Почти каждый винтовой компрессор с частотным регулированием продаётся под обещание процента экономии, и почти каждый такой процент рассчитывается для режима нагрузки, которого на объекте может никогда не возникнуть. Честный подход прост: частотный привод экономит энергию только там, где потребление воздуха действительно переменное, а величина экономии — это расчёт, а не голословное заявление. При грамотном подходе требуется одна неделя регистрации данных и одна страница арифметики. При неграмотном — получается цифра, которая выглядит убедительно, но никогда не отражается в счетах за электроэнергию.
В этой статье расчёт изложен в правильной последовательности, приведён рабочий пример для средней нагрузки 60–70 % и перечислены случаи, когда машина с ЧПП не даёт никакой экономии вообще.
Начинайте с удельной мощности, а не с киловатт
Компрессоры сравнивают по удельной мощности: потребляемой мощности, необходимой для производства единицы сжатого воздуха, выражаемой либо в кВт·ч на м³, либо в кВт на м³/мин. Машина, которая выдаёт больше воздуха при той же потребляемой мощности, эффективнее — независимо от того, что написано на шильдике её двигателя, а машина с меньшей номинальной мощностью по шильдику легко может оказаться более «прожорливой» из двух при том давлении, на котором вы фактически работаете.
Три правила делают эту цифру сопоставимой. Во-первых, измеряйте при реальном рабочем давлении, потому что удельная мощность растёт примерно на 6–8 % с каждым дополнительным баром. Во-вторых, используйте потребляемую мощность на клеммах — включая привод, вентилятор и контроллер — а не мощность на валу. В-третьих, проверьте фактическую производительность, в идеале — с помощью сопла или расходомера, потому что данные в каталогах указаны для эталонных условий, которые могут не совпадать с условиями в вашем компрессорном цехе.
| Измеряемый параметр | Почему это важно |
|---|---|
| Потребляемая мощность, кВт на клеммах | Включает потери в приводе и вентиляторе; это единственный показатель, за который выставляется счёт от энергоснабжающей компании |
| Производительность по свободному воздуху, м³/мин | Знаменатель в расчёте удельной мощности; необходимо проверять, а не принимать на веру |
| Давление нагнетания, бар | Удельная мощность меняется с каждым баром; сравнивайте машины при одинаковом давлении |
| Часы работы под нагрузкой и в холостом режиме | Машины с режимом «нагрузка/разгрузка» потребляют энергию, ничего не производя |
Что на самом деле делает машина с постоянной скоростью при частичной нагрузке
Винтовой компрессор с постоянной скоростью, работающий в режиме «нагрузка/разгрузка», не дросселирует. Он работает на полной скорости и с полной производительностью до тех пор, пока давление в ресивере не достигнет верхней уставки, затем закрывает впускной клапан и переходит в холостой ход, после чего снова загружается. При средней потребности в 60 % машина обычно находится под нагрузкой 60–70 % времени, а остальное время работает на холостом ходу, потребляя при этом от 20 до 35 % мощности от полной нагрузки для поддержания циркуляции масла и вращения винтового блока.
Именно эта мощность холостого хода губит эффективность при частичной нагрузке. Подаваемый воздух уменьшается на 40 %, а потребляемая мощность падает гораздо меньше, поэтому эффективная удельная мощность резко возрастает по мере снижения спроса — часто удваиваясь, когда машина в среднем работает на треть своей мощности. Частое переключение режимов усугубляет ситуацию: каждый период разгрузки, длящийся менее одной-двух минут, по большей части является пустой тратой энергии, а слишком маленький ресивер гарантирует именно это.
Существует два механических альтернативных решения. Машина с золотниковым или спиральным клапаном может снижать производительность при постоянной скорости и лучше сохраняет эффективность по сравнению с простым режимом «нагрузка/разгрузка», а машина с частотно-регулируемым приводом снижает скорость вместо полной остановки подачи воздуха. Оба варианта помогают; привод обеспечивает более широкий диапазон регулирования.
Если машине приходится работать в жарком, запылённом или высокогорном машинном зале, эффекты снижения номинальных характеристик, описанные в нашей статье о компрессорах для сложных условий, влияют на показатели при частичной нагрузке не меньше, чем выбор типа привода.
Что на самом деле обеспечивает привод
Частотно-регулируемый компрессор согласует производительность с потребностью за счет снижения скорости винтового блока, поэтому при 60 % потребления он потребляет примерно 60 % мощности, а не 60 % воздуха при 75 % мощности. Современные двигатели с постоянными магнитами сохраняют высокий КПД во всем диапазоне скоростей, поэтому кривая частичной нагрузки остается относительно пологой примерно от 40 % до 100 % производительности.
Ограничением является минимальная рабочая скорость. Ниже определенного минимального значения — обычно 20–30 % от максимума — винтовой блок не может создать достаточное давление для эффективной циркуляции масла, поэтому компрессор либо останавливается и перезапускается, либо переходит в режим нагрузки/разгрузки на низкой скорости. Если компрессор выбран с запасом для данной нагрузки, средний спрос может постоянно находиться ниже этого минимума, и в результате привод циклирует, а не модулирует. Именно эта ошибка является причиной того, что значительная доля установок с ЧРП никогда не обеспечивает заявленной экономии.
Расчет по шагам
Возьмем компрессор класса 75 кВт, давление на объекте 16 бар, один компрессор снабжает предприятие, работающее 3900 часов в год. Зафиксируйте объем подаваемого воздуха за две недели, постройте профиль нагрузки и экстраполируйте его на год.
Когда привод не экономит ничего
Существует четыре ситуации, когда покупка винтового компрессора с частотным приводом (VSD) является ошибочной, и они встречаются достаточно часто, чтобы проверить их в первую очередь:
- Постоянная работа с полной нагрузкой. Если предприятие потребляет всё, что может произвести компрессор, круглый год, привод лишь добавляет потери на преобразование и дополнительную статью технического обслуживания. Установка компрессора с фиксированной скоростью в качестве базовой нагрузки обходится дешевле и немного эффективнее.
- Завышенная производительность. Если минимальная стабильная производительность VSD-компрессора превышает типичную потребность предприятия, он будет работать в циклическом режиме, что сводит на нет большую часть теоретической экономии.
- Ступенчатая, а не плавная нагрузка. Если потребность скачкообразно меняется между двумя фиксированными значениями с интервалом в несколько часов, привод будет работать лишь в двух точках, и в этом случае компрессор с фиксированной скоростью меньшей производительности с правильно подобранным ресивером может оказаться не хуже.
- Проблемы с качеством электроэнергии. Частотные приводы создают гармоники и ухудшают коэффициент мощности при частичной нагрузке. На слабой сети или при питании от небольшого генератора это необходимо предусмотреть на этапе проектирования, а не обнаружить в процессе эксплуатации.
Существует и объективное ограничение любых расчётов: экономия, зависящая от будущих объёмов производства, — это предположение, а не измерение. Если ожидается рост потребности предприятия, может быть целесообразнее купить базовый компрессор сейчас, а добавить регулируемую мощность позже, когда профиль нагрузки станет известен.
Тот же принцип, применённый к крупным тяжёлым агрегатам, изложен в руководстве по эффективности тяжёлых VSD-компрессоров; сами модели представлены на страницах продукции: двухступенчатые и одноступенчатые.
Измеряйте вместо предположений
Недельная кампания по сбору данных обходится гораздо дешевле, чем неправильно подобранный компрессор, и снимает все споры. Что нужно регистрировать:
- Потребляемую мощность на клеммах машины с интервалом в одну минуту в течение как минимум семи дней, включая полную рабочую неделю.
- Давление нагнетания и, если возможно, расход воздуха на той же временной основе.
- Состояние нагрузки и холостого хода, которое большинство контроллеров может регистрировать или выводить через сухой контакт.
- Температуру окружающей среды в машинном зале, потому что профиль июля — это не профиль января.
На основе этих данных постройте гистограмму подаваемого воздуха и рассчитайте энергопотребление по диапазонам с использованием кривой каждой рассматриваемой машины. Если на объекте уже есть две машины, зарегистрируйте также их последовательность работы: то, как агрегаты распределяют нагрузку, часто важнее, чем какой привод они используют.
Правила подбора, которые защищают экономию
- Подбирайте машину с ЧРП под средний расход, а не под пиковый; используйте машину фиксированной скорости для пиков и организуйте их совместную работу.
- Поддерживайте средний расход как минимум на одну полную ступень выше минимального стабильного выхода — обычно это 25–30 % от номинальной производительности.
- Обеспечьте ресивер достаточным объёмом, чтобы изменения давления происходили медленно по сравнению с откликом привода; маленький ресивер превращает хороший привод в машину с частыми циклами.
- Установите узкий диапазон давления на агрегате с ЧРП и позвольте ему быть ведущим; агрегат фиксированной скорости должен находиться выше в качестве подстраивающего.
- Пропишите в документации минимальный коэффициент снижения производительности и запросите конкретную кривую удельной мощности во всём рабочем диапазоне, а не в одной точке.
Эти решения дёшевы на стадии спецификации и дороги после неё.
Дополнительные заметки по выбору и обслуживанию собраны в индексе блога.
Часто задаваемые вопросы
Сколько энергии действительно экономит винтовой компрессор с частотным приводом?
Это зависит от профиля нагрузки, а не от типа привода. Если средний спрос составляет от 40% до 70% от мощности, а нагрузка действительно колеблется, экономия энергии компрессора обычно составляет примерно 15–30% по сравнению с машиной с режимом загрузки/разгрузки. При постоянной полной нагрузке экономия отрицательна, поскольку привод добавляет потери.
Необходим ли двигатель с постоянными магнитами для эффективности при частичной нагрузке?
Это помогает. Двигатели с постоянными магнитами лучше сохраняют эффективность на низких скоростях по сравнению с асинхронными двигателями, поэтому кривая частичной нагрузки остается более пологой. Выигрыш реален, но вторичен по сравнению с правильным подбором мощности — завышенная машина с постоянными магнитами все равно будет циклировать, а правильно подобранная асинхронная машина с частотным приводом все равно будет эффективно работать.
Что такое диапазон регулирования и как он влияет на экономию?
Диапазон регулирования — это разница между минимальной стабильной производительностью и максимальной. Если средняя потребность предприятия опускается ниже минимальной стабильной производительности, машина не может модулировать и переходит в режим старт/стоп, что сводит на нет большую часть преимуществ. Перед заказом сверьте минимальный показатель с зафиксированной средней потребностью.
Можно ли оценить экономию без сбора данных?
Вы можете сделать приблизительную оценку на основе производственных отчётов и текущего времени работы компрессора — это разумный первый шаг. Однако при принятии решений о значительных капиталовложениях такая оценка не заменяет точных измерений, поскольку в реальности время работы на холостом ходу и частота циклов почти всегда хуже, чем в расчётах.
Нужен ли ресивер для машины с частотным приводом (VSD)?
Да, и часто даже больший. Привод быстро реагирует на изменения давления, а малый ресивер создаёт шумный сигнал по давлению, из-за чего машина начинает «охотиться». Достаточный объём накопителя также позволяет приводу работать с постоянной скоростью, а не реагировать на каждый скачок потребления.
Стоит ли заменить две машины с фиксированной скоростью на один VSD-агрегат?
Как правило, более удачным решением является ведущая машина с VSD и подстраивающая машина с фиксированной скоростью. Один крупный VSD-агрегат должен покрывать как среднюю, так и пиковую нагрузку, что ведёт к его завышению по мощности; схема с двумя машинами позволяет держать привод в эффективном диапазоне и покрывать пики без простоев.
Ответы применимы к маслозаполненным ротационно-винтовым компрессорам; конкретные ограничения всегда указаны в руководстве по эксплуатации соответствующего агрегата.
Есть профиль нагрузки, который вы хотели бы проверить?
Пришлите нам зафиксированные данные по расходу и давлению или просто наработку и режим производства. Мы проведём пошаговый расчёт и скажем, окупится ли у вас частотное регулирование — даже если ответ будет отрицательным.