制药部署基于流量的系统来控制离心和螺杆空气压缩机|压缩空气最佳实践manbetx王者荣耀

作者Tim Dugan，压缩工程公司P.E.总裁

介绍

如果您刚刚收购了一家递送大型设备的快递公司，现在您正在对其进行重新加工，以便递送大小包裹的随机组合，那会怎么样?你继承了两辆相当现代的18轮卡车(载重4000立方英尺)和两辆古老的26英尺(1500 cf)家具卡车。老男孩不总是开始，并需要很多TLC继续运行。新的运行很漂亮，但对于大多数超过4000 cf的负载来说，尺寸太大了。你的新采购经理没有和你商量，就花了一大笔钱买了两辆新的22英尺(500cf)的混合动力货车。现在，你的调度员必须将货物和卡车进行匹配，他要想弄明白这一点快疯了。在购买混合动力车之前，你的调度员用了两辆新的，一辆满，另一辆占其余的，大部分时间都是空的，让老车在紧急情况下待命。你的燃料账单是天文数字，但很简单。大卡车每加仑油能跑4英里，空6英里。现在你有了这些微型的新卡车，你在挠头，“我如何以最低的成本管理整个车队，同时满足需求?”这些新卡车很好，但是太小了! What if my demand changes daily, and varies from 3,000 cf to 9,000 cf?

如何使离心式和旋转式螺杆压缩机协同工作?

这正是我在最近的压缩空气项目中遇到的情况。我帮助客户解决了这个问题，通过“基于流量的控制”，他们每年节省了40多万美元的电费。

一家大型制药公司需要30 psig的大流量空气来曝气多重发酵过程，从而产生食品级的材料。流量从12,000 scfm到35,000 scfm不等。有各种各样的批处理流程，大多数是独立运行的。每天下午为第二天的预期气流制定一小时一小时的时间表。根据该计划，锅炉操作员运行的空压机可以处理负荷范围一整天。关于一周的实际预测数据，请参见图1。实际上，峰值流量可能会高于预期。这些流量是由每小时预计流量的总和计算出来的，预期的峰值并不总是在同一时间发生。如果峰值是并发的，总和可能会更高。相反，总最小值可能更小。

图1所示。典型的一周压缩空气流量剖面

现场可用的空压机，包括新空压机见表1。就在我参与之前，他们购买了3台小型(350hp)单级VFD压缩机。加在一起，它们的尺寸略大于一台老式Centac的一半，不到3000马力阿特拉斯·科普柯(Atlas Copco)离心泵的30%。在安装VFD压缩机之前，所有压缩机都由当地控制，手动运行以满足每24小时的预期需求。3000hp的大型机组具有良好的比例控制，可以在压力变化很小的情况下从全流量运行到最小流量。然而，锅炉操作员并不信任1250马力的机组。虽然他们的曲线表明，他们应该能够提供至少35 psig，但当他们与大型机组同时运行时，运营商认为他们没有开发能力。他们不确定它们是激增还是只是消失了，但有一个问题给他们带来了不确定性。

在安装vfd之前，他们必须几乎所有时间运行两个3000马力的设备。预期的峰值总是至少2万scfm，他们不认为他们可以同时运行Centac和Atlas离心分离机。Centacs有局部控制调整问题，不允许他们加载。安装vfd后，运营商并不清楚该怎么做。预期峰值大约有一半时间高于25500 scfm。如果这个问题能得到满意的回答，平均节省大约1000 hp是可能的，超过40万美元/年的电力!

表1。空气压缩机的库存

如果您现在是负责启动空气压缩机的锅炉操作员，安装了新的vfd，您将如何运行压缩机?你只有一次机会做出决定，并且需要让他们一整天都处于那种状态。您的决定需要基于峰值预期流量和您可以可靠运行的压缩机的大小，以及可以以稳定的方式一起运行的一组压缩机。

由于预期的峰值流量很少在20,000至25,000 scfm峰值之间，这是运行vfd的最佳点，因此大部分时间您将运行两个Atlas离心机，而新的vfd将处于闲置状态。你的储蓄几乎为零。这是没有主控制的唯一选择。

如果你的工程师或供应商认为你应该购买一个“音序器”，不要相信他们。请参阅我的2011压缩空manbetx王者荣耀气最佳实践®杂志的文章，了解压缩机主控术语和功能，airbestpractices.com/system-assessments/compressor-controls/compressor-sequencer-problems-and-solutions．

定序器通常设计用于类似尺寸的旋转螺杆空压机，通常将最后一台空压机作为“微调”运行，可以是卸载或VFD。你不能通过这两个大的离心式空气压缩机来节省任何能源，因为他们已经在这方面做得最好了。第二个装置放出1000马力的空气。你不能像音序器那样让Centacs进进出出，装卸货物，因为压力差异会很大。你不能只把vfd放在一个小的地方，因为它们不够大，无法改变某一天预期的需求差异，而且范围也无法匹配它们的最佳点(2万到25500 scfm)。

部署基于压缩空气流量的主控制

如果你能修理Centacs，使它们能够正常运行，并主控制所有七台空气压缩机，使最佳设置能在任何流量范围内运行，那会怎么样?有时以一种方式运行一套，有时以另一种方式运行另一套，这取决于总压缩空气流量?这被称为“基于流的控制”。

举个例子，以送货卡车为例，如果你能自动部署18轮卡车并与混合动力汽车进行配平，或者让一辆满载的旧卡车在最上面配置18轮卡车，那会怎样?有很多组合需要考虑。你还需要一个物流系统，能够快速地实时确定哪些卡车可以使用。

在我们的项目中，由于客户和供应商认为工艺和压缩机存在风险，不允许我们自动启动和停止3000马力的Atlas离心机。实际上，它们可能是自动控制的。我们能够修复和调整Centacs，使它们能够在要求的压力下完全加载，并远程启动和加载。然而，我们无法远程控制他们的压力。这就需要新的进口导叶(IGV)和吹气阀(BOV)控制器，新的变送器和本地plc，这比我们的客户想要在这些旧压缩机上花费的更多。

我们让客户安装了一个被称为PL4000的智能主控制系统，通过编程在每个可能的流量范围内manbetx客户端12-5下载，从零流量到最大流量，控制不同组的底座和装饰压缩机。参见图2。该系统投入使用时没有排气。预期的表现假设了一些失败，所以这超出了预期!表2显示了我们是如何做到的。

图2。基于流的控制系统manbetx客户端12-5下载

表2。基于流的控制策略

这是怎么做到的?

在简化的形式中，我们只需拥有Centacs和VFD压缩机的自动控制、可靠的流量指标、流量范围和压缩机表，以及从一个表转换到另一个表的可靠算法。必须在压力变化不超过程序设定的操作范围的情况下进行压缩机的换挡。如果压力下降到一个底(低于目标压力的差值)，主动策略就向上移动一个底。如果流量低于较低的阈值，则策略向下移动一个阈值。

1.安装5台压缩机的控制和监控接口

理想情况下，我们希望能够控制设定点，启动/停止，和负载卸载的所有压缩机。的问题是:

Centacs没有电子控制的IGV和BOV，所以它们的设定值不能被远程控制。
HR10只是远程监控，没有控制。

所以我们只能自动控制五辆，两辆Centacs和三辆vfd。我们必须依靠操作员来选择每天运行的HR10的正确数量。这是一个典型的例子。

接下来，我们必须调整Centac本地IGV和BOV的和电线接口的加载和开始旧的Centac。这需要一些维护，所谓的“电涌测试”测试和小的电气修改。我们把Centacs调整到完全负载约35 psig(主设定点约31 psig)，没有振荡，然后有线启动和负载继电器到控制。

对于新的VFD压缩机，我们必须让Modbus网关工作，让PL4000与压缩机通信，并给它们一个VFD控制的设定值，一个低于设定值的起点，一个高于设定值的终点。

2.开发了一个可靠的流量度量

起初，我们计划使用两个流量计，一个用于HR10，一个用于Centacs，并根据电机速度计算vfd的容量。然后把它们加起来。这种流量计是湿压缩空气中的热质量式流量计，既麻烦又不可靠。而旋涡脱落类型没有压力和温度补偿，所以我们不得不采用方案B，计算流量，如下所示:

VFD压缩机:获得每台压缩机的电机转速反馈，计算容量为%转速x满载acfm，如果负载。
Centacs:得到电机电流(通过电流变送器)和BOV阀门操作压力(通过压力变送器)，并根据估计的满负荷能力和阀门开启率计算容量。
HR10离心机:通过网络连接，PLC反馈IGV、BOV、电机电流、压力等信息。
我们对所有压缩机的流量进行了求和，得到了总流量，并在数学上对其进行了平滑处理，以“消除”信号。

这种测量方法比流量计更可靠，因为测量传感器更简单，更不容易出错，而且计算不依赖于环境条件。

3.我实现了一个Solid算法

表1是委托算法。我们不需要尝试很多替代方法。测试中需要解决的主要问题是压力设置。在不涉及两个技术细节的情况下，微调压缩机设置点必须进行多次调整，才能在所有流量范围内工作。有时，VFD压缩机将压力控制为“微调”，而所有的离心机都是基础负载的。其他时候，HR10压缩机将压力控制为“微调”，vfd关闭。压力范围不能重叠。

4.测试所有策略转变

这是测试中最重要的部分，如果做得不好，将会给过程带来最大的风险。因此，离线测试是必不可少的。另一篇文章将对此进行描述。简而言之,该战略up-shift点(低压触发)需要调整不太低,创建一个流程问题,需要调整和战略转变流点不允许一个压力峰值,也要创建一个“死区”问题在升档立即发生。我们通过离线测试再现了每一个战略转变，然后调整了系统。然后，我们观察了实时系统中发生的转换，并进行了少量的额外调优。这花了几天时间，在“上线”之前发现并纠正了多个问题。因此，现场测试非常顺利，平安无事。

结论

这个项目真的启动了——它真的运行起来了。这并不是一个“如果……”的“潜在节约”的“研究”，实际上，我们的系统一直运行在一个3000马力的压缩机OFF，客户相信自动化系统可以运行其他“小型”空气压缩机的最佳组合。基线和改进的系统性能如表3和表4所示。每年节省超过550万千瓦时!这是一个巨大的压缩空气节约项目。控制的总成本比一个小型VFD空气压缩机的成本要低，现在它可以在混合中正常运行。

表3。基线系统性能