Połączenie sprężarki zmiennoobrotowej VSD ze sprężarką stałoobrotową może dobrze odpowiadać na zmienne zapotrzebowanie zakładu na sprężone powietrze. Warunkiem jest jednak odpowiedni dobór urządzeń i właściwe sterowanie ich pracą. Sprężarka stałoobrotowa może przejąć stabilne obciążenie bazowe, natomiast jednostka VSD reguluje swoją wydajność i uzupełnia różnicę między aktualnym poborem a wydajnością sprężarki bazowej. Źle skonfigurowany układ prowadzi natomiast do częstych przełączeń, pracy bez obciążenia, wahań ciśnienia i niepotrzebnego zużycia energii.
Jak współpracują sprężarka VSD i sprężarka stałoobrotowa?
Sprężarka stałoobrotowa najlepiej wykorzystuje swoje możliwości wtedy, gdy przez dłuższy czas może pracować pod obciążeniem bliskim swojej nominalnej wydajności. Nie reguluje płynnie prędkości silnika w zależności od bieżącego poboru powietrza.
Sprężarka VSD, wyposażona w przetwornicę częstotliwości, pracuje inaczej. W określonym zakresie może zmieniać prędkość obrotową silnika i dostosowywać wydajność do zapotrzebowania instalacji. Z tego powodu w systemach mieszanych często pełni funkcję sprężarki regulacyjnej, określanej również jako „trim compressor”.
Takie połączenie pozwala wykorzystać zalety obu sposobów pracy. Jednostka stałoobrotowa pokrywa przewidywalną część zapotrzebowania, a VSD reaguje na jego zmiany.
Dlaczego klasyczne sterowanie kaskadowe może nie wystarczyć?
W układzie kilku sprężarek stałoobrotowych można wykorzystać kaskadę ciśnieniową. Każda sprężarka otrzymuje własny zakres załączenia i wyłączenia. Wraz ze spadkiem ciśnienia kolejne urządzenia uruchamiają się zgodnie z ustaloną kolejnością.
Dodanie sprężarki VSD zmienia sposób działania systemu. Jednostka regulowana częstotliwościowo próbuje utrzymać ciśnienie zadane, płynnie zmieniając wydajność. Jeśli zakresy sterowania poszczególnych sprężarek zostaną źle ustawione, urządzenia mogą zacząć ze sobą „walczyć”.
Przykładowo sprężarka stałoobrotowa może się uruchomić, a chwilę później VSD szybko zmniejszy wydajność. Po wzroście ciśnienia jednostka stałoobrotowa przejdzie na bieg jałowy lub się wyłączy, po czym VSD ponownie zwiększy obroty. Powtarzający się cykl obniża sprawność całego układu.
Sprężarka VSD powinna obsługiwać zmienne zapotrzebowanie
W prawidłowo skonfigurowanym systemie sprężarka VSD powinna mieć wystarczający zakres regulacji, aby przejmować zmiany poboru powietrza występujące pomiędzy kolejnymi stopniami załączania jednostek stałoobrotowych.
Nie należy więc dobierać jej wyłącznie na podstawie mocy silnika. Ważniejsza jest rzeczywista wydajność FAD oraz różnica pomiędzy maksymalną i minimalną wydajnością przy wymaganym ciśnieniu roboczym.
Jeżeli po uruchomieniu sprężarki stałoobrotowej do instalacji nagle trafia więcej powietrza, VSD musi być w stanie odpowiednio obniżyć własną wydajność. Jeżeli jej dolny zakres regulacji na to nie pozwala, może powstać luka sterowania. Ciśnienie zaczyna wtedy rosnąć, a urządzenia często przechodzą między poszczególnymi stanami pracy.
Przy wyborze urządzeń warto więc porównać charakterystyki wydajności dostępnych sprężarek śrubowych, a nie jedynie ich moc znamionową.
Sprężarka śrubowa BOGE najnowszej serii S-4, typ S111-4 LF wraz ze zintegrowaną przetwornicą częstotliwości.
Obciążenie bazowe i regulacyjne powinny być dobrze rozdzielone
Załóżmy, że zapotrzebowanie zakładu zmienia się w szerokim zakresie w ciągu dnia. Przy niewielkim poborze może pracować wyłącznie VSD. Wraz ze wzrostem zapotrzebowania osiąga ona określony poziom wydajności, po którym sterowanie uruchamia sprężarkę stałoobrotową.
Po jej załączeniu VSD zmniejsza własną wydajność i nadal odpowiada za regulację ciśnienia. Gdy pobór ponownie rośnie, zwiększa obroty. Kiedy zapotrzebowanie spada na tyle, że jednostka stałoobrotowa nie jest już potrzebna, system powinien ją wyłączyć bez powodowania dużych wahań ciśnienia.
Sposób przełączania zależy m.in. od:
- wydajności obu sprężarek,
- minimalnej wydajności VSD,
- zakresu zmian poboru powietrza,
- pojemności zbiornika,
- dopuszczalnego zakresu ciśnienia,
- czasu reakcji urządzeń,
- sposobu sterowania biegiem jałowym.
Nie istnieje więc jedna wartość ciśnienia lub jedna kolejność pracy odpowiednia dla każdej sprężarkowni.
Jak ustawić ciśnienie w systemie VSD i sprężarki stałoobrotowej?
Sprężarka VSD zwykle odpowiada za utrzymywanie ciśnienia w stosunkowo wąskim zakresie. Nastawy jednostki stałoobrotowej trzeba skoordynować tak, aby urządzenie uruchamiało się wtedy, gdy VSD nie jest już w stanie samodzielnie pokryć rosnącego zapotrzebowania.
Jednocześnie należy zachować wystarczającą różnicę między punktami przełączania, aby uniknąć częstego uruchamiania i wyłączania sprężarki bazowej.
Nie powinno się kompensować problemów ze sterowaniem przez nadmierne zwiększanie ciśnienia w całej instalacji. Wyższe ciśnienie oznacza większe zapotrzebowanie sprężarki na energię, a także może zwiększać straty powietrza przez nieszczelności.
Sterownik nadrzędny upraszcza zarządzanie kilkoma sprężarkami
Przy dwóch urządzeniach dobrze przygotowana konfiguracja lokalnych sterowników może wystarczyć. W bardziej rozbudowanej sprężarkowni ręczne ustawianie kolejnych progów ciśnienia staje się jednak coraz trudniejsze.
Sytuacja komplikuje się szczególnie wtedy, gdy w systemie pracują sprężarki o różnej wydajności, kilka jednostek VSD albo maszyny różnych generacji.
W takich instalacjach pomocny jest sterownik nadrzędny BOGE Airtelligence Provis 3.0. System zarządza pracą sprężarek na podstawie bieżącego zapotrzebowania i może integrować także inne urządzenia stacji sprężonego powietrza.
Zamiast reagować wyłącznie na lokalne progi ciśnienia poszczególnych sprężarek, sterowanie nadrzędne analizuje pracę całej sprężarkowni i dobiera odpowiednią kombinację urządzeń.
Jak rozpoznać źle skonfigurowany układ?
Jednym z sygnałów jest częste przechodzenie sprężarki stałoobrotowej między pracą pod obciążeniem i biegiem jałowym. Szczególnie niekorzystna jest sytuacja, gdy urządzenie pozostaje przez dłuższy czas na biegu jałowym, pobierając energię bez produkowania użytecznego sprężonego powietrza.
Inne symptomy to:
- duże i częste wahania ciśnienia,
- ciągłe dochodzenie VSD do maksymalnej lub minimalnej prędkości,
- częste uruchamianie i zatrzymywanie sprężarki bazowej,
- utrzymywanie niepotrzebnie wysokiego ciśnienia,
- duża liczba godzin pracy przy małej ilości wyprodukowanego powietrza,
- jednoczesna praca kilku urządzeń przy niskim obciążeniu.
Same godziny pracy nie wystarczą więc do oceny systemu. Trzeba analizować również wydajność, pobór energii, ciśnienie oraz sposób przełączania urządzeń.
Pomiary przed zmianą nastaw
Przy problemach ze współpracą sprężarek nie należy zaczynać od przypadkowego zmieniania progów ciśnienia. Najpierw dobrze jest zarejestrować rzeczywisty profil poboru powietrza podczas normalnej produkcji.
Pomiary powinny objąć przynajmniej ciśnienie, przepływ, pobór mocy oraz stany pracy poszczególnych sprężarek. Na tej podstawie można sprawdzić, czy problem wynika z konfiguracji sterowania, niewłaściwego doboru urządzeń, niewystarczającego zbiornika lub gwałtownych zmian poboru.
Przy starszych lub rozbudowywanych instalacjach pomocna może być również diagnostyka wykonywana w ramach serwisu sprężarek.
Dobrze dobrany układ VSD i sprężarki stałoobrotowej
Połączenie sprężarki zmiennoobrotowej ze stałoobrotową sprawdza się szczególnie tam, gdzie oprócz względnie stabilnego zapotrzebowania bazowego występuje zmienna część poboru. Sprężarka stałoobrotowa może wtedy pracować w korzystnym dla siebie zakresie, a VSD odpowiada za bieżące dostosowanie wydajności.
Efekt zależy jednak od doboru wielkości urządzeń, zakresu regulacji VSD, ustawień ciśnienia i sposobu sterowania całym systemem. Przed zmianą konfiguracji najlepiej wykorzystać dane z rzeczywistej pracy sprężarkowni zamiast opierać nastawy na uniwersalnych wartościach.
FAQ – współpraca sprężarki VSD ze sprężarką stałoobrotową
Czy sprężarka VSD zawsze powinna pracować jako pierwsza?
Nie. Kolejność zależy od zapotrzebowania oraz konfiguracji urządzeń. Przy małym poborze VSD może pracować samodzielnie, natomiast przy większym i stabilnym zapotrzebowaniu jednostka stałoobrotowa może przejąć obciążenie bazowe, a VSD uzupełniać brakującą wydajność.
Czy dwie sprężarki VSD mogą pracować jednocześnie?
Tak, ale ich sterowanie wymaga większej uwagi. Dwie niezależnie regulujące się sprężarki mogą reagować na te same zmiany ciśnienia i powodować niestabilną pracę. Przy kilku jednostkach zmiennoobrotowych szczególnie uzasadnione staje się zastosowanie sterowania nadrzędnego.
Czy zbiornik sprężonego powietrza wpływa na współpracę dwóch sprężarek?
Tak. Odpowiednia pojemność zbiornika ogranicza szybkość zmian ciśnienia przy nagłych wzrostach lub spadkach poboru. Daje również sterownikom więcej czasu na właściwe załączanie i odciążanie urządzeń. Zbyt mały zbiornik może sprzyjać częstym cyklom pracy.
Czy można połączyć nową sprężarkę VSD ze starszą sprężarką stałoobrotową?
W wielu instalacjach jest to możliwe. Trzeba jednak sprawdzić sposób sterowania starszego urządzenia, dostępne sygnały, zakres ciśnień i wydajność. W niektórych przypadkach potrzebny będzie dodatkowy moduł komunikacyjny lub sterownik nadrzędny.
Czy VSD zawsze zużywa mniej energii niż sprężarka stałoobrotowa?
Nie. Największą przewagę uzyskuje przy zmiennym poborze, gdy może dopasowywać wydajność do zapotrzebowania. Przy długiej pracy blisko pełnego obciążenia dobrze dobrana sprężarka stałoobrotowa może osiągać bardzo korzystną sprawność.
Co dzieje się, gdy zakres regulacji VSD jest zbyt mały?
Po załączeniu sprężarki stałoobrotowej VSD może nie być w stanie wystarczająco ograniczyć własnej wydajności. Powoduje to wzrost ciśnienia, odciążenie lub wyłączenie jednej z maszyn i ponowne załączenie po krótkim czasie. Taki cykl świadczy o niedopasowaniu urządzeń albo nastaw sterowania.
Czy po zmianie produkcji trzeba ponownie skonfigurować sprężarki?
Może być to potrzebne. Dodanie nowych maszyn, zmiana liczby zmian produkcyjnych lub likwidacja dużego odbiornika zmienia profil poboru sprężonego powietrza. Ustawienia dobrane kilka lat wcześniej nie zawsze pozostają optymalne po rozbudowie zakładu.
