Описание проекта
Завод по производству листового стекла в провинции Хэбэй использует сжатый воздух как критически важную коммуникацию на всей производственной линии — подавая инструментальный воздух в систему управления атмосферой ванны из расплавленного олова, технологический воздух в отжигательную печь, пневмопривод для зоны резки и транспортировки, а также общезаводской воздух для технического обслуживания и вспомогательных служб. Компрессорная станция состояла из четырех винтовых компрессоров Sullair — двух агрегатов номинальной мощностью 160 кВт и двух агрегатов 110 кВт, что составило общую установленную мощность компрессоров 540 кВт. Все четыре агрегата работали под управлением устройств плавного пуска (УПП) с момента первоначальной пусконаладки объекта.
Ключевая проблема заключалась в фундаментальном несоответствии между подачей сжатого воздуха и реальной потребностью завода. Производство листового стекла включает различные технологические фазы — остановки на холодный ремонт, периоды прогрева, стационарное плавление и формование, а также периоды сниженного выпуска — каждая из которых характеризуется существенно разными профилями потребления сжатого воздуха. При управлении через УПП винтовые компрессоры Sullair имели лишь два рабочих состояния: работа на полной скорости при полной нагрузке или остановка. Колебания спроса управлялись исключительно комбинацией дросселирования впускного клапана на работающих компрессорах и циклирования нагрузка-разгрузка — обе стратегии изначально являются неэффективными.
Дросселирование впускного клапана на винтовом компрессоре постоянной скорости особенно расточительно: двигатель продолжает потреблять близкую к полной мощность даже при ограничении впускного клапана расхода для согласования с более низким спросом, поскольку компрессор все еще вращается на полной скорости против частично закрытого впуска. Энергия, которая могла бы быть сохранена при более медленном вращении, вместо этого расходуется в виде тепла на дросселированном впускном клапане. Циклирование нагрузка-разгрузка — при котором компрессор работает в режиме полной разгрузки при примерно 25–30% от мощности при полной нагрузке, ожидая, когда давление в системе снизится до уставки перезагрузки — приводит к значительной потере энергии в периоды умеренного спроса и создает повторяющийся температурный циклический стресс на компонентах компрессора, ускоряя износ клапанных пластин, поршневых колец и узлов подшипников.
Решение
Компания Goalliance получила контракт на проектирование и поставку полной модернизации с установкой преобразователей частоты INOVANCE на всех четырех компрессорах Sullair, заменив существующие устройства плавного пуска спроектированной специально для данного применения системой управления ПЧ, включающей логику управления для компрессоров, регулирование давления в системе и координацию многокомпрессорной работы.
Выбор ПЧ и совместимость с компрессором
Для всех четырех компрессорных агрегатов были выбраны преобразователи частоты серии INOVANCE MD500 — агрегаты 160 кВт оснащены ПЧ MD500-4T160G, а агрегаты 110 кВт — ПЧ MD500-4T110G. Серия MD500 была специально выбрана для данного применения по нескольким причинам: встроенные алгоритмы управления двигателем, оптимизированные для компрессоров, которые учитывают переменную характеристику момента-скорости нагрузки винтового компрессора; функция «летающего пуска» (flying start), позволяющая преобразователю плавно подхватывать выбегающий ротор компрессора без задержки на поиск скорости — что важно для быстрого восстановления после кратковременных перерывов в электроснабжении на непрерывном производстве — а также расширенные функции поиска скорости и автоматического перезапуска, которые необходимы для поддержания непрерывности подачи сжатого воздуха на объекте, где производство не может допустить продолжительные падения давления воздуха.
Частотное регулирование на основе давления
Центральная логика управления, реализованная на всех четырех компрессорах, работает по стратегии регулирования в полосе давления системы с жесткой зоной нечувствительности ±0,05 бар вокруг целевой уставки давления системы 7,5 бар(г). Каждый работающий компрессор непрерывно модулирует свою скорость в диапазоне от 40% до 100% номинальной скорости для поддержания давления системы в пределах этой полосы — обеспечивая точно необходимый объем сжатого воздуха, требуемый заводом в любой момент, без циклов перерегулирования и недорегулирования давления, характерных для управления нагрузка-разгрузка.
Последовательное управление многокомпрессорной установкой и распределение нагрузки
При наличии четырех компрессоров система управления реализует стратегию последовательного запуска на основе спроса, которая определяет, сколько компрессоров работает и с какой скоростью, в зависимости от общего спроса воздуха в системе. При низком спросе — например, во время смены смен или окон технического обслуживания — один ведущий компрессор мощностью 160 кВт работает с переменной скоростью, покрывая нагрузку. По мере роста спроса и приближения скорости ведущего компрессора к 90% автоматически подключается ведомый компрессор, и оба агрегата разделяют нагрузку на сниженных индивидуальных скоростях. В пиковые периоды спроса работают три или все четыре компрессора одновременно, каждый модулирует скорость для равномерного распределения общей нагрузки.
Интеграция с системой управления заводским воздухом
Система управления ПЧ компрессоров была интегрирована с системой управления заводским воздухом объекта через Modbus TCP, предоставляя центральной платформе энергоменеджмента данные в реальном времени о скорости компрессора, токе двигателя, потребляемой мощности, давлении нагнетания, температуре нагнетания и расходе воздуха в системе для каждого агрегата. Функция автоматической корректировки уставки давления позволяет группе управления технологическими процессами завода дистанционно повышать или понижать целевое давление системы из центральной диспетчерской в ответ на изменяющиеся требования производственных фаз — например, снижать уставку давления в период прогрева, когда потребность в инструментальном воздухе ниже, и восстанавливать полную уставку давления перед запуском стационарного производства.
Результаты
- Общая энергоэкономия компрессорной станции: 43% по сравнению с базовым показателем до модернизации с УПП
- Энергосбережение в пиковые периоды спроса: 28% — даже при высокой нагрузке исключение потерь на дросселировании впускного клапана обеспечивает значительную экономию по сравнению с работой на постоянной скорости
- Стабильность давления в системе повышена с ±0,3 бар при управлении нагрузка-разгрузка до ±0,05 бар при частотном регулировании в полосе давления
- Интервал замены клапанных пластин компрессора продлен с каждые 7 месяцев до более 28 месяцев после исключения температурного циклирования нагрузка-разгрузка
- Срок службы узлов подшипников продлен — первый капитальный ремонт подшипников отложен примерно на 2,5 года по сравнению с плановым графиком, составленным до модернизации
- Расход компрессорного масла снижен на 22% благодаря исключению чрезмерного температурного циклирования и снижению рабочей температуры при частичных скоростях нагрузки
- Полный срок окупаемости инвестиций: 18 месяцев
