Как режим загрузки компрессоров влияет на энергопотребление

Энергопотребление компрессорной станции зависит не только от общей производительности установленных машин, но и от того, как они загружены в каждый момент времени. Частые переходы между загрузкой и разгрузкой, а также одновременная работа нескольких недогруженных компрессоров могут увеличивать удельные энергозатраты даже при неизменном спросе на сжатый воздух.

Поэтому практический анализ строят не по суммарным часам работы, а по временному профилю: фиксируют статусы каждого компрессора, мощность в загрузке и разгрузке, расход и давление сети. Затем строят профиль спроса и сравнивают удельную мощность разных комбинаций работающих машин. Результат должен показать, какая последовательность включения лучше соответствует наблюдаемому спросу и в каком диапазоне загрузки станция работает наиболее рационально.

Что именно нужно проверить

Основная задача — установить соответствие между фактическим спросом на сжатый воздух и производительностью одновременно работающих компрессоров.

Для этого необходимо понять:

какие компрессоры работают в каждый момент;
какие из них находятся в загрузке;
какие находятся в разгрузке;
какая мощность соответствует каждому состоянию;
какой расход воздуха получает сеть;
какое давление поддерживается;
как долго сохраняется каждый режим;
какая комбинация машин обеспечивает конкретный уровень спроса.

Так можно отделить собственно высокий спрос от режима, при котором требуемый расход обеспечивается энергетически невыгодной комбинацией оборудования.

Какие исходные данные нужны

Для анализа требуются синхронные режимные данные по компрессорам и сети:

временные статусы каждого компрессора;
мощность в состоянии загрузки;
мощность в состоянии разгрузки;
расход сжатого воздуха;
давление в сети;
технические параметры компрессоров;
эксплуатационные записи, необходимые для интерпретации переключений;
граница анализа, внутри которой сопоставляются мощность станции и расход воздуха.

Главное требование к данным — возможность связать конкретную комбинацию работающих машин с фактическим расходом и давлением в тот же период.

Почему недостаточно знать только часы работы

Одинаковое число часов включения может соответствовать разной энергетической работе.

Компрессор может:

длительно работать под нагрузкой;
часто переходить между загрузкой и разгрузкой;
значительную часть времени находиться в разгруженном состоянии;
работать одновременно с другими компрессорами при небольшом общем спросе.

Поэтому суммарные моточасы не показывают, насколько производительность станции соответствует фактической потребности сети.

Что показывает доля загрузки и разгрузки

Для каждого компрессора важно определить, какую часть характерного периода он находится в загрузке и какую — в разгрузке.

Эта информация позволяет проверить:

используется ли производительность машины устойчиво;
не слишком ли часто компрессор выходит из загрузки;
не работает ли одновременно несколько машин с небольшой фактической загрузкой;
соответствует ли выбранная последовательность текущему спросу.

Сам факт разгрузки не является доказательством неэффективности. Значение имеет её продолжительность, повторяемость и связь с фактическим расходом воздуха.

Почему частые циклы загрузки и разгрузки требуют анализа

Если спрос колеблется относительно производительности работающей комбинации компрессоров, машины могут часто менять состояние.

Для проверки необходимо сопоставить:

время каждого перехода;
мощность до и после перехода;
расход воздуха;
давление сети;
состав работающих машин;
продолжительность последующей загрузки или разгрузки.

Если частые циклы повторяются в типовых режимах, это становится основанием проверить очередность работы оборудования и соответствие производительности станции профилю спроса.

Почему несколько недогруженных компрессоров могут быть невыгодны

Когда один и тот же спрос покрывается несколькими одновременно работающими компрессорами, необходимо определить, действительно ли такая комбинация энергетически оправданна.

Для этого сравнивают разные фактически наблюдаемые варианты:

состав работающих машин;
суммарную мощность;
расход воздуха;
давление;
доли загрузки и разгрузки;
продолжительность режима.

Если при сопоставимом расходе одна комбинация требует большей мощности, это становится основанием для проверки последовательности включения.

Что такое профиль спроса

Профиль спроса — изменение фактического расхода сжатого воздуха во времени.

Он нужен для того, чтобы понять, какую производительность компрессорная станция должна обеспечивать в разных состояниях системы.

В профиле выделяют характерные диапазоны спроса, а затем для каждого диапазона определяют:

какие компрессоры обычно работают;
какова их суммарная мощность;
сколько машин находится в загрузке;
сколько — в разгрузке;
какое давление поддерживается;
какова удельная мощность на единицу фактического расхода.

Почему средний расход не заменяет профиль спроса

Средний расход сглаживает режимы, которые могут существенно отличаться друг от друга.

Одинаковое среднее значение может быть получено, например, при:

относительно стабильном потреблении;
чередовании высокого и низкого спроса;
частых коротких пиках;
длительных периодах сниженной нагрузки.

Для выбора очередности компрессоров важна именно временная структура спроса, поскольку она определяет, как часто станция переходит между разными комбинациями машин.

Как сравнивать разные комбинации компрессоров

Ключевой метод этой страницы — сравнение удельной мощности разных комбинаций работающих машин.

Для каждой фактической комбинации фиксируют:

какие компрессоры включены;
какие из них находятся под нагрузкой;
какие разгружены;
суммарную электрическую мощность;
расход воздуха;
давление сети;
продолжительность режима.

После этого сравнение проводят только между режимами, которые достаточно сопоставимы по расходу и давлению.

Что показывает удельная мощность

Удельная мощность связывает затраты электрической мощности с фактическим расходом сжатого воздуха в конкретном режиме.

Этот показатель позволяет сравнивать:

разные комбинации компрессоров;
разные уровни частичной загрузки;
режимы с большой и малой долей разгрузки;
работу станции до и после изменения очередности.

Сам показатель необходимо интерпретировать вместе с давлением и фактическим спросом, иначе можно сравнить несопоставимые режимы.

Как проверить соответствие производительности спросу

Для каждого характерного диапазона расхода необходимо определить, какой состав станции реально используется и насколько он соответствует этому спросу.

Проверка включает:

построение временного профиля расхода;
синхронизацию его со статусами компрессоров;
определение мощности каждой комбинации;
фиксацию давления;
расчёт удельной мощности;
сравнение нескольких комбинаций в сопоставимых режимах.

Так можно увидеть, при каких уровнях спроса станция начинает работать с большой долей разгрузки или с несколькими одновременно недогруженными машинами.

Как анализировать последовательность включения

Очередность определяет, какие машины принимают базовую нагрузку и какие подключаются при росте спроса.

Для её анализа необходимо установить:

какой компрессор запускается первым;
при каком спросе подключается следующая машина;
что происходит с первой машиной после подключения второй;
не возникает ли одновременная разгрузка нескольких агрегатов;
как при этом меняются мощность, расход и давление.

Если переход на другую комбинацию ухудшает удельную энергетическую характеристику без соответствующего роста полезного расхода, алгоритм очередности требует дополнительной проверки.

Почему давление необходимо учитывать вместе с загрузкой

Разные комбинации компрессоров нельзя сравнивать только по расходу и мощности, если они работают при различном давлении.

При анализе необходимо контролировать:

давление сети в каждом режиме;
не является ли изменение мощности следствием изменения давления;
не влияет ли давление на сам расход;
сопоставимы ли режимы конечных потребителей.

Это позволяет не приписывать режиму загрузки эффект, который на самом деле связан с другим уровнем давления.

Как отличить высокий спрос от неудачной загрузки станции

Если мощность компрессорной станции высока, сначала необходимо проверить фактический расход воздуха.

Возможны два разных сценария:

высокая мощность соответствует высокому подтверждённому спросу;
мощность остаётся высокой при умеренном расходе из-за сочетания загрузки, разгрузки и неудачной последовательности машин.

Разделить эти сценарии можно только по синхронным данным мощности, расхода, давления и статусов компрессоров.

Как выявить режим одновременной недогрузки нескольких машин

Для этого необходимо найти периоды, когда одновременно работают несколько компрессоров, но фактический спрос не требует полного использования их совокупной производительности.

В таких интервалах проверяют:

расход воздуха;
число включённых машин;
долю загрузки каждой машины;
долю разгрузки;
суммарную мощность;
давление сети.

После этого режим сравнивают с другими комбинациями, наблюдавшимися при сопоставимом спросе.

Почему один короткий эпизод недостаточен

Единичный переход в разгрузку может быть связан с кратковременным изменением спроса и не характеризовать типовую работу станции.

Для сильного вывода необходимо проверить:

повторяется ли режим;
какова его длительность;
какую долю времени он занимает;
возникает ли он при одинаковом уровне спроса;
одинакова ли последовательность машин.

Приоритет имеют устойчивые и повторяемые режимы, которые заметно влияют на общую энергетическую характеристику станции.

Как определить диапазон эффективной загрузки

Диапазон эффективной загрузки определяют по фактическому профилю работы, сравнивая удельную мощность компрессоров в разных состояниях.

Для этого группируют режимы по:

уровню расхода;
составу станции;
доле загрузки и разгрузки;
давлению;
удельной мощности.

Результатом становится не универсальная величина, а диапазон, подтверждённый характеристиками конкретных машин и наблюдаемым спросом.

Когда достаточно изменить очередность

Изменение очередности имеет смысл проверять, если существующие компрессоры способны покрывать наблюдаемый профиль спроса, но фактическая последовательность приводит к частым разгрузкам или одновременной недогрузке нескольких машин.

Перед изменением необходимо подтвердить:

какие диапазоны спроса встречаются регулярно;
какие комбинации используются сейчас;
какая комбинация имеет лучшую удельную характеристику в сопоставимом режиме;
как новое распределение нагрузки влияет на давление сети;
сохраняется ли необходимая производительность.

Когда нужно проверять состав компрессорной станции

Если настройкой последовательности невозможно получить устойчивую схему, соответствующую реальному профилю спроса, возникает вопрос о составе станции.

Такой вывод требует подтверждения, что:

характерный спрос систематически не совпадает с диапазонами эффективной работы имеющихся машин;
при типовых режимах сохраняется значительная доля разгрузки;
несколько компрессоров регулярно работают одновременно с небольшой загрузкой;
альтернативная последовательность не устраняет проблему;
данные охватывают достаточно характерный период работы.

На этом этапе определяется необходимость инженерной проверки состава станции, а не автоматически выбирается конкретная замена оборудования.

Как относиться к частотно-регулируемому компрессору

Наличие частотного регулирования само по себе не означает, что такой компрессор будет энергетически лучшим во всех режимах.

Его необходимо оценивать тем же способом, что и остальные машины:

по фактическому диапазону спроса;
по мощности;
по расходу;
по давлению;
по взаимодействию с другими компрессорами;
по удельной мощности в наблюдаемых режимах.

Эффективность схемы определяется характеристиками конкретных машин и реальным профилем спроса.

Почему нельзя выбирать схему только по паспортам

Паспортные характеристики необходимы, но задача этой страницы относится к фактической совместной работе компрессоров.

Реальный результат зависит от:

спроса;
последовательности включения;
продолжительности загрузки;
продолжительности разгрузки;
давления сети;
сочетания нескольких машин.

Поэтому вывод о лучшей последовательности должен подтверждаться режимными данными.

Как проверить результат после изменения очередности

После перенастройки необходимо повторить тот же анализ в сопоставимом режиме.

Сравнивают:

профиль расхода;
давление;
статусы компрессоров;
долю загрузки и разгрузки;
суммарную мощность;
удельную мощность разных комбинаций.

Если спрос и давление сопоставимы, а удельная энергетическая характеристика улучшилась, появляется основание считать изменение последовательности результативным.

Когда данных недостаточно

Если доступны только суммарное энергопотребление и общие часы работы компрессоров, определить влияние частичной загрузки надёжно нельзя.

Для вывода недостаточно данных, если отсутствуют:

временные статусы отдельных машин;
мощность в загрузке и разгрузке;
синхронный расход воздуха;
давление сети;
сведения о последовательности включения;
достаточно детальный профиль спроса.

В такой ситуации следующим шагом становится организация режимного измерения, которое позволит сопоставить производительность станции с фактическим спросом.

Практический порядок анализа

зафиксировать границу компрессорной станции и сети;
получить временные статусы каждого компрессора;
определить мощность в загрузке и разгрузке;
синхронно собрать расход воздуха;
зафиксировать давление;
построить профиль спроса;
выделить типовые диапазоны нагрузки;
определить комбинации компрессоров в каждом диапазоне;
рассчитать удельную мощность этих комбинаций;
выявить частые циклы загрузки и разгрузки;
проверить периоды одновременной недогрузки нескольких машин;
сравнить альтернативные последовательности на фактических данных;
определить диапазон эффективной загрузки;
настроить очередность, если данные это подтверждают;
определить, требуется ли отдельная проверка состава компрессорной станции.

Как выглядит качественный результат

Итогом должна быть схема последовательности компрессоров, соответствующая наблюдаемому профилю спроса, и подтверждённый диапазон их эффективной загрузки.

В результате должно быть понятно:

как меняется спрос на сжатый воздух;
какие компрессоры работают в каждом характерном режиме;
сколько времени они находятся в загрузке и разгрузке;
какова мощность каждой комбинации;
какой расход она обеспечивает;
при каком давлении выполняется сравнение;
какие комбинации дают меньшую удельную мощность;
где возникают частые циклы разгрузки;
где одновременно работают несколько недогруженных машин;
какую очередность имеет смысл проверить или настроить;
достаточно ли настройки существующей станции;
нужно ли дополнительно проверять соответствие её состава фактическому профилю спроса.

Такой анализ позволяет принимать решение по фактической совместной работе компрессоров, а не только по их паспортной производительности или общим часам включения.

Граница вывода принципиальна: эффективность конкретной схемы зависит от характеристик машин и спроса; нельзя считать любой частотно-регулируемый компрессор автоматически лучшим.

Связанные направления

Особенности обследования этой системы рассмотрены на странице «Компрессорное оборудование и системы сжатого воздуха». Для выявления режимов, требующих корректировки, см. «Выявление неэффективных режимов работы оборудования». Другие практические материалы собраны в разделе «Материалы».