Compresores VSD consiguen un 55% de ahorro energético en fábrica de inyección de plástico

En el siguiente post vamos a ver cómo ha sido la experiencia de una fábrica de inyección de plásticos que ha cambiado su antiguo sistema de compresores de aire modulantes por un sistema más nuevo que utiliza compresores VSD

Descripción del sistema de aire comprimido de la planta

La planta produce piezas de plástico moldeadas y sopladas en un programa de tres turnos de 5 días a la semana. La producción y el mantenimiento se realizan los fines de semana, lo que requiere que los compresores de aire funcionen las 24 horas del día, por lo que la práctica era dejar el sistema de aire comprimido siempre presurizado. El sistema constaba de tres compresores de tornillo lubricados, uno de 150 CV y los otros de 125 CV (3 unidades), cada uno de ellos controlado por sus propios sistemas de control. El sistema también contaba con secadores de aire refrigerados no cíclicos para cada compresor. El perfil de caudal de aire tenía un componente base bastante constante, pero con una alta variabilidad ocasional en función de la maquinaria de producción que estuviera funcionando.

Evaluación inicial del sistema de aire comprimido

Se llamó a la compañía eléctrica local para que realizara un estudio de alcance del sistema. Se colocaron registradores de datos en el sistema de 100 psi, que mostraron que el sistema de aire comprimido funcionaba de forma ineficiente debido al control modulante del compresor donde la potencia de un compresor se varía para satisfacer los requisitos de caudal, normalmente utilizando una válvula de entrada. En el control modulante, la válvula de entrada de los compresores ahoga el aire de entrada, reduciendo la salida del compresor en respuesta al cambio de presión del sistema. Cuando se produce esta modulación se produce una reducción de los amperios del compresor a medida que aumenta la presión. Los otros amperios del compresor de 125 CV más pequeños aumentan en los momentos de aumento de la presión, y disminuyen en los momentos en que la presión se reduce. Esto no es modulación, sino que demuestra que el compresor está en reducción, a máxima capacidad, con la válvula de entrada completamente abierta.

Los fines de semana, los amperios de los 125 CV empiezan a bajar a medida que aumenta la presión. Esto es una señal de que la válvula de entrada se está cerrando bajo una carga ligera, creando el peor escenario posible, dos compresores modulantes compartiendo la carga.

Además, existe un tercer compresor con amperios mucho más bajos. Este compresor estuvo funcionando sin carga durante el primer tercio del perfil y se apagó manualmente a mitad de camino. Sin embargo, la unidad sigue consumiendo amperios aunque el motor no esté funcionando. Esto se debe a que los condensadores de corrección del factor de potencia instalados consumen amperios (no potencia) cuando están energizados.

Un perfil como éste presentaba un problema a la hora de estimar el caudal basándose en los amperios (no había ningún caudalímetro instalado en ese momento), ya que una reducción de amperios puede significar dos cosas diferentes, o bien una carga completa en reducción o bien un compresor en modulación a carga parcial. Hubo que tener cuidado al simular un perfil de flujo en este caso para poder calcular con precisión el ahorro estimado.

El auditor del sistema descubrió que el consumo de energía era de 2.740.000 kWh al año. Este consumo de energía representa aproximadamente el 10% de la carga eléctrica total de la instalación. La potencia específica del sistema se calculó en unos 22,5 kW por 100 cfm, lo que equivale a una cantidad justa para un sistema de aire comprimido de este tamaño.

Se calculó que podría obtenerse un ahorro del 35% aplicando diversas medidas de conservación de la energía en la planta y que podría concederse una rebaja energética considerable para pagar los cambios.

Integración de compresores VSD y el secuenciador del compresor de aire

La primera recomendación fue controlar los compresores. La modulación es una de las peores formas de hacer funcionar los compresores a carga parcial. Las mejoras consistieron en tres medidas de conservación. La primera fue actualizar uno de los compresores más antiguos a una unidad de velocidad variable de dos etapas más eficiente. Esto tenía el potencial de renovar el sistema de producción de aire comprimido, proporcionar una mayor eficiencia y ofrecer una excelente reducción de la carga parcial para adaptarse a las cargas variables. Se recomendó la utilización de un secuenciador de compresores para proporcionar un buen control de los restantes compresores de base, compuestos por los restantes 150 CV y 125 CV. Se añadió un gran depósito de almacenamiento, de un tamaño de 2.000 galones, para facilitar el control de los compresores.

El controlador seleccionado dispone de un modo de eficiencia energética capaz de seleccionar el tamaño de compresor adecuado para funcionar en función de la carga del sistema. Esto ocurre mientras se mantiene el compresor VSD como unidad de ajuste, tomando la carga parcial. El controlador detecta la presión aguas abajo del secador de aire y controla el hundimiento típico causado por el secador y el diferencial de presión del filtro. El controlador está interconectado con los compresores de base de forma que obliga a las unidades a funcionar a plena carga. Por el contrario, si el compresor no es necesario, la unidad se descargará y se apagará utilizando sus controles locales de arranque automático. La verificación de la carga demostró que esta estrategia de control funcionaba muy bien, ya que los compresores de base sólo tenían un 1% de tiempo de funcionamiento sin carga en todo el perfil final.

Combatir la demanda artificial de los secadores y filtros de aire comprimido

Además, hubo otros cambios en el sistema. Los secadores de aire eran unidades no cíclicas que consumían un total de unos 8 kW en todo momento. Se trata de una potencia nominal casi completa, incluso cuando el compresor de aire asociado está apagado. Se recomendó la compra de un único secador de masa térmica nuevo, dimensionado para todos los compresores, para reducir la potencia en proporción a la carga de humedad de la producción de aire comprimido. El ahorro global fue del 78% en comparación con una unidad de tamaño similar no cíclica.

La pérdida de presión del filtro, que suele ser de 3 a 5 psi, se soluciona instalando un filtro principal de tipo eliminador de gotas con una caída de presión media de unos 0,5 psi. Se instalaron drenajes sin aire en los filtros, secadores y compresores para reducir la pérdida de aire comprimido.

Se comprobó que la carga de producción era sensible a la presión. Por tanto, cuanto mayor era la presión de la planta, más aire demandaban las máquinas (lo que se denomina demanda artificial). Se recomendó la instalación de un controlador de caudal para regular la presión de la planta a un nivel más bajo, manteniendo la presión del compresor un poco más alta. Esto permitía un buen control de los compresores sin alterar el nivel de la planta.

Resultados de la auditoría energética

Tras la instalación, la compañía eléctrica volvió y realizó un registro de verificación. El sistema consumía unos 1.242.200 kWh y producía unos 1.050 cfm de aire comprimido. Esto supone un ahorro de energía del 55%. Esto era considerablemente diferente a los valores previstos. El gran cambio fue que la planta empezó a apagar su sistema los fines de semana para ahorrar energía. La potencia específica del sistema, cuando está en funcionamiento, es ahora de 18,5 kW/100 cfm, lo que supone un ahorro de aproximadamente el 18% en la eficiencia de la producción de aire comprimido. El resto del ahorro se debió a la reducción del caudal de aire comprimido y a la disminución de las horas de funcionamiento.

El posterior registro de datos de aire comprimido descubre un problema

Varios años después, la compañía eléctrica aprobó otro registro de datos por parte del proveedor de aire comprimido para comprobar si se mantenía el ahorro de la verificación original. La evaluación determinó que la mayor parte del equipo de producción de aire comprimido funcionaba adecuadamente, pero, por desgracia, el controlador del compresor había funcionado mal, sin que los operarios de la planta lo supieran. Esto provocó que uno de los compresores siguiera funcionando durante el fin de semana en modo carga/descarga, a pesar de que había un compresor eficiente de dos etapas disponible. La planta no tenía forma de supervisar la eficiencia del sistema de aire comprimido, por lo que la eficiencia energética había disminuido inadvertidamente. La planta se dio cuenta de ello tras discutirlo con la empresa de servicios públicos y corrigió la situación.

Conclusiones en el uso de compresores de aire VSD

Este proyecto muestra el tipo de ahorro que puede obtenerse no sólo sustituyendo los compresores, sino también incorporando compresores VSD y una mayor capacidad de almacenamiento. Otras medidas adicionales, como los secadores de aire eficientes y el control del caudal, permitieron un ahorro adicional al que podía aportar el equipo de producción eficiente. Por supuesto, se consiguió un ahorro sustancial simplemente apagando los compresores durante las horas de no producción. A pesar de contar con un buen control, el registro adicional demostró que, si no se supervisa la eficiencia del sistema, su funcionamiento podría perder eficacia con el paso del tiempo.