Двухступенчатый или одноступенчатый компрессор | Kraftmachine

введение)

Как выбрать двухступенчатый или одноступенчатый винтовой компрессор и когда переплата окупается

Двухступенчатый винтовой компрессор сжимает воздух последовательно в двух винтовых ступенях, тогда как одноступенчатый выполняет весь процесс сжатия в одном винтовом блоке. При большой мощности и продолжительной работе двухступенчатая схема может снизить удельное энергопотребление, увеличить производительность при той же установленной мощности и уменьшить тепловую нагрузку на каждую ступень.

Однако двухступенчатый компрессор сложнее и обычно дороже при покупке, поэтому его установка оправдана не во всех случаях. В статье сравним оборудование мощностью 160, 185, 250 и 315 кВт, рассмотрим производительность на 1 кВт, степень сжатия, температуру, удельную мощность, обслуживание и рассчитаем возможную экономию электроэнергии при работе 8 000 моточасов в год.

Что такое одноступенчатый и двухступенчатый винтовой компрессор

В одноступенчатом винтовом компрессоре атмосферный воздух поступает во всасывающий клапан и далее непосредственно в один винтовой блок.

Внутри блока объём воздуха постепенно уменьшается, давление повышается, после чего воздушно-масляная смесь поступает в сепаратор и систему охлаждения.

Для стандартных промышленных давлений такая конструкция хорошо отработана, достаточно проста и позволяет получать высокий ресурс при правильном обслуживании.

Atlas Copco отмечает, что в маслозаполненных винтовых компрессорах одной ступени обычно достаточно для давления примерно до 14 бар, а иногда и выше, хотя при росте степени сжатия может снижаться энергетическая эффективность.

В двухступенчатом компрессоре общий перепад давления делится между двумя винтовыми ступенями.

Воздух после первой ступени охлаждается или смешивается с охлаждающей средой, после чего поступает во вторую ступень и дожимается до конечного давления.

Именно разделение степени сжатия и промежуточное охлаждение создают основной потенциал повышения эффективности.

Как работает двухступенчатый винтовой компрессор

Схему двухступенчатого компрессора можно представить следующим образом:

атмосферный воздух → первая ступень → промежуточное охлаждение → вторая ступень → сепарация масла → конечное охлаждение → пневмосеть.

Главное отличие заключается не просто в наличии двух винтовых блоков.

Общая степень сжатия распределяется между ними.

Например, если необходимо получить приблизительно 8 бар избыточного давления, абсолютное давление на выходе составляет около 9 бар.

Общая степень сжатия относительно 1 бар абсолютного давления:

9 / 1 = 9.

При идеальном равномерном распределении между двумя ступенями оптимальная степень сжатия каждой приблизительно равна квадратному корню из общей:

√9 = 3.

То есть теоретически процесс выглядит примерно так:

1 бар(abs.) → 3 бар(abs.) → 9 бар(abs.).

Обе ступени работают с гораздо меньшей индивидуальной степенью сжатия, чем единственная ступень, которая должна сразу выполнить переход:

1 → 9 бар(abs.).

Это уменьшает термодинамическую работу сжатия, особенно если воздух эффективно охлаждается между ступенями.

Почему двухступенчатое сжатие потребляет меньше энергии

При сжатии температура воздуха повышается.

Чем выше температура газа во время дальнейшего сжатия, тем больше работы необходимо затратить на достижение конечного давления.

Промежуточное охлаждение позволяет приблизить начало второй ступени к более низкой температуре.

Поэтому второй винтовой блок сжимает уже охлаждённый воздух, а не воздух с высокой температурой после первой части процесса.

Для идеального адиабатического расчёта при:

• температуре всасывания +20 °C;
• начальном абсолютном давлении 1 бар;
• конечном абсолютном давлении 9 бар;

одноступенчатое сжатие без охлаждения теоретически могло бы повысить температуру воздуха примерно до +276 °C.

Если разделить процесс на две одинаковые ступени с идеальным промежуточным охлаждением, теоретическая температура после каждой ступени составляет уже около +128 °C до охлаждения.

В реальном маслозаполненном винтовом компрессоре температуры значительно ниже благодаря интенсивному впрыску масла, поэтому эти значения нельзя использовать как паспортные температуры оборудования.

Они нужны только для демонстрации физики процесса.

Для идеального двухступенчатого процесса с совершенным промежуточным охлаждением расчётная работа сжатия при таком давлении примерно на 15–16% ниже, чем при идеальном одноступенчатом адиабатическом процессе.

На практике полный выигрыш меньше из-за:

• механических потерь;
• потерь давления между ступенями;
• работы системы охлаждения;
• эффективности двигателя;
• реальных характеристик винтовых блоков;
• системы маслоотделения;
• режима регулирования.

Поэтому экономию конкретного оборудования необходимо определять по удельной мощности при одинаковом давлении и одинаковом FAD, а не просто по слову «двухступенчатый».

Основные характеристики одноступенчатого и двухступенчатого компрессора

Для корректного сравнения необходимо смотреть сразу на несколько параметров.

Производительность FAD

Производительность показывает объём свободного воздуха, который компрессор фактически способен подать в сеть.

Сравнивать два компрессора следует при одинаковом:

• рабочем давлении;
• методе определения FAD;
• температуре;
• условиях всасывания.

Компрессор 250 кВт с производительностью 40 м³/мин эффективнее компрессора такой же мощности с производительностью 36 м³/мин при одинаковом давлении и сопоставимых условиях.

Производительность на 1 кВт

Показатель можно рассчитать:

Производительность на 1 кВт = FAD / потребляемая мощность.

Чем выше значение, тем больше воздуха получает предприятие на каждый киловатт мощности.

Например:

36 м³/мин / 250 кВт = 0,144 м³/мин на 1 кВт.

А для более эффективного компрессора:

39 м³/мин / 250 кВт = 0,156 м³/мин на 1 кВт.

Во втором случае при одинаковой мощности предприятие получает примерно на 8,3% больше воздуха.

Удельная мощность

Более распространённый показатель энергоэффективности:

Удельная мощность = потребляемая мощность / FAD.

Единица измерения:

кВт/(м³/мин).

Чем меньше удельная мощность, тем энергоэффективнее компрессор.

Как сравнивать удельную мощность компрессоров

Рассмотрим условный пример.

Одноступенчатый компрессор имеет:

• мощность — 250 кВт;
• производительность — 35,7 м³/мин;
• давление — 8 бар.

Удельная мощность:

250 / 35,7 ≈ 7,0 кВт/(м³/мин).

Предположим, двухступенчатый компрессор при тех же условиях имеет удельную мощность на 8% ниже:

7,0 × 0,92 = 6,44 кВт/(м³/мин).

При мощности 250 кВт его расчётная производительность:

250 / 6,44 ≈ 38,8 м³/мин.

Получаем:

Важно: это расчётный пример для объяснения методики, а не паспортные характеристики конкретных моделей Kraftmachine.

Правильное коммерческое сравнение должно выполняться по фактическим техническим данным выбранных компрессоров.

Как степень сжатия распределяется между двумя ступенями

Рассмотрим несколько рабочих давлений.

Из таблицы видно, почему преимущество двухступенчатой схемы становится особенно интересным при повышении давления.

В одноступенчатой машине один винтовой блок должен обеспечить весь перепад давления.

В двухступенчатой каждая ступень работает в более благоприятном диапазоне.

Atlas Copco также отмечает, что преимущество двухступенчатого сжатия особенно проявляется при более высоком рабочем давлении благодаря промежуточному охлаждению между ступенями.

Как температура сжатия влияет на эффективность и ресурс

Высокая температура влияет не только на расход электроэнергии.

Она увеличивает тепловую нагрузку на:

• винтовой блок;
• подшипники;
• масло;
• сепаратор;
• уплотнения;
• радиатор;
• систему вентиляции компрессорной.

В маслозаполненном компрессоре масло одновременно выполняет функции охлаждения, смазки и уплотнения зазоров между рабочими элементами.

Разделение процесса между двумя ступенями позволяет уменьшить тепловую нагрузку непосредственно на каждую ступень.

Однако нельзя автоматически утверждать, что любой двухступенчатый компрессор прослужит, например, «на 30% дольше».

Ресурс зависит от:

• конструкции винтовых блоков;
• подшипников;
• качества масла;
• температуры помещения;
• чистоты радиаторов;
• качества фильтрации воздуха;
• частоты обслуживания;
• режима загрузки.

Поэтому правильнее говорить о более благоприятном режиме сжатия, а не назначать универсальный ресурс в моточасах.

Сравнение одноступенчатого и двухступенчатого компрессора

Сколько электроэнергии потребляют компрессоры 160–315 кВт за 8 000 часов

Рассмотрим предприятие с круглосуточным или близким к круглосуточному режимом.

Условия расчёта:

• 8 000 моточасов в год;
• тариф — 8 руб./кВт·ч;
• компрессор значительную часть времени работает под высокой нагрузкой.

Без учёта частичной загрузки получаем:

Именно поэтому для мощных промышленных компрессоров небольшая разница в удельной мощности быстро превращается в значительную сумму.

Сколько может сэкономить двухступенчатый компрессор за год

Поскольку фактическая разница между конкретными моделями может отличаться, рассмотрим три сценария:

• 5% улучшения;
• 8% улучшения;
• 10% улучшения энергопотребления.

Экономия при работе 8 000 часов в год

Даже при достаточно консервативной разнице в 5% экономия для компрессора 315 кВт превышает 1 млн рублей в год.

При разнице в удельном энергопотреблении 8% компрессор 250 кВт экономит ориентировочно:

1,28 млн руб./год.

А 315 кВт:

1,61 млн руб./год.

Эти значения являются расчётными сценариями, а не гарантией экономии для любой двухступенчатой модели.

Когда переплата за двухступенчатый компрессор окупается

Простой срок окупаемости можно рассчитать:

Срок окупаемости = дополнительная стоимость двухступенчатого компрессора / годовая экономия электроэнергии.

Предположим, двухступенчатая машина 250 кВт стоит на:

1 500 000 руб.

дороже сопоставимого одноступенчатого решения.

Если фактическая экономия составляет 8%:

1 500 000 / 1 280 000 ≈ 1,17 года.

То есть дополнительные инвестиции окупаются примерно за:

14 месяцев.

Если реальная разница составляет только 5%:

1 500 000 / 800 000 ≈ 1,88 года.

Окупаемость составляет уже около:

23 месяцев.

Какую максимальную переплату можно считать оправданной

Можно выполнить обратный расчёт.

Предположим, предприятие хочет, чтобы дополнительные инвестиции окупились максимум за два года.

Тогда максимально допустимая переплата равна:

годовая экономия × 2 года.

Для сценария с экономией 8%:

Например, если двухступенчатый компрессор 250 кВт дороже одноступенчатого на 1,5 млн рублей и действительно имеет на 8% меньшую удельную мощность в рабочей точке, инвестиция выглядит экономически привлекательной.

Если разница в цене составляет 4 млн рублей при той же экономии, срок окупаемости уже превышает три года.

Почему нельзя просто сравнивать мощность двигателя

Распространённая ошибка:

оба компрессора 250 кВт — значит, они одинаковые.

Это неверно.

Нужно сравнивать:

сколько м³/мин каждый компрессор выдаёт при требуемом давлении на каждый потреблённый киловатт.

Например:

Вариант А

250 кВт
35 м³/мин

Производительность на 1 кВт:

35 / 250 = 0,140 м³/мин·кВт.

Удельная мощность:

250 / 35 = 7,14 кВт/(м³/мин).

Вариант Б

250 кВт
39 м³/мин

Производительность на 1 кВт:

39 / 250 = 0,156 м³/мин·кВт.

Удельная мощность:

250 / 39 = 6,41 кВт/(м³/мин).

При одинаковой надписи «250 кВт» второй компрессор производит значительно больше воздуха.

Именно поэтому мощность электродвигателя сама по себе почти ничего не говорит о себестоимости сжатого воздуха.

Методика расчёта стоимости воздуха приведена в статье «Как рассчитать стоимость 1 м³ сжатого воздуха». Статья о стоимости 1 м³ сжатого воздуха

Двухступенчатые компрессоры Kraftmachine

В каталоге Kraftmachine выделена отдельная категория двухступенчатых винтовых электрических компрессоров, а также двухступенчатых моделей на постоянных магнитах.

Например, в каталоге представлен КМ200-10 II:

• двухступенчатое винтовое исполнение;
• мощность двигателя — 200 кВт;
• рабочее давление — 10 бар;
• воздушное охлаждение;
• винтовой блок НТН;
• присоединение DN100.

Двухступенчатый компрессор КМ200-10 II

Также на сайте представлены двухступенчатые модели на постоянных магнитах с частотным преобразователем Inovance, например КМ110-10ПМ II и КМ132-10ПМ II.

Для сравнения оборудования следует запросить для конкретных моделей паспортные значения FAD и потребляемой мощности в одной и той же рабочей точке.

Преимущества и недостатки двухступенчатого винтового компрессора

Плюсы

• более выгодное распределение степени сжатия;
• промежуточное охлаждение воздуха;
• потенциально меньшая удельная мощность;
• больше производительность на каждый потреблённый киловатт;
• преимущество становится значительнее при большой мощности;
• хорошая эффективность при продолжительной работе под нагрузкой;
• особенно интересен при повышенном рабочем давлении;
• меньшая тепловая нагрузка на каждую отдельную ступень;
• возможность значительной экономии за полный жизненный цикл.

Минусы

• выше первоначальная цена;
• два винтовых элемента вместо одного;
• более сложная масляная и трубопроводная схема;
• больше элементов для диагностики;
• потенциально выше стоимость капитального ремонта;
• требования к квалификации сервиса выше;
• при небольшом количестве моточасов инвестиция может окупаться слишком долго.

Преимущества и недостатки одноступенчатого винтового компрессора

Плюсы

• более простая конструкция;
• ниже первоначальные инвестиции;
• меньше основных узлов;
• проще диагностика;
• обычно дешевле капитальный ремонт;
• хорошо подходит для стандартного промышленного давления;
• рационален при небольшом количестве моточасов.

Минусы

• весь перепад давления приходится на один винтовой блок;
• при большой степени сжатия растут термодинамические потери;
• при мощностях 160–315 кВт даже небольшая разница в удельной мощности дорого обходится за год;
• при круглосуточной работе более высокая закупочная цена энергоэффективной машины может окупиться достаточно быстро.

Как обслуживание двухступенчатого компрессора отличается от одноступенчатого

Основные регламентные операции остаются похожими.

Необходимо менять:

• воздушный фильтр;
• масляный фильтр;
• масло;
• сепаратор;
• другие расходные материалы в соответствии с регламентом.

При этом двухступенчатая конструкция содержит больше компрессорных узлов.

При капитальном ремонте необходимо учитывать состояние обеих ступеней:

• роторов;
• подшипников;
• уплотнений;
• промежуточных трубопроводов;
• системы подачи масла.

Поэтому при сравнении цены оборудования необходимо запросить не только стоимость самого компрессора, но и:

стоимость ТО + стоимость капитального ремонта + интервалы обслуживания + стоимость электроэнергии.

Только такой расчёт показывает реальную стоимость владения.

Где применяется двухступенчатый винтовой компрессор

Наиболее интересны двухступенчатые модели на предприятиях с высокой и стабильной потребностью в сжатом воздухе.

Типичные области:

• металлургия;
• машиностроение;
• автомобильная промышленность;
• производство стекла;
• химическое производство;
• горнодобывающая промышленность;
• нефтегазовые предприятия;
• крупные пищевые производства;
• непрерывные технологические линии;
• централизованные компрессорные станции.

Особенно внимательно стоит рассматривать двухступенчатую схему, если один компрессор работает:

6 000–8 000 часов ежегодно с высокой средней загрузкой.

При 1 000–2 000 моточасов преимущества в энергоэффективности могут не успеть окупить дополнительную стоимость оборудования за приемлемый срок.

Когда двухступенчатый компрессор действительно выгоднее

Двухступенчатый вариант особенно стоит рассматривать, если одновременно выполняется несколько условий.

Компрессор работает практически круглосуточно

При 8 000 моточасов даже 5% разницы в энергопотреблении дают значительную экономию.

Для 250 кВт:

800 000 руб./год при тарифе 8 руб./кВт·ч.

Потребление воздуха стабильное

Если компрессор большую часть времени работает вблизи номинальной производительности, преимущества высокой эффективности используются постоянно.

Требуется большая производительность

При 160–315 кВт один процент энергопотребления уже стоит десятки и сотни тысяч рублей в год.

Требуется повышенное давление

Чем выше общая степень сжатия, тем больше потенциал разделения процесса между двумя ступенями.

Электроэнергия дорогая

Если тариф вместо 8 руб./кВт·ч составляет 10 руб./кВт·ч, вся рассчитанная экономия увеличивается на:

10 / 8 = 1,25.

Например, экономия 1,28 млн рублей становится:

1,6 млн руб./год.

Когда лучше выбрать одноступенчатый компрессор

Двухступенчатая схема не является универсально лучшим вариантом.

Одноступенчатый компрессор может оказаться выгоднее, если:

• оборудование работает только одну смену;
• количество моточасов небольшое;
• расход воздуха сильно меняется;
• компрессор значительную часть времени работает в разгрузке;
• рабочее давление сравнительно невысокое;
• разница в удельной мощности между рассматриваемыми моделями мала;
• стоимость двухступенчатой машины значительно выше;
• критически важны простота и минимальная стоимость обслуживания.

Atlas Copco также указывает, что двухступенчатое решение не автоматически является наиболее эффективным при каждом режиме: при сравнительно небольшом давлении правильно подобранная одноступенчатая система также может быть рациональным выбором.

Двухступенчатый компрессор или частотный преобразователь

Это два разных способа повысить эффективность.

Две ступени уменьшают энергию непосредственно процесса сжатия.

Частотный преобразователь уменьшает потери при изменении потребности в воздухе за счёт регулирования частоты вращения двигателя.

Поэтому наиболее эффективное решение для предприятия с переменным расходом может сочетать:

двухступенчатый винтовой блок + частотный преобразователь.

Но сравнивать такое оборудование с обычным фиксированным одноступенчатым компрессором только по одному параметру будет некорректно.

Необходимо разделить эффект:

• эффективности винтового блока;
• эффективности двигателя;
• частотного регулирования;
• рабочего давления;
• загрузки оборудования.

Как выбрать между одноступенчатым и двухступенчатым компрессором

Перед покупкой запросите у поставщика одинаковый набор параметров для обоих вариантов.

1. Фактический FAD

Не максимальную рекламную производительность, а подтверждённую производительность при требуемом давлении.

2. Потребляемую мощность

Желательно не только номинальную мощность двигателя, но и фактическую мощность всей установки в рабочей точке.

3. Удельную мощность

Рассчитайте:

кВт / (м³/мин).

Именно этот показатель наиболее наглядно показывает реальную эффективность.

4. Годовое энергопотребление

P × количество часов работы.

5. Стоимость электроэнергии

Используйте фактический тариф предприятия.

6. Стоимость обслуживания

Нужно учитывать ТО за весь рассматриваемый срок.

7. Стоимость капитального ремонта

Для мощных компрессоров этот показатель может существенно изменить TCO.

8. Доплату за две ступени

После этого рассчитывается простой срок окупаемости.

Пример окончательного выбора компрессора 250 кВт

Предприятие выбирает между двумя компрессорами одинакового класса.

Одноступенчатый

Цена оборудования:

условно 5,5 млн руб.

Двухступенчатый

Цена:

условно 7,0 млн руб.

Переплата:

1,5 млн руб.

Оборудование работает:

8 000 ч/год.

Тариф:

8 руб./кВт·ч.

После сравнения паспортной удельной мощности установлено, что двухступенчатая модель при требуемой рабочей точке экономит около:

8%.

Годовой эффект:

1 280 000 руб.

Срок окупаемости дополнительных вложений:

1 500 000 / 1 280 000 ≈ 1,17 года.

После этого более эффективная машина продолжает экономить электроэнергию каждый последующий год.

За пять лет расчётный эффект до учёта обслуживания:

1,28 × 5 = 6,4 млн руб.

После вычета первоначальной переплаты:

6,4 – 1,5 = 4,9 млн руб.

Именно на таких мощностях покупку необходимо оценивать не по цене оборудования в счёте, а по стоимости всего жизненного цикла.

Почему необходимо считать TCO, а не только цену компрессора

Для промышленного компрессора электроэнергия за несколько лет эксплуатации может стоить значительно больше самой машины.

На сайте Kraftmachine в расчёте себестоимости сжатого воздуха также отдельно учитывается электроэнергия, производительность, обслуживание и амортизация.

Поэтому более дешёвый компрессор не обязательно является более дешёвым решением.

Для сравнения необходимо складывать:

Цена покупки + электроэнергия + ТО + ремонт + потери производства.

И сравнивать два варианта за одинаковый срок:

5, 7 или 10 лет.

Для крупных непрерывных производств именно стоимость энергии часто становится главным фактором выбора.

Каталог компрессорного оборудования Kraftmachine

Также полезно сравнить архитектуру всей компрессорной станции в статье «Один или несколько компрессоров: что выгоднее». Один или несколько компрессоров: что выгоднее

Заключение

Двухступенчатый винтовой компрессор не нужно выбирать только потому, что технически он сложнее и современнее. Его главное экономическое преимущество — возможность снизить удельную мощность за счёт распределения степени сжатия между двумя винтовыми ступенями и промежуточного охлаждения воздуха.

При мощности 160–315 кВт и 8 000 моточасов в год даже 5–10% разницы в энергопотреблении соответствуют экономии от нескольких сотен тысяч до более 2 млн рублей ежегодно при тарифе 8 руб./кВт·ч. Поэтому на круглосуточном производстве более высокая первоначальная цена двухступенчатого компрессора может окупиться за 1–3 года. При небольшой загрузке или малом количестве моточасов более простой одноступенчатый компрессор, наоборот, может оказаться экономически рациональнее.

Главное правило выбора:

сравнивать не цену, количество ступеней и киловатты двигателя, а FAD, удельную мощность, рабочее давление, годовые энергозатраты и полную стоимость владения.