомогательные узлы продолжают потреблять электроэнергию. При остановке потребление основного привода прекращается.
Чем больше времени компрессоры проводят в разгрузке при небольшой полезной выработке воздуха, тем выше могут быть удельные затраты электроэнергии. Особенно заметно это в системах, где несколько крупных машин продолжают работать при снижении потребности производства.
Чтобы определить возможность экономии, необходимо сопоставить график потребления воздуха, журнал пусков и состояния каждого компрессора с фактической электрической мощностью. Затем проверяют каскад включения машин, объём ресиверов и настройку ведущего компрессора. Результатом должен стать обоснованный сценарий выбора работающих агрегатов и алгоритма управления с учётом надёжности воздухоснабжения.
Как нагрузка, разгрузка и остановка влияют на расход электроэнергии
Энергопотребление компрессора зависит не только от его номинальной мощности, но и от фактического режима работы. Для оценки необходимо различать три состояния.
| Состояние компрессора | Выработка воздуха | Энергетическая характеристика |
|---|---|---|
| Работа под нагрузкой | Компрессор подаёт сжатый воздух | Электроэнергия расходуется на компрессию и работу оборудования |
| Разгрузка | Полезная выработка отсутствует или существенно сокращается в зависимости от конструкции | Часть электрической мощности продолжает потребляться |
| Остановка | Компрессор не производит воздух | Основной привод не потребляет энергию; возможны затраты вспомогательных систем |
Разгрузка необходима для управления производительностью некоторых компрессоров. Когда потребность сети уменьшается, машина может перейти из рабочего состояния в разгруженное, оставаясь готовой к возобновлению подачи воздуха.
Однако разгруженный компрессор не является энергетически эквивалентным остановленному. Если он длительное время продолжает работать без соответствующей выработки, потреблённая электроэнергия увеличивает удельные затраты системы.
Например, при снижении производственной нагрузки два компрессора могут продолжать находиться во включённом состоянии. Один из них обеспечивает необходимую подачу, а второй значительную часть времени работает в разгрузке. В этом случае энергопотребление второго агрегата сохраняется, хотя его вклад в полезную выработку невелик.
Для определения величины дополнительных затрат необходимо измерить мощность в разгрузке и продолжительность такого режима. По номинальной мощности компрессора достоверно рассчитать этот расход нельзя.
Какие данные необходимы для анализа режимов компрессорной
Основу проверки составляют два взаимосвязанных источника: график потребления воздуха с журналом пусков компрессоров и сведения о состояниях и электрической мощности каждой машины.
График потребления показывает, как изменяется потребность в сжатом воздухе в течение суток или производственного цикла. Он необходим для сопоставления выработки с фактической нагрузкой.
Журнал пусков позволяет установить последовательность включения агрегатов и продолжительность их работы. Однако информация только о факте включения не показывает, сколько времени машина находилась под нагрузкой и сколько — в разгрузке.
Поэтому дополнительно требуются данные о переходах между состояниями:
- работа под нагрузкой;
- работа в разгрузке;
- полная остановка;
- фактическая электрическая мощность в соответствующих состояниях.
Измерения должны относиться к одним и тем же временным интервалам. Если расход воздуха определён по одному периоду, а режимы компрессоров — по другому, сопоставление может дать ошибочный результат.
Для нескольких компрессоров особенно важно иметь раздельные журналы. Общий график электрической мощности станции позволяет увидеть изменение нагрузки, но не всегда позволяет определить, какая машина работала в разгрузке.
Без раздельных журналов состояний нельзя достоверно установить фактический вклад холостого хода отдельных компрессоров. В такой ситуации необходим дополнительный контроль или уточнение архивов автоматики.
Как рассчитать энергию на полезный объём воздуха по режимам управления
Для оценки эффективности компрессорной необходимо сопоставить фактическое электропотребление с полезным объёмом воздуха, поданным в выбранной расчётной границе.
Общий показатель определяется следующим образом:
e = E / Vпол,
где e — удельное энергопотребление; E — электрическая энергия, потреблённая компрессорной за период; Vпол — объём воздуха, полезно отпущенный потребителям за тот же период.
Объём воздуха необходимо учитывать в согласованных условиях приведения. Также важно различать общую выработку компрессоров и полезный отпуск потребителям: эти величины могут отличаться вследствие расхода на подготовку воздуха и потерь в сети.
Чтобы понять влияние режима управления, электропотребление каждой машины разделяют по подтверждённым рабочим состояниям.
Для упрощённого случая с приблизительно постоянной мощностью в каждом состоянии:
E = Pнагр × tнагр + Pразгр × tразгр,
где Pнагр и Pразгр — фактическая электрическая мощность компрессора соответственно под нагрузкой и в разгрузке; tнагр и tразгр — продолжительность этих состояний.
Формула описывает соответствующую часть потребления компрессора. Если учитываемая граница включает другие энергетические затраты, их необходимо отражать отдельно. При переменной мощности используют измеренное потребление за каждый режим, а не одно условно постоянное значение.
При такой оценке становится видно, какую часть электрической энергии компрессор израсходовал непосредственно во время полезной выработки, а какую — при разгрузке.
Условно, если компрессор потребляет 80 кВт под нагрузкой и 25 кВт в разгрузке, то за один час работы под нагрузкой и три часа разгрузки он израсходует:
E = 80 × 1 + 25 × 3 = 155 кВт·ч.
Из них 75 кВт·ч приходятся на разгрузку. Это не означает, что вся указанная энергия гарантированно устранима: возможность остановки зависит от требований к подаче воздуха, допустимого числа пусков и алгоритма управления.
Но расчёт показывает, почему длительная разгрузка при низкой выработке заслуживает отдельной проверки.
Почему несколько крупных компрессоров могут быть неэффективны при малой нагрузке
Если потребность предприятия существенно ниже суммарной производительности включённых машин, система управления должна уменьшать фактическую подачу воздуха.
В зависимости от конструкции и алгоритма компрессоры могут чередовать нагрузку и разгрузку. При этом несколько крупных агрегатов продолжают потреблять электроэнергию даже тогда, когда требуемую подачу потенциально могла бы обеспечивать меньшая комбинация машин.
Например, днём компрессорной необходима работа нескольких агрегатов. Ночью потребность производства снижается, но прежняя комбинация остаётся включённой. Если значительную часть ночи машины проводят в разгрузке, удельное энергопотребление станции может увеличиться.
Такой результат необходимо подтверждать журналами состояний. По одному факту низкого ночного расхода воздуха нельзя установить, сколько электроэнергии приходится на разгрузку.
Возможное решение — проверить другой состав работающих компрессоров при сохранении необходимой подачи. Однако выбор нельзя сводить к минимальному числу включённых машин: агрегаты должны обеспечивать фактический график потребления и допустимые переходы между режимами.
Следовательно, задача состоит в выборе комбинации компрессоров, соответствующей нагрузке, а не в автоматическом отключении всех дополнительных агрегатов.
Как каскад включения влияет на работу компрессорной
Каскад включения — последовательность, по которой система управления подключает и отключает компрессоры при изменении потребности в воздухе.
При правильном согласовании каскада с графиком потребления компрессорная обеспечивает требуемую подачу без избыточного одновременного нахождения нескольких машин в разгрузке.
Для проверки сопоставляют фактические моменты пуска, перехода под нагрузку, разгрузки и остановки каждого агрегата.
Особое значение имеет ведущий компрессор — машина, управление которой определяет реакцию соответствующей схемы на изменение нагрузки. В зависимости от конфигурации компрессорной его настройка может существенно влиять на работу остальных агрегатов.
Если настройки нескольких машин не согласованы, возможна ситуация, когда один компрессор разгружается, а другой вскоре запускается или принимает нагрузку. Такие переходы необходимо проверить по журналу событий и фактической мощности.
При выборе алгоритма оценивают, какие агрегаты должны обеспечивать основную нагрузку, как подключаются дополнительные машины и в каких условиях допускается остановка разгруженного компрессора.
При этом необходимо учитывать реальные характеристики оборудования. Нельзя предполагать, что любые два компрессора взаимозаменяемы или имеют одинаковый расход электроэнергии при частичной загрузке.
Как объём ресиверов влияет на пуски и разгрузку
Ресиверы накапливают сжатый воздух и помогают сглаживать разницу между текущей выработкой компрессоров и потреблением сети.
Их объём влияет на динамику давления и частоту переключений оборудования. Поэтому при изменении алгоритма управления необходимо учитывать не только производительность машин, но и доступную аккумулирующую ёмкость системы.
При небольшом объёме ресиверов изменение потребления воздуха может быстрее отражаться на давлении сети. Это способно приводить к более частым переходам компрессоров между состояниями.
При большем доступном объёме изменения давления могут происходить медленнее, что создаёт другие условия для работы каскада. Однако увеличение ресивера само по себе не гарантирует снижения энергопотребления: результат зависит от настройки управления и графика нагрузки.
Поэтому каскад, объём ресиверов и настройку ведущего компрессора необходимо оценивать совместно.
Например, предложение уменьшить продолжительность разгрузки за счёт более ранней остановки агрегата требует проверки того, сможет ли система поддерживать необходимую подачу при последующем увеличении потребления.
Если объём ресиверов и алгоритм управления неизвестны, количественный прогноз изменения числа пусков и времени разгрузки будет недостаточно обоснованным.
Почему высокое потребление при низкой выработке не обязательно означает утечки
При снижении расхода воздуха на предприятии электрическая мощность компрессорной может уменьшаться значительно медленнее, чем полезная выработка.
Одна из возможных причин — продолжительная работа машин в разгрузке.
Например, ночью объём подаваемого воздуха уменьшился, но компрессоры продолжают находиться во включённом состоянии и периодически переходят под нагрузку. В такой ситуации сохраняющееся электропотребление может быть следствием алгоритма управления.
Конкурирующее объяснение — утечки сжатого воздуха, вызывающие дополнительную потребность в его производстве. Эти причины нельзя смешивать.
Для разграничения сопоставляют график расхода воздуха с раздельными состояниями компрессоров и их фактической мощностью.
Если значительная часть энергии расходуется в подтверждённые периоды разгрузки, это указывает на вклад режима управления. Если же компрессоры сохраняют высокую выработку при низкой заявленной производственной потребности, возникает отдельный вопрос о назначении произведённого воздуха.
Обе причины могут присутствовать одновременно. Поэтому наличие длительной разгрузки не исключает утечки, а обнаружение утечек не отменяет необходимости проверки алгоритма работы машин.
Постоянное электропотребление при низкой полезной выработке нельзя автоматически считать энергетическими потерями из-за негерметичности сети. Сначала необходимо определить фактический режим компрессоров.
Почему нельзя отключать резерв без проверки надёжности
При анализе компрессорной с несколькими машинами может возникнуть предложение отключить часть агрегатов, чтобы уменьшить время разгрузки.
Однако состав работающего оборудования определяется не только текущим расходом воздуха. Необходимо учитывать требования к надёжности снабжения и способность системы обеспечить необходимую подачу при изменении нагрузки.
Например, одна машина может покрывать среднее ночное потребление, но не обеспечивать кратковременное увеличение расхода. Если резервный агрегат полностью исключён из доступной схемы управления, может возникнуть недостаток подачи воздуха.
Поэтому различают остановку агрегата при сохранении возможности его своевременного автоматического подключения и исключение необходимого резерва из схемы обеспечения надёжности.
Перед корректировкой каскада проверяют время подключения машин, доступность резерва, допустимое число пусков и способность системы поддерживать требуемые параметры у потребителей.
Отключение резерва ради снижения энергопотребления допустимо рассматривать только в пределах требований надёжности. Уменьшение электрической нагрузки не является положительным результатом, если оно создаёт недопустимый риск нарушения производственного процесса.
Как выбрать комбинацию компрессоров и алгоритм управления
Для принятия решения необходимо сопоставить фактический график потребления воздуха с несколькими технически допустимыми режимами работы компрессорной.
Каждый вариант оценивают по полезной выработке, электрическому потреблению, продолжительности разгрузки, количеству пусков и возможности обеспечения необходимого резерва.
| Наблюдаемая ситуация | Что необходимо проверить | Возможное решение |
|---|---|---|
| Несколько машин длительно работают в разгрузке при малом расходе | Потребление каждой машины по состояниям и необходимую суммарную производительность | Сопоставить меньшую комбинацию работающих агрегатов с текущим каскадом |
| Частые переходы между загрузкой и разгрузкой | Журнал переключений, объём ресиверов и настройку ведущего компрессора | Проверить изменение алгоритма управления |
| Компрессоры запускаются несогласованно | Фактическую последовательность включения и настройки каскада | Уточнить распределение ролей между машинами |
| Предлагается остановить резервную машину | Требования надёжности, доступность резерва и способность обеспечить рост потребления | Определить допустимые условия остановки и повторного подключения |
| Высокое электропотребление при небольшой полезной выработке | Вклад разгрузки и фактический объём подаваемого воздуха | Разделить влияние алгоритма управления и возможного нецелевого потребления воздуха |
Если измерения показывают, что текущая комбинация расходует значительную энергию в разгрузке, необходимо рассчитать альтернативный вариант при том же полезном объёме воздуха и сохранении требуемой надёжности.
Если доступен только общий архив электроэнергии без состояний отдельных машин, сначала предусматривают необходимый замер или уточнение журналов автоматики. Иначе невозможно достоверно определить, какая комбинация даст лучший результат.
После выбора технически допустимого варианта его энергетический эффект оценивают по сопоставимым режимам. Прогнозируемое снижение потребления не следует представлять как уже достигнутую экономию.
Какой результат анализа можно считать обоснованным
Режим загрузки влияет на энергоэффективность компрессорной через продолжительность полезной работы, разгрузки и остановки каждой машины. При малой нагрузке несколько крупных компрессоров могут потреблять значительную электроэнергию, находясь в разгруженном состоянии.
Главный результат — сценарий выбора комбинации компрессоров и алгоритма управления. Он должен учитывать график потребления воздуха, фактическую электрическую мощность в разных состояниях, последовательность пусков, объём ресиверов, настройку ведущего компрессора и требования надёжности.
При отсутствии раздельных журналов состояний нельзя определить подтверждённый вклад холостого хода. Если архивы неполные, несинхронные или относятся к различным измерительным границам, результат остаётся гипотезой либо предварительной оценкой.
Обоснованный сценарий позволяет выбрать следующий замер, проверить настройку каскада или рассчитать альтернативный состав работающих машин. Фактическую экономию электроэнергии подтверждают после изменения управления при сопоставимом полезном отпуске воздуха и сохранении необходимых условий работы потребителей.
Состав компрессорной станции и связанных систем рассмотрен на странице «Компрессорное оборудование и системы сжатого воздуха». Подходы к проверке режимов эксплуатации представлены на странице «Выявление неэффективных режимов работы оборудования».
Другие технические материалы представлены в разделе «Материалы».