تأثير ضغط نظام الهواء على طاقة الضاغط - الجزء 2: تأثير ضغط النظام على ضواغط الطرد المركزي

هذه هي المقالة الثانية في سلسلة الهواء المضغوط المكون من ثلاثة أجزاء بقلم مارك كريسا ، مدير حلول الخدمات العالمية في شركة Ingersoll Rand

من الشائع رؤية متخصصي تقييم الطاقة يعاملون ضواغط الطرد المركزي مثل ضواغط الإزاحة الإيجابية عند محاولة تقليل استهلاك طاقة نظام الهواء المضغوط. لسوء الحظ ، ضواغط الطرد المركزي عادة ما تكون أكبر من ذلك بكثير ، ويمكن أن تمثل الحسابات الخاطئة بسهولة مئات الآلاف من الدولارات في توفير الطاقة المبالغة فيه. هذه الأخطاء ليست ضارة. وهي ناتجة عن أفضل الممارسات المبسطة التي يرتكبها أفراد لديهم معرفة محدودة بضاغط الطرد المركزي. هذا النوع من المعرفة غير متاح بسهولة وليس لدى معظم متخصصي تقييم الطاقة الوصول إلى الفرق الهندسية المسؤولة عن التطوير التقني وتصميم ضواغط الطرد المركزي. من منظور الوحدة ، تعد ضواغط الطرد المركزي جزءًا صغيرًا من سوق الضاغط ، لذا فإن الموارد المعرفة تقنيًا محدودة.

تحديد الموارد ضاغط التقنية

من المهم أن ندرك أن موظفي مبيعات الهواء المضغوط يمثلون أحد أكبر مصادر المعلومات الفنية المرتبطة بأنظمة الهواء المضغوط ومكوناته. على الرغم من أن بعض موظفي المبيعات هم مهندسون أكفاء تقنيًا ، فليس من غير المألوف العثور على كلمة "مهندس" المستخدمة كصفة في المسمى الوظيفي. سواء كان المهندس هو اللقب حسب التعليم أو الوظيفة ، فهو لا يضمن معلومات دقيقة تقنيًا. وبالمثل ، فإن التجربة هي مصطلح يستخدم في كثير من الأحيان لتضمين معرفة كبيرة مرتبطة بسنوات الممارسة. قد يكون للتجربة قيمة للوظائف ذات النتائج البسيطة للسبب والتأثير أو المهام المتكررة حيث يمكن لذاكرة العضلات تحسين الأداء. ومع ذلك ، في صناعة نادراً ما يتم فيها قياس النتائج باستخدام أدوات دقيقة في البيئات التي يتم التحكم فيها ، يُفترض أن العديد من الأساطير الفنية تتلاشى ، ومن خلال سنوات من التكرار ، يُفترض أنها حقائق مثبتة علمياً. على سبيل المثال ، أوضح الجزء الأول من هذه المقالة الذي تم طباعته الشهر الماضي ، كيف يتم إساءة استخدام افتراض قدرة 1 بالمائة على افتراضات 2 psi ولماذا لم تكن صحيحة.

يعمل العمل في شركة Ingersoll Rand ، أحد أكبر الشركات المصنعة والمبتكرة لمنتجات الهواء المضغوط في العالم ، على تسهيل فرص العديد من المناقشات الفنية مع المهندسين الموهوبين الذين يقومون بتصميم الضواغط من أجل لقمة العيش. توفر المشاركة في العديد من الفرق الفنية ذات الصلة بالهواء المضغوط مع ISO و CAGI و CSA أيضًا فرصة لمناقشة رفيعة المستوى مع المهندسين من الشركات المصنعة للضواغط الأخرى. ومن المثير للاهتمام ، كلما ناقش موضوع الضغط والقوة للضواغط ، يقوم كل مهندس تقريبًا بتجديد نفس القدرة البالغة 1 في المائة إلى افتراض 2 رطل. بعد مناقشة السمات النظامية والديناميكا الحرارية ، يتفق الجميع على أن عبارة 2: 1 غير دقيقة ، لكن الكثيرين يفترضون أنها حقيقة واقعة ، ويربطونها بكيفية عمل الضاغط بالنسبة للضغط في أنابيب الشبكة. كمهندسين شباب جدد في هذه الصناعة ، كان بيان 2: 1 هو المعرفة التقنية التي يتقاسمها كبار المهندسين. تجربة خاطئة وعصر الحقيقة العلمية ، ذهب العديد من الافتراضات البريئة دون شك.

من أجل الإغلاق ، يبدو أن النظرية قد نشأت في أوائل عام 1900 كتقدير معقول يستند إلى معادلة معقدة تستخدم لحساب حصانا الفرامل للضاغطات الترددية الكبيرة ذات الصلة بالضغط داخل الأسطوانة. هذا لا ينطبق على جميع المكونات والتغيرات التكنولوجية التي تشكل الضواغط الحديثة. إن نظرية 2: 1 تشبه الإشاعة التي تتحول بشكل متكرر إلى قصة مختلفة مع تفسير كل شخص ومشاركتها اللاحقة. يحدث هذا عندما يتم تبسيط المحتوى التقني المعقد وتعميمه قبل الوصول إلى موظفي المبيعات الميدانيين والأفراد الآخرين الذين ينشرون معرفة الضاغط في السوق.

خصائص التشغيل للضواغط الطاردة المركزية

بخلاف ضواغط الإزاحة الإيجابية التي يكون فيها الضغط وظيفة للقوى الميكانيكية (القدرة) التي تعمل على سطح يقلل من الحجم المغلق فعليًا ، لا تستطيع ضواغط الطرد المركزي زيادة إمكانياتها عن طريق زيادة الطاقة. ضاغط الطرد المركزي ، والمعروف أيضًا باسم الضاغط الديناميكي ، يولد الضغط بطريقة مختلفة. يتم تسريع كتلة معينة من الهواء من خلال المكره ، ويضفي طاقة حركية. يمر الهواء عبر ناشر الهواء ، ويقلل من السرعة ويحول جزءًا من الطاقة الحركية إلى حرارة وطاقة محتملة. هذا يتجلى في شكل زيادة ضغط الهواء ودرجة الحرارة. وفقًا لمتطلبات ضغط الضاغط ، يمر الهواء بنفس العملية خلال المراحل اللاحقة ويبني باتجاه متطلبات ضغط التصميم. لتحسين الكفاءة ، تبرد بعض المراحل أو جميعها الهواء قبل أن تدخل المرحلة التالية. لأغراض المناقشة ، تم تبسيط التفسير التشغيلي في محاولة للبقاء ضمن النطاق. تميل قدرات الضغط لضاغط الطرد المركزي عن طريق التصميم الهوائي الديناميكي للمكونات الداخلية ، والظروف المحيطة ، وسرعة الدوران وتبريد الهواء بين المراحل.

يتم التعبير عن العلاقات بين التدفق والضغط والطاقة لضاغط الطرد المركزي عادة باستخدام منحنى الأداء على أساس الظروف المحيطة المحددة ، ومياه التبريد والمكونات الداخلية المطبقة. نتيجة لذلك ، تتغير قدرات الأداء - والأهم من ذلك - مع تغير الظروف المحيطة على مدار العام. يستخدم منحنى العمل الذي يتكون من بيانات متداخلة من ثلاث مجموعات من الظروف المحيطة لتوضيح هذا التأثير في الشكل 1.

الشكل 1 - منحنيات أداء ضاغط الطرد المركزي

يتكون منحنى الأداء من جزأين: منحنى تدفق الضغط ومنحنى تدفق الطاقة. منحنى تدفق الضغط لديه ضغط على المحور الرأسي وتدفق على المحور الأفقي. لمنحنى تدفق الطاقة القدرة على المحور العمودي والتدفق على المحور الأفقي. تتم محاذاة قيم التدفق لكل محور أفقي بحيث يكون لكل منحنى تدفق الضغط منحنى تدفق الطاقة المطابق. لاحظ كيف يتحرك المنحنى الطبيعي للأعلى وإلى اليمين مع انخفاض درجة الحرارة المحيطة. عند النظر إلى المنحنيات الحمراء للحصول على الطاقة والضغط فيما يتعلق بالتدفق ، والانتقال من اليسار إلى اليمين ، يوضح الخط العمودي الذي يتقاطع كلا المنحنى ضغط التصميم وقوة الطاقة لهذا التدفق المحدد والظروف المحيطة. عند الانتقال من اليسار إلى اليمين ، لاحظ كيف تزداد الطاقة مبدئيًا مع انخفاض الضغط ثم تنخفض كلما تحرك المرء أكثر إلى اليمين. يوضح هذا كيف أن القوة لا تتناسب بشكل مباشر مع تغير الضغط. تعتمد هذه العلاقة على التصميم الديناميكي الهوائي للمكونات الداخلية. تتمتع بعض الضواغط التي تستخدم المكره للتصميم الشعاعي بأقصى كفاءة في الجزء العلوي من المنحنى قبل الطفرة الطبيعية مباشرة. قد يزيد التصميم المائل للخلف من الكفاءة مع انخفاض الضغط أو قد يصل إلى أعلى مستوى من الكفاءة عند نقطة ما على المنحنى ثم ينخفض عند ضغوط أقل.

بالرجوع إلى منحنى تدفق الضغط الأحمر ، لاحظ أنه كلما انخفض الضغط ، يزداد تدفق الضاغط. يؤدي الضاغط بالطرد المركزي نسبةً إلى المنحنى الطبيعي عندما تكون مجموعة المدخل مفتوحة بنسبة 100 في المائة ، أو يكفي أن فتح المجموعة أكثر ليس له أي تأثير على ضغط مدخل الحلق. يشار أحيانًا إلى أن الضاغط الذي يعمل بأقصى حالة يشار إليه على أنه يعمل عند حمولة كاملة - أو في الجزء النشط من المنحنى حيث يتغير التدفق فيما يتعلق بالضغط. يزداد التدفق مع انخفاض الضغط ولكن لاحظ كيف يتغير ميل المنحنى مع انخفاض الضغط. في نهاية المطاف يصبح المنحنى غير مقارب - للأعلى وللأسفل - عندما يتحرك الضاغط في منطقة تعرف باسم الاختناق أو الحجارة.

عند هذه النقطة ، فإن انخفاض الضغط ليس له أي تغيير يذكر على التدفق أو الطاقة. لا تنخفض الطاقة عندما يعمل الضاغط عند الاختناق أو أسفله. عندما يكون الضاغط في حالة خنق ، وصلت السرعة إلى عتبة صوتية في بعض النقاط داخل الضاغط. بعد ذلك ، يحتفظ الضاغط بالضغط الداخلي بأقل قيمة مستقلة عن ضغط التصريف الخارجي للضاغط. في جوهره ، ينخفض الضغط الداخلي فيما يتعلق بالضغط الخارجي حتى يصل إلى الحد الأدنى من الضغط الداخلي. أقل من هذه القيمة الدنيا ، ينخفض الضغط فقط في النظام بينما يبقى الضغط الداخلي عند الحد الأدنى للقيمة المقيدة بواسطة حد السرعة الصوتية.

الضغط العلوي محدود بسبب قدرة الضاغط على تحويل الطاقة الحركية إلى ضغط. في بعض توازن الطاقة ، يكون الضغط الناتج أقل من الضغط الداخلي ، مما يسبب عدم الاستقرار الذي يشار إليه أحيانًا باسم انعكاس التدفق أو الزيادة. عملية الضاغط غير مستقرة أو قريبة من ضغط الطفرة. يمكن أن تزيد قدرة الضغط ، أو ضغط الطفرة الطبيعية ، فقط إذا زادت كثافة الهواء الداخل. تحدث هذه الظاهرة نفسها عند الحد الأدنى من حالة التدفق المستقرة التي تسمى زيادة الخانق. إذا كان الطلب على الهواء أقل من العرض للضغط المطلوب ، فإن مجموعة المدخل تعدل ، مما يقلل من ضغط وتدفق الحلق الداخل. يشار إلى هذا عادة باسم ضاغط يعمل في التشكيل ، على دواسة الوقود أو عند ضغط ثابت.

تأثير الضغط على قوة ضاغط الطرد المركزي

عند النظر إلى الأداء داخل الجزء النشط من المنحنى ، يوضح الشكل 2 التغيرات المفصلة في التدفق والقوة بالنسبة لضغط التصريف.

الشكل 2 - نموذج بيانات أداء ضاغط الطرد المركزي

تستند البيانات في الشكل 2 إلى الأداء المختبر لضاغط خاص بالطرد المركزي. عند النظر إلى أداء الضاغط عند 121 رطل لكل بوصة مربعة و 111 رطل لكل بوصة مربعة ، يقلل الضغط من 121 إلى 111 رطل لكل بوصة فقط من الطاقة بقدرة حصانية 5. وهذا يمثل أقل من 0.35 في المئة في قوة رمح. لا تنطبق قاعدة 0.5 في المائة لكل رطل لكل بوصة مربعة (الموصوفة في الجزء 1: تأثير ضغط نظام الهواء على قوة الضاغط التي تم تشغيلها في إصدار يوليو من أفضل ممارسات الهواء المضغوط). كان من المتوقع أن يحدث انخفاض في الطاقة بنسبة 5 في المائة مع وفورات تقدر بمبلغ 50000 دولار سنويًا ، مقابل 3000 دولار تم تحقيقها. في هذا المثال ، يمكن المبالغة في تقدير تقديرات الادخار بأكثر من 16 ضعف القيمة الفعلية.

نظرًا لأن الضاغط في هذا المثال يعمل ضمن النطاق النشط للمنحنى ، فإن التدفق يزيد من ~ 100 قدم مربع. على افتراض أن الطلب يظل كما هو وتغيرت طاقة الضاغط بشكل مباشر مع التغير في التدفق ، يتم تقليل قوة عمود الضاغط بنسبة إجمالي تبلغ 27 حصان أو 1.8 بالمائة. هذا هو أقل من 36 في المائة من المدخرات المقدرة باستخدام قاعدة الإبهام البالغة 0.5 في المائة لكل بوصة مربعة ، مما يوفر 18000 دولار من المدخرات مقابل 50000 دولار باستخدام الحساب المطبق بشكل غير صحيح. إذا كان الضاغط يعمل عادةً في حالة معدلة باستخدام دوارات دليل مدخل مطبقة بشكل صحيح ، يتم تقليل قدرة عمود الدوران بنسبة 1.7 بالمائة.

من المهم ملاحظة أنه على عكس ضواغط الهواء اللولبية الدوارة ، لا تمثل أرقام طراز الضاغط بالطرد المركزي بالضرورة أداء الضاغط. يمكن استخدام العديد من مجموعات المكره / الناشر المختلفة لصب وتصميم خارجي ومحرك معين. يشار عادةً إلى مزيج الدوافع والناشرات باسم "aero" للضاغط. يمكن استخدام عدة حزم هوائية مختلفة لرقم طراز الضاغط المحدد ولكل منها قدرة أداء فريدة خاصة بها. لا يمكن للمرء استخدام منحنى عام - أو حتى منحنى من نفس طراز الضاغط - ما لم تؤكد الشركة المصنعة أن الضواغط تم تصنيعها باستخدام نفس الهواء.

من المهم بنفس القدر ضمان تصحيح البيانات لظروف الموقع أو مجموعة من الشروط إذا تغيرت الظروف المحيطة بالوقت. بالرجوع إلى الشكل 1 ، تمثل المنحنيات الثلاثة (من اليسار إلى اليمين) بيانات من الظروف المحيطة عند 95 درجة فهرنهايت و 70 درجة فهرنهايت و 30 درجة فهرنهايت. بناءً على كيفية تحول منحنى الأداء بالنسبة إلى درجة الحرارة ، ليس من الشائع العثور على ضواغط تعمل في الاختناق لعدة أشهر في السنة. هذا مهم لأن أي تقديرات لتوفير الطاقة المرتبطة بالضغط يجب أن تأخذ في الاعتبار الوقت ودرجة الحرارة والموقع على المنحنى. بدون هذه البيانات ، قد تكون أي محاولة لتقدير الوفورات المرتبطة بالضغط مضللة. في بعض الحالات ، يمكن أن تزيد الطاقة مع انخفاض الضغط.

توفير الطاقة لضواغط الطرد المركزي

تعتمد قدرات الضغط القصوى لضاغط معين على الحزمة الهوائية والظروف المحيطة والحالة الميكانيكية. الحد الأقصى لضغط التشغيل محدود بسبب ارتفاع الضاغط في أعلى المنحنى. هذه النقطة تسمى ضغط الزيادة الطبيعية. بالرجوع إلى الشكل 1 ، يمثل الخط الأفقي الوردي خط الضغط الثابت. عندما يكون الطلب أقل من الحد الأقصى للتدفق من الضاغط ، فإن خنق المدخل يقلل من التدفق. مع دوارات دليل المدخل ، تظل الكفاءة ثابتة إلى حد معقول أثناء ضاغط الهواء. تظهر القوة الخانقة على منحنى تدفق الطاقة السفلي كخط قطري. الحد الأدنى من التدفق الخانق لضاغط الطرد المركزي محدود بناءً على التصميم. بعد الخط الأفقي الوردي في الشكل 1 إلى اليسار ، يتم تحديد الحد الأدنى من التدفق الثابت عند النقطة التي يتقاطع فيها خط الضغط الثابت مع خط زيادة الخانق. إذا حاول الضاغط قصر التدفق على أقل من نقطة التقاطع هذه ، فإن الضاغط يرتفع. لأسباب واضحة ، وهذا ما يسمى زيادة دواسة الوقود. يمكن رؤية خط زيادة الخانق في الشكل 1 كخط قطري أزرق في مؤامرة تدفق الضغط.

إذا كان الطلب على الهواء أقل من هذا القيد الأدنى ، يتم تفريغ الهواء الزائد في الجو لتعويض الفرق بين الحد الأدنى لمتطلبات التدفق الثابت والطلب. لسوء الحظ ، بعد توقف الضاغط عن الاختناق ، لا تتغير الطاقة. وبالتالي فإن كل الهواء الذي يتم تفريغه في الغلاف الجوي يضيع. بالنسبة للضاغط الذي يعمل بشكل متكرر بالهواء الذي يتم تجاوزه إلى الغلاف الجوي ، فإن خفض الضغط يقلل التدفق حيث تحدث زيادة الخانق. بعد ضبط إعدادات التحكم ، لا يزال الضاغط الذي يعمل عند الحد الأدنى من التدفق يقلل من الطاقة عن طريق زيادة قدرات الخانق المرتبطة بتدفق زيادة الخانق المنخفض. هذا هو الحال فقط إذا تجاوز الضاغط الهواء في الجو وكانت عناصر التحكم تسمح للضاغط بتعديل المدخل ، مما يزيد من قدرات الخانق ويقلل الطاقة. مرة أخرى ، يلزم منحنيات الأداء المصححة للموقع لتحديد الوفورات المحتملة.

القدرة على تشغيل ضاغط بالقرب من زيادة دواسة الوقود محدودة بسبب تعقيد خوارزميات التحكم ومتغير الخانق المستخدم وكيفية ضبط حلقات الضاغط PID بالنسبة لديناميات النظام. يوضح الشكل 1 الحد من الطاقة المرتبط بضبط حد خنق الضاغط من إعداد متحفظ إلى إعداد أكثر كفاءة من خلال ضبط حلقة الضاغط PID بحيث تتوافق معدلات تفاعل الضاغط مع معدل تغيرات الطلب. يمكن ملاحظة التغير في الطاقة المرتبط بالتعديلات في عناصر التحكم في النظام من خلال النظر إلى الخطين العموديين المتقطعين والبنفسجي والبني من خط الضغط الثابت إلى خط الطاقة الخانق في الشكل 1. بالنسبة لهذا الضاغط ، تم تخفيض الطاقة 160 حصان مع عدم وجود استثمار رأس المال. لا يزال الضاغط يتخطى الهواء في الغلاف الجوي ، ولكن تم تخفيض الكمية بمقدار 980 مترًا مربعًا ، المقترنة بتعديل الضاغط بالقرب من قيمة زيادة دواسة الوقود. من المهم أن نلاحظ أن الحد الأقصى للتحكم في زيادة الخانق يكون عادةً مرتفعًا لسبب ما. مطلوب تحليل السبب الجذري المناسب لتحديد المشكلات التي تؤثر على الإعدادات المرتفعة. نظرًا لأن منظمة Ingersoll Rand قد راجعت مئات من أنظمة ضواغط الطرد المركزي باستخدام التفاصيل والتحليلات التقنية المتقدمة ، فإنها تدرك أن الإجراءات التصحيحية يمكن أن تختلف اختلافًا كبيرًا بين الأنظمة. في بعض الحالات ، يمكن تحقيق وفورات الرقم ستة عن طريق تصحيح مشكلة معقدة باستثمار 100 دولار. على عكس ذلك ، يمكن أن تتطلب المدخرات تصحيحات معقدة ومكلفة لا يمكن تبريرها.

تقييم أداء ضاغط الطرد المركزي

من المهم الإشارة إلى أن أداء ضاغط الطرد المركزي يمكن أن يتغير بشكل كبير بمرور الوقت بسبب التدهور الميكانيكي للمكونات الداخلية. على الرغم من أنه يمكن تحديد المشكلات الرئيسية المتعلقة بالتجميعات الدوارة من خلال قراءات الاهتزاز المرتفعة ، فإن تآكل الدفاعات والناشرات يمكن أن يقلل بشكل كبير من إمكانات الضغط وموثوقية وكفاءة ضاغط الطرد المركزي مع تأثير ضئيل على الاهتزاز. لهذا السبب ، ينبغي إجراء تقييم للأداء لكل ضاغط طرد مركزي على أساس منتظم وكجزء من أي مشروع لحفظ الطاقة. إن أي تقييم لنظام الهواء المضغوط لا يشمل إجراء اختبار وتحليل تفصيلي لأداء الضاغط سوف يحتوي على بيانات غير كافية أو مشكوك فيها وقد يكون مؤشراً على كفاءة ضاغط الطرد المركزي للمدقق.

من المهم أيضًا ملاحظة أن الإصلاحات السابقة لضاغط الطرد المركزي قد تكون قد غيرت الأداء بشكل كبير. يستبدل بعض مزودي خدمة ما بعد البيع مكونات aero الداخلية التي لا تتوافق مع التصميم الأصلي. في بعض الحالات ، بدلاً من استبدال المكونات ، يمكن توفير التكلفة عن طريق طحن شفرات المكره وإعادة توازن التجميعات. هذا يعالج مشاكل الاهتزاز ولكن يمكن أن يغير الأداء بشكل كبير.

بالإشارة إلى المنحنى في الشكل 1 ، فإن هذا الضاغط قادر على توفير 135 رطل / بوصة 2 في حالة 95 درجة فهرنهايت. إذا تم بيع هذا الضاغط كوحدة 90 رطل / بوصة ، فإن العديد من مزودي خدمة الطرد المركزي يختبرون ضغط الزيادة الطبيعية ويعتبرونه اختبار أداء. بعد أن عملت مع العديد من مهندسي ضاغط الهواء على تطوير والتحقق من تحليلات أداء ضاغط الطرد المركزي وإجراءات الاختبار غير التدخلية في الموقع ، فمن الآمن أن نقول إن تقييم أداء الضاغط أكثر بكثير من اختبار ارتفاع الضغط والاهتزاز. تعتبر افتراضات خدمة ضاغط الطرد المركزي الشائعة أن ضغط الارتفاع الطبيعي الذي يزيد عن 10-15 في المائة عن ضغط التصميم أمر طبيعي ، بغض النظر عن درجة الحرارة. وبالتالي ، فإن اختبار زيادة الضاغط في الشكل 1 وتحقيق ضغط زيادة طبيعي أكبر من 103 رطل لكل بوصة مربعة يعتبر التحقق الإيجابي من الأداء من قبل العديد من المنظمات. لم يتم هذا مع نية خبيثة ، فإنه يعود إلى بداية هذه المقالة والقضايا المرتبطة بالتجربة والمعرفة المتصورة. مثلما يمكن للمهندس المضلل أن يقدر ببراعة 100000 دولار من المدخرات عندما لا يكون هناك شيء ، فإن العديد من الفنيين الميدانيين سينفذون ما يقال لهم هو اختبار الأداء ، وتجاهلهم عن غير قصد تحديد أداء الضاغط المتدهور والموثوقية.

--- HTTP: //www.hqcompressor.com