Один или несколько компрессоров: что выгоднее | Kraftmachine

Один большой или несколько небольших компрессоров: сравниваем схемы 1×250, 2×132 и 3×90 кВт, резервирование N+1, ЧРП, управление и риски простоя производства.

Как выбрать: один большой или несколько небольших компрессоров для производства

Выбор компрессора для производства не сводится только к суммарной мощности и производительности оборудования. Один крупный компрессор обычно проще установить и обслуживать, однако его остановка способна полностью оставить предприятие без сжатого воздуха. Несколько небольших компрессоров позволяют ступенчато регулировать производительность, организовать резервирование N+1 и эффективнее работать при неравномерном потреблении. В статье сравним схемы 1×250 кВт, 2×132 кВт и 3×90 кВт и разберём, какая из них выгоднее для промышленного предприятия.

Что такое одномашинная и многокомпрессорная схема

Компрессорная станция может быть построена на базе одного крупного агрегата либо нескольких компрессоров меньшей мощности.

В первом случае практически весь необходимый расход обеспечивает один компрессор. Например, предприятие устанавливает один агрегат с электродвигателем 250 кВт, рассчитанный на максимальную потребность производства.

Во втором случае нагрузка распределяется между несколькими машинами. Вместо одного компрессора 250 кВт могут рассматриваться, например:

• 2 компрессора по 132 кВт;

• 3 компрессора по 90 кВт;

• несколько компрессоров разной мощности;

• комбинация компрессоров постоянной производительности и одного частотно-регулируемого агрегата.

При этом сравнивать варианты только по мощности электродвигателя неправильно. 250 кВт, 2×132 кВт и 3×90 кВт не гарантируют одинаковой производительности. Для окончательного расчёта необходимо сравнивать фактическую производительность FAD при одинаковом рабочем давлении, удельную мощность и характеристики конкретных моделей.

Промышленные винтовые компрессоры различных мощностей представлены в каталоге компрессорного оборудования Kraftmachine.

Как работает один большой компрессор

Рассмотрим схему:

1 × 250 кВт.

При стабильном потреблении, близком к номинальной производительности агрегата, такая система может быть простой и эффективной.

Компрессор обеспечивает практически весь необходимый поток воздуха, система управления поддерживает заданное давление, а подготовка воздуха выполняется общими фильтрами и осушителем.

Преимущество такой схемы заключается в минимальном количестве оборудования. Требуется один компрессор, одно силовое подключение, меньше трубопроводной обвязки и меньше точек технического обслуживания.

Проблема возникает, когда потребление воздуха сильно изменяется.

Если компрессор выбран на максимальный расход, а большую часть смены производство использует только 40–60% его производительности, крупный агрегат вынужден работать на частичной нагрузке, переходить между загрузкой и разгрузкой либо регулировать производительность частотным приводом.

Ещё более важный вопрос — резервирование. При аварийной остановке единственного компрессора предприятие может полностью потерять источник сжатого воздуха.

Как работает система из нескольких компрессоров

Многокомпрессорная станция разделяет общую производительность между несколькими агрегатами.

Например:

2 × 132 кВт

или:

3 × 90 кВт.

При небольшом расходе работает только часть оборудования. По мере роста потребления автоматика запускает дополнительные компрессоры.

Условно система из трёх агрегатов может работать так:

небольшое потребление → 1 компрессор;

среднее потребление → 2 компрессора;

максимальное потребление → 3 компрессора.

Это позволяет лучше подстраивать установленную мощность под фактический расход воздуха.

Однако экономический эффект возникает только при правильно организованном управлении. Если несколько компрессоров независимо реагируют на давление и одновременно работают в неэффективных режимах частичной загрузки, преимуществ может не быть.

Atlas Copco рекомендует при управлении несколькими компрессорами использовать минимально необходимое количество машин в базовой нагрузке, а один регулирующий компрессор использовать для компенсации изменений потребления.

Сравнение 1×250 кВт, 2×132 кВт и 3×90 кВт

Рассмотрим три условных варианта.

*Фактический резерв зависит от производительности оборудования. Само количество компрессоров ещё не гарантирует возможность сохранить полную производительность после отключения одного агрегата.

Важно: приведённое сравнение относится к архитектуре системы. Производительность конкретных компрессоров мощностью 90, 132 или 250 кВт необходимо сравнивать по паспортным данным при одинаковом давлении.

Что такое резервирование N+1 в компрессорной

N+1 означает, что для обеспечения расчётного потребления необходимо N работающих компрессоров, а ещё один агрегат устанавливается в резерв.

Например, производство требует такой объём воздуха, который способны обеспечить:

2 × 90 кВт.

Если установлены:

3 × 90 кВт,

то два компрессора обеспечивают производство, а третий может выполнять функцию резерва.

Получаем:

N = 2;

+1 = резервный компрессор.

При остановке одного агрегата оставшиеся два продолжают обеспечивать расчётную потребность.

Но если максимальная потребность предприятия требует одновременной работы всех трёх компрессоров по 90 кВт, то схема:

3 × 90 кВт

уже не является N+1.

Это просто три необходимых рабочих компрессора.

Аналогичная ситуация с двумя агрегатами 132 кВт. Если для производства постоянно нужны оба, схема 2×132 кВт не имеет полного резерва.

После остановки одного компрессора останется примерно половина установленной компрессорной мощности.

Поэтому при проектировании необходимо задавать вопрос не:

«Сколько у нас компрессоров?»

а:

«Хватит ли оставшихся компрессоров для работы производства при остановке одного агрегата?»

Почему резервирование важно для производства

Стоимость простоя компрессорной станции иногда значительно превышает стоимость самого компрессора.

Сжатый воздух может использоваться для:

• работы пневмоцилиндров;

• управления автоматическими линиями;

• работы станков;

• упаковки продукции;

• транспортировки материалов;

• покраски;

• работы пневматического инструмента;

• КИПиА;

• различных технологических процессов.

Если единственный компрессор останавливается, часть или всё производство может прекратить работу.

Причиной остановки необязательно является авария. Компрессору требуется плановое техническое обслуживание: замена масла, воздушного фильтра, масляного фильтра, сепаратора и других расходных элементов.

При наличии только одного агрегата необходимо либо останавливать производство, либо заранее организовывать временный источник сжатого воздуха.

В многокомпрессорной станции один агрегат можно вывести в обслуживание, а остальные продолжат работу — если они рассчитаны на необходимую нагрузку.

Как неравномерное потребление влияет на выбор компрессоров

На реальном производстве расход воздуха редко остаётся постоянным в течение всей смены.

Например, условный график может выглядеть следующим образом:

ночь — 20–30% максимального расхода;

начало смены — 50%;

основное производство — 70–80%;

пиковые периоды — 100%.

Если под максимальный расход установлен единственный крупный компрессор, значительную часть времени он будет работать ниже максимальной производительности.

У многокомпрессорной системы есть возможность подстраивать количество работающих агрегатов.

Например, для трёх компрессоров:

низкая нагрузка → работает один;

средняя → работают два;

пиковая → подключается третий.

При снижении расхода дополнительные агрегаты отключаются.

Таким образом, вместо работы нескольких машин на небольшой частичной нагрузке система стремится оставить минимальное количество компрессоров в эффективном рабочем режиме.

Именно такой подход рекомендуют производители систем центрального управления компрессорными станциями.

Что такое каскадное управление компрессорами

Простейший способ управлять несколькими компрессорами — установить для них разные диапазоны давления.

Например:

компрессор №1: 7,0–7,5 бар;

компрессор №2: 6,8–7,3 бар;

компрессор №3: 6,6–7,1 бар.

Когда расход увеличивается и давление начинает падать, последовательно подключаются дополнительные агрегаты.

Это и есть принцип простого каскадного управления.

Преимущества каскадной схемы

• относительно простая реализация;

• небольшие затраты на автоматику;

• можно объединить несколько компрессоров;

• дополнительные машины автоматически подключаются при росте нагрузки.

Недостатки каскадной схемы

Основная проблема заключается в необходимости создавать несколько диапазонов давления.

В результате общая разница между минимальным и максимальным давлением системы может становиться слишком большой.

Кроме того, отдельные компрессоры не всегда знают, что делают остальные агрегаты. Это может приводить к одновременной загрузке, разгрузке и неравномерному распределению моточасов.

Современный центральный контроллер работает иначе: он анализирует потребность всей системы и выбирает наиболее подходящую комбинацию компрессоров. KAESER отмечает, что такой контроллер может выбирать необходимые агрегаты в зависимости от текущего расхода вместо работы машин по простой фиксированной каскадной последовательности.

Как работает центральное управление компрессорной станцией

При наличии двух, трёх и более компрессоров целесообразно рассматривать единый контроллер.

Он получает данные о давлении в общей магистрали и управляет отдельными агрегатами как одной системой.

В зависимости от алгоритма контроллер может учитывать:

• текущее давление;

• расход воздуха;

• производительность каждого компрессора;

• мощность;

• количество моточасов;

• режим загрузки;

• техническое состояние;

• необходимость обслуживания.

Главная задача — включить минимально необходимое сочетание компрессоров, которое обеспечит текущий расход воздуха.

Например:

потребление небольшое → компрессор №1;

потребление выросло → №1 + №2;

дальнейший рост → №1 + №2 + регулирующий компрессор;

потребление уменьшилось → лишний агрегат отключается.

Центральный контроллер также позволяет чередовать основные машины и выравнивать количество моточасов.

Это важно для компрессорной станции с одинаковыми агрегатами: вместо ситуации, когда один компрессор нарабатывает 20 000 часов, а другой 5 000, оборудование можно эксплуатировать более равномерно.

Зачем нужен частотный компрессор в многокомпрессорной станции

Одна из эффективных схем — использование стандартных компрессоров в качестве базовых, а компрессора с частотным преобразователем — в качестве регулирующего.

Такой агрегат часто называют trim-компрессором.

Например:

Компрессор №1 — постоянной производительности;

Компрессор №2 — постоянной производительности;

Компрессор №3 — с частотным регулированием.

Первые компрессоры стараются эксплуатировать либо в рабочей загрузке, либо отключать.

Частотный агрегат компенсирует разницу между производительностью работающих базовых компрессоров и текущим потреблением завода.

Предположим, условно:

базовые компрессоры производят 20 м³/мин,
а производству сейчас требуется 24 м³/мин.

Вместо подключения ещё одного большого компрессора на полную производительность регулирующий агрегат добавляет необходимый объём:

24 − 20 = 4 м³/мин.

При увеличении потребления его производительность повышается, при уменьшении — снижается.

Такой принцип помогает поддерживать давление в более узком диапазоне и избегать ситуации, когда сразу несколько компрессоров одновременно пытаются регулировать один и тот же изменяющийся расход.

Atlas Copco рекомендует при нескольких компрессорах использовать базовые машины для основной нагрузки, а одну регулирующую машину — для компенсации изменений потребления. KAESER также описывает схему, где базовые компрессоры работают полностью загруженными или отключены, а VFD-компрессор выполняет функцию trim-машины.

Подробнее о принципе регулирования можно прочитать в статье «Частотный преобразователь в компрессоре: преимущества и окупаемость».

Преимущества и недостатки одного большого компрессора

Один крупный компрессор не является неправильным решением. При определённых условиях он может быть наиболее рациональным.

Плюсы:

• меньшая первоначальная сложность компрессорной;

• меньше единиц оборудования;

• меньше силовых подключений;

• меньше трубопроводной обвязки;

• проще система управления;

• меньше точек технического обслуживания;

• может быть выгодным при стабильной постоянной нагрузке;

• требуется меньше места по сравнению с несколькими отдельными агрегатами аналогичной суммарной производительности.

Минусы:

• одна точка отказа;

• остановка агрегата может оставить производство без воздуха;

• плановое обслуживание требует остановки или резервного компрессора;

• хуже адаптируется к очень широкому диапазону потребления;

• избыточен при длительной работе с небольшим расходом;

• сложнее расширять производительность небольшими шагами.

Один крупный компрессор особенно интересен там, где нагрузка стабильна, простой допустим либо на предприятии уже существует независимый резерв.

Преимущества и недостатки нескольких компрессоров

Несколько компрессоров делают систему значительно гибче.

Плюсы:

• возможность ступенчато подстраиваться под расход;

• легче организовать N+1;

• можно обслуживать оборудование по очереди;

• авария одного агрегата не обязательно останавливает весь завод;

• можно распределять моточасы;

• можно комбинировать стандартные и частотные компрессоры;

• проще наращивать производительность при расширении производства;

• выше гибкость при сменном режиме работы.

Минусы:

• более сложная компрессорная станция;

• больше трубопроводов и арматуры;

• больше электрических подключений;

• больше единиц оборудования для обслуживания;

• желательно использовать центральную систему управления;

• требуется правильно согласовать производительности агрегатов;

• первоначальная стоимость системы может быть выше.

Если установить несколько компрессоров, но не организовать правильное управление, часть этих преимуществ может быть потеряна.

Когда выгоднее один компрессор 250 кВт

Схему 1×250 кВт стоит рассматривать, если одновременно выполняется несколько условий.

Например:

• потребление воздуха стабильно;

• большая часть времени компрессор работает близко к оптимальной нагрузке;

• производство может пережить остановку компрессора;

• уже имеется резервный источник воздуха;

• техническое обслуживание можно выполнять во время остановки предприятия;

• требования к системе минимальны по сложности;

• первоначальные капитальные затраты имеют высокий приоритет.

Такая схема может применяться на технологической установке с практически постоянным расходом воздуха.

Но если сжатый воздух является критически важным ресурсом и остановка компрессора останавливает весь завод, эксплуатация единственного агрегата без резерва создаёт серьёзный производственный риск.

Когда выгоднее два компрессора по 132 кВт

Схема 2×132 кВт обеспечивает большую гибкость.

При сниженной нагрузке можно эксплуатировать один агрегат, а при росте потребления подключать второй.

Это особенно удобно, если предприятие часть суток потребляет примерно половину максимального объёма воздуха.

Кроме того, остановка одного компрессора не приводит к полной потере сжатого воздуха.

Однако здесь важно правильно понимать резерв.

Если максимальный расход требует одновременной работы:

132 + 132 кВт,

то при остановке одного агрегата производство потеряет значительную часть производительности.

То есть схема имеет частичный резерв, но не полноценное N+1.

Чтобы два компрессора являлись схемой полного резервирования по принципу 1+1, каждый из них должен самостоятельно обеспечивать требуемую производительность предприятия.

Когда выгоднее три компрессора по 90 кВт

Схема 3×90 кВт позволяет ещё точнее разбить производительность на ступени.

Условно можно получить три режима:

1 × 90 кВт;

2 × 90 кВт;

3 × 90 кВт.

Это удобно для предприятия с сильно меняющимся потреблением.

Например, ночью работает только один производственный участок — достаточно одного компрессора.

Днём работают основные линии — подключается второй.

Во время пикового расхода запускается третий.

Если же максимальную потребность производства способны закрыть два агрегата по 90 кВт, третий компрессор превращается в полноценный резерв:

2 рабочих + 1 резервный = N+1.

При этом появляется дополнительное преимущество — резервный агрегат не обязательно должен постоянно стоять выключенным. Автоматика может регулярно менять очередность, чтобы три машины набирали моточасы приблизительно равномерно.

Что происходит при аварии компрессора

Разница между схемами особенно хорошо видна при отказе одного агрегата.

1 × 250 кВт

Отказ одного компрессора:

остаётся 0 основных компрессоров.

Если независимого резерва нет — подача воздуха прекращается.

2 × 132 кВт

Отказ одного компрессора:

остаётся 1 × 132 кВт.

Производство сохраняет часть мощности.

Если одного компрессора хватает для критически важных потребителей, предприятие может продолжить работу в ограниченном режиме.

3 × 90 кВт

Отказ одного:

остаётся 2 × 90 кВт.

Если два агрегата были рассчитаны на рабочую потребность, производство продолжит работу практически без ограничения.

Именно поэтому при оценке стоимости оборудования необходимо учитывать не только электроэнергию, но и стоимость потенциального простоя производства.

Иногда более дорогая компрессорная с резервированием оказывается дешевле одного большого агрегата уже после предотвращения одной серьёзной остановки.

Как сравнить энергозатраты трёх схем

Нельзя достоверно сказать, что 3×90 кВт автоматически потребляют меньше электроэнергии, чем 1×250 кВт.

Необходимо знать:

• производительность каждой модели;

• рабочее давление;

• потребляемую мощность под нагрузкой;

• мощность на холостом ходу;

• диапазон регулирования ЧРП;

• фактический график потребления;

• количество часов в каждом режиме.

Правильный расчёт выглядит так:

Годовые энергозатраты = Σ мощность компрессора в конкретном режиме × время работы × тариф.

Поэтому сначала желательно получить суточный или недельный график:

расход воздуха, м³/мин → время.

Затем на этот график накладываются рабочие диапазоны рассматриваемых компрессоров.

Например, если предприятие 60% времени потребляет только треть максимального расхода, возможность отключить два из трёх компрессоров становится существенным преимуществом.

Если же предприятие 24/7 потребляет 95–100% расчётного расхода, преимущество дробления мощности по энергопотреблению может быть гораздо меньше.

Стоимость производства воздуха рекомендуется считать в рублях за 1 м³. Методика приведена в статье «Как рассчитать стоимость 1 м³ сжатого воздуха».

Где применяются разные схемы компрессорных станций

Один большой компрессор

Подходит для:

• производств со стабильным расходом;

• технологических установок с постоянной нагрузкой;

• предприятий с существующим резервом;

• объектов, где допускается остановка на обслуживание;

• систем, где важна минимальная сложность оборудования.

Несколько компрессоров

Рациональны для:

• крупных заводов;

• машиностроительных предприятий;

• пищевых производств;

• металлургии;

• нескольких производственных линий;

• предприятий с двух- или трёхсменным режимом;

• систем с сильно меняющимся потреблением воздуха;

• производств, где остановка подачи сжатого воздуха критична.

Система N+1

Особенно важна для непрерывных производств, где аварийная остановка компрессорной приводит к значительным финансовым потерям.

Как выбрать количество компрессоров для производства

Перед выбором оборудования необходимо выполнить несколько последовательных действий.

1. Определите максимальный расход воздуха

Суммировать паспортное потребление всего оборудования недостаточно.

Необходимо знать фактический одновременный расход.

Если компрессорная уже работает, лучше провести измерения.

2. Определите минимальное потребление

Этот показатель не менее важен максимального.

Если максимальный расход составляет условно 30 м³/мин, но ночью предприятие использует только 7 м³/мин, один крупный компрессор может оказаться неудобным.

3. Постройте график нагрузки

Определите, сколько часов система работает при:

• 25% нагрузки;

• 50%;

• 75%;

• 100%.

Чем сильнее меняется расход, тем больше аргументов в пользу нескольких компрессоров и регулирующей машины.

4. Определите допустимый простой

Задайте вопрос:

Что произойдёт, если один компрессор остановится на 8 часов?

Если ответ:

«Остановится весь завод»,

резервирование необходимо рассматривать как часть основного проекта, а не как дополнительную опцию.

5. Рассчитайте N+1

Определите минимальное количество компрессоров, которое должно продолжать работу после отказа одного агрегата.

Например:

два компрессора обеспечивают производство + третий остаётся резервным.

6. Выберите регулирующий компрессор

При переменном потреблении один из агрегатов можно выполнить с частотным регулированием.

Базовые машины обеспечивают основную нагрузку, а регулирующий компрессор компенсирует изменение расхода.

7. Предусмотрите центральное управление

Для станции из нескольких агрегатов следует рассмотреть общий контроллер.

Он позволит:

• автоматически выбирать комбинацию компрессоров;

• поддерживать стабильное давление;

• уменьшать холостой ход;

• чередовать машины;

• контролировать моточасы;

• организовать автоматический ввод резерва.

8. Сравните полную стоимость владения

Необходимо учитывать:

• цену компрессоров;

• монтаж;

• автоматику;

• электроэнергию;

• техническое обслуживание;

• расходные материалы;

• стоимость резервирования;

• потенциальную стоимость простоя.

Только после этого можно определить экономически выгодную схему.

Для действующей компрессорной полезно предварительно провести аудит системы сжатого воздуха. Он позволяет определить реальный расход и характер изменения нагрузки, вместо того чтобы подбирать оборудование только по паспортным данным потребителей.

Какую схему выбрать: 1×250, 2×132 или 3×90 кВт

Упрощённо выбор можно представить следующим образом.

1×250 кВт — если расход практически постоянный, требуется простая система и уже решён вопрос резервирования.

2×132 кВт — если есть два выраженных уровня потребления и необходимо сохранить хотя бы часть производительности при остановке одного агрегата.

3×90 кВт — если расход сильно изменяется, важна гибкость, необходимо удобное ступенчатое управление и есть возможность построить полноценную схему N+1.

Для непрерывного производства особенно интересна схема:

базовый компрессор + базовый компрессор + частотно-регулируемый компрессор + центральный контроллер.

При этом точное количество и мощности агрегатов должны определяться по фактическому графику потребления воздуха.

Нельзя выбирать схему только потому, что:

250 ≈ 132 + 132 ≈ 90 + 90 + 90 кВт.

Мощность электродвигателя — не производительность компрессорной станции.

Сравнивать необходимо:

м³/мин при требуемом давлении + удельное энергопотребление + график нагрузки + резервирование + стоимость владения.

Заключение

Один большой компрессор может быть экономически рациональным при стабильной круглосуточной нагрузке и наличии отдельного резерва. Такая система проще, содержит меньше оборудования и требует меньше точек обслуживания.

Для производства с переменным расходом и высокими требованиями к надёжности несколько компрессоров часто дают больше возможностей. Система может отключать лишние агрегаты при снижении потребления, подключать их во время пиков, использовать частотный компрессор для точного регулирования и сохранять подачу воздуха при обслуживании или аварии одной машины.

Главное правило при проектировании — оценивать не количество компрессоров и не суммарные киловатты, а фактическую производительность, график потребления, энергозатраты и допустимый риск остановки производства.

Подобрать конфигурацию компрессорной станции можно по оборудованию из каталога Kraftmachine.

Один большой или несколько небольших компрессоров: сравниваем схемы 1×250, 2×132 и 3×90 кВт, резервирование N+1, ЧРП, управление и риски простоя производства.