Режим загрузки компрессоров влияет на энергопотребление через соотношение времени полезного производства сжатого воздуха, работы в разгрузке, ожидания и переключения между агрегатами. Компрессор может продолжать потреблять значительную электрическую мощность даже тогда, когда его полезная подача существенно уменьшена. Поэтому высокий расход электроэнергии при небольшом спросе не всегда объясняется производственной необходимостью.
Для оценки необходимо определить, сколько времени каждый компрессор находится в отдельных рабочих состояниях, какую электрическую энергию расходует и какой объём воздуха производит за полный цикл. Эти данные позволяют проверить, целесообразно ли одновременно эксплуатировать несколько частично загруженных машин или обеспечить потребность меньшим количеством агрегатов при другой последовательности включения.
Как режим загрузки связан с расходом электроэнергии
Режим загрузки компрессора — рабочее состояние агрегата, характеризующее его участие в производстве сжатого воздуха относительно доступной производительности.
Для энергетического анализа принципиально различать работу под нагрузкой, разгрузку и ожидание. Каждое состояние характеризуется собственными значениями электрической мощности, продолжительности и полезной подачи воздуха.
При работе под нагрузкой компрессор производит сжатый воздух для обеспечения потребителей. Потребляемая электрическая мощность зависит от конструкции агрегата и фактических рабочих условий.
При разгрузке производительность может существенно уменьшаться или полезная подача может отсутствовать. Однако электрическое потребление не обязательно прекращается: часть механизмов продолжает работать.
В режиме ожидания агрегат может быть остановлен и готов к последующему запуску. Величина потребления в таком состоянии определяется его конструкцией и составом продолжающего работать оборудования.
Следовательно, время работы компрессора нельзя автоматически считать временем полезного производства воздуха. Для оценки необходима регистрация фактических состояний и соответствующей мощности.
Какие исходные данные необходимы для оценки
Основой исследования служат дневники включения компрессоров, профили электрической мощности и расхода воздуха, а также паспортные характеристики оборудования.
Дневники включения позволяют восстановить последовательность работы агрегатов: когда они запускались, переходили под нагрузку, разгружались и останавливались.
Профиль активной электрической мощности показывает действительные энергетические затраты в соответствующие интервалы. Он необходим, поскольку паспортная мощность не определяет фактическое потребление во всех состояниях.
Профиль расхода воздуха характеризует результат работы станции. Его сопоставляют с электрическим потреблением за одинаковые интервалы времени.
Паспортные параметры разгрузки используют для понимания предусмотренных производителем рабочих состояний. Диапазоны производительности позволяют установить, в каких пределах агрегат способен обеспечивать переменный спрос.
При этом паспортные характеристики необходимо отличать от измеренных. Если компрессор эксплуатируется в условиях, отличающихся от условий определения паспортных показателей, фактическое потребление может быть другим.
Для совместного анализа сведения о мощности, подаче и состояниях оборудования должны относиться к одним временным интервалам. Несогласованность измерений не позволяет правильно определить энергетические затраты отдельных режимов.
Как рассчитать долю времени в каждом состоянии
Первый расчётный этап — распределение продолжительности наблюдения между рабочими состояниями каждого компрессора.
Для выбранного периода определяют суммарное время работы под нагрузкой, разгрузки и ожидания. Отдельно учитывают переходные состояния, если они существенно влияют на измеренное потребление и могут быть достоверно выделены.
Долю времени в определённом состоянии рассчитывают по формуле:
di = ti / T × 100 %,
где di — доля времени в рассматриваемом состоянии, %; ti — продолжительность этого состояния; T — общая продолжительность анализируемого периода.
Если все состояния определены без пересечений и пропусков, сумма их продолжительности должна соответствовать общему периоду наблюдения.
Такой расчёт показывает структуру работы компрессора, но сам по себе не определяет структуру энергопотребления.
Например, одинаковая продолжительность загрузки и разгрузки не означает одинакового расхода электроэнергии в этих состояниях. Для количественного вывода необходимо учитывать действительную активную мощность.
Поэтому временную структуру рассматривают совместно с энергетической.
Сколько энергии расходуется при загрузке и разгрузке
Электрическую энергию за период определяют по активной мощности и продолжительности соответствующего режима.
Если мощность в выбранном состоянии можно считать постоянной, применяется зависимость:
Ei = Pi × ti,
где Ei — расход электроэнергии, кВт·ч; Pi — активная мощность в рассматриваемом состоянии, кВт; ti — продолжительность состояния, ч.
При переменной мощности расход определяют по интервальным измерениям, суммируя энергию за соответствующие участки времени.
Общее потребление компрессора за период складывается из затрат во всех зарегистрированных состояниях. При этом разгрузка представляет особый интерес, если агрегат продолжает потреблять электроэнергию без соответствующей полезной подачи воздуха.
Однако всю энергию разгрузки нельзя автоматически считать устранимой потерей. Разгрузка может быть предусмотрена алгоритмом управления и необходима для соблюдения эксплуатационных ограничений оборудования.
Корректный результат расчёта — количество энергии, израсходованной в каждом состоянии, с отдельным выделением затрат, которые не сопровождаются полезным производством воздуха.
Как учитывать ожидание и переходные состояния
Ожидание и переключение между режимами влияют на общую продолжительность работы компрессорной станции и могут изменять энергетические затраты полного цикла.
Если компрессор остановлен, его основная приводная нагрузка отсутствует. Однако потребление вспомогательных элементов, если они остаются включёнными, необходимо учитывать в фактической измерительной границе.
При переходе из ожидания в рабочее состояние возникает пусковой процесс. Его технические условия определяются характеристиками двигателя, привода и компрессорного агрегата.
При анализе недостаточно исходить из предположения, что максимальное количество остановок обеспечивает минимальный расход электроэнергии.
Частые пуски могут быть ограничены допустимыми условиями эксплуатации и ресурсом привода. Поэтому сокращение продолжительности разгрузки путём более частого отключения допустимо рассматривать только с учётом паспортных ограничений.
Если данные о допустимой частоте пусков отсутствуют, нельзя считать технически подтверждённым сценарий управления, предусматривающий увеличение количества включений.
Почему две частично загруженные машины могут уступать одной загруженной
При работе нескольких компрессоров общая электрическая мощность определяется суммарным потреблением всех действующих агрегатов.
Если два компрессора одновременно работают при небольшой загрузке, каждый из них может сохранять собственные энергетические затраты, связанные с работой механизмов и поддержанием рабочего состояния.
В некоторых условиях один агрегат, работающий с более высокой полезной загрузкой, способен обеспечить тот же суммарный расход воздуха при меньших затратах электроэнергии.
Однако это не универсальное правило. Результат зависит от фактических характеристик компрессоров, диапазонов производительности и допустимых режимов разгрузки.
Для проверки необходимо сопоставить две альтернативы при одинаковой потребности в сжатом воздухе.
В первом варианте рассматривают одновременную работу двух агрегатов в частичной нагрузке. Во втором — обеспечение того же спроса одним компрессором при соответствующей загрузке.
Сравнивают суммарную активную мощность, выработку воздуха и устойчивость обеспечения потребителей в течение полного цикла.
Если один компрессор не способен покрыть характерный спрос или не допускает требуемый режим работы, такой вариант нельзя считать допустимым независимо от предполагаемой экономии.
Таким образом, преимущество одной загруженной машины перед двумя частично загруженными устанавливают расчётом и измерениями, а не по количеству одновременно включённых агрегатов.
Как сопоставить выработку воздуха с электрической энергией
Для проверки эффективности режима используют расход электроэнергии за полный цикл и соответствующий объём произведённого или отпущенного сжатого воздуха.
Удельный расход электроэнергии на производство сжатого воздуха — отношение потреблённой активной электрической энергии к объёму воздуха, определённому в установленной измерительной границе.
Показатель рассчитывают по формуле:
e = E / V,
где e — удельный расход электроэнергии, кВт·ч/м³; E — электрическая энергия, потреблённая за полный цикл, кВт·ч; V — объём произведённого или отпущенного воздуха за тот же период, приведённый к согласованным условиям измерения, м³.
Под выражением «удельный расход сжатого воздуха» иногда понимают количество воздуха на единицу технологической продукции. Этот показатель характеризует потребление воздуха оборудованием и отличается от удельных энергетических затрат компрессорной станции.
Для рассматриваемой задачи важен именно показатель кВт·ч на установленный объём воздуха, поскольку он связывает производительность компрессоров с их электрическими затратами.
В расчёт полного цикла включают энергию загрузки, разгрузки, ожидания и переходных состояний в пределах выбранной измерительной границы.
Если учитывать только электроэнергию во время полезной подачи, а затраты разгрузки исключить, полученный показатель может существенно занизить фактические энергетические затраты станции.
Для сравнения разных вариантов управления необходимо использовать одинаковые границы измерения, согласованные условия определения объёма воздуха и сопоставимую производственную потребность.
Как оценить непроизводительную составляющую работы
После расчёта энергетических затрат отдельных состояний определяют долю потребления, не сопровождающегося полезным производством воздуха.
Для выбранной измерительной границы такую долю можно представить отношением:
dнп = Eнп / Eобщ × 100 %,
где dнп — доля электрической энергии, затраченной в состояниях без полезной подачи, %; Eнп — соответствующая энергия; Eобщ — общее электропотребление за рассматриваемый период.
Важно правильно определить состав Eнп. Если в режиме частичной нагрузки компрессор продолжает производить воздух, всю энергию этого режима нельзя отнести к непроизводительной работе.
Для корректного разграничения необходимы данные о полезной подаче в соответствующем состоянии.
Кроме того, непроизводительная по признаку отсутствия полезной подачи энергия не обязательно полностью устранима. Часть таких затрат может быть обусловлена необходимыми переходными процессами и допустимыми алгоритмами эксплуатации.
Поэтому рассчитанную долю используют для выявления значимых режимов, требующих проверки, но не приравнивают к гарантированному резерву экономии.
Почему высокий расход при небольшом спросе требует проверки
Когда технологическая потребность в сжатом воздухе снижается, энергопотребление компрессорной станции не всегда уменьшается пропорционально.
Возможны два различных объяснения повышенных затрат: продолжительная работа компрессоров в разгрузке либо дополнительный расход воздуха через утечки, поддерживающий необходимость частых включений.
При длительной разгрузке характерным признаком является сохранение электрического потребления при небольшой полезной выработке воздуха.
Если причиной служат утечки, компрессоры могут чаще переходить в состояние загрузки, компенсируя неконтролируемый расход.
Для разграничения необходимо сопоставить электрические профили с расходом воздуха и дневниками включения.
Если компрессор остаётся разгруженным значительную часть времени, предметом проверки становится действующий алгоритм перехода между состояниями.
Если же агрегаты часто включаются под нагрузку при небольшом известном технологическом спросе, необходимо проверить соответствие фактической подачи работающим потребителям.
При этом частые включения не доказывают наличие утечек. Они могут быть следствием особенностей производственного спроса или настроек управления.
Без данных о фактическом расходе воздуха и состоянии потребителей нельзя достоверно определить, какой механизм формирует повышенные энергозатраты.
Как построить режимную модель парка компрессоров
Режимная модель объединяет состояние каждого компрессора, его электрическое потребление и полезную выработку воздуха за согласованные интервалы наблюдения.
Для каждого агрегата определяют продолжительность загрузки, разгрузки и ожидания, электрическую энергию в этих состояниях и фактическую подачу.
Затем данные объединяют по компрессорной станции. Это позволяет увидеть, какое сочетание машин обеспечивает спрос в каждый период и какие энергетические затраты сопровождают такую последовательность работы.
Модель должна учитывать диапазоны производительности отдельных агрегатов. Если компрессор не может устойчиво работать в предполагаемой области загрузки, соответствующий сценарий исключают из допустимых вариантов.
Отдельно учитывают ограничения на число пусков и допустимую продолжительность разгрузки.
В результате получают не только распределение времени между состояниями, но и оценку доли полезной и непроизводительной работы компрессорного парка.
На основании модели можно сопоставить действующую последовательность включения агрегатов с технически допустимыми альтернативами.
Если модель построена по паспортным характеристикам без достаточных фактических измерений, её выводы остаются расчётными. Представлять их как подтверждённый результат обследования нельзя.
Как выбирать последовательность включения компрессоров
Последовательность включения должна обеспечивать фактический спрос на сжатый воздух в пределах допустимых характеристик оборудования.
Для выбора рассматривают, какие компрессоры способны покрывать базовую нагрузку и какие агрегаты необходимы при увеличении потребности.
При этом не следует считать, что одна и та же машина обязательно должна работать первой во всех производственных режимах. Наиболее рациональное сочетание зависит от объёма требуемой подачи и энергетических характеристик отдельных агрегатов.
Если при небольшой нагрузке один компрессор способен обеспечить потребителей, целесообразно сравнить его полный цикл с действующим режимом нескольких машин.
Если при повышении спроса требуется дополнительная производительность, последовательность должна предусматривать своевременное включение следующего агрегата.
При выборе учитывают допустимые переходы между состояниями. Частое отключение и повторный запуск может оказаться технически нежелательным даже при наличии расчётного сокращения энергии разгрузки.
Поэтому алгоритм управления оценивают одновременно по электрическим затратам и эксплуатационным ограничениям.
Результат выбора — технически допустимая последовательность работы, обеспечивающая необходимую подачу без необоснованного одновременного пребывания нескольких компрессоров в энергетически неблагоприятных состояниях.
Как проверить предполагаемую экономию при изменении очередности
Предполагаемое улучшение оценивают сравнением энергопотребления действующего и альтернативного алгоритмов при сопоставимом спросе на воздух.
Для исходного режима используют фактические профили электрической мощности, расхода и состояния компрессоров.
Для альтернативного варианта рассчитывают продолжительность работы каждого агрегата в допустимых состояниях и соответствующие энергетические затраты.
Разность расходов электроэнергии определяют только после согласования объёма отпуска воздуха и условий функционирования станции.
Если суммарная потребность различается между сравниваемыми периодами, простая разность показаний не характеризует исключительно эффект изменения очередности.
Кроме того, расчёт необходимо проверять на соблюдение ограничений пуска и допустимых режимов разгрузки.
Даже если модель показывает энергетическое преимущество нового алгоритма, фактический эффект зависит от реального графика спроса. Поэтому ожидаемое сокращение потребления следует рассматривать как расчётную оценку до подтверждения измерениями.
Результат анализа и ограничения применения
Практический результат — режимная модель парка компрессоров с распределением времени и электрической энергии между загрузкой, разгрузкой, ожиданием и переходными состояниями.
Модель позволяет определить, какие агрегаты обеспечивают полезную подачу воздуха, сколько энергии затрачивается при отсутствии полезной выработки и как изменение последовательности работы может повлиять на общий расход электроэнергии.
Её используют для настройки очередности включения машин и алгоритма поддержания давления с учётом фактической потребности в воздухе и эксплуатационных ограничений приводов.
При этом предметом настоящей оценки является режим работы компрессорного оборудования. Анализ необходимого уровня давления и потерь в распределительной сети представляет самостоятельную задачу, хотя соответствующие условия необходимо сохранять при сравнении вариантов управления.
Главное ограничение: эффект изменения очередности компрессоров зависит от фактического спроса на сжатый воздух, характеристик агрегатов, допустимой продолжительности разгрузки и ограничений на пуски. Нельзя считать всю энергию разгрузки гарантированно устранимой или утверждать преимущество одной загруженной машины без проверки производительности.
Обоснованное решение принимают после сопоставления выработки воздуха и электрической энергии за полный рабочий цикл. Такой подход позволяет отличить необходимую работу компрессоров от потенциально непроизводительных затрат и определить допустимый алгоритм управления без нарушения снабжения потребителей.