Безмасляные спиральные и безмасляные винтовые воздушные компрессоры: когда следует перейти на более мощную модель?

Предприятия пищевой, фармацевтической, электронной и медицинской промышленности сталкиваются с одной общей проблемой, с которой большинство заводов никогда не сталкивается: воздух соприкасается с продукцией, упаковкой, приборами или пациентами, поэтому даже малейший след масла приводит к потере всей партии продукции, а не просто к затратам на техническое обслуживание. Спиральный компрессор, рассчитанный на пилотную линию, бесшумно справляется с этой задачей. Спустя три года тот же завод работает в две смены, добавил розливную головку и вторую чистую комнату, а машина, которая при вводе в эксплуатацию работала без проблем, теперь работает с перегрузкой и плохо удерживает давление.

Безмасляный спиральный компрессор выгоден при расходе ниже примерно 100–150 кубических футов в минуту (CFM), когда нагрузка носит прерывистый характер, оборудование расположено в непосредственной близости от людей, а площадь помещения ограничена. Безмасляный винтовой компрессор становится более целесообразным, как только пиковый расход выходит за пределы этого диапазона, давление на выходе поднимается к 13 бар или предприятие переходит на непрерывную многосменную работу. Решающим фактором редко является только пиковый расход в кубических футах в минуту (CFM); важнее соотношение среднего и пикового расхода, годовое количество рабочих часов и затраты на установку дополнительного спирального модуля на раму, которая изначально не была для этого рассчитана.

Приведенные ниже разделы расположены в том порядке, в котором эти факторы обычно определяют исход проекта.

В чём же на самом деле заключаются различия между этими двумя технологиями

Обе конструкции представляют собой машины прямого вытеснения, работающие всухую, которые не допускают попадания масла в камеру сжатия, поэтому выбор не зависит от чистоты масла на входе. Решающими факторами являются особенности герметизации каждой конструкции, способ регулирования производительности и возможность восстановления рабочих характеристик на месте.

Оба варианта размещены в одном и том же безмасляные компрессоры одному семейству и имеют одинаковые заявления о чистоте, поэтому это различие так часто ошибочно интерпретируется как маркетинговый ход. Техническое различие заключается в схеме уплотнения и модели обслуживания.

Как безмасляный спиральный компрессор сжимает воздух

Элемент состоит из двух переплетенных спиральных витков. Один виток зафиксирован, другой движется по небольшому кругу, не вращаясь, а полулунные полости между ними смещаются внутрь и сжимаются, выталкивая воздух к центральному выпускному отверстию. При нормальной работе нет ни впускных, ни выпускных клапанов, а также отсутствует контакт между витками. Герметичность обеспечивается полимерными уплотнителями, которые перекрывают зазор между поверхностями витков и противоположной пластиной, и именно эта единственная деталь объясняет большую часть поведения спирального элемента на протяжении всего срока его службы:

• Подача происходит плавно и практически без пульсаций, что подходит для приборов и анализаторов.
• Рабочий объём фиксирован, поэтому производительность изменяется только при остановке и запуске агрегата или при замене целых модулей.
• Внутренняя утечка усиливается по мере износа уплотнений наконечника, поэтому эффективность снижается постепенно, а не резко.
• Данный элемент не предназначен для ремонта в полевых условиях, поэтому по истечении срока службы необходимо заменить картридж или установить новый блок.

Как безмасляный винтовой компрессор сжимает воздух

Два зацепляющихся спиральных ротора сжимают воздух по мере сближения витков. Роторы никогда не соприкасаются; фазу обеспечивают зубчатые колеса, а герметичность поддерживается зазорами, измеряемыми в тысячных долях дюйма. Подшипники и зубчатые колеса расположены в смазываемом корпусе, изолированном от воздушного канала уплотнениями вала, а во многих конструкциях — также буферным устройством, которое удерживает любые утечки в направлении наружу. Такая конструкция ведет себя по-разному:

• Производительность зависит от размера ротора, поэтому один воздушный блок способен охватить диапазон, для которого потребовалось бы множество спиральных модулей.
• Зазоры устанавливаются в процессе механической обработки, поэтому эффективность остается стабильной до тех пор, пока не произойдет поломка уплотнения или подшипника.
• Производительность можно плавно регулировать с помощью золотникового клапана, дросселирования на входе или привода с регулируемой скоростью.
• При наличии соответствующей сервисной организации компрессорный блок можно отремонтировать с заменой подшипников и уплотнений.

Что это означает для растущего растения

Производительность и давление: когда спиральному компрессору не хватает места

Производительность отдельного спирального блока достигает примерно 15 кубических футов в минуту, а многомодульной установки — от 125 до 150 кубических футов в минуту, в то время как производительность одной сухих винтовой установки начинается примерно с 30 кубических футов в минуту и достигает нескольких сотен. Именно этот разрыв, а не личные предпочтения, исключает спиральные компрессоры из числа рассматриваемых вариантов в большинстве проектов по расширению мощностей ещё до того, как заходит речь о коэффициенте полезного действия.

Односпиральные, многоспиральные компрессоры и предельное количество модулей в штабеле

Самые компактные агрегаты обеспечивают производительность от 2 до 15 кубических футов в минуту и предназначены для стоматологического кабинета, лабораторного стола или отдельного инструментального рабочего места. Кроме того, производители размещают несколько идентичных элементов внутри одного корпуса, каждый из которых имеет собственный впускной патрубок, систему охлаждения и уплотнительный комплект, а также контроллер, который последовательно запускает модули по мере падения давления. Это обеспечивает производительность от 60 до 125 кубических футов в минуту при габаритах, которые по-прежнему позволяют разместить устройство в техническом помещении, причём резервирование обеспечивается практически без дополнительных затрат, поскольку при выходе из строя одного модуля остальные продолжают работать.

В верхней части этого диапазона экономическая эффективность меняется на противоположную. Как только установка включает более четырёх–шести модулей, площадь, приходящаяся на один кубический фут в минуту, протяжённость соединительных трубопроводов, сложность системы управления и количество комплектов уплотнений, требующих обслуживания, растут быстрее, чем производительность. В этом случае одновинтовой воздушный блок обеспечивает тот же расход с одной установкой и одним перечнем расходных материалов, что и является практическим определением точки масштабирования.

Предельное давление и процессы, при которых оно достигается

Одноступенчатые спиральные агрегаты обычно рассчитаны на давление от 7 до 10 бар. Двухступенчатые спиральные конструкции позволяют достигать более высоких значений, однако добавление второй ступени снижает простоту, которая изначально и оправдывала выбор спиральной технологии. Двухступенчатый безмасляный винтовой агрегат в стандартной конфигурации достигает давления 13 бар, а при более высоких значениях для обеих технологий разумным решением становится использование бустера. Давление также влияет на заявленный расход: агрегат с номинальным расходом 8,5 куб. футов в минуту при давлении 7 бар обеспечивает заметно меньший расход при давлении 10 бар, что и является причиной столь частых ошибок при подборе оборудования из-за использования каталожных данных, полученных при разных значениях давления.

Рабочий цикл и эффективность при частичной нагрузке: ключевой момент, который упускают из виду в большинстве проектов

Спиральный компрессорный агрегат способен обеспечивать подачу безмасляного воздуха при 100-процентной загрузке, однако его фиксированный рабочий объём делает его неподходящим вариантом для предприятия, где загрузка в течение дня колеблется от 30 до 100 процентов от номинальной мощности. При количестве рабочих часов в год, превышающем примерно 4 000, характеристики винтовой установки при частичной нагрузке обычно перевешивают более низкую начальную стоимость спиральной установки.

Фиксированный рабочий объём, ступенчатое регулирование и пилообразный график давления

Спиральный компрессор с фиксированной скоростью обеспечивает постоянный объем за один оборот. Производительность регулируется в соответствии с потребностью путем остановки агрегата при достижении верхнего заданного значения и его повторного запуска при достижении нижнего, либо в многомодульной установке — путем включения и отключения целых элементов. В результате поток поступает ступенчато, а кривая давления между этими ступенями имеет пилообразный характер, а не представляет собой ровную линию.

Из этого вытекают три последствия. Объем приемника должен компенсировать эти скачки, поэтому при недостаточном объеме накопителя машина включается гораздо чаще, чем это предусмотрено в конструкции двигателя и контактора. Каждый пуск сопровождается пусковым током и тепловым нагревом, чего не происходит при непрерывной работе. А на предприятии, средняя потребность которого находится между двумя размерами модулей, либо будет работать один модуль под полной нагрузкой, а избыток энергии будет сбрасываться, либо будут работать два модуля с небольшой нагрузкой — и в том, и в другом случае происходит растрата энергии, которую показатель полной нагрузки никогда не отражает. Винтовой агрегат со скользящим клапаном или приводом следует за спросом по кривой, а не по ступенчатой линии, и преимущество становится максимальным именно там, где реализуются проекты по расширению: на предприятии, которое удвоило свой средний расход, но по-прежнему испытывает пиковую нагрузку в течение двух часов в день.

Сравнение удельной мощности на одинаковых условиях

Удельная мощность, выраженная в кВт на куб. фут в минуту (CFM), имеет смысл только в том случае, если обе установки рассчитаны на одинаковое давление на выходе, одинаковые условия на входе и находятся в пределах одной и той же зоны. Достаточно учесть осушитель и фильтры только на одной стороне, но не на другой, чтобы вывод оказался противоположным. Именно по этой причине в отрасли публикуются данные о производительности, проверенные независимыми экспертами, и Институт сжатого воздуха и газа запускает программу проверки, которая обеспечивает сопоставимость этих таблиц между различными поставщиками. Два правила гарантируют объективность сравнения: необходимо запрашивать данные о расходе при давлении, при котором установка фактически работает, и пересчитывать оба варианта в годовой объем в кВт·ч с учетом измеренного профиля нагрузки, а не номинальной мощности.

Чистота воздуха после увеличения масштабов производства: тот же класс, другое подтверждение

Обе технологии обеспечивают подачу безмасляного воздуха непосредственно у источника, поэтому увеличение мощности не влияет на класс, которого может достичь установка. Изменяются лишь схема очистки, расположенная вокруг компрессора, и данные, доступные на день проведения аудита.

ISO 8573-1 определяет классы чистоты по трем параметрам: частицы, вода и масло, а технические требования формулируются в виде последовательности чисел, а не в виде единого номинала. Класс 0 не является фиксированной записью в таблице; это класс, согласованный между пользователем и поставщиком, который предъявляет более строгие требования, чем класс 1, поэтому две машины, обе описанные как класс 0, могут иметь совершенно разные результаты испытаний.

Механизм проникновения нефти зависит от конструкции установки. В винтовых установках это зависит от состояния уплотнения подшипника и, косвенно, от состояния уплотнения насадочного кольца, поскольку изношенное уплотнение насадочного кольца приводит к увеличению внутренних утечек и температуры на выходе, а также сокращает срок службы всех последующих элементов. В винтовых установках это зависит от уплотнения вала и буферной системы, поэтому мониторинг уплотнений и сигнализация давления уплотнительного воздуха имеют большее значение, чем заявленные показатели чистоты. Если речь идет о линии стерильного розлива или полупроводниковом оборудовании, не менее важное значение имеет цепочка очистки: холодильный осушитель для приборного воздуха, адсорбционный осушитель, в котором точка росы под давлением должна оставаться значительно ниже нуля, а также фильтрация, соответствующая классу частиц.

Шум, занимаемая площадь и монтаж: ограничения, которые усиливаются по мере увеличения масштабов

Система Scroll сохраняет реальное преимущество по уровню шума при небольших размерах, но оно не безгранично: при производительности 100 кубических футов в минуту (CFM) многомодульный корпус по уровню шума гораздо ближе к винтовому агрегату, чем к значению 48 дБА, указанному для агрегата мощностью 5 л.с. Площадь, приходящаяся на один кубический фут в минуту (CFM), обычно является тем ограничивающим фактором, который вступает в силу в первую очередь.

Для сравнения показателей шума необходимо выработать единую основу. Значение, указанное на расстоянии одного метра, представляет собой уровень звукового давления, который зависит от помещений; звуковая мощность характеризует само оборудование и всегда имеет более высокое числовое значение. Сравнение показателя звукового давления одного поставщика с показателем звуковой мощности другого приводит к разнице, которой в реальном помещении не существует. Выделение тепла зависит скорее от мощности, чем от технологии, поскольку практически вся вальная мощность в конечном итоге превращается в тепло в машинном помещении, поэтому удвоение расхода удваивает нагрузку на вентиляцию, независимо от того, кто изготовил компрессор.

Техническое обслуживание, срок службы и резервирование

Спиральные компрессоры требуют меньше рутинных работ, но их сложнее восстановить; винтовые компрессоры требуют большего количества расходных материалов, но их можно привести в рабочее состояние прямо на месте. Модель резервирования также меняется на противоположную: спиральные компрессоры обеспечивают резервирование N+1 на каждый модуль, тогда как одному винтовому агрегату требуется партнерский агрегат или резервный агрегат на складе.

Прокрутить профиль службы

Поскольку в канале сжатия отсутствуют клапаны и шатуны, плановое техническое обслуживание сводится к очистке впускных фильтров, очистке охлаждающих поверхностей, проверке уплотнений и проверке подшипников с большими интервалами, а масло из воздушного канала для анализа отсутствует. Согласно типовым рекомендациям, проверка концевых уплотнений проводится с интервалом от 8 000 до 12 500 часов. Документированный Техническое обслуживание безмасляных воздушных компрессоров Такой график эксплуатации не предъявляет особых требований, но его преимуществом является возможность ремонта: когда изнашиваются обмоточные поверхности или подшипники, решением проблемы становится замена картриджа или всего узла, что обходится в значительную часть стоимости нового оборудования.

Профиль обслуживания резьбовых соединений

В комплект обслуживания сухого винтового компрессора входит более обширный перечень работ: очистка впускного фильтра, уплотнений вала, фильтров уплотнительного воздуха, смазка подшипников или замена масла в редукторе, очистка охладителя и проверка вибрации. Оставшееся масло смазывает подшипники и шестерни и никогда не соприкасается с воздухом, однако его анализ по-прежнему является самым экономичным способом раннего обнаружения неисправностей подшипников. Предполагается, что воздушный блок проработает десятки тысяч часов, после чего его можно будет отремонтировать, что делает второе десятилетие эксплуатации более экономичным, чем постоянная замена картриджей.

Резервирование: схема «N+1» между модулями против одной машины базовой нагрузки

Четырёхмодульный спиральный агрегат по своей сути является избыточным; выход из строя одного модуля приводит к потере четверти производительности. Одиночная винтовая установка представляет собой единственную точку отказа, поэтому на критически важных предприятиях предусматривается дуплексный режим работы, резервный агрегат или резервуар-накопитель достаточного объёма, чтобы пережить период ремонта. Эта резервная мощность должна учитываться при сравнении, поскольку предприятие, которое добавляет резервирование только после выбора одной крупной установки, фактически платит за неё дважды.

Общая стоимость владения: где находится точка пересечения

При таких масштабах покупная цена играет весьма незначительную роль. Затраты на электроэнергию обычно составляют от 70 до 80 процентов от общей стоимости эксплуатации компрессора за десять лет, поэтому выбор между компрессорами со спиральными роторными блоками и винтовыми компрессорами определяется количеством часов работы и профилем нагрузки, а не ценой предложения.

Обоснованное сравнение состоит из четырёх этапов:

1. Ведите учет потребления в течение как минимум двух недель, включая выходные и ночную смену, а также фиксируйте средний и пиковый расход при давлении, которое фактически требуется станции.
2. Преобразуйте каждое значение в годовой объем потребления в кВт·ч с учетом фактического профиля нагрузки, а не номинальной мощности, включая часы работы с частичной нагрузкой и потери при снижении нагрузки.
3. Добавляйте расходные материалы с указанной периодичностью и указывайте стоимость работ по обслуживанию уплотнения или воздушного блока, проводимых в течение оцениваемого периода.
4. Добавьте отличающиеся параметры установки: тип электропитания и способ запуска, объем ресивера, вместимость осушителя и систему вентиляции.

An Совокупная стоимость владения (TCO) безмасляного воздушного компрессора Именно при использовании такой модели большинство проектов приходят к выводу, что оборудование, которое на момент покупки казалось более дешевым, на восьмом году эксплуатации уже не является таким, особенно если профиль нагрузки предполагает длительную работу на мощности ниже половины номинальной.

Практическая методология принятия решений по масштабированию

Начните с пикового расхода, а затем сверьте полученный результат с учетом рабочего цикла, давления и уровня шума. На большинстве предприятий результат определяется уже по итогам первого теста, а второй тест приводит к изменению результата, возможно, лишь в одном из пяти проектов.

Выше верхней границы этой полосы, центробежные воздушные компрессоры устанавливайте оборудование там, где поток непрерывный, а давление умеренное. Два решения, принятые на этапе первоначальной установки, позволят избежать большинства проблем в будущем: зарезервируйте площадь и систему вентиляции для более крупной рамы, а также рассчитайте мощность электросети исходя из того оборудования, которое, по прогнозам, потребуется предприятию в будущем, а не из того, что необходимо ему сегодня.

Гибридный вариант: винтовая основная нагрузка со спиральной регулировкой

В тех случаях, когда спрос растет не плавно, а скачкообразно, эффективным решением зачастую становится использование обеих технологий в одной системе. Винтовая машина работает в режиме базовой нагрузки в узком диапазоне давления, а имеющийся спиральный блок сглаживает пиковые нагрузки, вместо того чтобы быть выведенным из эксплуатации. Такая схема требует наличия общего ресивера, контроллера последовательности, который отдаёт приоритет винтовой машине, а также диапазона давления, достаточно широкого для предотвращения коротких циклов работы спирального блока. Это позволяет сохранить уже вложенный капитал и избежать покупки мощности винтовой машины, которая будет задействована всего два часа в сутки.

Часто задаваемые вопросы

Как правило, возникают три вопроса, когда диапазон расхода указывает на необходимость установки винтового компрессора, а бюджетный цикл — на установку ещё одного спирального модуля.

Можно ли по мере роста спроса добавлять модули прокрутки по одному?

Как правило, да — в пределах возможностей корпуса и контроллера. Проверьте наличие свободных мест для модулей, входную и выходную мощность контроллера, а также объем приемника, рассчитанный на количество пусков, которое будет выполнять установка большего размера. Добавление модуля позже почти всегда обходится дороже в расчете на кубический фут в минуту, чем однократный заказ корпуса большего размера, поскольку стоимость корпуса, системы охлаждения и средств управления уже оплачена.

Какие изменения в электрической части и приемнике сопутствуют переходу на винтовое крепление?

Первым пунктом является сеть питания. Винтовая машина мощностью 30 кВт может потребовать иного метода пуска, чем спиральный агрегат, который она заменяет, а прямой пуск может вызвать перегрузки других потребителей при слабой сети, что вынуждает прибегнуть к схеме «звезда-треугольник» или приводу с регулируемой скоростью. Далее следуют выбор сечения кабеля, согласование автоматических выключателей и меры защиты. Что касается воздушной стороны, управление нагрузкой и разгрузкой требует большего объёма накопления воздуха, чем при модульном режиме работы, поэтому размер ресивера, как правило, перерассчитывается одновременно.

Можно ли использовать безмасляный винтовой компрессор в небольшом техническом помещении?

Возможно, но помещение следует рассматривать как единую систему, а не просто как площадь пола. Винтовая установка отводит тепло в одном месте, поэтому вентиляция или воздуховоды должны рассчитываться на полную мощность двигателя, а для уровня шума 70–80 дБА обычно требуется установка перегородки между агрегатом и жилым помещением или применение акустических мер. Если помещение не поддается переоборудованию, распределенная компоновка спиральных установок в двух местах часто позволяет решить ту же проблему с меньшими затратами.