Сжатый воздух — один из самых дорогих видов энергоресурсов, которые может приобретать предприятие, однако он редко четко отражается в отчетах об энергопотреблении, поскольку поступает по трубам, а не через счетчик, установленный на стене. На долю компрессоров обычно приходится около 10 процентов всего промышленного потребления электроэнергии, а на некоторых предприятиях этот показатель превышает 30 процентов. За десятилетний срок эксплуатации на электроэнергию приходится примерно 76 процентов затрат на систему, в то время как на оборудование и монтаж — 12 процентов, а на техническое обслуживание — 12 процентов.
Наиболее эффективный тип воздушный компрессор представляет собой двухступенчатый винтовой компрессор с масляным смазыванием и регулируемой скоростью, предназначенный для непрерывной промышленной эксплуатации при мощности до примерно 400 hp. При превышении этого уровня мощности и при постоянной нагрузке более эффективным является центробежный компрессор. Спиральные компрессоры лидируют только в сегменте малых безмасляных мощностей, а поршневые компрессоры эффективны лишь при прерывистом спросе, поскольку их рабочий цикл ограничен примерно 50–60 процентами. Ни одна конструкция не является универсальной для всех условий, и агрегат, который хорошо работает при одном профиле нагрузки, может тратить энергию впустую при другом.
Такое сравнение становится полезным, если точно определить понятие «эффективность» и оценивать каждый тип оборудования с учетом профиля нагрузки, для которого он был разработан.
Краткий ответ: какой тип компрессора является наиболее эффективным
КПД не является неизменным свойством машины. Он зависит от термодинамической конструкции компрессионного элемента, от того, насколько установленная мощность соответствует реальному спросу, а также от поведения системы управления при снижении спроса. Хорошо сконструированный винтовой компрессор, работающий на 40-процентной нагрузке, менее эффективен, чем скромная поршневая установка, работающая почти на полной нагрузке, поэтому рейтинги, игнорирующие рабочий цикл, вводят покупателей в заблуждение.
Винтовой компрессор мощностью 75 кВт, работающий в три смены при 85-процентной нагрузке, является одним из наиболее эффективных способов получения сжатого воздуха; та же самая установка, работающая в одну смену при 30-процентной нагрузке, — один из наименее эффективных вариантов, поскольку большая часть потребляемой ею электроэнергии уходит на вращение воздушного блока, в то время как через нагнетательный патрубок выходит лишь небольшой объем воздуха. Читатели, желающие получить более полное представление, могут ознакомиться с руководством, в котором тип воздушного компрессора подходит для выполнения данной задачи.
| Тип компрессора | Оптимальный диапазон мощности | Характеристики при частичной нагрузке | Показатель эффективности |
| Двухступенчатый винт, регулируемая скорость | от 30 до 400 hp | Сильный, зависит от спроса | Наивысшая производительность для большинства промышленных задач |
| Одноступенчатый винтовой, с фиксированной скоростью | от 10 до 300 hp | Потери при включении, нагрузке и выключении | Хорошо работает при почти полной нагрузке |
| Центробежный | Свыше 400 hp | Расход ниже расчетного | Максимальное значение при равномерном потоке |
| Одноступенчатый поршневой | До 30 л.с. | Плохо | Минимальное значение при непрерывной работе |
| Прокрутка | До примерно 30 hp | Умеренный | Конкурентоспособны только при небольших размерах и отсутствии масла |
Что на самом деле означает «эффективность» в сфере сжатого воздуха
Единственным показателем, который стоит сравнивать при выборе компрессоров, является удельная мощность, выраженная в киловаттах входной мощности агрегата на 100 кубических футов в минуту подаваемого воздуха при заданном давлении на выходе. Чем ниже этот показатель, тем лучше. Агрегат, который подает больше воздуха при том же потреблении электроэнергии, при одинаковых давлении и условиях на входе, является более эффективным.
Удельная мощность позволяет выразить термодинамические параметры в виде одного числа, которое можно умножить на количество часов и тариф. Кроме того, потребляемая мощность всего агрегата имеет большее значение, чем номинальная мощность двигателя, поскольку счетчик учитывает мощность охлаждающего вентилятора, контроллера и все потери между источником питания и компрессорным блоком. Показатели расхода можно сравнивать только при одинаковом давлении, поскольку агрегат с номинальным давлением 100 фунтов на квадратный дюйм не эквивалентен агрегату с номинальным давлением 125 фунтов на квадратный дюйм.
Изоэнтропическая эффективность и условия испытаний
Изоэнтропическая эффективность учитывает рабочее давление и позволяет напрямую сравнивать машины одинакового размера, но с разными номинальными характеристиками; именно на этом показателе основаны нормативные требования к эффективности. Институт сжатого воздуха и газа публикует стандартизированные технические паспорта и проводит испытания оборудования в соответствии с опубликованными номинальными характеристиками, благодаря чему проверенный технический паспорт является наиболее точным инструментом для объективного сравнения на рынке. Номинальные характеристики корректируются с учетом заданных значений температуры, давления и влажности на входе, поэтому оборудование, установленное на большой высоте над уровнем моря или в помещении с высокой температурой, не сможет достичь показателей, указанных в каталоге.
Сравнение различных типов компрессоров
Каждая из четырёх основных архитектур эффективна в определённых пределах и неэффективна за их пределами, поэтому объективное сравнение заключается не в составлении единого рейтинга, а в определении области применения каждой из них.
Ротационные винтовые компрессоры
Винтовые компрессоры занимают доминирующее положение в сфере промышленного сжатого воздуха, поскольку сочетают в себе возможность непрерывной работы и стабильный расход воздуха при компактных габаритах. Максимальная эффективность достигается при почти полной нагрузке, когда утечки мимо роторов незначительны по сравнению с производительностью. Современные воздушные компрессоры с масляной смазкой Масло используется для уплотнения зазоров, отвода тепла и смазки подшипников, благодаря чему такие конструкции превосходят аналогичные модели того же размера, работающие в сухом режиме. В двухступенчатом винтовом компрессоре между ступенями осуществляется промежуточное охлаждение, поэтому вторая ступень начинает работу с более плотной загрузкой и обеспечивает на 10–15 процентов более высокую удельную мощность.
Рециркуляционные компрессоры
Поршневые установки — это самый экономичный способ получения сжатого воздуха и наиболее эффективный способ его производства в одном конкретном случае: когда речь идет о крупной установке двойного действия с низкой частотой вращения, работающей при постоянном давлении. Модели для мастерских представляют собой совершенно иной вариант: они рассчитаны на прерывистый режим работы, теряют эффективность из-за циклов запуска и остановки и требуют большей мощности, чем винтовые установки, для обеспечения того же среднего расхода.
Спиральные компрессоры
Пара винтовых блоков сжимает воздух между двумя переплетенными спиралями без клапанов и без масла в камере, обеспечивая эффективную и бесшумную подачу безмасляного воздуха при небольшой производительности. Ограничением выступает размер: мощность таких установок редко превышает примерно 30 л.с., а при более высоких значениях винтовые компрессоры превосходят их по удельной мощности на единицу площади.
Центробежные компрессоры
Центробежные агрегаты перекачивают очень большие объёмы с помощью вращающегося рабочего колеса и без изнашиваемых контактных поверхностей, и при высоком расходе ничто не может превзойти их по эффективности. Слабость проявляется при снижении нагрузки. Диапазон стабильной работы узок, и для предотвращения гидравлических ударов агрегат должен осуществлять рециркуляцию или сбрасывать воздух, поэтому при 60-процентной нагрузке он может потреблять почти полную мощность. При мощности ниже примерно 400 hp двухступенчатый винтовой компрессор с масляным наполнителем, как правило, имеет более низкую совокупную стоимость владения.
Снижение эффективности при работе без масла
Безмасляные компрессоры являются обязательными в пищевой, фармацевтической, медицинской и полупроводниковой отраслях, где даже следы масла могут привести к порче продукции. Кроме того, при прочих равных условиях они менее эффективны. Масло в роторе с масляным наполнением заполняет зазоры у уплотнений, отводит тепло и обеспечивает смазку; если его удалить, роторы будут нагреваться сильнее, зазоры придётся увеличить, а утечка воздуха усилится. Потери по удельной мощности составляют примерно от 5 до 15 процентов, поэтому безмасляные компрессоры их место там, где это диктуют требования к качеству воздуха, а не в качестве стандартной комплектации премиум-класса.
Фиксированная скорость против переменной скорости: откуда на самом деле берется экономия
Чем больше колебания спроса на воздух, тем больше преимущества регулирования скорости. При нагрузке, колеблющейся в диапазоне от 40 до 100 процентов, привод с регулируемой скоростью, как правило, позволяет сократить потребление энергии на 25–35 процентов по сравнению с агрегатом с фиксированной скоростью, работающим в режиме циклического включения и выключения.
Проблема частичной нагрузки
Компрессор с фиксированной скоростью имеет два состояния: полная нагрузка или без нагрузки, когда он вращается, но не производит воздух. В режиме холостого хода винтовой блок по-прежнему потребляет от 20 до 35 процентов мощности при полной нагрузке для вращения роторов и циркуляции масла. Если к этому добавить дросселирование на входе, то агрегат может работать при 60-процентном спросе, потребляя при этом 80 процентов мощности при полной нагрузке. Регулирование скорости устраняет это несоответствие за счёт изменения скорости вращения двигателя, благодаря чему кривая мощности повторяет кривую расхода, а не пересекает её. Двигатели с постоянными магнитами расширяют это преимущество на широкий диапазон скоростей, а сочетание такого двигателя с двухступенчатым воздушным блоком усиливает этот эффект.
Согласование стратегии управления с профилем нагрузки
| Характеристика нагрузки | Рекомендуемые меры контроля | Ожидаемый эффект |
| Стабильно в пределах 10 процентов от мощности | С фиксированной скоростью, подходящего размера | Наилучшая удельная мощность на единицу стоимости |
| Колеблется от 30 до 70 процентов в день | Привод с регулируемой скоростью | Экономия от 25 до 35 процентов |
| Графики смен с длительными периодами простоя | Регулируемая скорость и отключение | Максимальная экономия, требуется буфер хранения |
| Несколько блоков на общем коллекторе | Главный регулятор с базовым и корректирующим регуляторами | Избегает каскадирования между блоками |
Подробнее о VSD и управление с фиксированной скоростью помогает в тех случаях, когда профиль нагрузки находится между этими двумя вариантами.
Много ли электроэнергии потребляют воздушные компрессоры?
Да. Компрессор, как правило, является самой большой отдельной электрической нагрузкой на производственном предприятии, а сжатый воздух — одним из наименее эффективных видов энергоресурсов, поскольку лишь около 10–15 процентов энергии, поступающей в систему, достигает места использования в виде полезной работы. Остальная часть теряется в виде тепла сжатия, перепада давления, энергозатрат осушителя и утечек.
Сайт Министерство энергетики США Согласно данным, на долю компрессоров приходится примерно 10 процентов промышленного потребления электроэнергии в стране, причем на отдельных предприятиях этот показатель значительно выше; при этом воздушный двигатель мощностью 1 л.с. при давлении 100 фунтов на квадратный дюйм требует от компрессора входной мощности в 7–8 л.с. Приведенные ниже цифры рассчитаны исходя из стоимости электроэнергии 0,12 доллара США за кВт·ч и коэффициента загрузки 0,7.
| Номинальная мощность двигателя | Годовое количество часов | Потребление энергии | Годовая стоимость |
| Винт для мастерской мощностью 22 кВт | 2,000 | 30 800 кВт·ч | 3 700 долларов США |
| Винтовая установка мощностью 75 кВт, двухсменная работа | 4,000 | 210 000 кВт·ч | 25 200 долларов США |
| Винтовой конвейер мощностью 110 кВт, работающий в три смены | 6,000 | 462 000 кВт·ч | 55 400 долларов США |
При наработке свыше нескольких тысяч часов стоимость электроэнергии превышает стоимость оборудования, и каждый процентный пункт удельной мощности приносит ежегодную экономию.
Какой тип воздушного компрессора лучше всего подходит для домашнего использования?
Для домашней мастерской или гаража разумным выбором станет одноступенчатый поршневой компрессор с резервуаром объемом от 20 до 60 галлонов. Двухступенчатый поршневой компрессор или небольшой спиральный агрегат оправдывают свою более высокую стоимость только в тех случаях, когда инструменты работают непрерывно или требуется безмасляный воздух. Промышленные показатели эффективности практически не применимы в таких масштабах, поскольку оборудование работает в течение нескольких минут, а не целых смен.
Выбор оборудования определяется скорее потребностями в инструментах, чем годовым энергопотреблением. Ударная гайковерт или краскораспылитель требуют мгновенного всплеска расхода, и резервуар обеспечивает этот всплеск, пока насос пополняет запас, поэтому объем резервуара имеет большее значение, чем номинальная мощность двигателя. Вторым ограничивающим фактором является уровень шума: у безмасляных агрегатов с прямым приводом уровень шума на близком расстоянии часто превышает 85 дБА.
Системные факторы, которые имеют большее значение, чем тип компрессора
Предприятие, которое устанавливает самый эффективный из доступных компрессоров, но не устраняет утечки, не изменяет заданное значение давления и не модифицирует трубопроводную систему, как правило, экономит меньше, чем предприятие, которое оставляет компрессор средней эффективности и оптимизирует систему с учётом его характеристик. Устранение утечек, снижение давления и консолидация систем управления обычно дают эффект, превышающий разницу между характеристиками двух моделей компрессоров.
Если компрессор мощностью 100 кВт теряет 25 процентов своей производительности из-за утечек, то устранение этих утечек позволяет снизить потребляемую мощность на 25 кВт, и ни одна модель компрессора не обладает таким преимуществом по сравнению с другой моделью того же типа и размера.
Утечки, заданное значение давления и хранение
Без программы выявления утечек теряется от 20 до 30 процентов производительности, а одно отверстие диаметром 3 мм при давлении 7 бар может приводить к потерям более 1 500 кВт·ч в год. Давление нагнетания — второй важный фактор: каждый 1 бар излишнего давления приводит к увеличению энергопотребления примерно на 7–8 процентов, поэтому снижение давления с 8 бар до 6,5 бар позволяет сэкономить более 10 процентов. Без достаточного воздушные резервуары Что касается производительности, то машина с фиксированной скоростью также постоянно загружается и разгружается, тратя энергию при каждом переходе.
Как выбрать эффективную машину
Исходите из фактического спроса, а не из предполагаемого; определяйте размер по кривой расхода, а не по пиковому значению; сравнивайте варианты по удельной мощности при фактическом давлении. Покупная цена — это последний, а не первый фактор.
Перед расчетом мощности системы необходимо в течение как минимум недели измерять расход и давление, поскольку средняя потребность, как правило, значительно ниже установленной мощности. Сначала проведите аудит системы, устранив утечки и снизив заданное значение, так как это часто позволяет отказаться от целого размера агрегата. Затем выберите тип на основе профиля нагрузки, принимайте решение о выборе безмасляного варианта исключительно исходя из требований к качеству воздуха и смоделируйте десятилетнюю стоимость владения с указанием проверенной удельной мощности в заказе.
Часто задаваемые вопросы
Эти вопросы касаются того, что важно после подписания заказа: оправдывает ли себя сложная конструкция в любом случае, как меняется эффективность с течением времени и когда целесообразно провести замену.
Двухступенчатые компрессоры всегда более эффективны, чем одноступенчатые?
Нет. Двухступенчатое сжатие повышает удельную мощность при высоком перепаде давления и работе агрегата вблизи расчетной точки. При низких коэффициентах давления (около 7 бар) и номинальной мощности ниже примерно 30 л.с. дополнительная ступень увеличивает стоимость и механические потери, не обеспечивая при этом достаточного термодинамического выигрыша. Работа в режиме частичной нагрузки также снижает это преимущество, поскольку при падении расхода вторая ступень становится препятствием.
Изменяется ли КПД компрессора по мере износа оборудования?
Да, как правило, в большей степени, чем ожидают владельцы. Износ компрессорного блока приводит к увеличению зазоров ротора, загрязненные фильтры увеличивают перепад давления, загрязнение охладителя повышает температуру нагнетания, а в регулирующих клапанах возникают утечки. В совокупности все это может привести к увеличению удельной мощности на 5–10 процентов в течение пяти–семи лет. Поскольку снижение происходит постепенно, его редко замечают без исходных данных, поэтому следует фиксировать удельную мощность при вводе в эксплуатацию и ежегодно проводить повторные измерения.
Стоит ли заменять исправный компрессор ради повышения эффективности?
Только если это подтверждается расчётами. Если мощность имеющейся установки превышает измеренную потребность более чем на 25 процентов, она большую часть времени работает без нагрузки, и установка правильного размера быстро окупается. Если установка с фиксированной скоростью работает при сильно колеблющейся нагрузке, система регулирования скорости позволяет добиться значительной экономии при затратах, составляющих лишь небольшую часть стоимости замены. Если ни один из этих случаев не подходит, устранение утечек и снижение давления дают большую отдачу на каждый вложенный доллар.
