Comprendre les contrôles de capacité de compresseur d'air centrifuge

Par Rick Stasyshan et Ian Macleod, Institut de l'air et du gaz comprimés

Le magazine CABP ( Compressed Air Best Practices®) a récemment rencontré Rick Stasyshan, consultant technique du CAGI, et Ian Macleod de la section Compresseur centrifuge du CAGI et la société membre Ingersoll Rand.

CABP: Messieurs, merci pour la série d'articles sur les compresseurs centrifuges. Pourquoi avez-vous sélectionné des contrôles de capacité de compresseur centrifuge pour cet entretien et pouvez-vous en donner une brève introduction?

CAGI: CAGI et ses clients du secteur des centrifugeuses partagent un intérêt et un objectif communs: optimiser l'efficacité du système de compression et optimiser l'utilisation de l'énergie du système. Étant donné que les contrôles de capacité sur un compresseur centrifuge sont un peu plus complexes que les types de compresseurs à déplacement positif, il est toujours recommandé de consulter un technicien formé en usine. Les membres de la section des compresseurs centrifuges de CAGI peuvent fournir cette assistance.

Les compresseurs centrifuges sont dynamiques et chacun a une courbe caractéristique de pression croissante à mesure que la capacité diminue. Sans système de contrôle, le compresseur fonctionnerait selon cette courbe naturelle. Le débit et la pression d'un compresseur centrifuge sont généralement contrôlés par une combinaison d'un dispositif de contrôle d'admission et d'une vanne de décharge (UV).

CABP: Pouvez-vous résumer la manière dont ces périphériques fonctionnent ensemble pour obtenir les résultats souhaités et partager les options qui pourraient être disponibles?

CAGI: Comme les commandes d’un compresseur centrifuge sont un peu plus complexes, nous allons expliquer aux lecteurs les systèmes et les options disponibles.

Solutions pour la régulation d'entrée

L'entrée peut être étranglée sur un compresseur dynamique afin de réduire en permanence la capacité du compresseur. Le débit minimum est déterminé lorsque le rapport de pression atteint la limite de la pompe et que la machine atteint la pression maximale. La plage de régulation, ou réduction, est déterminée par la conception de la machine. Par exemple, le nombre d'étages et la conception de la roue influent sur le rapport final. La plage de régulation est également affectée par des facteurs externes, tels que les conditions d'air admis (température, pression et humidité) et la température du liquide de refroidissement.

Dispositifs de contrôle d'entrée

Voici deux méthodes pour étrangler l’entrée:

Vanne papillon d’entrée (IBV): la vanne papillon d’entrée peut être actionnée électroniquement ou pneumatiquement. Lorsqu’elle se ferme, elle crée une chute de pression dans la vanne, ce qui réduit efficacement la pression d’entrée dans le compresseur et réduit la capacité du compresseur à faire pression puis à s'écouler. .

Ailettes de guidage d'entrée (IGV): Les aubes de guidage d'entrée peuvent également être entraînées électroniquement ou pneumatiquement. Il s'agit d'une série d'aubes radiales disposées dans l'admission. Ces ailettes, en position grande ouverte, sont parallèles au flux d'air et, lorsqu'elles sont complètement fermées, à un angle de 90 degrés. Lorsque les aubes directrices tournent de la pleine ouverture à la fermeture partielle, le gaz aspiré tourne dans le même sens que la roue. Le pré-tourbillonnement modifie l'angle d'incidence de l'air entrant à l'approche de la section de l'inducteur de la roue, ce qui réduit efficacement l'énergie nécessaire à la production de la pression et du débit. L'utilisation d'IGV peut efficacement étrangler le compresseur avec l'avantage supplémentaire d'être plus efficace. En fonction de votre position sur la courbe du compresseur, un utilisateur peut constater un gain d’efficacité jusqu’à 9% par rapport à la régulation IBV standard.

Le point de consigne de la charge d'un compresseur centrifuge est généralement à une pression donnée. Ainsi, lorsque la pression du système tombe en dessous d'un niveau donné, le compresseur se charge.

Système de contrôle et de régulation pour compresseurs centrifuges

1. Contrôle double automatique (voir la figure 1)

La régulation standard est réalisée au moyen d’une vanne à papillon, ou d’aubes directrices et d’un contrôleur.

Le point de consigne de la pression de refoulement du compresseur sera réglé au niveau souhaité et le IBV ou les IGV moduleront l'entrée du compresseur pour maintenir une pression de refoulement constante sur toute la plage de régulation (B®C).

Au point d'étranglement minimal (C), la vanne IBV ou IGV s'arrête de se fermer, permettant ainsi à la pression de refoulement d'atteindre le point de consigne de décharge. A ce moment, le compresseur se déchargera, l'IBV ou l'IGV se fermera et une vanne de déchargement s'ouvrira complètement.

Le compresseur reste à l'état non chargé jusqu'à ce qu'il reprenne sa charge à plein débit et que le cycle se répète. Le temps de rechargement varie selon cette méthode de contrôle et, en fonction des capacités de stockage du système par rapport aux fluctuations de la demande, il peut être judicieux d'installer des mesures (stockage supplémentaire d'air comprimé) pour protéger le processus et le compresseur contre les cycles courts.

Si le compresseur n'a pas besoin de recharger dans un délai déterminé, l'unité peut être configurée pour s'éteindre et s'arrêter. Le contrôleur redémarre automatiquement et charge en réponse à la chute de la pression du système jusqu'au point de consigne de charge (A).

2. Régulation de pression constante avec régulation de déchargement modulant (UV) (voir Figure 2)

Cette méthode de contrôle utilise l’IBV ou IGV, un UV modulant et un contrôleur.

Le point de consigne de la pression de refoulement du compresseur sera réglé au niveau souhaité et le IBV ou l'IGV modulera l'entrée du compresseur pour maintenir une pression de refoulement constante sur toute la plage de réglage (A®B).

Au point d'étranglement minimal (B), la position de l'IBV / IGV est maintenue fixe et la vanne de décharge (UV) commence à se moduler en position ouverte.

De cette manière, une pression de refoulement constante est maintenue sur toute la plage de fonctionnement du compresseur (A®C).

Certaines commandes peuvent également prévoir la programmation d’une position maximum de la vanne de décharge (UV). Cela permet au propriétaire de minimiser les opérations inefficaces pendant les périodes de faible demande en limitant les opérations de déchargement à un point situé entre (B®C).

Le système de contrôle de pression constante est conçu pour contrôler en continu le débit d'air tout en minimisant les fluctuations de pression nette. Une pression constante est essentielle dans de nombreuses applications.

Impact des facteurs externes sur la réglementation

CABP: Vous avez mentionné que la réglementation pourrait être affectée dans une large mesure par des facteurs externes, tels que la contre-pression, la température d'aspiration et la température de refroidissement. Peut-être qu'une future interview sur ce sujet sera peut-être utile, mais pourriez-vous nous donner un aperçu et une version condensée de ces impacts?

CAGI: L'effet des variables sur les performances centrifuges est facilement illustré graphiquement.

Les taux de réduction typiques pour une conception centrifuge sont de 30 à 40% en mode double automatique. Le pourcentage dépend des conditions d’entrée d’air mentionnées ci-dessus et sera généralement plus important par temps froid et plus petit en été. Dans la conception centrifuge, il existe un compromis entre l'efficacité aérodynamique et le ralentissement. Il est possible d’obtenir des taux de rotation plus importants, mais une efficacité aérodynamique moindre. Cette analyse doit être réalisée en collaboration avec le fabricant sur la base des profils de flux requis afin de déterminer la conception optimale du système.

Ces figures montrent l’effet de variables telles que la température d’entrée, la pression d’entrée et la température de l’eau de refroidissement.

Comment survient une surtension dans les compresseurs centrifuges

CABP: Vous avez mentionné le phénomène de surtension. Pouvez-vous préciser quand cela pourrait potentiellement se produire?

CAGI: La surtension est le phénomène d'instabilité aérodynamique qui peut se produire dans les compresseurs centrifuges. L’augmentation de la pression dans les compresseurs centrifuges est créée par la transmission d’une vitesse élevée (énergie cinétique) au circuit d’écoulement de l’air à travers la roue. La conversion tardive de la vitesse en pression (énergie potentielle) se produit dans le diffuseur, et éventuellement dans la volute, si le compresseur en est équipé.

En raison de cette limitation, aucun étage de compression ne peut augmenter la hauteur de pression au-dessus d’une limite d’environ 2,5 rapports (selon la conception).

Si le compresseur centrifuge subit une surtension pendant le fonctionnement du compresseur, il est considéré comme fonctionnant dans des conditions instables. Les fabricants tiennent compte des surtensions lors de la conception de leurs compresseurs. Ainsi, la survenue d'une seule, voire de plusieurs surtensions ne réduira pas la durée de vie du produit ni ne l'endommagera. Un technicien qualifié doit être appelé si des pics répétés se produisent. Les fabricants utilisent tous le contrôle d'anticipation de surtension pour assurer un fonctionnement fiable. Il existe différentes méthodes pour maîtriser les surtensions.

Contrôle des surtensions et protection

CABP: Comment contrôlez-vous et protégez-vous de ces situations lors du fonctionnement?

CAGI: Nos membres ont intégré le contrôle et la protection contre les surtensions dans leurs produits. La surtension est une situation qui peut être évitée. Le contrôle et la protection contre les surtensions sont disponibles pour les systèmes de contrôle de pression auto-dual et constant. En fait, dans le cadre du démarrage du système, les techniciens effectuent une surpression manuelle du compresseur pour configurer le système de contrôle.

1. Contrôle du courant moteur:

Le courant du moteur peut être corrélé au débit du compresseur. Lorsque le débit diminue, le courant du moteur diminue également. Cela peut être corrélé au point de surpression du compresseur. Avec cette commande, lorsque le moteur atteint la valeur de courant minimale définie, la soupape de décharge commence à s'ouvrir pour empêcher le compresseur de surtendre. Cette méthode est simple et directe, cependant, elle n’optimise pas toujours la plage de compression réelle du compresseur.

2. Optimisation du contrôle d'anticipation de surtension:

Pour optimiser le contrôle d'anticipation de surtension, le contrôleur surveille la position réelle de la ligne de surtension par rapport aux conditions ambiantes d'entrée existantes et empêche le compresseur de surtendre en ouvrant la vanne de décharge lorsque le débit du compresseur atteint le point de surtension. Ce contrôle optimise la mise au point et permet au compresseur de fonctionner à la mise au point réelle en fonction des conditions d'entrée ambiantes existantes.

Les systèmes de contrôle modernes utilisés par la plupart des fabricants permettent un fonctionnement fiable, efficace et sans problème. Grâce à plusieurs méthodes de contrôle, les clients peuvent optimiser les performances de leur compresseur centrifuge en fonction des besoins de l'application. Comprendre l'impact des conditions environnementales sur les performances du compresseur permet d'améliorer encore la fiabilité et l'efficacité.

CABP: Merci pour cet aperçu. Pouvez-vous dire à nos lecteurs comment ils peuvent obtenir plus d'informations ou d'assistance sur ces sujets?

CAGI: Les membres de la section des compresseurs centrifuges de CAGI, notamment Atlas Copco, Cameron, FS Elliott et Ingersoll Rand, ont formé des ingénieurs pour aider et guider les utilisateurs dans la sélection de la taille et des options du compresseur centrifuge adaptées à leur fonctionnement. Une évaluation du système de compresseur est recommandée lors de la mise à niveau et / ou du remplacement de systèmes existants afin de garantir que les performances du système sont optimisées. Nos membres peuvent également aider au fonctionnement des équipements et systèmes existants.

Pour des informations plus détaillées sur CAGI, ses membres, les applications d'air comprimé ou des réponses à vos questions, veuillez contacter le Compressed Air and Gas Institute. Les ressources pédagogiques de CAGI comprennent des cours en ligne sur le SmartSite, des guides de sélection et des vidéos, ainsi que le manuel Compressed Air & Gas Handbook.

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