Jeśli ktokolwiek będzie przekonywał, że sprężarka zmiennoobrotowa jest rozwiązaniem korzystniejszym od klasycznej stycznikowej to generalnie będzie miał rację. Tutaj padną argumenty oszczędności energetycznych – ważne, chociaż nie we wszystkich przypadkach tak oczywiste i prawdziwe. I nie jedyne.
Dotychczas najpopularniejsze/najtańsze rozwiązanie, opierające się na cyklu działania sprężarki „start/praca/wybieg/stop” jest pod względem energetycznym niezadowalające. W takich systemach odpowiednio dobrany zbiornik jest w zasadzie elementem regulacji. Odpowiednio dobrany, czyli zazwyczaj stosunkowo duży i drogi. Sprężarka dostarcza medium o wyższym ciśnieniu niż potrzebne w sieci, gromadząc jego chwilowy nadmiar w zbiorniku. Marnotrawi wtedy około 6% energii na każdy dodatkowy bar ciśnienia. Nieproduktywna praca na wybiegu i ewentualne rozruchy (od 20 do 6 na godzinę, w zależności od wielkości agregatu) są istotnymi wadami takiej konstrukcji. Konieczność znalezienia lepszych energetycznie rozwiązań dla dopasowania pracy sprężarek do zmieniających się wymagań systemów zmusza producentów do szukania innych pomysłów. Można podzielić je na rozwiązania samych mechanizmów sprężających i rozwiązania sterowaniem ich napędami. Do pierwszych należy dławienie strumienia powietrza na wlocie do sprężarki w zależności od ciśnienia w systemie. Dość dokładnie utrzymuje nastawione parametry, lecz niezadawalająco łączy to z charakterystyką energetyczną. Kolejne – dla sprężarek śrubowych – to system „ze zmianą czynnej długości stopnia sprężającego” realizowaną zaworem spiralnym. Jednak znaczna komplikacja mechaniczna i niewielki zakres efektywnej regulacji spowodowały, że i to rozwiązanie ma obecnie jedynie znaczenie historyczne. Alternatywnym jest zarzucony w latach 70 dla maszyn śrubowych, a przeżywający krótkotrwały renesans w latach 90 dla łopatek napęd elektrycznymi silnikami dwubiegowymi. Jednak skokowa regulacja wydatku oraz dedykowane zastosowanie dla raczej wolno zmieniającego się bądź wręcz dwustanowego zapotrzebowania na sprężane medium spowodowały, że ta stosunkowo dobra energetycznie i tania metoda także obecnie należy do ciekawostek technicznych.
Sterowanie przemiennikowe
Przemiennik częstotliwości, popularnie lecz nieprawidłowo nazywany falownikiem, inwerterem jest urządzeniem kontrolującym przepływ energii elektrycznej z sieci do procesu. Energię pobiera i zamienia na mechaniczną asynchroniczny klatkowy silnik prądu przemiennego. (Obecnie stosowane są także rozwiązania z silnikami z magnesami stałymi. Doskonale spisują się w pompach próżniowych, w sprężarkach zaś są problematyczne w wykonaniu jednego ze znanych producentów, choć inni nie mają z nimi problemów). Energię przekazywaną przez wał silnika opisują dwie zmienne fizyczne, moment i prędkość obrotowa. Kontrola przepływu energii w warunkach zmiennego obciążenia polega na utrzymaniu stałej wartości momentu (od obciążenia zależna jest prędkość obrotowa), bądź prędkości (od obciążenia zależy wtedy moment obrotowy). W inwerterze dostarczany na wejściu przemienny sieciowy prąd elektryczny jest prostowany, następnie w modulatorze z powrotem zamieniany na prąd przemienny o regulowanej częstotliwości i napięciu. W takiej postaci zasila stojan silnika. Istnieją różne metody modulowania impulsu elektrycznego na wyjściu. Najstarsza PWM (modulacja wielkości impulsu), kolejna AVC (orientacja wektorowa pola) i obecnie stosowana, najbardziej zaawansowana DTC (bezpośredniego sterowania momentem). Wykorzystano w niej szybkie procesory sygnałowe i bardzo złożony aparat matematyczny modelu silnika. Pozwala na optymalne sterowanie przepływem energii bez konieczności stosowania sprężenia zwrotnego. Układ wykonuje kilkadziesiąt tysięcy obliczeń na sekundę, dokładnie opisując stan wału silnika, co pozwala na szybkie i bardzo precyzyjne sterowanie. Straty energetyczne transformacji są szacowane w najlepszych konstrukcjach na 2%. Przemiennik częstotliwości jest skomplikowanym urządzeniem elektryczno-elektronicznym. W wykonaniu markowych firm (ale nie tani wyrób przemiennikopodobny) osiągnął bardzo wysoki stopień niezawodności. W praktyce, przemiennik, który nie ulegnie awarii w ciągu dwóch, trzech pierwszych dni będzie prawidłowo pracował przez co najmniej 12 lat, (tu zasadniczym problemem jest trwałość mechaniczna sprężarki śrubowej, gdyż może to być ponad 90 000 godzin pracy) doskonale przy tym chroniąc silnik przed usterkami powodowanymi zakłóceniami sieci zasilającej. To jednak nie wszystkie zalety napędu zmienoobrotowego. Eliminuje on także piki energetyczne rozruchu urządzeń, gdzie przy sterowaniach stycznikowych mogą one krótkotrwale osiągać ponad siedmiokrotną wartość prądu znamionowego. Poprawia kompensatę mocy biernej. Także dzięki dobrze dobranemu i zaprogramowanemu przemiennikowi zużycie mechaniczne stopni sprężających jest wolniejsze, co pozwala wydłużać interwał remontowy.
Na działanie sprężarki zmiennoobrotowej (przemiennika) niekorzystnie wpływają drgania, wysoka temperatura i zapylenie. Oraz niedostosowane silniki elektryczne, bez lub ze złą separacją łożysk. Przemiennik, poza okresową kontrolą połączeń elektrycznych i czystości, czystości filtrów nie wymaga żadnej obsługi. Sterowanie zmiennoobrotowe sprężarek zaczęło wkraczać do przemysłu w latach 90 XX wieku. Znamiennym jest, że Polska była wtedy w awangardzie opracowywania tej technologii. Było to jednak rozwiązanie bardzo kosztowne. By stało się powszechne – obecnie – musiały znacznie spaść ceny przemienników. Czy to jest rozwiązanie idealne? Dla maszyn zaprojektowanych po inżyniersku do pracy z przemiennikiem omalże tak. Agregat musi być w wielu aspektach technicznych „przewymiarowany” a zatem droższy. Dla większości konstrukcji jednak, gdzie główny księgowy jest ważniejszy od inżyniera – a w przemiennik doposaża się typowe konstrukcje stałoobrotowe – pojawiają się poważne kłopoty. Zwłaszcza przy długotrwałej pracy z niskimi, bądź najwyższymi obciążeniami. Występują problemy z zacieraniem się, niedogrzaniem, nieodpowiednią separacją oleju, korozją wewnętrzną, przegrzaniem.
Zmiennoobrotowe sprężarki śrubowe
Zmiennoobrotowe sprężarki śrubowe pracują w zakresie 20% do 100% (110%) nominalnych obrotów stopnia sprężającego. Dolnym ograniczeniem jest grzanie się silnika elektrycznego (często są stosowane oddzielne wentylatory chłodzące), oraz stosunkowo niewielka wtedy sprawność sprężania. Górnym – naprężenia termiczne i mechaniczne obciążenia łożysk monolitycznych wirników oraz także spadek sprawności. Optymalna prędkość liniowa wirnika głównego wynosi około 40 m/sek. Odpowiada to w najdoskonalszych technicznie konstrukcjach z napędem bezpośrednim prędkości około 4800 obr./min. Minimalne wydatki maszyn uzyskiwane są przy około 700 obr./min. Charakterystyka energetyczna jest krzywą proporcjonalną w stosunku do obrotów, jednak od nich zależną. Jednostkowa zmiana wydatku jest okupiona większą różnicą obrotów, a czas reakcji dłuższy. Łagodniej jednak jest forsowany moment obrotowy silnika. Także sprawność energetyczna jest mniejsza. Jej maksimum wypada przy około 80% obrotów nominalnych dla śrubowego stopnia sprężającego.
Zmiennoobrotowe sprężarki łopatkowe
Zmiennoobrotowe sprężarki łopatkowe pracują w zakresie 65% do 100% (120%) obrotów nominalnych stopnia sprężającego. Jedynie agregaty IN-TECH są regulowane proporcjonalnie od 50% do 120 %. IN-TECH DUO zaś 25% do 120% w zależności od ciśnienia. Dolnym ograniczeniem jest prędkość, przy której siła odśrodkowa nie jest w stanie docisnąć łopatek do cylindra (lewy rysunek). Przy nadmiernych prędkościach obrotowych zaś nacisk łopatek może przeciąć film olejowy i spowodować kontakt metaliczny z korpusem (prawy rysunek). Graniczna prędkość liniowa to 29–30 m/sek. W praktyce, dla zdecydowanej większości rozwiązań, bezpiecznym zakresem jest 950 do 1700 (1800) obr/min. Jedynie agregaty IN-TECH oferują 900–3500 obr./min, co znacznie rozszerza zakres regulacji proporcjonalnej – opłacalności energetycznej.
Charakterystyka energetyczna jest nieomal wprost proporcjonalna do obrotów. Jednostkowa zmiana wydatku jest realizowana przy mniejszej różnicy obrotów i przy krótszym czasie reakcji, ale z większym forsowaniem momentu obrotowego.
W praktyce
Zmiennoobrotowe sprężarki rotacyjne można zastosować zawsze tam, gdzie spotykamy się ze zmiennym zapotrzebowaniem na sprężone powietrze. Barierą jest ich wyższa cena. Prospekty producentów podają oszczędności wynikające z technologii zmiennoobrotowej dochodzące nawet do 30% zużycia energii. I nie jest to przesadą. Przy – odpowiednim doborze agregatu zmiennobrotowego – uzyskuje się oszczędności nawet na wyższym poziomie w stosunku do stałoobrotowego. Jeszcze korzystniej przedstawia się ten aspekt w wielosprężarkowych systemach zasilania. Jedna maszyna przemiennikowa – w prawidłowo skonfigurowanym i sterowanym systemie – może spowodować stabilizację ciśnienia nawet na poziomie +- 0,1 bara. Może także doprowadzić, na procentowym wykresie wydatku do mocy, zbliżoną do 45% nachylenia charakterystykę dla całego systemu – wprost idealną. Przy czym frazy: „przy odpowiednim doborze agregatu zmiennoobrotowego” oraz „w prawidłowo skonfigurowanym i sterowanym systemie” mają kluczowe znaczenie. Tutaj jest niezbędny talent, potężna wiedza i doświadczenie by wiedzieć jak tego dokonać. Ale to już zupełnie inna historia.
(Podziękowania dla Grzegorza Bronkowskiego i Marcina Wysokińskiego za słuszną krytykę i merytoryczną pomoc.)
Autor: Andrzej M. Araszkiewicz
GM_2025_1_27_29_sprezarki
