امروزه با گسترش صنایع مختلف و به ویژه صنایع غذایی ، سیستم های سرمایش صنعتی به عنوان یکی از نیازهای اساسی تولید و نگهداری محصولات ، با رشدی فزاینده روبرو هستند. این رشد چشمگیر ، باعث افزایش سهم مصرف این سیستم ها از انرژی برق تولیدی در کشور گردیده است .

در این مقاله به بررسی کاربرد اینورتر ها به عنوان شناخته شده ترین روش کاهش مصرف انرژی برق در کمپرسور های امونیاکی می پردازیم . برای این رهگذر ، ابتدا به بررسی نقش کمپرسور در سیستم سرمایش ، روش های مکانیکی کنترل ظرفیت کمپرسورو روش های راه اندازی کمپرسورها می پردازیم . سپس با بررسی دلایل و نمودار های مربوطه به تشریح علل و میزان کاهش مصرف می پردازیم.

1-کمپرسور

کمپرسور به عنوان قلب سیستم سرمایش شناخته می شود که دارای دو عملکرد پایه می باشد :

1-حفظ فشارپایین به وسیله مکش درسپراتور یا اواپراتور با هدف تبخیر مبرد در دمای مطلوب

2-فشرده کردن مبرد در حالت گاز جهت میعان در فشار نرمال

کمپرسور هابه طورمتوسط بین 60% تا 80% توان مصرفی یک سیستم سرمایش آمونیاکی را به خود اختصاص می دهند، در نتیجه بهینه سازی مصرف در این بخش بیشترین اثر را در کاهش کل مصرف سیستم و هزینه ها را در بر خواهد داشت.

2-سیستم کنترل کمپرسور

وظیفه اصلی سیستم کنترل کمپرسور تنظیم ظرفیت کمپرسور متناسب با بار سرمایش سیستم و حفظ دمای تبخیر به میزان مطلوب می باشد.در واقع از طریق تنظیم فشارمکش کمپرسور ، فشار و دمای تبخیر به میزان مطلوب رسیده و به این واسطه دمای مصرف کننده (اتاق های نگهداری ، چیلر و ...) تنظیم می گردد. به علاوه ، برای حفظ عملکرد بهینه و مطمئن سیستم ضروری است که کلیه فشار ها و دماهای کمپرسور اعم از مکش ، دهش و روغن در محدوده مشخص باشد ، در غیر این صورت سیستم کنترل موظف است از کارکردکمپرسور جلوگیری کند.

3-کنترل ظرفیت کمپرسور (Capacity Control System)

کمپرسور در یک سیستم سرمایش همواره متناسب با پاسخگویی به بیشترین بار سرمایش سیستم انتخاب می شود. اگرچه به طور عمومی ، بار سیستم در حالت کاری نرمال کمتر از بار طراحی می باشد. این بدین معنی است که کنترل ظرفیت کمپرسور متناسب با بار گرمایی واقعی سیستم یک امر ضروری است. چندین راه متدوال برای کنترل ظرفیت کمپرسور ها وجود دارد که به شرح زیر می باشد.

کنترل پله ای (Step control)

این روش در سیستم های مختلف به صور مختلفی قابل اجرا می باشد. در کمپرسور های پیستونی به معنی بی بار کردن بخشی از سیلندرها ، در کمپرسور های اسکرو به معنی باز و بسته کردن ورودی های (Port) مکش (Suction) و در سیستم هایی با چند کمپرسور به مفهوم راه اندازی ویا توقف بخشی از کمپرسور ها می باشد.

کنترل اسلاید والو (Slide valve control)

این روش متداول ترین راه برای کنترل ظرفیت کمپرسور های اسکرو می باشد. عملکرد اسلاید والو که توسط فشار روغن جابجای می شود بدین صورت است که با محدود کردن میزان مارپیچ زیر بار به بخشی از گاز مکش اجازه می دهد که فشرده نشوند. اسلاید والو امکان یک کنترل نرم و پیوسته را از 10% تا 100% ظرفیت مکانیکی را فراهم می اورد ولی باعث افت راندمان در وضعیت کم باری کمپرسور (Part Load) می شود.

کنترل با سرعت متغیر (Variable speed control)

این روش برای انواع کمپرسور اجرایی و بهینه است. یک موتور دو سرعته یا یک مبدل فرکانسی می تواند برای تغییر سرعت کمپرسور استفاده شود. یک موتور دوسرعته می تواند ظرفیت کمپرسور را بدین گونه تنظیم کند که با افزایش بار گرمایی (دوره بارگیری محصول و کاهش دمای آن) سیستم در سرعت بالا و با کاهش ان (دوره نگهداری محصول) در سرعت پایین کار کند.

مبدل های فرکانسی امکان تغییر سرعت چرخش را به صورت پیوسته فراهم آورده که توسط ان تامین بار واقعی سیستم میسر می گردد. مبدل فرکانسی می بایستی حداقل و حداکثر سرعت ، دما و فشار مورد کنترل و حفاظت موتور توسط حدود جریان و گشتاور را فراهم کند.

بای پس گاز گرم (Hot gas bypass)

این روش برای کمپرسورهایی با ظرفیت ثابت ، کاربردی بوده و در سیستم های سرمایش تجاری (نه صنعتی) رایج می باشد. برای کنترل ظرفیت سرمایش ، بخشی از گاز گرم دهش (Discharge) به بخش فشار پایین (Suction) سیستم تزریق مجدد می گردد. این کار به دو دلیل باعث کاهش ظرفیت سرمایش می شود. اول با کاهش میزان مبرد مایع پس از میعان (Condense) و برگشت به اواپراتور و دوم با ازاد کردن گرما در بخش فشار پایین سیستم (افزایش فشار مکش)

4-راه اندازی کمپرسور

در این بخش به معرفی متداول ترین روش های راه اندازی کمپرسور ها می پردازیم. شایان ذکر است با توجه به راه اندازی کمپرسور ها به صورت بی بار (کم بار) ، منحنی های ارائه شده در این بخش بر اساس این نوع بار می باشد.

راه اندازی مستقیم (Direct On-Line)

این روش اسان ترین روش راه اندازی موتور ها بوده که غالبا در سیستم های صنعتی برای موتورهای کمتر از 22 KW توصیه می گردد. بزرگترین عیب این سیستم جریان و گشتاور راه اندازی بالای سیستم می باشد که بین 6 تا 8 برابر جریان موتور می باشد. این جریان راه اندازی بالا باعث وارد امدن استرس الکتریکی به سیستم برق اصلی و تنش مکانیکی شدید به تسمه ها ، کوپلینگ ها و همچنین به خود کمپرسور می گردد و سبب کاهش طول عمر موتور و کمپرسو ر و همچنین هزینه های بالای تعمیر و نگهداری سیستم می شود.

راه اندازی ستاره – مثلث(Star/Delta)

این روش متداول ترین روش راه اندازی در ایران می باشد زیرا دارای مداری نسبتا ساده و کم هزینه بوده و امکان کنترل جریان راه اندازی را تا حد قابل قبولی فراهم می آورد. در این روش به علت راه اندازی موتور در حالت ستاره جریان و گشتاور راه اندازی تا حدود 33% حالت مستقیم یا مثلث کاهش می یابد. البته این یک عدد تئوری بوده و در حالت عملی گشتاور راه اندازی در حالت ستاره حدود 25% حالت مستقیم می باشد ( این کاهش به دلیل وجود تلفات اضافی و دیگر شرایط عملکردی می باشد).

بزرگترین نکته منفی در راه اندازی ستاره مثلث ، جریان بالای ضربه ای حالت گذر از ستاره به مثلث است که اثرات منفی روش راه اندازی مستقیم را با تاثیری کمتر به سیستم وارد می کند.

شایان ذکر است یکی از ویژگی های راه اندازی ستاره- مثلث علاوه بر کاهش استرس بر روی تجهیزات ، کاهش قابل ملاحظه استرس برروی سیستم برق اصلی کارخانه نیز می باشد.

راه انداز نرم(Soft Starter)

این روش در سالهای اخیر با استقبال زیادی از طرف صاحبان صنایع و مهندسین روبروشده زیرا همانند راه اندازی ستاره –مثلث باعث کاهش جریان راه اندازی می شود. اصلی ترین ویژگی و تفاوت راه اندازهای نرم با ستاره-مثلث از بین بردن ضربه گذر از ستاره به مثلث بوده که فاقد معایب موجود در روش های مذکوربوده و طول عمر موتور را افزایش و هزینه های تعمیر و نگهداری سیستم را به شدت کاهش می دهد.

نکته : متاسفانه بسیاری از صاحبان صنایع و حتی مهندسین به اشتباه تصور می کنند که راه انداز های نرم باعث کاهش جریان راه اندازی نسبت به سیستم ستاره-مثلث می شوند که این امر کاملا اشتباه است . اگرچه در برخی کاربردها و شرایط ویژه بار ممکن است این اتفاق رخ دهد ولی به هیچ عنوان این توقع از راه انداز نرم وجود ندارد.

برای مثال حدود جریان مجاز راه اندازی برای کمپرسور های امونیاکی توسط راه انداز های نرم بین 3 تا 5 برابر جریان نامی می باشد . این عدد برگرفته از تنظیمات پیشنهادی شناخته شده ترین تولید کنندگان راه انداز های نرم جهان می باشد.

راه اندازی توسط مبدل های فرکانسی (Frequency Drive)

این روش در ایران به صورت بسیارمحدودی مورد استفاده قرار می گیرد. راه اندازهای فرکانس متغییر VFD(که راه انداز سرعت متغییر VSDویا اینورتر نیز نامیده می شوند ) با امکان تغییر فرکانس از 0Hz تا 50 و 60 Hz ، امکان راه اندازی موتور با جریان راه اندازی صفر را فراهم می اورند. صرفا از نظر راه اندازی این ویژگی اگرچه منحصر به فرد و ایده ال بوده ولی با در نظر گرفتن قیمت بالای VFD ها مقرون به صرفه نمی باشد.

نکته : یکی از رایج ترین دلایل استفاده از VFD ها صرفا به منظور راه اندازی کمپرسور ها ، محدودیت های موجود در برق اضطراری کارخانه و دیزل ژنراتور ها می باشد. برای مثال یک کمپرسور با الکتروموتور با توان نامی(433A) 250 KW در طول مدت راه اندازی که بین 8 تا 14ثانیه به طول می انجامد جریان راه اندازی بین 1400 تا 1700 آمپر را از سیستم می کشد . ولی پس از راه اندازی ممکن است توانی معادل 150KW را مصرف کند. بسیاری از دیزل ژنراتور ها امکان تحمل جریان راه اندازی بسیار محدودی را در مدت زمان بسیار کوتاهی را دارا می باشند در نتیجه در هنگام راه اندازی موتور در حالت خطا قرار گرفته و خاموش میشوند. (35% جریان نامی برای اولین مرحله بارگیری و اضافه بار حدود 10% برای مدت زمان حدود 2 ثانیه)

این مشکل به دو روش قابل حل است . اولی ، خرید یک دیزل ژنراتور با توانی حدود 2 برابر مورد نیاز میباشد که خود هزینه اولیه ، کارکرد و نگهداری بالاتری دارد(یعنی خرید یک دستگاه دیزل ژنراتور با حدود توان 800KVA (640 KW) برای راه اندازی کمپرسوری با موتور 250 KW ). روش دوم ، راه اندازی توسط VFD می باشد که خرید یک دیزل ژنراتور در حدود توان موتور را میسر می سازد.

5-تشریح عملکرد و کنترل ظرفیت در کمپرسور های امونیاکی (Ammonia Compressors)

با توجه به میزان بار و ظرفیت سیستم های سرمایش صنعتی ، کمپرسور های پیستونی و اسکرو متداول ترین کمپرسور های تولیدی در این صنعت می باشد. بیشترین پروژه هایی که در ان از سیستم سرمایش امونیاکی استفاده می شوند عبارتند از : سردخانه های نگهداری میوه و مواد پروتئینی، کارخانه های تولید محصولات لبنی و پروتئینی ، مراکز صید و پرورش شیلات و ابزیان، کشتار گاه دام و طیور و کارخانجات یخسازی

کمپرسور های پیستونی (Reciprocating Compressor) کمپرسور های پیستونی معمولا در سیستم های امونیاکی که ظرفیت بالایی ندارند استفاده می شوند. متداول ترین سیستم های کنترل ظرفیت برای کمپرسور های پیستونی ، سیستم پله ای بوده که در ان به صو رت مرحله به مرحله تعداد سیلندر های زیر بار افزایش یا کاهش می یابند.در این کمپرسور ها درصد ظرفیت به صورت پله ای (متناسب با تعداد سیلندر ها) کنترل می شوند. در این کمپرسور ها معمولا دو سیلندر اول به صورت دائم زیر بار میباشند یعنی به محض راه اندازی کمپرسور،سیلندر های مذکور درگیر می شوند. کمپرسور های اسکرو (Screw Compressor)

در کمپرسور های اسکرو آمونیاکی ، متداول ترین روش، کنترل توسط اسلاید والومی باشد. در این سیستم توسط جابجایی یک قطعه در داخل کمپرسور امکان درگیر کردن بخش بیشتری از مارپیچ فراهم می شود. این درصد درگیری معمولا بین 10% تا 100% بوده ولی متناسب با مدل و سازنده کمپرسور درصد ابتدایی ممکن است تغییر کند.

شایان ذکر است برخی از کمپرسورهای اسکرو با ظرفیت های پایین (Compact Screw ) اگرچه توسط اسلاید والو کنترل ظرفیت می شوند ولی به دلیل وجود شیر برقی های کنترل ظرفیت در محل های مشخص امکان کنترل پله ای به صورت (25,50,75,100) را نیز فراهم می آورند.

6-تغییرات راندمان کمپرسور ها متناسب با تغییرات ظرفیت

به طور کلی ، یکی از ویژگی هایی کمپرسور ها این است که در ظرفیت های کم ( Part Load ) راندمانی به مراتب پایین تر از وضعیت کاملا زیر بار (Full load) دارند، این نکته در کمپرسور های اسکرو بسیارچشمگیر تر از کمپرسور های پیستونی است.

همانگونه که د رنمودار های زیر می بینید ، با افزایش ظرفیت از 25% به 100% میزان راندمان سیستم (COP) افزایش می یابد.

در کمپرسور های اسکرو با افزایش ظرفیت از 10% به 100% میزان راندمان سیستم (COP) به شدت افزایش می یابد.

7-بهینه سازی مصرف انرژی در کمپرسور های امونیاکی با استفاده از VFD

همانگونه که درنمودار بالا نیز مشاهده شد، با توجه به افزایش شدید COP با افزایش ظرفیت کمپرسور (25% افزایش COP با تغییر ظرفیت کمپرسور از 50% به 100%) این ایده به ذهن خطور می کند که آیا می توان با حفظ بالاترین راندمان ممکن ظرفیت سرمایش کمپرسور را تغییر داد؟

یکی از بهترین راه های کنترل ظرفیت این است که به جای کاهش ظرفیت کمپرسور توسط اسلاید والو ، ظرفیت کمپرسور را توسط اسلاید والو برروی 100% قرار داده و برای کنترل ظرفیت کمپرسور از تغییر فرکانس و در نتیجه آن تغییر سرعت کمپرسور استفاده کنیم. در این حالت سرعت فشرده کردن گاز کاهش و یا افزایش می یابد و در نتیجه آن ظرفیت کمپرسور تغییر می کند.

کمپرسور های پیستونی :

در این کمپرسور ها ، ابتدا به صورت پله ای ولی در مدت زمان مشخص کلیه سیلندر ها زیر بار رفته و سپس سرعت موتور توسط VFD و متناسب با فشار مکش کمپرسور کنترل می شود.

برای بررسی مقایسه اختلاف مصرف انرژی در کمپرسور پیستونی به نمودار بالا دقت کنید.

همانگونه که می بینید، توان مصرفی (Absorbed Power) کمپرسور برای 318KW توان برودت در حالت سنتی (ظرفیت 75% ) برابر 88KWبوده ولی همین توان در حالت کنترل توسط VFD (ظرفیت 100% و فرکانس 37Hz ) برابر 82KW خواهد بود. این اختلاف توان برابر 6KW بوده و میزان 6% صرفه جویی در مصرف انرژی را به همراه خواهد داشت.

Point 1

Q1 = 318 KW ( SV :75%) => P1 = 88 KW

Q2= 318 (SV:100% ,f : 37Hz) => P2 = 82 KW

Saved Energy : P1 – P2 = 6 KW (7% )

کمپرسور های اسکرو :

در این کمپرسور ها ، ابتدا توسط قرار دادن موقعیت سلاید والو در وضعیت 100% ، کمپرسور را به صورت کامل زیر بار برده و سپس سرعت موتور را توسط VFD و متناسب با فشار مکش کمپرسور تغییرداده و کنترل می شود.

مقایسه اول ( Point 1)

Q1 = 523 KW ( SV :50%) => P1 = 141 KW

Q2= 414 (SV:100% ,f : 25Hz) => P2 = 120 KW

Saved Energy : P1 – P2 = 21 KW (15% )

مقایسه دوم ( Point 2)

Q1 = 650 KW ( SV :70%) => P1 = 165 KW

Q2= 650 (SV:100% ,f : 36Hz) => P2 = 144 KW

Saved Energy : P1 – P2 = 21 KW (13% )

8-محاسبه کاهش مصرف سالیانه درصورت استفاده از VFD

به دلایل مختلفی از جمله عدم یکنواختی تولید ، بسیاری از سردخانه ها در ایران در زمان بسیار محدودی از سال با ظرفیت کامل کار می کنند . این امر سبب می شودکه غالبا کمپرسور ها در حالت part load و در و با ظرفیت های پایین ( حدود 10% تا 60% ) کار کنند . این وضعیت کارکرد بیشترین مزیت اقتصادی را برای کنترل ظرفیت با VFD ها را سبب می شود.

برای بررسی میزان تقریبی کاهش مصرف انرژی ، ساعت کارکرد کمپرسور ها را به صورت روزانه اندازه گیری کردیم و از اپراتور ها در خواست کردیم که بیشترین ظرفیت کاری کمپرسور در هر بازه زمانی را اندازه گیری کنند، سپس از انها میانگین گیری کردیم و به جداول زیر رسیدیم. متناسب با توان برودتی در هر ظرفیت ، توان جذبی نظیر انرا نوشتیم. سپس از طریق جداول و منحنی عملکرد کمپرسورها ، بررسی کردیم که کمپرسور در صورت کنترل ظرفیت با VFD ، توان برودتی مورد نیاز را در چه فرکانسی تامین می کند و دراین حالت چه مقدار توان جذب می کند.

مثال :

یک سردخانه نگهداری دارای سیستم بالای صفر و زیرصفر

کمپرسور بالای صفر : MYCOM SCREW COMPRESSOR – N200VLD-M با الکتروموتور 250KW با ظرفیت حداکثر ظرفیت سرمایش : 934KW ، شرایط کارکرد : -10°C /37°C

کمپرسور زیر صفر : MYCOM SCREW COMPRESSOR – N200VLD-M با الکتروموتور 90KW با ظرفیت حداکثر ظرفیت سرمایش : 477KW ، شرایط کارکرد : -25°C /+37°C

کمپرسور بالای صفر:

میزان کل کاهش توان مصرفی روزانه

: 623 KW

تعداد روزهای سال

: 365 Hour

میزان کل کاهش انرژی سالیانه

: 457.2 KW x 365 = 227,395 KWh

بهای متوسط هر کیلووات ساعت

: 580 Rial

کل میزات صرفی جویی سالیانه

:131,889,100 Rial

کمپرسور زیر صفر:

میزان کل کاهش توان مصرفی روزانه

: 681 KW

تعداد روزهای سال

: 365 Hour

میزان کل کاهش انرژی سالیانه

: 681 KW x 365 = 248,565 KWh

بهای متوسط هر کیلووات ساعت

: 580 Rial

کل میزات صرفی جویی سالیانه

: 144,167,700 Rial

محاسبه زمان بازگشت سرمایه : : 400,000,000 Rial

هزینه خرید و نصب VFD با توان 250KW

: 3 Year

حداکثر زمان بازگشت سرمایه در کمپرسور بالای صفر

: 170,000,000 Rial

هزینه خرید و نصب VFD با توان 90KW

: 1.1Year

حداکثر زمان بازگشت سرمایه در کمپرسور زیرصفر

یک سردخانه نگهداری میوه در تهران دارای سیستم بالای صفر

کمپرسور بالای صفر : MYCOM SCREW COMPRESSOR – N200VLD-M با الکتروموتور 250KW با ظرفیت حداکثر ظرفیت سرمایش : 934KW ، شرایط کارکرد : -10°C /35°C

میزان کل کاهش توان مصرفی روزانه

: 713 KW

تعداد روزهای سال

: 365 Hour

میزان کل کاهش انرژی سالیانه

: 558 KW x 365 = 260,245 KWh

بهای متوسط هر کیلووات ساعت

: 580 Rials

کل میزات صرفی جویی سالیانه

: 150,942,100 Rial

محاسبه زمان بازگشت سرمایه :

: 400,000,000 Rials

هزینه خرید و نصب VFD با توان

: 2.6 Year

حداکثر زمان بازگشت سرمایه در کمپرسور بالای صفر

نحوه محاسبه هزینه برق مصرفی

بهای برق مصرفی پایه در این محاسبات بر اساس شرایط زیر و با احتساب مبلغ برق مصرفی و مالیات بر ارزش افزوده محاسبه گردیده است.

مشترک با توان قراردادی 240KW

عنوان و کد تعرفه : صنعتی (4-الف-2)

نسبت توان مصرفی میان باری : 86%

نسبت توان مصرفی اوج بار و کم باری : 14%

شایان ذکر است در محاسبه میزان بهای برق مصرفی سالیانه ، شرایط میانه بررسی شده تا حداکثر زمان بازگشت سرمایه به دست آید. ولی با احتساب فاکتور های موثر در قبوض مانند افزایش در صد اوج بارمصرفی، بهای فصل و ... این هزینه افزایش می یابد.

9-جمع بندی:

به صورت خلاصه می توان بیان کرد که استفاده از VFD ها در مدار راه اندازی کمپرسور ، ویژگی های منحصر به فردی را به سیستم می افزاید و این در حالی است که مدت زمان برگشت این سرمایه گزاری بین یک تا سه سال بوده که از توجیه اقتصادی بالایی برخوردار است .از جمله این ویژگی ها می توان به جلوگیری از ایجاد تنش های مکانیکی برای کمپرسور و تنش الکتریکی در برق اصلی مجموعه ، کاهش مصرف انرژی و به طبع ان کاهش چشمگیر هزینه های تعمیر و نگهداری و همچنین افزایش طول عمر تجهیزات اشاره کرد.

منابع :

-ارشیو فنی ، شرکت مهندسی پرتیکان صنعت پرشیا – واحد مهندسی فروش

-ارشیو برق و کنترل ، شرکت مهندسی پرتیکان صنعت پرشیا – واحد تحقیق و توسعه

-ارشیو گزارش فنی و کارکرد تجهیزات ، شرکت مهندسی پرتیکان صنعت پرشیا – واحد خدمات پس از فروش

-ارشیو گزارش فنی و کارکرد تجهیزات ، شرکت برودتی و حرارتینیک – واحد خدمات پس از فروش

دانلود pdf