Dimensionnement des compresseurs d'air VFD pour les systèmes à compresseur unique

Par Tim Dugan, PE Président, Compression Engineering Corporation

introduction

En tant qu'utilisateur final, avez-vous déjà entendu le message d'introduire le plus gros compresseur d'air VFD , et le système sera toujours fiable et efficace. Pourquoi faire un audit? Ajoutez simplement les compresseurs sur site et mettez un VFD de cette taille ou plus. Pourquoi avoir la complexité de plusieurs compresseurs, stockage, séquençage, etc.? Mieux encore, mettez-en deux, un pour l'ensemble du système et un pour le remplacement. Si vous pouviez agiter une baguette, ne serait-ce pas ce à quoi tout système devrait ressembler? Paix et efficacité parfaites, avec 100% de confiance en la fiabilité.

Les lecteurs qui ont été impliqués dans le secteur des remises / des incitations des services publics, en tant que responsable de programme, évaluateur ou auditeur, savent que ce type de décision a été encouragée par les remises et que de nombreux systèmes ne fonctionnent pas dans le mode qu’ils étaient censés suivre, ou ne fonctionnent pas du tout en raison de problèmes de fiabilité.

La plupart de mes audits ont été réalisés sur de «grands» systèmes complexes, avec des compresseurs d'air installés d'une capacité totale de plus de 500 CV, avec plusieurs types et des salles de compresseurs. Qu'en est-il des systèmes «normaux» qui sont plus nombreux que ceux que je regarde en 10: 1? Ceux avec une salle de compresseur et moins de 100 CV installés? N’est-il pas approprié d’avoir un compresseur VFD faisant fonctionner le système, avec une sauvegarde complète? Et si oui, comment devriez-vous dimensionner le compresseur?

Dans cet article, mon objectif est de répondre à la question avec un «oui» qualifié. Oui, il existe de nombreux systèmes où cela peut se produire. Je décrirai où vous n’avez besoin que d’un seul, et dans ce cas, comment dimensionner ce compresseur.

Sommaire

En résumé, je recommande l’utilisation d’un seul compresseur VFD (avec sauvegarde) lorsque:

1. Les niveaux de demande sont connus et le compresseur est dimensionné de sorte que la demande varie entre 30% et 80% du maximum du compresseur.

2. Le profil de la demande ne reste pas souvent au bas de l'échelle.

3. Aucun changement majeur d'utilisation n'est prévu dans les 10 prochaines années.

4. Le système est actuellement centralisé et le restera probablement.

5. Vous pouvez vous permettre une sauvegarde complète.

La demande varie entre 30 et 80%

Comment connaissez-vous votre demande, afin que le compresseur soit dimensionné pour être dans la zone idéale? Certains disent faire un «audit». Je pense que c'est très bien si vous voulez payer de 3 000 $ à 10 000 $ à un gars comme moi, obtenir une seule image de la demande et avoir besoin des conseils de consultants qui vont avec. Ou vous pouvez en obtenir un «gratuitement» auprès des fournisseurs pour vous aider à dimensionner ce compresseur VFD. C'est bien si leur «boîte noire» d'audit calcule avec précision le flux.

La raison pour laquelle je dis que la demande ne devrait pas varier en dessous de 30% du pic, c’est que l’efficacité de la plupart des compresseurs VFD commence à baisser à une vitesse de 50% et s’aggrave à mesure que vous atteignez la vitesse minimale. De plus, l'huile du compresseur ne chauffera pas suffisamment si elle est à la vitesse minimale pendant de longues périodes, ce qui pose des problèmes de fiabilité. Fait intéressant, le moteur est une exception. Il fonctionne le plus chaud à la vitesse la plus basse. En effet, il s’agit d’une application à couple constant, plus d’un glissement qui rend le couple encore plus élevé à basse vitesse, et le refroidissement du moteur est considérablement réduit à basse vitesse. Si vous bloquez un TC sur le courant d'enroulement du moteur, vous pouvez voir que le courant d'enroulement augmente réellement à des vitesses inférieures.

Si vous ne voulez pas souvent dépasser 80%, c’est que son efficacité diminue également dans les hauts de gamme et que le courant y est élevé. C’est parce que les pertes de «compression» du compresseur sont élevées. Sa «vitesse de pointe» est supérieure à l'idéal. La figure 1 montre une courbe de performance typique (d'après la fiche technique CAGI) d'un compresseur à vis VFD de 50 ch.

Figure 1. Courbe de performance typique d'un compresseur d'air VFD de 50 CV issue d'une fiche technique CAGI.

Juste à titre de comparaison, j'ai comparé ce compresseur avec deux alternatives du même fabricant, une charge / décharge unique et une charge / décharge semi-dimensionnelle. Voir ci-dessous:

Figure 2. Comparaison de l’EFV avec un seul chargement-déchargement et un demi-dimensionnement alternatif.

Même si la «performance spécifique» du compresseur VFD (kW / 100 acfm) n’est pas idéale aux vitesses les plus basses, ses pertes sont inférieures aux pertes fixes des alternatives charge-déchargement, en particulier aux bas régimes. Cependant, notez que les compresseurs de chargement-déchargement sont meilleurs dans le haut de gamme et que le duplex ferme une grande partie du profil, à l'exception de 50% à 70%. Mais rappelez-vous le chauffage à mazout bas et le chauffage à haut enroulement du moteur au bas de la plage.

Examinons un profil de charge (Figure 3) qui pourrait ne pas convenir à un seul compresseur VFD. C’est celui où de nombreuses demandes importantes vont et viennent, et une pressurisation avec une demande faible entre les deux. Voir ci-dessous. Lorsque vous adaptez votre compresseur à 25% de la demande de pointe, vous risquez de rencontrer un problème de rotation à l’autre extrémité de ce type de profil. La demande se situe au plus bas niveau d’un compresseur VFD de 50 ch, 34 heures par semaine. Selon que la production est suffisamment élevée ou non, vous pouvez utiliser un système à plusieurs compresseurs pour ce type de demande, idéalement un duplex 25 hp. C'est un jugement.

Figure 3. Les profils de charge avec plusieurs pics de demande peuvent être problématiques pour un seul EFV.

Voici ma règle sur le profil de débit correspondant : si un compresseur VFD peut être dimensionné pour se situer dans la plage de débit de 30 à 80% la plupart du temps, cela pourrait être un bon ajustement.

Temps de demande faible n'est pas excessif

Cela nous ramène au problème bas de gamme. Si l'installation est constamment sous pression, mais ne fonctionne que sur un quart de travail, cela signifie que le compresseur d'air alimente seulement les fuites deux tiers du temps. Les petites installations, où les compresseurs VFD simples fonctionnent bien, ont des charges de fuite moins importantes et plus de temps d'immobilisation pour les réparer. Le graphique de la figure 4 correspond à une opération à deux équipes avec une deuxième équipe faible. Je l'ai modifié pour qu'il s'agisse d'un changement, en dessous. Le temps bas est allé à 80 heures par semaine. Les compresseurs VFD simples conviennent aux opérations à deux et trois équipes, ou lorsque le compresseur est arrêté la nuit, et non aux opérations à une équipe qui restent sous pression la plupart du temps.

Figure 4. Périodes de mesure de faible demande.

Voici ma règle sur la demande faible: si la demande est inférieure à 30% de la taille de l'EFV, plus de 30% du temps, un seul compresseur d'EFV pourrait ne pas être un bon choix.

Le processus de production est stable

Certaines usines sont construites pour faire une chose et fonctionnent jusqu'à ce que l'équipement ait atteint la fin de sa vie utile ou que le marché disparaisse. Ceci est typique quand il y a un investissement important une fois, comme un fabricant de film étirable avec deux lignes de production. Il s’agit d’une installation relativement petite qui peut être alimentée par un compresseur d’air de 50 CV, et la demande ne varie pas beaucoup, principalement sous la pression statique et avec de petits cylindres. Sur une extrémité plus large, il pourrait s'agir d'une petite usine de carton ondulé ou de linerboard avec une seule machine.

Cependant, à mesure qu'ils grandissent, les systèmes deviennent plus aléatoires dans leur demande et changent plus fréquemment. Surtout les plantes que j'appelle «collections de voitures classiques». Ces usines sont un grand entrepôt dans lequel un groupe d’investisseurs jettent des machines de production usagées au hasard. Comme un fabricant de plastiques alimentaires (opération de moulage) ou un «nutraceutique» (fabricant de pilules pour la santé). Puisqu'il existe une abondance de machines d'occasion disponibles et qu'il est assez facile de les acheter et de les placer sur un camion à plate-forme, l'usine est un ensemble de machines d'occasion qui conviennent aux niches du marché. Les petits systèmes prennent généralement en charge une à deux lignes de production, et l'usine est construite et fonctionne dans le sol avec ces lignes. Les grandes usines sont parfois des collections de lignes de production en constante évolution. Vous pouvez mesurer le débit à votre guise, et vous devriez le faire, mais vous ne serez pas en mesure de toucher la cible d'un compresseur VFD.

Voici ma règle sur le hasard de la demande:   Si le système de production de l'usine est stable, un seul compresseur VFD pourrait être un bon choix.

Le système est centralisé

Faire fonctionner un système à air comprimé comportant un compresseur d'air VFD supposé unique dans une zone et d'autres compresseurs enchaînés, qu'il était destiné à remplacer, ne finit généralement pas par fonctionner correctement après quelques années. Les autres compresseurs peuvent démarrer automatiquement ou manuellement et empêcher le VFD de fonctionner correctement. Évitez donc ces scénarios en appliquant des compresseurs VFD à des systèmes déjà centralisés, ou centralisez les systèmes en mettant hors service des aberrants et en renforçant le centre.

En général, la plupart des petites usines américaines ne disposent pas de «salle de compression». Les équipements à air comprimé (compresseurs, sécheurs, réservoirs) sont coincés partout où il y a de la place, souvent au même endroit. J'appelle ces "zones de compresseur". Les usines plus grandes et bien conçues disposent (ou disposent) d'une salle de compression centralisée conçue suffisamment grande - et disposant d'une capacité d'alimentation en électricité et de refroidissement adéquate - pour le plus grand système d'air comprimé potentiellement nécessaire. Combien de fois cela arrive-t-il? Pas souvent. Même les systèmes «centralisés» finissent par se trouver dans le «taudis» de l'usine, la partie ancienne où aucun investissement n'est réalisé, et le nouvel équipement et les ajouts sont acheminés vers la périphérie, et un autre compresseur est ajouté. Tous les nouveaux bâtiments de production n'ont-ils pas besoin d'un compresseur? Les concepteurs de bâtiments le pensent…

Comme vous pouvez le constater dans mes commentaires, sur la base de l’expérience acquise dans des centaines d’usines, le nombre d’installations dotées d’une salle de compression centralisée qui resteront de cette manière n’est pas majoritaire. En tant qu’ingénieur d’installation, concepteur de système ou fournisseur, vous devez déplacer la direction dans cette direction, si ce n’est pas du même coup, progressivement. Prenez en compte la distribution de la tuyauterie, le stockage et d’autres facteurs dans cette décision.

Quoi qu'il en soit, si vous avez une boucle de tuyauterie suffisamment grande et une seule salle de compresseur pour au moins 50% de plus que la demande de pointe actuelle, vous êtes probablement prêt à supposer que l'emplacement de la salle de compresseur est stable pendant toute la durée de vie de l'installation. Vous pouvez maintenant installer un compresseur VFD dans cette pièce, assurer un refroidissement et une ventilation adéquats, avec son système de secours juste à côté, et une ou plusieurs sécheuses pour les deux. Idéalement avec des contrôles de la demande. OK, je me lance à nouveau dans la conception du système, je m'excuse.

Voici ma règle sur la centralisation:   Si la salle des compresseurs est neuve ou peut être modifiée pour être centralisée en permanence, un seul compresseur VFD pourrait être un bon choix.

Vous pouvez vous permettre une sauvegarde complète

Si vous dépensez tous vos fonds sur un seul compresseur d'air et que vous ne pouvez pas obtenir de secours, vous réduisez considérablement la fiabilité de votre installation. Vous êtes plus fiable avec deux compresseurs en service de 20 ans que avec un tout neuf. Les compresseurs VFD peuvent être délicats lorsqu'ils traversent une période de «mortalité infantile» et, en l'absence de système de secours, la centrale risque de s'arrêter en raison de la puissance encrassée, des vibrations, de l'air de refroidissement à haute température et de nombreuses autres choses. que vos anciens compresseurs toléraient. Donc, si vous avez une nouvelle Tesla, assurez-vous d’avoir cette vieille Lincoln Towncar prête à partir, ou allez en chercher une et mettez-la en veille.

Voici ma règle sur la sauvegarde:   Disposez d'une solution de secours complète pour un seul système de compresseur VFD.

Conclusion

Si vous installez votre compresseur VFD unique conformément à ces règles, vous aurez une bonne chance d'atteindre vos objectifs - assurez-vous de les respecter.

1. Restez dans la plage de vitesse de 30 à 80%.

2. Restez en dehors des systèmes à un seul poste toujours sous pression.

3. Appliquer aux systèmes stables.

4. Appliquer aux systèmes centralisés.

5. Avoir une sauvegarde en taille réelle.