La pression du système pneumatique influence la puissance du compresseur - Partie 2: Influence de la pression du système sur les compresseurs centrifuges
Ceci est le deuxième article d'une série en trois parties sur l'air comprimé de Mark Krisa, Directeur - Solutions de services globaux, Ingersoll Rand
Il est courant de voir des spécialistes en évaluation énergétique traiter des compresseurs centrifuges comme des compresseurs à déplacement positif lorsqu’ils tentent de réduire la consommation d’énergie du système à air comprimé. Malheureusement, les compresseurs centrifuges sont généralement beaucoup plus gros et les erreurs de calcul peuvent facilement représenter des centaines de milliers de dollars d'économies d'énergie surestimées. Ces erreurs ne sont pas malveillantes. ils résultent de pratiques optimales simplifiées par des personnes ayant des connaissances limitées en compresseur centrifuge. Ce type de connaissances n'est pas facilement disponible et la plupart des spécialistes en évaluation énergétique n'ont pas accès aux équipes d'ingénieurs responsables du développement technique et de la conception des compresseurs centrifuges. Du point de vue des unités, les compresseurs centrifuges constituent une petite partie du marché des compresseurs, de sorte que les ressources techniquement bien informées sont limitées.
Identification des ressources techniques du compresseur
Il est important de reconnaître que les vendeurs d’air comprimé représentent l’une des plus grandes sources d’informations techniques associées aux systèmes et composants d’air comprimé. Bien que certains vendeurs soient des ingénieurs techniquement compétents, il n’est pas rare de trouver le mot «ingénieur» utilisé comme adjectif dans un titre de poste. Que ce soit ingénieur par titre ou par fonction, cela ne garantit pas une information techniquement exacte. De même, l’expression «expérience» est un terme fréquemment utilisé pour signifier une grande connaissance associée à des années de pratique. L’expérience peut être utile pour des fonctions ayant des conséquences simples de cause à effet ou des tâches répétitives dans lesquelles la mémoire musculaire peut améliorer les performances. Cependant, dans une industrie où les résultats sont rarement mesurés à l'aide d'instruments précis dans des environnements contrôlés, de nombreux mythes techniques s'en mêlent et, après des années de répétition, sont supposés être des faits scientifiquement prouvés. Par exemple, la première partie de cet article, publiée le mois dernier, expliquait comment une hypothèse d'abus de puissance de 1% en 2 psi était utilisée et pourquoi elle n'était pas correcte.
Travailler chez Ingersoll Rand, l’un des plus grands fabricants et innovateurs mondiaux de produits à air comprimé, facilite les discussions techniques avec de talentueux ingénieurs qui conçoivent des compresseurs pour gagner leur vie. La participation à de nombreuses équipes techniques liées à l’air comprimé avec ISO, CAGI et CSA offre également l’occasion de discussions de haut niveau avec des ingénieurs d’autres fabricants de compresseurs . Fait intéressant, chaque fois que vous discutez de la pression et de la puissance des compresseurs, presque tous les ingénieurs régurgitent la même hypothèse de puissance de 1% à 2 psi. Après avoir discuté des attributs systémiques et de la thermodynamique, tous s'accordent pour dire que l'énoncé 2: 1 est inexact, mais beaucoup le supposent, et le relient au fonctionnement du compresseur par rapport à la pression dans la tuyauterie du réseau. En tant que jeunes ingénieurs débutants dans le secteur, la déclaration 2: 1 était un savoir technique partagé par des ingénieurs expérimentés. Confondant l'expérience et l'âge avec les faits scientifiques, de nombreuses hypothèses innocentes sont allées sans poser de questions.
Par souci de clarté, la théorie semble avoir pris naissance au début du XXe siècle en tant qu'estimation raisonnable basée sur une équation complexe utilisée pour calculer la puissance de freinage de gros compresseurs à mouvement de va-et-vient par rapport à la pression à l'intérieur du cylindre. Ceci n'est pas applicable compte tenu de tous les composants et des changements technologiques qui composent les compresseurs modernes. La théorie 2: 1 est comme une rumeur qui se métamorphose de manière itérative en une histoire différente avec l'interprétation de chaque personne et son partage ultérieur. Cela se produit lorsque le contenu technique complexe est simplifié et généralisé avant d’atteindre les vendeurs sur le terrain et d’autres personnes qui diffusent la connaissance des compresseurs au marché.
Caractéristiques de fonctionnement des compresseurs centrifuges
Contrairement aux compresseurs à déplacement positif dans lesquels la pression est fonction des forces mécaniques (puissance) agissant sur une surface réduisant physiquement un volume fermé, les compresseurs centrifuges ne peuvent pas augmenter leurs capacités de pression en augmentant leur puissance. Un compresseur centrifuge, également appelé compresseur dynamique, génère une pression différente. Une masse d'air donnée est accélérée par une roue et transmet de l'énergie cinétique. L'air passe à travers un diffuseur, réduit la vitesse et convertit une partie de l'énergie cinétique en chaleur et en énergie potentielle. Cela se manifeste sous forme d'augmentation de la pression atmosphérique et de la température. En fonction des exigences de pression du compresseur, l'air suit le même processus au cours des étapes suivantes pour atteindre les exigences de pression de conception. Pour améliorer l'efficacité, certaines ou toutes les étapes refroidissent l'air avant qu'il ne passe à l'étape suivante. À des fins de discussion, l'explication de fonctionnement a été simplifiée afin de rester dans le champ d'application. Les capacités de pression d'un compresseur centrifuge sont dictées par la conception aérodynamique des composants internes, les conditions ambiantes, la vitesse de rotation et le refroidissement de l'air entre les étages.
Les relations entre débit, pression et puissance pour un compresseur centrifuge sont normalement exprimées à l'aide d'une courbe de performance basée sur les conditions ambiantes spécifiées, l'eau de refroidissement et les composants internes appliqués. En conséquence, les performances - et plus particulièrement - les capacités de pression changent avec les conditions ambiantes au cours de l’année. Une courbe de travail consistant en un chevauchement de données provenant de trois ensembles de conditions ambiantes est utilisée pour illustrer cet effet à la Fig. 1.
Figure 1 - Courbes de performance du compresseur centrifuge
La courbe de performance est composée de deux parties: la courbe pression-débit et la courbe puissance-débit. La courbe pression-écoulement a une pression sur l'axe vertical et un écoulement sur l'axe horizontal. La courbe de flux de puissance a la puissance sur l'axe vertical et le flux sur l'axe horizontal. Les valeurs de débit pour chaque axe horizontal s'alignent afin que chaque courbe de pression-débit ait une courbe de puissance correspondante. Remarquez comment la courbe naturelle monte et se déplace vers la droite lorsque la température ambiante diminue. En regardant les courbes rouges pour la puissance et la pression par rapport au flux, se déplaçant de gauche à droite, une ligne verticale croisant les deux courbes illustre la pression et la puissance de calcul pour ce flux et ces conditions ambiantes spécifiques. En vous déplaçant de gauche à droite, vous remarquerez que la puissance augmente initialement lorsque la pression diminue puis diminue lorsque vous vous déplacez plus à droite. Cela montre que le pouvoir n’est pas directement proportionnel à un changement de pression. Cette relation est basée sur la conception aérodynamique des composants internes. Certains compresseurs utilisant une turbine de conception radiale ont une efficacité maximale au sommet de la courbe juste avant la surtension naturelle. Une conception inclinée vers l'arrière peut augmenter l'efficacité à mesure que la pression diminue ou peut atteindre une efficacité maximale à un moment donné de la courbe, puis diminuer à des pressions plus basses.
En vous référant à la courbe pression-débit rouge, notez que lorsque la pression diminue, le débit du compresseur augmente. Un compresseur centrifuge fonctionne relativement à la courbe naturelle lorsque l’assemblage d’entrée est ouvert à 100%, ou suffisamment pour que l’ouverture de l’assemblage supplémentaire n’a pas d’impact sur la pression à l’étranglement de l’entrée. Un compresseur fonctionnant à l'état maximum est parfois appelé fonctionnement à pleine charge - ou sur la partie active de la courbe où le débit varie en fonction de la pression. Le débit augmente à mesure que la pression diminue, mais notez comment la pente de la courbe change à mesure que la pression diminue. Finalement, la courbe devient asymptotique - de haut en bas - lorsque le compresseur se déplace dans une région appelée étranglement ou mur de pierre.
À ce stade, une chute de pression a très peu, voire aucune modification du débit ou de la puissance. La puissance ne diminue pas lorsque le compresseur fonctionne à un niveau inférieur ou égal au starter. Lorsque le compresseur est en étranglement, la vitesse a atteint un seuil sonique à certains endroits du compresseur. Par la suite, le compresseur conserve la pression interne à une valeur minimale indépendante de la pression de refoulement externe au compresseur. En substance, la pression interne diminue par rapport à la pression externe jusqu'à atteindre une pression interne minimale. En dessous de cette valeur minimale, la pression ne diminue que dans le système, tandis que la pression interne reste à la valeur minimale contrainte par la limite de vitesse sonique.
La pression supérieure est limitée par la capacité du compresseur à convertir l'énergie cinétique en pression. À un certain équilibre énergétique, la pression générée est inférieure à la pression interne, ce qui provoque une instabilité, parfois appelée inversion du flux ou surtension. Le fonctionnement du compresseur est instable à ou près de la surtension. La capacité de pression, ou surpression naturelle, ne peut augmenter que si la densité de l'air en entrée augmente. Ce même phénomène se produit à une condition de flux stable minimum appelée surtension papillon. Si la demande d'air est inférieure à l'offre pour une pression requise, l'ensemble d'admission se module, réduisant ainsi la pression et le débit de gorge. C'est ce que l'on appelle couramment un compresseur fonctionnant en modulation, à papillon ou à pression constante.
Influence de la pression sur la puissance du compresseur centrifuge
En examinant les performances dans la partie active de la courbe, la figure 2 illustre les modifications détaillées du débit et de la puissance par rapport à la pression de refoulement.
Figure 2 - Exemple de données de performances du compresseur centrifuge
Les données de la figure 2 sont basées sur les performances testées pour un compresseur centrifuge spécifique. En regardant les performances du compresseur à 121 psig et 111 psig, réduire la pression de 121 à 111 psig ne fait que réduire la puissance de 5 chevaux. Cela représente moins de 0,35% de réduction de la puissance de l'arbre. La règle de 0,5% par psig (décrite dans la Partie 1: Influence de la pression du système pneumatique sur l'alimentation du compresseur qui figurait dans le document Meilleures pratiques pour l'air comprimé) ne s'applique pas. Il aurait prédit une réduction de puissance de 5% avec une économie estimée à 50 000 dollars par an, contre 3 000 dollars réalisés. Dans cet exemple, les estimations d'économies pourraient être considérablement exagérées jusqu'à plus de 16 fois la valeur réelle.
Dans la mesure où le compresseur, dans cet exemple, fonctionne dans la plage active de la courbe, le débit augmente d'environ 100 scfm. En supposant que la demande reste la même et que la puissance du compresseur change directement proportionnellement à la variation du débit, la puissance de l'arbre du compresseur est réduite de 27 chevaux ou 1,8% au total. Cela représente moins de 36% des économies estimées selon la règle empirique de 0,5% par psig, ce qui représente une économie de 18 000 dollars contre 50 000 dollars selon un calcul mal appliqué. Si le compresseur fonctionne normalement dans un état modulé à l'aide d'aubes directrices correctement appliquées, la puissance de l'arbre est réduite de 1,7%.
Il est important de noter que, contrairement aux compresseurs à vis rotatifs, les numéros de modèle des compresseurs centrifuges ne représentent pas nécessairement les performances du compresseur. Plusieurs combinaisons impulseur / diffuseur différentes peuvent être utilisées pour un moulage, un modèle et un moteur externes donnés. La combinaison des impulseurs et des diffuseurs est communément appelée «l'aéro» du compresseur. Plusieurs packages aéronautiques différents peuvent être utilisés pour un numéro de modèle de compresseur donné et chacun a sa propre capacité de performance. On ne peut utiliser une courbe générique - ni même une courbe du même modèle de compresseur - à moins que le fabricant ne confirme que les compresseurs ont été fabriqués avec le même système aérodynamique.
Il est également important de veiller à ce que les données soient corrigées pour les conditions du site ou pour une série de conditions si les conditions ambiantes changent avec le temps. En se référant à la figure 1, les trois courbes (de gauche à droite) représentent les données provenant des conditions ambiantes à 95 ° F, 70 ° F et 30 ° F. En fonction de l'évolution de la courbe de performance par rapport à la température, il n'est pas rare de trouver des compresseurs qui fonctionnent en étranglement plusieurs mois par an. Ceci est important dans la mesure où toute estimation des économies d'énergie associées à la pression doit prendre en compte le temps, la température et l'emplacement sur la courbe. Sans ces données, toute tentative d'estimation des économies associées à la pression peut être trompeuse. Dans certains cas, la puissance peut augmenter à mesure que la pression diminue.
Économies d'énergie pour les compresseurs centrifuges
Les capacités de pression maximales d'un compresseur spécifique sont basées sur le package aérodynamique, les conditions ambiantes et les conditions mécaniques. La pression de fonctionnement maximale est limitée par le pompage du compresseur au sommet de la courbe. Ce point s'appelle la surpression naturelle. En faisant référence à la figure 1, la ligne horizontale rose représente la ligne de pression constante. Lorsque la demande est inférieure au débit maximal du compresseur, l'entrée ralentit pour réduire le débit. Avec les aubes d’admission, l’efficacité reste raisonnablement constante pendant la régulation du compresseur. La puissance étranglée est indiquée sur la courbe inférieure puissance-débit par la diagonale. Le débit étranglé minimal pour un compresseur centrifuge est limité en fonction de la conception. En suivant la ligne horizontale rose sur la figure 1 à gauche, le débit minimum stable est dicté par le point d'intersection de la ligne de pression constante et de la ligne de surpression du papillon des gaz. Si le compresseur tente de limiter le débit à moins de ce point d'intersection, le compresseur augmente. Pour des raisons évidentes, on appelle cela une surtension. La ligne de surpression du papillon est visible sur la figure 1 sous la forme d'une ligne diagonale bleue sur le graphique de flux de pression.
Si la demande en air est inférieure à cette contrainte minimale, un excès d’air est rejeté dans l’atmosphère afin de compenser la différence entre les exigences minimales en matière de débit et de demande stables. Malheureusement, une fois le compresseur arrêté, la puissance ne change pas. En conséquence, tout l'air rejeté dans l'atmosphère est gaspillé. Pour un compresseur qui fonctionne fréquemment avec de l'air évacué dans l'atmosphère, la réduction de pression réduit le débit lorsque survient une surtension du papillon. Après avoir ajusté les paramètres de contrôle, un compresseur fonctionnant à un débit minimum réduit encore la puissance en augmentant les capacités de l'accélérateur par rapport au débit de surpression réduit. Ce n'est le cas que si le compresseur contourne l'air dans l'atmosphère et que les commandes lui permettent de moduler l'entrée, ce qui augmente les capacités de papillon des gaz et diminue la puissance. Une fois encore, les courbes de performance corrigées sur site sont nécessaires pour quantifier les économies potentielles.
La capacité de faire fonctionner un compresseur à proximité d'une poussée d'étranglement est limitée par la complexité des algorithmes de contrôle, la variable d'étranglement utilisée et le réglage des boucles PID du compresseur en fonction de la dynamique du système. La figure 1 illustre la réduction de puissance associée au réglage de la limite d'étranglement du compresseur d'un réglage conservateur à un réglage plus efficace en réglant la boucle PID du compresseur de sorte que les vitesses de réaction du compresseur correspondent au taux de changement de la demande. Le changement de puissance associé aux réglages dans les commandes du système est visible en regardant les deux lignes verticales pointillées, violet et marron, de la ligne à pression constante à la ligne électrique étranglée dans la Fig. 1. Pour ce compresseur, la puissance a été réduite de 160 ch. sans investissement en capital. Le compresseur contournait toujours l'air dans l'atmosphère, mais la quantité était réduite de 980 scfm, ce qui était associé à une modulation plus proche de la valeur de la surpression de l'accélérateur. Il est important de noter que la limite de contrôle de surtension du papillon est normalement élevée pour une raison. Une analyse appropriée des causes premières est nécessaire pour définir les problèmes qui influent sur les paramètres élevés. En tant qu'organisation ayant audité des centaines de systèmes de compresseurs centrifuges à l'aide d'analyses et de détails techniques avancés, Ingersoll Rand réalise que les actions correctives peuvent varier considérablement d'un système à l'autre. Dans certaines situations, des économies à six chiffres peuvent être réalisées en corrigeant un problème complexe avec un investissement de 100 $. Inversement, les économies peuvent nécessiter des corrections complexes et coûteuses qui ne sont pas justifiables.
Évaluation de la performance du compresseur centrifuge
Il est important de souligner que les performances d'un compresseur centrifuge peuvent changer considérablement au fil du temps en raison de la dégradation mécanique des composants internes. Bien que les lectures de vibrations élevées permettent d'identifier les problèmes majeurs liés aux ensembles tournants, l'érosion des roues et des diffuseurs peut réduire considérablement les capacités de pression, la fiabilité et l'efficacité d'un compresseur centrifuge avec un impact négligeable sur les vibrations. Pour cette raison, une évaluation des performances de chaque compresseur centrifuge doit être effectuée régulièrement et dans le cadre de tout projet d'économie d'énergie. Toute évaluation du système d'air comprimé qui n'inclut pas de tests et d'analyses détaillés des performances du compresseur comportera des données insuffisantes ou douteuses et pourrait indiquer la compétence de l'auditeur en matière de compresseur centrifuge.
Il est également important de noter que les réparations précédentes sur un compresseur centrifuge peuvent avoir considérablement altéré les performances. Certains fournisseurs de services après-vente remplacent des composants aéro internes qui ne correspondent pas à la conception d'origine. Parfois, au lieu de remplacer des composants, il est possible d'économiser des coûts en rectifiant les aubes de la turbine et en rééquilibrant les assemblages. Cela résout les problèmes de vibration mais peut altérer considérablement les performances.
En se référant à la courbe de la figure 1, ce compresseur est capable de délivrer une pression de 135 psig à une température de 95 ° F. Si ce compresseur est vendu à 90 psig, de nombreux fournisseurs de services centrifuges testent la surpression naturelle et considèrent cela comme un test de performance. Après avoir travaillé avec de nombreux ingénieurs aéronautiques de compresseurs sur le développement et la vérification des analyses de performances de compresseur centrifuge et des procédures de test non intrusives sur site, il est raisonnable de dire que l'évaluation des performances du compresseur est bien plus importante que les tests de surpression et de vibrations. Les hypothèses courantes concernant le service des compresseurs centrifuges considèrent qu'une pression de pompage naturelle supérieure à 10-15% supérieure à la pression de conception est normale, quelle que soit la température. En conséquence, le test de surpression du compresseur de la figure 1 et l'obtention d'une surpression naturelle supérieure à 103 psig sont considérés comme une vérification positive des performances par de nombreuses organisations. Cela n’est pas fait avec une intention malveillante, cela renvoie au début de cet article et aux problèmes associés à l’expérience et aux connaissances perçues. Tout comme un ingénieur mal informé pouvait estimer innocemment 100 000 dollars d’économies en l’absence d’économies, de nombreux techniciens sur le terrain exécuteraient ce qu’on leur dit un test de performance, négligeant involontairement d’identifier les performances et la fiabilité dégradées du compresseur.
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