Компонент, който заслужава повече внимание
Повикаха ме в производствено предприятие преди около осем години. Мениджърът по поддръжката описва проблема с прости думи: „Компресорът работи постоянно, но в края на линията инструментите се чувстват слаби.“ Системата е проектирана от изпълнител, който е посочил 500-литроврезервоар за съхранение на въздухза система, обслужваща 15 работни станции. Резервоарът беше по-малък с приблизително коефициент три.
Резултатът беше предвидим: компресорът работеше на всеки 40 секунди. Налягането в най-отдалечената работна станция падна до 5,2 бара по време на пиково търсене, доста под 6,5 бара, необходими за постоянна работа. Инструментите се представиха по-слабо, производството се забави и компресорът, работещ почти непрекъснато, консумираше енергия с 30% над номиналната си крива на ефективност.
Заменихме 500-литровия резервоар с 2000-литров модул, оразмерен според действителния профил на търсене на системата – и налягането в най-отдалечената работна станция се стабилизира на 6,8 бара. Честотата на цикъла на компресора спадна до едно стартиране на всеки 12 минути. Потреблението на енергия спадна с 22% през първия месец. Периодът на изплащане на новия резервоар беше приблизително осем месеца.
Това не е необичайна история. Резервоарите за съхранение на въздух са сред най-неразбраните компоненти в системите за сгъстен въздух. Те често се третират като допълнителни аксесоари, а не като неразделни елементи на дизайна. На практика те са най-рентабилният-компонент в системата за подобряване на енергийната ефективност и експлоатационната надеждност.
Какво всъщност прави резервоарът за съхранение на въздух
Функцията на резервоара за съхранение на въздух често се описва като „съхранение на въздух“. Това не е грешно, но пропуска смисъла.
Основната функция на резервоара за съхранение на въздух е да отдели захранващата страна на системата-компресора-от страната на потреблението-инструментите, задвижващите механизми и оборудването, които консумират въздуха. Без съхранение, компресорът трябва незабавно да посрещне всеки пик на потреблението. Това принуждава компресора да работи с пълен капацитет по време на пикови натоварвания и да се разтоварва по време на ниски натоварвания, което води до неефективна работа и висока степен на износване.
Резервоарът за съхранение осигурява буфер. Съхранява въздух по време на периоди на ниско търсене и го освобождава по време на пикови нива. Компресорът може да работи с постоянна средна мощност, вместо да модулира, за да отговори на моментното търсене. Това позволява на компресора да работи по-близо до най-ефективната си точка, намалява честотата на цикъла и предотвратява падането на налягането под минимума, необходим за правилна работа на инструмента.
Има вторична функция, която често се пренебрегва. Резервоарът действа и като aохладител. Сгъстеният въздух, напускащ компресора, е горещ-обикновено от 80 градуса до 120 градуса, в зависимост от типа на компресора и охладителната система. В резервоара за съхранение въздухът се забавя и охлажда, позволявайки на влагата да кондензира и да се събере на дъното на съда. Правилно оразмерен резервоар с ефективен дренаж отстранява значителни количества вода от системата, преди тя да достигне до разпределителния тръбопровод и-оборудването за крайна употреба.
Оразмеряване: въпрос на системна динамика
Оразмеряването на резервоара за съхранение на въздух не е въпрос на „по-голямото е по-добро“. Резервоар, който е твърде голям, губи място и капитал; резервоар, който е твърде малък, не успява да осигури адекватно буфериране.
Стандартният подход за оразмеряване на резервоар за съхранение за бутален или ротационен винтов компресор се основава на желания обхват на налягане и изискванията на системата.
За проста система с един компресор и променливо потребление, уравнението е:
V=(Q × T × (P_високо - P_ниско)) / (P_ниско)
V = (Q × T × (P_高 - P_低)) / P_低
Където V е обемът на резервоара, Q е свободното подаване на въздух от компресора, T е желаното време за работа на компресора, P_high е горната граница на налягането, а P_low е долната граница на налягането.
На практика използвам по-прост метод: резервоарът за съхранение трябва да осигурява поне 10 секунди съхранение при номиналния капацитет на компресора. За 10 m³/min компресор това означава резервоар за съхранение от най-малко 1,7 m³ (1700 литра). Това основно правило работи за повечето общи промишлени приложения, но трябва да се провери с анализ на профила на търсенето.
За системи с големи периодични натоварвания-като пясъкоструене, тъкане на текстил или опаковъчни линии-оразмеряването трябва да се основава на продължителността на пиковото потребление и допустимия спад на налягането. В тези приложения обикновено определям резервоар, който може да задоволи пиковото търсене за 30 до 60 секунди, преди налягането да падне под минималното приемливо ниво.
Разходите за по-малки размери
Одитирал съм повече от 40 системи за сгъстен въздух през годините. Най-честата находка, с голяма разлика, са малките резервоари за съхранение. Това не е доброкачествена грешка.
Когато резервоарът е с малък размер, компресорът работи по-често. Всяко стартиране налага износване на двигателя, задвижващия механизъм и компресионния елемент. Пусковият ток по време на стартиране е значително по-висок от работния ток, което води до увеличаване на разходите за енергия и потенциално задействане на такси за потребление от комуналното предприятие. Разликите в налягането, причинени от неадекватно съхранение, влияят на производителността на оборудването надолу по веригата, причинявайки непостоянно качество на продукта, увеличени нива на брак и намален живот на инструмента.
Едно съоръжение за производство на хартия, с което работех, имаше компресор от 5 m³/min, захранващ система с 300-литров резервоар за съхранение-приблизително една четвърт от препоръчания обем. Компресорът стартира 22 пъти на час. След като сменихме резервоара с 1500-литров агрегат, честотата на стартиране спадна до 4 стартирания на час. Мениджърът по поддръжката изчисли, че само намаленото износване на двигателя на компресора ще удължи експлоатационния му живот с около 5 години.
Мокро срещу сухо съхранение: Не всички резервоари за съхранение са еднакви
Има дизайнерско решение, което често се пренебрегва: дали резервоарът за съхранение трябва да се монтира преди или след изсушителя.
- Мокрото съхранение се отнася до поставянето на резервоара за съхранение преди изсушителя на въздуха. Въздухът, влизащ в резервоара, е горещ и наситен с влага. Резервоарът действа като първичен сепаратор и охладител и значителна част от влагата кондензира и се оттича от резервоара, преди въздухът да достигне сушилнята. Предимството е, че сушилнята вижда по-ниски входни температури и по-ниско натоварване с влага, което подобрява нейната ефективност и удължава живота на изсушителя. Недостатъкът е, че резервоарът за съхранение изисква по-голям дренаж и по-честа поддръжка.
- Сухото съхранение поставя резервоара за съхранение след сушилнята. Въздухът, който влиза в резервоара, вече е изсушен и филтриран. Резервоарът остава чист и сух, с минимално натрупване на влага. Предимството е по-ниската поддръжка; недостатъкът е, че резервоарът не осигурява функцията за охлаждане и разделяне, така че сушилнята трябва да се справи с пълното натоварване с влага.
Предпочитанието ми зависи от конфигурацията на системата. За системи с хладилни сушилни обикновено посочвам мокро съхранение-резервоарът за съхранение осигурява свободно охлаждане и разделяне, което намалява консумацията на енергия от сушилнята. За системи с десикантни изсушители изискванията за качество на въздуха обикновено са по-високи и се предпочита сухо съхранение, за да се предотврати замърсяването на десиканта от пренасяне на масло и влага.
Проектиране на съдове под налягане и съответствие
Резервоарът за съхранение на въздух е съд под налягане и неговият дизайн се ръководи от регулаторни кодекси. В Северна Америка ASME раздел VIII, раздел 1 е приложимият стандарт за повечето търговски и индустриални резервоари за съхранение. В Европа се прилага Директивата за оборудване под налягане (PED) и резервоарът трябва да носи маркировката CE.
Съответствието не е задължително. Виждал съм съоръжения, в които са монтирани резервоари, различни от -ASME,-внесени от производители в юрисдикции, където спазването на кодовете не се спазва стриктно. В един случай резервоар се провали по шева си по време на работа, изпускайки въздушно налягане по неконтролиран начин. Резервоарът не беше катастрофален-изду се, но не се спука-но изпускането на въздух под високо-налягане причини значителни щети на оборудването наблизо и доведе до инцидент, който може да бъде отчетен.
Печатът на ASME не е просто удостоверение; това изисква резервоарът да бъде проектиран, произведен, инспектиран и тестван по строг стандарт. Производителят трябва да има печат на ASME "U" и резервоарът трябва да бъде инспектиран от сертифициран инспектор. Разликата в цената между резервоар ASME и резервоар без -код код обикновено е 20% до 30%, но границата на безопасност е несравнима.
За системи, работещи при налягания над 7 бара, открих, че много оператори избират да закупят резервоари ASME дори в региони, където съответствието не се изисква по закон, просто защото стандартът гарантира постоянно ниво на качество.
Избор на материал за резервоари за съхранение
Въглеродната стомана е материалът по подразбиране за повечето резервоари за съхранение на въздух. Той е икономически-ефективен, заваряем и осигурява подходящ експлоатационен живот при сухи условия. Вътрешността на резервоара трябва да бъде покрита или обработена, за да е устойчива на корозия от конденза. Стандартната практика е грунд-за предотвратяване на ръжда и горно покритие или епоксидно покритие за по-висока устойчивост на корозия.
За системи, където качеството на въздуха е критично-като например в хранително-вкусовата промишленост или фармацевтичните приложения-често се посочват резервоари от неръждаема стомана. Вътрешната повърхност на резервоар от неръждаема стомана е по-гладка от въглеродната стомана, намалявайки риска от отделяне на частици и предотвратявайки замърсяване. Разходната премия обикновено е три до четири пъти въглеродна стомана, но експлоатационният живот в агресивни среди може да бъде удължен с десетилетия.
Използвал съм неръждаеми резервоари за съхранение в две приложения: завод за преработка на храни, където сгъстеният въздух е в пряк контакт с продукта, и химически завод, където сгъстеният въздух съдържа следи от корозивни газове. И в двата случая неръждаемият резервоар работи безпроблемно повече от 15 години; съседните резервоари от въглеродна стомана в същите съоръжения изискват повторно покритие и в един случай подмяна на 12-та година.
Ролята на резервоара за съхранение при стартиране и изключване
Резервоарът за съхранение също играе роля по време на стартиране и изключване на системата.
По време на стартиране резервоарът позволява на компресора да работи с пълен капацитет за определен период, като довежда системата до работно налягане, преди да се свържат необходимите товари. Това предотвратява стартирането на компресора под товар, което е често срещана причина за преждевременното износване на двигателя и задвижването.
По време на -планирано или аварийно изключване-резервоарът осигурява резерв от въздух, който може да се използва за затваряне на клапани, преместване на задвижващи механизми или завършване на производствен цикъл, преди системата да падне под налягане. При критични-за безопасността приложения съм определил резервоари за съхранение със специални тръбопроводи, за да гарантирам, че последователностите на изключване имат достатъчно подаване на въздух за извършване на всички необходими действия.
Управление на конденза: Детайлът, който има значение
Натрупването на кондензат в резервоара за съхранение е проблем, който често се пренебрегва, докато не стане проблем за поддръжка. Водата в резервоара ускорява корозията, може да бъде пренесена в тръбопроводите надолу по веригата и осигурява среда за растеж на бактериите в хранително-вкусовите{1}}системи.
Резервоарът трябва да бъде оборудван с дренажен клапан в най-ниската точка. Автоматичните дренажи-с таймер-контрол или нулеви{3}}източвания-се предпочитат пред ръчните дренажи за непрекъсната работа. Виждал съм заводи, където ръчният дренаж никога не е бил отварян, защото операторът е "забравил". Резултатът беше резервоар с 15 сантиметра вода в дъното, което намали ефективния въздушен обем с 18% и вкара влага в разпределителната система.
Автоматичните дренажи струват между $200 и $500, в зависимост от вида и конфигурацията на инсталацията. По отношение на спестен труд за поддръжка и подобрена ефективност на системата, те се изплащат за месеци.
Резервоари за съхранение и системи за контрол на компресора
Съвременните системи за сгъстен въздух често имат усъвършенствани контроли, които използват налягането в резервоара за съхранение като сигнал за управление на компресора. Трансмитер за налягане в резервоара осигурява обратна връзка към контролера, който стартира и спира компресорите, зарежда ги и ги разтоварва и модулира тяхната мощност.
Местоположението на трансмитера за налягане е от значение. Трябва да се монтира към резервоара за съхранение, а не към компресора. Резервоарът интегрира промените в налягането от компресора и системата, осигурявайки по-плавен сигнал, който не позволява на контролера да реагира на преходни пикове.
Диагностицирал съм повече от няколко системи, при които трансмитерът за налягане е бил монтиран на изхода на компресора, карайки контролера да преследва бързи колебания на налягането и да включва ненужно компресора. Преместването на трансмитера в резервоара за съхранение е корекция с ниски-разходи, която често води до измерими икономии на енергия.
С поглед напред: Какво се променя
Основите на резервоарите за съхранение на въздух не са се променили много през 50 години, но технологията се развива в краищата.
Композитните резервоари за съхранение вече се предлагат в търговската мрежа. Изработени от нишка-навити стъклени влакна и епоксидна смола, те предлагат значително намаляване на теглото-често с 50% по-малко от стоманен резервоар със сравним обем-и отлична устойчивост на корозия. Разходната премия все още е висока, но предимството на теглото е от значение за мобилни приложения и инсталации, където структурната опора е ограничена.
Интелигентните сензори са все по-често срещани. Сензори, монтирани-в резервоар, сега следят налягането, температурата и влажността, предавайки данни към централна система за управление или облачна платформа. Предсказуемите анализи могат да открият тенденции, които показват предстоящи нужди от поддръжка, като намаляване на налягането, което предполага теч, или повишаване на температурата, което показва байпас на сушилнята.
Енергийно{0}}ефективните дизайни се движат от по-широкия стремеж към устойчивост. Резервоарите за съхранение с подобрено вътрешно разпределение на потока намаляват спада на налягането в резервоара, подобрявайки ефективността на системата. Някои производители вече предлагат резервоари с вътрешни прегради, които насочват въздушния поток и отделят влагата по-ефективно.
Последно наблюдение
Резервоарът за съхранение на въздух е прост компонент, но неговият избор и оразмеряване не са тривиални. Цената на правилно определен резервоар обикновено е между $1500 и $6000 за повечето промишлени приложения-част от цената на компресора, който обслужва. И все пак въздействието върху производителността на неправилно определен резервоар, измерено в потреблението на енергия, разходите за поддръжка и ефективността на производството, често е с порядъци по-голямо.
Участвал съм в повече от 50 оценки на системи за сгъстен въздух. В почти всеки случай, когато системата не се представяше добре, резервоарът за съхранение беше или с недостатъчен размер, или неправилно интегриран в системата. Коригирането на размера на резервоара за съхранение беше интервенцията с най-ниските-разходи и тя постоянно произвеждаше измерими подобрения в стабилността на налягането в системата, консумацията на енергия и надеждността на оборудването.
Принципът е ясен: резервоарът за съхранение не е аксесоар; това е задължителен компонент, който трябва да бъде уточнен със същото внимание към детайла като самия компресор. Ако проектирате нова система, включете я в спецификацията. Ако оценявате съществуваща система, първо проверете резервоара за съхранение. Там често се намират най-значимите възможности.