16 бар: когда двухступенчатый компрессор выгоднее одноступенчатого

Компрессор на 16 бар обычно приобретают по одной из двух причин: либо процесс действительно требует такого давления, либо машина была выбрана с запасом, который с тех пор никто не пересматривал. В любом случае, решение, определяющее всю остальную установку, — это не бренд или контроллер, а то, сжимается ли воздух в одном винтовом блоке или в двух. Краткий ответ: примерно до 45 кВт при 16 бар хорошо охлаждаемая одноступенчатая машина может быть вполне оправданной; примерно от 55 кВт и выше двухступенчатое сжатие становится экономически целесообразным по умолчанию; а в промежутке между этими точками выбор определяется температурой нагнетания, наличием охлаждающей воды или температурой окружающего воздуха, а также тем, сколько часов в году машина фактически работает.

В этом руководстве изложена инженерная логика, стоящая за этим ответом, в том порядке, в котором её должен рассмотреть покупатель или инженер предприятия.

Что означает 16 бар с точки зрения степени сжатия

Давление в технических характеристиках компрессора указывается как избыточное; сжатие же работает с абсолютным давлением. Таким образом, машина, рассчитанная на 16 бар изб., поднимает атмосферный воздух с абсолютного давления 1,013 бар примерно до 17 бар абс., и степень сжатия, которую ей необходимо обеспечить за один такт, близка к 17:1. Именно это число, а не номинальное давление в барах, ощущает винтовой блок.

Последствия накапливаются. Каждое увеличение степени сжатия повышает температуру в конце процесса сжатия, увеличивает потребляемую мощность на кубический метр подаваемого воздуха и усиливает осевые и радиальные нагрузки на подшипники роторов. Машина, которая комфортно работает при 8 бар (степень сжатия 9:1), выполняет примерно вдвое большую работу по сжатию на кубический метр при 16 бар, и винтовой блок, спроектированный под меньшую степень сжатия, теперь работает на пределе своих тепловых и механических возможностей.

То, как две архитектуры делят эту степень сжатия, и где каждая из них является разумной покупкой, изложено в нашем сравнении одноступенчатых и двухступенчатых винтовых компрессоров. Само оборудование описано на страницах двухступенчатых винтовых компрессоров и одноступенчатых винтовых компрессоров.

Давление нагнетания (по манометру)	Абсолютная степень сжатия	Примерный удельный расход мощности, одноступенчатый	Примерный удельный расход мощности, двухступенчатый
8 bar	≈ 9 : 1	≈ 5.6 kW per m³/min	≈ 5.3 kW per m³/min
10 bar	≈ 11 : 1	≈ 6.2 kW per m³/min	≈ 5.8 kW per m³/min
13 bar	≈ 14 : 1	≈ 7.1 kW per m³/min	≈ 6.4 kW per m³/min
16 bar	≈ 17 : 1	≈ 8.3 kW per m³/min	≈ 7.3 kW per m³/min

Примерные диапазоны для маслозаполненных винтовых компрессоров при температуре окружающей среды 25 °C; фактические значения приведены в техническом паспорте приобретаемой модели. Цель таблицы — показать тенденцию, а не точные цифры.

Четыре ограничения, определяющие конструкцию

Четыре физических ограничения, а не маркетинг, отделяют машину, способную работать при 16 bar, от непригодной. Любое из них может потребовать двухступенчатого сжатия даже при умеренной мощности.

Температура нагнетания. Выхлопные порты маслозаполненных винтовых блоков обычно поддерживаются ниже примерно 100–110 °C. При превышении этой температуры масло окисляется быстрее, на роторах образуется лак, а сепараторный элемент работает в более жёстких условиях. Одноступенчатый винтовой блок со степенью сжатия 17 : 1 при температуре окружающей среды 40 °C будет работать на пределе при полной нагрузке, не оставляя запаса для жаркого дня или загрязнённого охладителя.
Нагрузки на подшипники и роторы. Срок службы подшипников резко сокращается с ростом степени сжатия, поскольку увеличиваются как осевое усилие со стороны нагнетания, так и радиальная нагрузка. На крупных винтовых блоках сами роторы прогибаются сильнее, что увеличивает зазор между профилями и незаметно снижает объёмный КПД.
Удельный расход мощности. Работа сжатия на кубический метр растёт пропорционально логарифму степени сжатия, поэтому одна и та же подача объёма требует всё больше энергии. Разделение степени сжатия на две ступени и отвод тепла между ними позволяет вернуть значительную часть этих потерь.
Срок службы масла и сепарация. Более высокая температура нагнетания сокращает срок службы масла и увеличивает его унос, который в конечном итоге достигает осушителя и технологического процесса.

Где на самом деле проходит граница перехода

Практика эксплуатации и диапазоны продуктов, публикуемые большинством производителей винтовых блоков, указывают на довольно узкую зону перехода. Таблица ниже — это то, что нужно держать в голове, когда приходит предложение с одноступенчатой машиной на 16 бар, и вам нужно оценить, является ли это продуманной конструкцией или компромиссом.

Мощность двигателя при 16 бар	Практичная архитектура	Что определяет выбор
7.5 – 22 кВт	Одноступенчатая — норма	Потребление воздуха невелико, нагрузка на винтовой блок остаётся низкой, достаточно теплообменника с запасом
30 – 45 кВт	Настоящая пограничная зона	Температура окружающей среды, рабочий цикл и будет ли машина долго работать при полной нагрузке
55 – 90 кВт	Двухступенчатая — стандарт	Одноступенчатая работала бы на пределе температуры нагнетания и теряла 10 % и более удельной мощности
110 кВт и выше	Двухступенчатая, обычно с промежуточным охлаждением	Нагрузки на подшипники и роторы делают одноступенчатую схему непрактичной при таком отношении давлений

В двухступенчатых машинах всё дело в промежуточном охладителе

Двухступенчатое сжатие само по себе не означает более высокую эффективность. Выигрыш достигается за счёт отвода тепла первой ступени перед тем, как воздух попадёт во вторую, потому что сжатие горячего воздуха обходится дороже, чем холодного. Если промежуточный охладитель недостаточного размера, загрязнён или питается охлаждающей водой с температурой 40 °C, вторая ступень начинает с высокой температуры, температура нагнетания приближается к показателям одноступенчатой схемы, и теоретическое преимущество исчезает, а механическая сложность остаётся.

В машине на 16 бар две ступени обычно делят отношение давлений примерно поровну — около 4.2 : 1, затем 4.0 : 1 с падением температуры в промежуточном охладителе — что удерживает оба винтовых блока в комфортном тепловом диапазоне. Именно поэтому в спецификациях должна указываться не только конечная температура нагнетания, но и межступенчатая температура: это показатель, который скажет вам, справляется ли охладитель со своей задачей на третий год эксплуатации, а не только при вводе в эксплуатацию.

Если охлаждение на пределе, честными вариантами являются более крупный охладитель, машина с водяным охлаждением или более низкий допуск по температуре окружающей среды. Покупка винтового блока большего размера для компенсации перегрева в промежуточном охладителе — самый дорогой способ решения проблемы.

Алгоритм снижения производительности: влияние условий эксплуатации и рабочего цикла

Технические характеристики обычно указываются для температуры окружающей среды 25 °C и давления 1 бар. Агрегат, установленный в производственном помещении с температурой 40 °C, на высоте 1500 м над уровнем моря, при питающем напряжении ниже номинального, не обеспечит заявленной производительности по свободному воздуху. При давлении 16 бар особенно важны три поправочных коэффициента, поскольку запас по мощности у машины минимален:

Температура. Забор воздуха с температурой выше расчётной снижает массовый расход при том же рабочем объёме и повышает температуру на всех последующих этапах.
Высота над уровнем моря. Более низкое атмосферное давление означает меньшую абсолютную исходную точку, поэтому машине требуется больше работы для достижения 16 бар по манометру, и она выдаёт меньше воздуха, приведённого к стандартным условиям.
Напряжение и частота. Двигатель при 90 % номинального напряжения потребляет больший ток для той же мощности на валу; при 16 бар запас по отношению к коэффициенту эксплуатации меньше, чем при 8 бар.

Рабочий цикл не менее важен. Агрегат, работающий 4000 часов в год при полной нагрузке, — это иное приобретение, чем машина, работающая 800 часов короткими циклами. В первом случае удельная мощность определяет совокупную стоимость владения, и двухступенчатое сжатие оправдывает дополнительные затраты на оборудование. Во втором случае решающими факторами являются первоначальная стоимость и простота, и одноступенчатая машина с эффективным охладителем часто становится более рациональным техническим решением — даже если её технические характеристики выглядят менее впечатляюще.

Что указать в запросе предложений на машину 16 бар

Большинство предотвратимых ошибок при таком давлении — это ошибки в спецификации, а не в производстве. Запросите в письменной форме следующие параметры и сравнивайте ответы, а не только заявленную мощность в киловаттах:

Производительность по свободному воздуху в м³/мин или CFM при 16 бар с указанием условий по температуре окружающей среды и высоте над уровнем моря.
Удельную мощность в кВт на м³/мин или энергопотребление на кубический метр при тех же условиях.
Количество ступеней сжатия и степень сжатия на каждой.
Температуру между ступенями и конечную температуру нагнетания при номинальной температуре окружающей среды.
Способ охлаждения, расход воздуха или воды для охлаждения и допустимую температуру охлаждающей воды на входе.
Класс изоляции двигателя, коэффициент эксплуатации, а также фактически доступные на объекте напряжение и частота.
Тип системы управления и для частотно-регулируемой машины — диапазон регулирования и минимальная устойчивая скорость.
Уровень шума на расстоянии 1 м и габаритные размеры с учётом зоны обслуживания охладителя.
Какие защиты установлены: от высокой температуры нагнетания, высокого давления, неправильной последовательности фаз, перегрузки.

Если в двух предложениях удельная мощность при одинаковом давлении и условиях окружающей среды отличается более чем на несколько процентов, разница реальна и её стоит понять, прежде чем она будет нивелирована в переговорах.

Для подбора оборудования под конкретную задачу обзор продукции и решений — более быстрая отправная точка, чем общий каталог, а через страницу контактов можно напрямую связаться с инженерным отделом.

Области применения, где действительно требуется давление 16 бар

Перед проектированием системы стоит убедиться, что такое давление действительно необходимо. Некоторые процессы действительно требуют его: определённые установки лазерной резки используют вспомогательный воздух в диапазоне 10–16 бар, когда нежелательно применение азота или баллонного газа; некоторые пневмотранспортные и инжекционные системы рассчитаны на 12–16 бар для компенсации потерь в трубопроводах; испытания на герметичность под высоким давлением и некоторые зажимные контуры металлообрабатывающих станков работают в этом диапазоне; а на морских платформах и мобильном оборудовании часто используют одну машину высокого давления вместо двух.

В других случаях выясняется, что фактически требуется 10 бар, но на каждом этапе добавляется коэффициент запаса. В такой ситуации переход на 10 бар обычно даёт больше преимуществ, чем выбор между архитектурами — каждый лишний бар давления нагнетания обходится примерно в 6–8 % энергии при том же объёме подаваемого воздуха. Таким образом, лишние 6 бар становятся постоянной нагрузкой на бюджет сжатого воздуха.

Если высокое давление необходимо для процесса резки, а не для общей системы предприятия, более подробно этот вопрос рассмотрен в нашей заметке о высоконапорных компрессорах для лазерной резки.

Распространённые ошибки в спецификациях

Указание FAD при 7 бар для требований в 16 бар. Одна и та же машина подаёт заметно меньше воздуха при 16 бар; сравнивайте сопоставимые параметры.
Подбор оборудования по номинальной мощности двигателя в киловаттах. Две машины с одинаковой мощностью двигателя могут отличаться на 10 % по подаче воздуха при 16 бар.
Игнорирование условий в компрессорной. Высоконапорная машина в жарком, плохо вентилируемом помещении теряет преимущества, ради которых её выбирали.
Забывают про осушитель и ресивер. При 16 бар та же масса воздуха содержит больше влаги, и всё последующее оборудование должно быть рассчитано на давление, а не только на расход.
Покупка избыточной регулировки, которая никогда не будет использована. Частотный привод на машине, которая круглый год работает с полной нагрузкой, добавляет потери, а не экономию.

Часто задаваемые вопросы

Может ли одноступенчатый винтовой компрессор обеспечивать давление 16 бар?

Да, и многие модели это делают, особенно в маломощном диапазоне. Вопрос не в осуществимости, а в запасе прочности: при степени сжатия 17:1 винтовой блок работает близко к предельной температуре нагнетания, а его подшипники испытывают высокую нагрузку, поэтому конструкция должна предусматривать эффективное охлаждение и консервативный номинальный режим. При мощности примерно выше 45–55 кВт двухступенчатое сжатие обычно является более рациональным инженерным решением.

Сколько энергии экономит двухступенчатое сжатие при давлении 16 бар?

Как правило, удельная мощность снижается на 8–15 % по сравнению с одноступенчатой машиной аналогичной производительности при условии правильного подбора и обслуживания промежуточного охладителя. Экономия не является фиксированным свойством двухступенчатого оборудования; она зависит от эффективности отвода тепла между ступенями.

Всегда ли 16 бар означают, что двухступенчатый компрессор стоит дополнительных затрат?

Нет. Если машина работает несколько сотен часов в год короткими циклами, экономия энергии может никогда не окупить дополнительный винтовой блок, промежуточный охладитель и усложнение системы управления. Решение определяется годовым количеством часов работы под нагрузкой, поэтому профиль нагрузки более информативен, чем просто номинальное давление.

Какую температуру нагнетания следует ожидать при 16 бар?

На хорошо охлаждаемом маслозаполненном компрессоре — примерно 85–95 °C на выходе из винтового блока при номинальной температуре окружающей среды. Если в предложении подразумевается длительная работа выше примерно 105–110 °C, уточните, откуда берётся запас прочности в день с температурой 40 °C, потому что именно тогда машина будет реально работать.

Необходимо ли водяное охлаждение при таком давлении?

Не обязательно, но воздушное охлаждение имеет меньший запас по температуре при 16 бар, чем при 8 бар. В жарком климате или когда машина установлена в небольшом помещении с рециркуляцией воздуха, водяное охлаждение или воздуховод часто являются решающим фактором между стабильной работой и отключением по высокой температуре летом.

Как давление влияет на осушитель воздуха и ресивер?

Более высокое давление означает, что каждый кубический метр свободного воздуха содержит больше водяного пара после сжатия, и осушитель, фильтры и ресивер должны быть рассчитаны на 16 бар, а не на 10 бар. Часто можно встретить правильно подобранный компрессор, подключённый к оборудованию, рассчитанному на более низкое давление; эту нестыковку стоит проверить до размещения заказа.

Ответы применимы к маслозаполненным винтовым машинам; конкретные ограничения на объекте всегда указаны в руководстве по эксплуатации соответствующего агрегата.

Подбор машины на 16 бар для реальных условий эксплуатации?

Сообщите нам требуемое давление, производительность по свободному воздуху, условия эксплуатации и годовое количество рабочих часов. Мы предложим оптимальную конструкцию — одноступенчатую или двухступенчатую — и предоставим подробное технико-экономическое обоснование.