Каждый покупатель оборудования для сжатого воздуха рано или поздно сталкивается с вопросом о приводе с регулируемой скоростью (VSD). Компрессор с приводом с регулируемой скоростью стоит на 20%–30% дороже, чем его аналог с фиксированной скоростью при той же номинальной производительности. Торговый представитель производителя представляет таблицу, в которой указана экономия энергии от 25% до 35% и срок окупаемости от 12 до 24 месяцев. Цифры выглядят убедительно. Однако в таблице заложена конкретная кривая нагрузки — с широкими колебаниями между пиковым и средним спросом — а фактическая динамика потребления сжатого воздуха на каждом предприятии индивидуальна. Компрессор с VSD, установленный на заводе, работающем с нагрузкой 92% в течение трех смен в сутки, никогда не окупит свою надбавку к цене. Компрессор с частотно-регулируемым приводом (VSD), установленный на предприятии, где потребность колеблется от 30% до 100% в течение одной смены, окупится менее чем за год и будет приносить чистую экономию в течение следующего десятилетия. Ответ на вопрос “что выбрать?” не найдётся в брошюре производителя — он кроется в профиле нагрузки вашего предприятия, тарифе на электроэнергию и вашей готовности мириться со сложностью технического обслуживания.
Выберите масляный воздушный компрессор с частотно-регулируемым приводом (VSD), если потребность вашего предприятия в сжатом воздухе колеблется более чем на 30% между пиковой и средней нагрузкой в течение типичного рабочего дня, тариф на электроэнергию превышает $0,08 за киловатт-час, а время работы превышает 4,000 часов в год — при таких условиях экономия энергии от регулирования скорости в размере от 20% до 35% окупит надбавку к цене на компрессор с частотно-регулируемым приводом (VSD) в размере от $10 000 до $25 000 в течение 12–36 месяцев. Выберите компрессор с фиксированной скоростью и масляной смазкой, если ваша потребность остается стабильной в пределах 15% от полной нагрузки в течение большей части рабочего времени, вы эксплуатируете оборудование менее 3 000 часов в год или на вашем объекте уже имеется несколько компрессоров, работающих последовательно, с достаточным КПД при частичной нагрузке для системы в целом. Компрессор с фиксированной скоростью — правильный выбор примерно для 30%–40% промышленных объектов; компрессор с частотно-регулируемым приводом (VSD) — правильный выбор для остальных 60%–70%. Ни одна из технологий не является универсально превосходящей — каждая из них оптимальна для конкретного профиля эксплуатации, и самая дорогостоящая ошибка — это установка компрессора с частотно-регулируемым приводом там, где агрегат с фиксированной скоростью был бы более экономичным, или наоборот.
Чем компрессор с переменной скоростью вращения (VSD) отличается от компрессора с фиксированной скоростью вращения?
В винтовом компрессоре с масляной смазкой и фиксированной скоростью основной приводной двигатель работает с постоянной скоростью — как правило, 1 500 или 1 800 об/мин при частоте питания 50 Гц или 60 Гц соответственно — а производительность регулируется за счет модуляции впускного клапана, открытия сбросного клапана, или переключением между режимами нагрузки и разгрузки. В компрессоре с частотно-регулируемым приводом (VSD) двигатель с фиксированной скоростью заменяется частотно-регулируемым приводом, который регулирует скорость вращения двигателя — как правило, в диапазоне от 20% до 100% от максимальной — для точного согласования подачи сжатого воздуха с потребностью в режиме реального времени. Компрессор с фиксированной скоростью потребляет от 25% до 40% своей мощности при полной нагрузке даже тогда, когда не подает сжатый воздух, поскольку двигатель продолжает вращать воздушный блок, преодолевая противодавление системы, пока впускной клапан закрыт или сбросный клапан открыт. Компрессор с частотно-регулируемым приводом (VSD) потребляет мощность почти прямо пропорционально своей производительности, потребляя 20% мощности при полной нагрузке на скорости 20% и минимальную мощность в режиме холостого хода, что исключает потери энергии при отсутствии нагрузки, которые являются крупнейшей статьёй эксплуатационных расходов компрессора с фиксированной скоростью в условиях переменного спроса.
Работа с постоянной скоростью и неэффективность при частичной нагрузке
Физические особенности компрессии с фиксированной скоростью приводят к неизбежной потере эффективности при частичной нагрузке. Ротационный винтовой компрессорный блок представляет собой машину прямого вытеснения: при каждом обороте роторов захватывается фиксированный объём воздуха и сжимается. Если двигатель вращается с постоянной скоростью, компрессорный блок подаёт постоянный объём сжатого воздуха независимо от того, сколько его фактически требуется на объекте. Поэтому компрессор должен использовать одну из трёх стратегий для приведения подачи в соответствие со спросом:
Управление нагрузкой/разгрузкой. Компрессор работает на полной скорости до тех пор, пока давление в системе не достигнет верхнего заданного значения — как правило, 7,5 бар в системе с давлением 8,0 бар, — после чего происходит разгрузка путем закрытия впускного клапана и сброса давления из маслоотделителя. Двигатель продолжает вращаться на полной скорости при нулевой нагрузке, потребляя примерно от 25% до 35% мощности при полной нагрузке, не производя при этом сжатого воздуха. Когда давление в системе падает до нижнего заданного значения — обычно 6,5 бар — компрессор возвращается в режим нагрузки. Цикл включения и отключения нагрузки хорошо работает, когда компрессор работает почти на полной нагрузке, но приводит к значительным энергопотерям при низком спросе, когда преобладает время работы без нагрузки. При среднем спросе в 30% компрессор с режимом нагрузки/разгрузки может проводить 70% своих рабочих часов в режиме разгрузки, расходуя электроэнергию на вращение двигателя, который ничего не производит.
Работа системы VSD: скорость зависит от нагрузки
Компрессор с частотно-регулируемым приводом полностью исключает цикл нагрузки/разгрузки. Частотно-регулируемый привод непрерывно регулирует скорость вращения двигателя на основе сигнала датчика давления, увеличивая скорость при падении давления в системе и снижая её при его повышении. Компрессор находит равновесную скорость, при которой подача сжатого воздуха точно соответствует потребности, поддерживая практически постоянное давление в системе без колебаний в диапазоне давления, характерных для режима управления с включением и отключением.
Энергетическое преимущество частотно-регулируемого привода (VSD) обусловлено взаимосвязью между частотой вращения двигателя и потребляемой мощностью. В случае винтового компрессора потребляемая мощность приблизительно пропорциональна частоте вращения: при снижении частоты вращения на 50% потребляемая мощность уменьшается примерно на 50%. Потребляемая мощность компрессора с фиксированной скоростью без нагрузки составляет от 25% до 35%, что означает: даже при нулевой производительности он потребляет от четверти до трети мощности при полной нагрузке. Компрессор с частотно-регулируемым приводом (VSD) при скорости 25% потребляет примерно 25% мощности при полной нагрузке — столько же, сколько агрегат с фиксированной скоростью потребляет, не производя ничего.
Эта взаимосвязь делает выбор между двигателем с фиксированной скоростью и двигателем с частотно-регулируемым приводом (VSD) винтовой компрессор с масляной смазкой Решение о выборе полностью зависит от того, сколько часов компрессор работает в каждой точке своей кривой нагрузки. В следующем разделе объясняется, как определить эту кривую нагрузки для вашего объекта.
Профиль нагрузки: самый важный фактор при принятии решения
Профиль нагрузки — соотношение потребности в сжатом воздухе и времени в течение типичного периода эксплуатации — определяет, какая система — с частотно-регулируемым приводом (VSD) или с фиксированной скоростью — обеспечит более низкую совокупную стоимость владения. На предприятии, работающем на 85–95 % от номинальной мощности в течение трёх смен, предпочтительнее использовать двигатель с фиксированной скоростью. На предприятии с высоким спросом утром, умеренным днём и минимальным спросом в ночную смену предпочтительнее использовать двигатель с регулируемой скоростью (VSD). Разделительная черта: разница между пиковым и средним спросом составляет примерно 30 %.
Стандартным инструментом является регистратор данных по сжатому воздуху, измеряющий расход, давление и мощность в течение 7–14 дней; стоимость недельного измерения составляет от $500 до $1,500. Это позволяет исключить догадки.
Классификация профилей нагрузки
| Тип профиля нагрузки | Коэффициент колебаний «пик-среднее» | Рекомендуемые технологии | Типовой объект |
|---|---|---|---|
| Квартира | <20% | С фиксированной скоростью (загрузка/разгрузка) | Непрерывные технологические процессы: химическая, нефтеперерабатывающая, целлюлозно-бумажная промышленность |
| Умеренный | 20–40% | VSD (один агрегат) или с фиксированной скоростью (несколько агрегатов с секвенсором) | Двухсменное производство: металлообработка, пластмассы, упаковка |
| Переменная | 40–70% | VSD (настоятельно рекомендуется) | Односменный режим плюс периодический: сборка автомобилей, пищевая промышленность, текстильная промышленность |
| Очень изменчивый | >70% | Расчет размеров VSD (саморегулирующегося) + воздушного резервуара | Заказное производство, ремонтные мастерские, сезонные работы |
Профиль нагрузки определяет не только выбор компрессора с частотно-регулируемым приводом (VSD), но и стратегию определения размера компрессора. Одиночный компрессор с VSD, рассчитанный на пиковую нагрузку, большую часть времени работает на пониженных оборотах — и с пониженным КПД. Более подходящей конфигурацией для профилей с сильными колебаниями может быть компрессор с фиксированной скоростью для базовой нагрузки, рассчитанный на пиковую нагрузку от 60% до 70%, плюс дополнительный компрессор с частотно-регулируемым приводом (VSD), который обрабатывает переменную часть нагрузки. Такая конфигурация с двумя компрессорами обеспечивает более высокий КПД при частичной нагрузке, чем один большой агрегат с VSD, работающий на очень низких скоростях в течение длительных периодов времени.
Для предприятий, проводящих оценку своих решение для воздушных компрессоров , профиль нагрузки является отправной точкой для всех решений по выбору оборудования, а не только при выборе частотно-регулируемого привода (VSD). Предприятие, не знающее характера своих пиковых нагрузок, не сможет принять обоснованное решение о закупке компрессора независимо от уровня используемых технологий.
Энергоэффективность: количественная оценка экономии при использовании частотно-регулируемого привода (VSD)
Маслосмазываемый компрессор с частотно-регулируемым приводом (VSD) снижает энергопотребление на 20%–35% по сравнению с компрессором с фиксированной скоростью и системой управления нагрузкой/разгрузкой при работе с переменным профилем нагрузки. Экономия достигается за счёт трёх факторов: устранение потребления энергии в режиме разгрузки, при котором в агрегате с фиксированной скоростью в периоды разгрузки впустую тратится от 25% до 35% мощности при полной нагрузке; сокращение потерь при сбросе давления, возникающих, когда компрессор с режимом нагрузки/разгрузки выпускает воздух из маслоотделителя в атмосферу при переходе из состояния нагрузки в состояние разгрузки; и устранение диапазона давления, что означает, что компрессор с частотно-регулируемым приводом (VSD) работает при более низком среднем давлении нагнетания, снижая количество энергии, необходимое на кубический метр сжатого воздуха, примерно на 7% на каждый 1 бар снижения давления. Совокупный эффект этих трёх механизмов экономии приводит к снижению потребления на 20%–35%, что было зафиксировано в ходе полевых измерений на сотнях промышленных объектов.
Расчет экономии энергии
Энергосбережение за счет использования частотно-регулируемого привода (VSD) можно оценить с помощью профиля нагрузки объекта и кривых КПД компрессора при частичной нагрузке. Для компрессора с фиксированной скоростью мощностью 75 кВт, оснащенного системой управления включением/выключением, работающего при профиле нагрузки со средней изменчивостью:
| Диапазон нагрузки (% от номинальной грузоподъемности) | Количество рабочих часов в году | Мощность при постоянной скорости за час (кВт) | Мощность VSD в час (кВт) | Годовая экономия (кВт·ч) |
|---|---|---|---|---|
| 90–100% | 1,500 | 70 | 67 | 4,500 |
| 70–90% | 2,500 | 68 | 55 | 32,500 |
| 50–70% | 2,000 | 62 (с незагруженными отходами) | 42 | 40,000 |
| 30–50% | 1,200 | 55 (с незагруженными отходами) | 28 | 32,400 |
| 0–30% | 800 | 35 (без груза) | 15 | 16,000 |
| Итого | 8,000 | 485 000 кВт·ч | 359 600 кВт·ч | 125 400 кВт·ч |
При тарифе на электроэнергию $0,10 за киловатт-час годовая экономия составляет $12 540. При тарифе $0,15 за киловатт-час — который распространен в некоторых частях Европы и в регионах Северной Америки с пиковым спросом — экономия возрастает до $18 810 в год. За десять лет совокупная экономия составляет от $125 000 до $188 000, что значительно превышает надбавку к цене на VSD.
Разрыв в эффективности при полной нагрузке
Важный нюанс, который часто упускается из расчетов экономии при использовании частотно-регулируемого привода (ЧРП): при полной нагрузке компрессор с ЧРП имеет снижение КПД на 2%–4% по сравнению с компрессором с фиксированной скоростью. Сам частотно-регулируемый привод потребляет электроэнергию — как правило, от 2% до 3% от номинальной мощности двигателя — а для охлаждения двигателя при пониженных скоростях может потребоваться отдельный охлаждающий вентилятор, что увеличивает паразитную нагрузку. При скорости 100% компрессор с VSD производит чуть меньше кубических метров в минуту на киловатт, чем эквивалентная установка с фиксированной скоростью.
Этот разрыв в КПД при полной нагрузке означает, что компрессор с частотно-регулируемым приводом (VSD), установленный на объекте, который работает непрерывно при нагрузке от 95% до 100%, фактически будет потреблять больше энергии, чем компрессор с фиксированной скоростью — примерно на 2%–4% больше — помимо того, что его стоимость при покупке на 20%–30% выше. Это предупреждение фигурирует в каждом расчете экономии при использовании компрессора с частотно-регулируемым приводом (VSD): если ваш компрессор работает при полной нагрузке большую часть времени, не покупайте VSD.
Сайт Сравнение систем с масляной смазкой и безмасляных систем представляет собой отдельный аспект решения о покупке, который взаимосвязан с вопросом о компрессорах с частотно-регулируемым приводом (VSD). Масляный компрессор с частотно-регулируемым приводом сочетает в себе эффективность работы с переменной частотой вращения и более низкую стоимость приобретения, характерную для смазываемых технологий, что делает его наиболее распространённой конфигурацией VSD для некритичных областей применения сжатого воздуха.
Покупная цена и срок окупаемости
Ротационный винтовой компрессор с переменной скоростью вращения и масляной смазкой стоит на 20%–35% дороже, чем аналогичная модель с фиксированной скоростью при той же номинальной производительности. Для компрессора мощностью 75 кВт эта надбавка составляет примерно от $8 000 до $15 000. Для агрегата мощностью 132 кВт она составляет примерно от $14 000 до $22 000. Для агрегата мощностью 200 кВт она составляет примерно от $20 000 до $35 000. Эта надбавка покрывает стоимость частотно-регулируемого привода, двигателя с постоянными магнитами или инверторного двигателя, более сложной системы управления, а также дополнительных инженерных работ, необходимых для обеспечения надёжной работы во всём диапазоне скоростей. Срок окупаемости — время, необходимое для того, чтобы совокупная экономия энергии равнялась надбавке к цене покупки — колеблется от менее 12 месяцев для объектов с сильно изменяющейся нагрузкой и высокими тарифами на электроэнергию до более 60 месяцев для объектов с умеренной изменчивостью нагрузки и низкими тарифами; при этом срок окупаемости может превысить ожидаемый срок службы компрессора до проведения капитального ремонта.
Расчет окупаемости по профилю эксплуатации
| Профиль нагрузки | Годовое количество часов | VSD Premium (75 кВт) | Ежегодная экономия энергии | Срок окупаемости по простому методу | Чистая экономия за 10 лет |
|---|---|---|---|---|---|
| Высокая вариабельность (вариация >70%) | 8,000 | $12,000 | $15 000–$20 000 | 7–10 месяцев | $138 000–$188 000 |
| Переменная (вариация 40–70%) | 6,000 | $12,000 | $9 000–$14 000 | 10–16 месяцев | $78 000–$128 000 |
| Умеренный (колебания в диапазоне 20–40%) | 6,000 | $12,000 | $5 000–$9 000 | 16–29 месяцев | $38 000–$78 000 |
| Без изменений (отклонение <20%) | 8,000 | $12,000 | −$500–$2 000 | Никогда (или 72+ месяцев) | −$17 000–$8 000 |
Срок окупаемости, который большинство промышленных покупателей считают приемлемым, составляет от 24 до 36 месяцев. Исходя из этого критерия, система VSD является очевидным выбором для переменных и сильно переменных профилей нагрузки, для умеренных профилей решение принимается в каждом конкретном случае, а для постоянных профилей нагрузки она, как правило, не рекомендуется.
Скрытые затраты, влияющие на окупаемость
Приведенный выше расчет срока окупаемости учитывает исключительно экономию энергии. Полный финансовый анализ должен также учитывать:
Снижение платы за пиковую мощность. Многие тарифы на электроэнергию для промышленных потребителей включают плату за пиковую мощность, рассчитываемую на основе пикового потребления мощности в течение расчетного периода. Функция плавного пуска компрессора с частотно-регулируемым приводом (VSD) — постепенное увеличение скорости вращения двигателя с нуля вместо потребления тока, в 6–8 раз превышающего ток полной нагрузки, при прямом пуске — снижает пиковый пусковой ток, что позволяет сократить плату за пиковую нагрузку на $1 000–$3 000 в год для предприятий, которые выплачивают значительные суммы по этой статье.
Преимущество снижения диапазона давления. Компрессор с фиксированной скоростью, работающий в режиме нагрузки/разгрузки, функционирует в диапазоне давления от 0,5 до 1,0 бар — входя в режим нагрузки при достижении нижней заданной точки и выходя из него при достижении верхней заданной точки. Это означает, что среднее давление нагнетания на 0,25–0,5 бара превышает требуемое системой, и каждый дополнительный бар обходится примерно в 7% затрат энергии. Компрессор с частотно-регулируемым приводом (VSD) поддерживает практически постоянное давление, работая на уровне, равном требуемому системой, или очень близком к нему. Экономия энергии за счёт устранения диапазона давления обычно составляет от 2% до 4% годового энергопотребления компрессора, что учитывается в показателях экономии за счёт VSD, но зачастую не относится конкретно к устранению диапазона давления.
Улучшение коэффициента мощности. Частотно-регулируемые приводы оснащены конденсаторами, которые корректируют коэффициент мощности до значения, близкого к единице, — как правило, от 0,95 до 0,98. Асинхронные двигатели с фиксированной частотой вращения, работающие при частичной нагрузке, имеют коэффициент мощности от 0,75 до 0,85. Для предприятий, которые платят штрафы за низкий коэффициент мощности, коррекция коэффициента мощности с помощью частотно-регулируемого привода позволяет сэкономить от $500 до $2,000 в год за счет избежания штрафов.
Сравнение технического обслуживания и срока службы
У компрессоров с частотно-регулируемым приводом (VSD) и масляной смазкой годовые затраты на техническое обслуживание несколько выше, чем у аналогов с фиксированной скоростью — как правило, на 5%–15% больше — поскольку частотно-регулируемый привод влечет за собой дополнительные виды отказов, включая износ силовой электроники, старение конденсаторов и выход из строя охлаждающего вентилятора в корпусе привода. Двигатель компрессора с VSD также должен выдерживать тепловые нагрузки, возникающие при работе с переменной частотой вращения, особенно на низких скоростях, когда эффективность охлаждающего вентилятора снижается. Однако функция плавного пуска компрессора с VSD снижает механическую нагрузку на воздушный блок, муфты и ремни во время запуска, что продлевает срок службы этих компонентов и частично компенсирует дополнительные затраты на техническое обслуживание, связанные с приводом. За десятилетний период чистая разница в затратах на техническое обслуживание между компрессорами с VSD и компрессорами с фиксированной скоростью обычно составляет от $3 000 до $8 000 — эта разница настолько мала, что экономия энергии преобладает в сравнении совокупной стоимости владения (TCO) для всех областей применения, где использование VSD целесообразно.
Сравнение плановых технических обслуживаний
| Пункт технического обслуживания | Интервал с фиксированной скоростью (часы) | Интервал VSD (часы) | Разница |
|---|---|---|---|
| Замена масла и масляного фильтра | 2,000–4,000 | 2,000–4,000 | То же самое |
| Воздушный фильтр (впускной) | 2,000–4,000 | 2,000–4,000 | То же самое |
| Воздушно-масляный сепаратор | 4,000–8,000 | 4,000–8,000 | То же самое |
| Приводной ремень или муфта | 8,000–12,000 | 8,000–12,000 | То же самое |
| Смазка подшипников двигателя | 8,000–12,000 | 8,000–12,000 | То же самое |
| Вентилятор охлаждения и фильтр VSD | — | 2,000–4,000 | Дополнительный пункт VSD |
| Проверка конденсаторов системы VSD | — | 12,000–16,000 | Дополнительный пункт VSD |
| Замена подшипника компрессора | 25,000–35,000 | 25,000–35,000 | То же самое |
Дополнительные работы по техническому обслуживанию компрессоров с частотно-регулируемым приводом (VSD) в основном касаются электронных компонентов привода. Корпус привода VSD требует подачи чистого охлаждающего воздуха для предотвращения перегрева силовых полупроводников, а воздушный фильтр корпуса необходимо очищать или заменять с той же периодичностью, что и впускной воздушный фильтр компрессора. Конденсаторы промежуточного контура постоянного тока в VSD имеют ограниченный срок службы — обычно от 8 до 12 лет в зависимости от рабочей температуры — и должны заменяться при износе; стоимость замены конденсаторной батареи составляет от $1 500 до $4 000 плюс стоимость работ.
Срок службы двигателя и компрессорного блока
Возможность плавного пуска компрессора с частотно-регулируемым приводом (VSD) является важным, но зачастую упускаемым из виду преимуществом с точки зрения надежности. Компрессор с фиксированной скоростью, запускаемый методом прямого включения, в течение 2–5 секунд потребляет ток, в 6–8 раз превышающий ток при полной нагрузке, что подвергает обмотки двигателя тепловому удару, а механическую трансмиссию — скачкам крутящего момента. За тысячи циклов пуска — компрессор с режимом нагрузки/разгрузки может запускаться от 10 до 30 раз в час — эти пусковые нагрузки способствуют износу обмоток двигателя и износу муфты. Компрессор с частотно-регулируемым приводом (VSD) плавно разгоняется от нуля до рабочей скорости в течение 5–15 секунд, что исключает скачок пускового тока и снижает механическую нагрузку на каждый компонент приводного механизма.
Это преимущество обеспечивает более длительный срок службы двигателя и компрессорного агрегата, хотя количественно оценить этот эффект сложно, поскольку он зависит от количества циклов пуска, режима нагрузки компрессора и качества электропитания. Опыт эксплуатации показывает, что двигатели и компрессорные агрегаты с частотно-регулируемым приводом (VSD) обеспечивают увеличение срока службы между капитальными ремонтами на 10%–20% по сравнению с агрегатами с фиксированной скоростью при работе в режиме нагрузки/разгрузки с частыми циклами.
Обычный Техническое обслуживание и ремонт компрессоров Соблюдение интервалов технического обслуживания, рекомендованных производителем, имеет решающее значение для обеспечения проектного срока службы обеих технологий. Компрессор с частотно-регулируемым приводом (VSD), не проходящий техническое обслуживание, не более надежен, чем агрегат с фиксированной скоростью, который также не проходит техническое обслуживание.
Применимость: когда фиксированная скорость выигрывает
Компрессоры с фиксированной скоростью и масляной смазкой являются более предпочтительным выбором при ровном профиле нагрузки — когда потребность в течение большей части рабочего времени остается в диапазоне от 85% до 100% от номинальной мощности — поскольку надбавка к цене за систему VSD не имеет смысла, если двигатель непрерывно работает на полной скорости или близко к ней. Компрессоры с фиксированной скоростью также подходят для прерывистых режимов эксплуатации с рабочим временем менее 2 000–3 000 часов в год, когда совокупная экономия энергии за счет VSD слишком мала, чтобы окупить надбавку к цене в течение срока службы оборудования. Другие сценарии, в которых предпочтительна фиксированная скорость, включают установки, где несколько компрессоров уже работают по последовательности для эффективного удовлетворения переменного спроса, загрязнённые или высокотемпературные среды, в которых существует риск преждевременного выхода из строя электроники VSD, а также объекты, не обладающие электрической инфраструктурой, необходимой для поддержки частотно-регулируемого привода без дополнительной фильтрации гармоник.
Сценарии применения с фиксированной скоростью
| Сценарий | Почему фиксированная скорость — лучший выбор | Пример |
|---|---|---|
| Непрерывный процесс, круглосуточно, постоянная нагрузка | Нет часов работы с частичной нагрузкой, которые можно сэкономить | Приборный воздух на химическом заводе, технологический воздух на нефтеперерабатывающем заводе |
| Низкое количество часов эксплуатации в год (<3 000) | Недостаточная экономия энергии для окупаемости надбавки за использование частотно-регулируемого привода (VSD) | Сезонная переработка продуктов питания, резервный компрессор |
| Несколько компрессоров с главным секвенсором | Эффективность на системном уровне уже оптимизирована | Крупный автомобильный завод с сетью из 4 и более компрессоров |
| Пыльная или коррозионная среда | Электронные компоненты VSD, чувствительные к загрязнению | Цементный завод, литейный цех, установка под открытым небом |
| Высокая температура окружающей среды (>40 °C) | Проблемы с охлаждением и снижением номинальной мощности VSD | Тропическая установка без кондиционированного компрессорного помещения |
| Ограниченная электрическая мощность | VSD вызывает гармонические искажения, которые необходимо устранять | Старое здание с ограниченной мощностью трансформатора |
Это не являются абсолютными ограничениями — компрессоры с частотно-регулируемым приводом (VSD) можно заказать с классом защиты IP54 или IP55 для запыленных сред, а также с фильтрами гармоник для объектов с чувствительными электрическими сетями, — однако дополнительные затраты на эти опции снижают экономическую эффективность использования VSD. В конечном итоге компрессор с частотно-регулируемым приводом, оснащенный всеми опциями защиты от воздействий окружающей среды, обходится на 40%–50% дороже, чем агрегат с фиксированной скоростью, и срок окупаемости выходит за пределы приемлемого порога даже при переменных профилях нагрузки.
Исключение, связанное с использованием нескольких компрессоров
Объект, на котором под управлением главного секвенсора работают три или более компрессора, может уже достигать на системном уровне КПД, близкого к показателям систем с частотно-регулируемыми приводами (VSD). Секвенсор включает и отключает компрессоры в зависимости от изменения нагрузки, поддерживая каждый работающий компрессор в точке максимальной эффективности или вблизи нее — как правило, в диапазоне от 75% до 95% номинальной мощности. Добавление компрессора с частотно-регулируемым приводом (VSD) к уже оптимизированной многокомпрессорной системе обеспечивает незначительную дополнительную экономию, поскольку эффективность системы при частичной нагрузке и так уже высока.
Для объектов с двумя компрессорами — наиболее распространённой конфигурацией на промышленных предприятиях среднего размера — оптимальной с экономической точки зрения конфигурацией зачастую является использование одного агрегата с частотно-регулируемым приводом (VSD) в сочетании с агрегатом с фиксированной скоростью, обеспечивающим базовую нагрузку. Агрегат с фиксированной скоростью работает на полной нагрузке всякий раз, когда потребность превышает производительность агрегата с частотно-регулируемым приводом (VSD) при эффективной скорости, а агрегат с частотно-регулируемым приводом (VSD) обеспечивает переменную часть потребности, превышающую базовую нагрузку агрегата с фиксированной скоростью. Такая конфигурация обеспечивает большую часть экономии за счет использования VSD при стоимости, составляющей примерно половину надбавки к цене по сравнению с полностью переменной системой.
Рекомендации по проектированию систем при установке частотно-регулируемых приводов (VSD)
Компрессор с частотно-регулируемым приводом (VSD) меняет требования к системе сжатого воздуха не только в отношении самого компрессора. Наиболее важной корректировкой в проекте является расчет объёма воздушного резервуара: быстрая реакция компрессора с частотно-регулируемым приводом (VSD) на изменения давления — как правило, регулировка скорости происходит менее чем за 2 секунды — снижает потребность в буферном резервуаре, необходимом для сглаживания колебаний спроса, и размер воздушного резервуара может быть на 30%–50% меньше, чем в эквивалентной установке с фиксированной скоростью. Однако чувствительность компрессора с частотно-регулируемым приводом (VSD) к качеству электроэнергии, температуре окружающей среды и чистоте всасываемого воздуха накладывает дополнительные требования к проектированию системы, к которым компрессоры с фиксированной скоростью относятся более терпимо. Установка с VSD, в которой эти требования игнорируются, приведет к преждевременным отказам привода, незапланированным простоям и совокупной стоимости владения (TCO), которая окажется хуже, чем у альтернативы с фиксированной скоростью, которую она должна была улучшить.
Расчет размеров воздушного резервуара
Обычное правило для хранения сжатого воздуха гласит: объем резервуара должен составлять от 10 до 15 литров на каждый литр в секунду производительности компрессора. Это правило было разработано для компрессоров с режимом «нагрузка/разгрузка», в которых резервуар служит буфером, предотвращающим короткие циклы работы компрессора — то есть слишком частые запуски и остановки, приводящие к перегреву двигателя. Компрессор с частотно-регулируемым приводом (VSD) исключает цикл «нагрузка/разгрузка», поэтому ему не требуется такой же буферный объём для предотвращения коротких циклов работы.
Тем не менее, ресивер по-прежнему выполняет важнейшую функцию в системе с частотно-регулируемым приводом (VSD): он гасит перепады давления, возникающие при внезапном запуске или остановке крупных потребителей. Компрессор с частотно-регулируемым приводом регулирует скорость в ответ на изменения давления, но эта регулировка занимает от 1 до 3 секунд. В течение этого интервала внезапный скачок спроса может вызвать кратковременное падение давления, которое сказывается на других потребителях в той же системе. Ресивер обеспечивает запас сжатого воздуха, который позволяет преодолеть этот промежуток.
| Настройка компрессора | Рекомендуемая громкость ресивера | Примечания |
|---|---|---|
| Односкоростной (загрузка/разгрузка) | 10–15 л на л/с | Предотвращает короткие циклы работы |
| Одиночный VSD | 5–8 л на л/с | Гасит только переходные процессы давления |
| VSD + базовая нагрузка с фиксированной скоростью | 8–12 л на л/с | Обеспечивает работу в режиме циклического переключения основной нагрузки |
| Несколько режимов с фиксированной скоростью с секвенсором | 5–8 л на л/с | Секвенсор управляет циклами |
Требования к электросетевой инфраструктуре
Компрессор с частотно-регулируемым приводом (VSD) потребляет несинусоидальный ток из электросети, создавая гармонические искажения, которые могут создавать помехи для другого оборудования, подключенного к той же электросети. Степень выраженности гармонических искажений зависит от конструкции частотно-регулируемого привода (VSD) — современные приводы с технологией активного входного каскада генерируют общие гармонические искажения менее 5%, тогда как более старые приводы с шестиимпульсным диодным выпрямителем без средств подавления гармоник генерируют от 30% до 40%.
Стандарт IEEE 519 рекомендует, чтобы общее гармоническое искажение в точке общей связи не превышало 5%. Если гармонические искажения, создаваемые компрессором с частотно-регулируемым приводом (VSD), приводят к превышению этого порогового значения на объекте, требуется дополнительная фильтрация гармоник, стоимость которой составляет от $3 000 до $8 000 для установок мощностью от 75 до 200 кВт. Затраты на снижение гармонических искажений следует включить в финансовый анализ системы с частотно-регулируемым приводом (VSD) для объектов, где электрическая сеть уже близка к пределу допустимого уровня гармонических искажений.
Маслосмазываемые частотно-регулируемые приводы (VSD) и безмасляные частотно-регулируемые приводы (VSD): сравнение вариантов выбора
Выбор между технологиями с масляной смазкой и безмасляными не зависит от решения о применении компрессора с частотно-регулируемым приводом (VSD) или с фиксированной скоростью. Компрессор с регулируемой скоростью вращения и масляной смазкой обходится на 15%–30% дешевле при покупке и на 5%–15% дороже в обслуживании, чем безмасляный компрессор с регулируемой скоростью вращения той же производительности, причем разница в затратах на обслуживание связана главным образом с заменой масла, заменой сепаратора, а также обработке конденсата, которые при безмасляной технологии отсутствуют. Выбор между двумя вариантами компрессоров с частотно-регулируемым приводом (VSD) должен определяться требованиями к чистоте сжатого воздуха в конкретной области применения — производители продуктов питания, фармацевтической продукции, электроники и медицинского оборудования не должны рассматривать компрессоры с масляной смазкой и частотно-регулируемым приводом, независимо от их ценового преимущества, — а также готовностью предприятия к выполнению работ по техническому обслуживанию, связанных с маслом, и затратам на расходные материалы.
Технология VSD в компрессорах различных типов
| Комбинация технологий | Стоимость приобретения (относительная) | Ежегодное техническое обслуживание | Лучшее приложение |
|---|---|---|---|
| С масляной смазкой, с фиксированной скоростью | 1,0 (исходный уровень) | Исходные данные | Равномерная нагрузка, некритический воздух |
| Привод с переменной скоростью с масляным смазыванием | 1.2–1.3 | 5–10% выше | Переменная нагрузка, некритический воздух |
| Безмасляный с фиксированной скоростью | 1.3–1.5 | 0–51 TP3T ниже | Равномерная нагрузка, критические требования к чистоте воздуха |
| Безмасляный частотно-регулируемый привод | 1.5–1.8 | 0–51 TP3T выше по сравнению с безмасляной фиксированной моделью | Переменная нагрузка, критические требования к чистоте воздуха |
Срок окупаемости = надбавка к цене VSD ÷ годовая экономия энергии с поправкой на разницу в затратах на техническое обслуживание, снижение платы за потребление и временную стоимость денег. Требуются четыре исходных параметра: (1) профиль потребления сжатого воздуха за период не менее одной недели; (2) предельный тариф на электроэнергию, включая плату за потребление; (3) кривые удельной мощности для обоих компрессоров в каждой точке нагрузки; (4) предложения по закупке, включая монтаж, системы подготовки воздуха и модернизацию электрооборудования.
Упрощённый расчёт в пять шагов для компрессора мощностью 75 кВт:
- Определите годовое количество часов работы в каждой точке нагрузки на основе профиля регистратора данных
- Умножьте количество часов работы в каждой точке нагрузки на потребляемую мощность в этой точке для обоих компрессоров
- Вычесть годовое потребление VSD из потребления при фиксированной скорости
- Умножьте экономию электроэнергии (кВт·ч) на ваш тариф на электроэнергию
- Разделить надбавку к цене VSD на годовую экономию затрат на электроэнергию
Если результат 60 месяцев: вариант с фиксированной скоростью почти наверняка является правильным.
Заключение
Выбор между компрессором с частотно-регулируемым приводом (VSD) и компрессором с фиксированной скоростью для масляного воздушного компрессора не является вопросом технологических предпочтений. Это финансовый расчет, в котором доминирует одна переменная: профиль нагрузки на сжатый воздух на предприятии. Компрессор с VSD, работающий на полной скорости 8 000 часов в год, не оправдывает дополнительных затрат на приобретение VSD. Компрессор с фиксированной скоростью, который в течение 3 000 из 8 000 часов работы переключается между режимами нагрузки и холостого хода, ежегодно тратит на электроэнергию больше, чем стоила бы покупка компрессора с частотно-регулируемым приводом. Подходящим компрессором для конкретного объекта является тот, чьи рабочие характеристики соответствуют структуре спроса на сжатый воздух на этом объекте.
Этапы принятия обоснованного решения поддаются количественной оценке и повторяемы. Измерьте профиль нагрузки с помощью регистратора данных в течение репрезентативного периода эксплуатации. Получите у производителей компрессоров кривые удельной мощности для обеих технологий при соответствующей производительности. Рассчитайте годовые затраты на электроэнергию для каждого варианта, используя фактический тариф на электроэнергию для данного объекта. Прибавьте к затратам на электроэнергию стоимость приобретения, затраты на монтаж и ожидаемые затраты на техническое обслуживание, чтобы получить оценку совокупной стоимости владения (TCO) за десять лет для каждого варианта. Сравните результаты.
Этот процесс позволяет заменить оптимистичные расчеты производителя реальными данными вашего предприятия. В этом и заключается разница между покупкой компрессора на основе презентации продавца и покупкой на основе инженерного анализа. Учитывая финансовые последствия в течение десяти лет — разницу в совокупной стоимости владения от $30 000 до $80 000 между правильным и неправильным выбором — инвестиции в надлежащее измерение профиля нагрузки и расчёт совокупной стоимости владения являются лучшим вложением средств, которое предприятие может сделать перед подписанием заказа на покупку компрессора.
Часто задаваемые вопросы
Можно ли использовать компрессор с частотно-регулируемым приводом (VSD) в качестве единственного компрессора на объекте, или требуется агрегат с фиксированной скоростью для работы в режиме базовой нагрузки?
Один компрессор с частотно-регулируемым приводом (VSD) может служить единственным источником подачи сжатого воздуха для большинства объектов, потребность которых в сжатом воздухе не превышает 200 кВт. Для более крупных объектов или тех, где потребность сильно колеблется, комбинация компрессора с фиксированной скоростью для базовой нагрузки, рассчитанного на пиковую потребность от 60% до 70%, и дополнительного компрессора с частотно-регулируемым приводом (VSD) для компенсации колебаний часто оказывается более эффективной, чем один большой агрегат с частотно-регулируемым приводом, работающий на очень низких скоростях в течение длительных периодов. Компрессоры с частотно-регулируемым приводом (VSD) теряют эффективность при скорости ниже примерно 30% от номинальной, поэтому настройка системы на поддержание скорости агрегата VSD выше этого порога в режиме нормальной работы позволяет максимально увеличить экономию энергии.
Устраняет ли компрессор VSD необходимость в установке воздушного резервуара?
Нет. Хотя компрессор с частотно-регулируемым приводом (VSD) можно использовать с резервуаром меньшего объёма, чем компрессор с фиксированной скоростью, работающий в режиме нагрузки/разгрузки, — как правило, от 5 до 8 литров на литр в секунду вместо 10–15 литров — резервуар по-прежнему необходим для гашения перепадов давления, возникающих при резких изменениях нагрузки, а также для обеспечения буферного запаса в течение 1–3 секунд, необходимых компрессору с частотно-регулируемым приводом (VSD) для регулировки скорости двигателя. Полный отказ от резервуара приводит к колебаниям давления, которые снижают преимущество VSD в плане энергоэффективности и могут вызывать ложные срабатывания сигнализации или перебои в технологическом процессе.
Как температура окружающей среды влияет на производительность и надежность компрессора с частотно-регулируемым приводом (VSD)?
Частотно-регулируемый привод в компрессоре с частотно-регулируемым приводом (VSD) более чувствителен к температуре окружающей среды, чем двигатель и компрессорный блок компрессора с фиксированной скоростью. Максимальная рабочая температура электроники VSD обычно составляет от 40 до 45 градусов по Цельсию; при превышении этого значения привод снижает выходную мощность или отключается для защиты силовых полупроводников. Двигатели с фиксированной частотой вращения, как правило, могут работать при температуре окружающей среды до 50 градусов по Цельсию. На объектах в жарком климате, где компрессорные помещения не оснащены системами климат-контроля, компрессор с VSD требует дополнительного вентиляционного охлаждения или специального кондиционированного корпуса, что увеличивает стоимость установки и должно быть учтено при расчете срока окупаемости.
