Les compresseurs à vitesse variable obtiennent une économie d'énergie de 55% dans une usine d'injection plastique

Dans le post suivant, nous allons examiner l'expérience d'une usine d'injection plastique qui a remplacé son ancien système de compresseurs d'air modulantes par un nouveau système utilisant compresseurs à vitesse variable

Description du système d'air comprimé de l'usine

L'usine produit des pièces moulées et soufflées en plastique selon un programme de trois équipes, cinq jours par semaine. La production et la maintenance sont effectuées les week-ends, ce qui oblige les compresseurs à fonctionner 24h/24 et 7j/7. Par conséquent, la pratique habituelle était de maintenir le système d'air comprimé sous pression en permanence. Le système comprenait trois compresseurs à vis lubrifiés, un de 150 CV et les deux autres de 125 CV (3 unités), chacun contrôlé par son propre système de commande. Le système était également équipé de sécheurs d'air réfrigérés non cycliques pour chaque compresseur. Le profil du débit d'air présentait une composante de base assez constante, mais avec une variabilité occasionnelle élevée en fonction des machines de production en fonctionnement.

Évaluation initiale du système d'air comprimé

La compagnie d'électricité locale a été appelée pour réaliser une étude d'évaluation du système. Des enregistreurs de données ont été placés sur le système de 100 psi, ce qui a montré que le système d'air comprimé fonctionnait de manière inefficace en raison de la régulation modulante du compresseur, où la puissance d'un compresseur est modifiée pour répondre aux exigences de débit, généralement à l'aide d'une soupape d'admission. Dans la régulation modulante, la vanne d'entrée des compresseurs étrangle l'air d'entrée, réduisant la puissance du compresseur en fonction de la variation de la pression du système. Cette modulation se traduit par une réduction de l'intensité du compresseur à mesure que la pression augmente. Les autres compresseurs de 125 ch, plus petits, voient leur intensité augmenter lorsque la pression augmente et diminuer lorsqu'elle diminue. Il ne s'agit pas d'une modulation, mais d'une indication que le compresseur est en réduction, à pleine capacité, avec la vanne d'admission complètement ouverte.

Les fins de semaine, les ampères des 125 CV commencent à baisser à mesure que la pression augmente. Cela indique que la vanne d'admission se ferme sous faible charge, créant le pire scénario possible, deux compresseurs modulaires partageant la charge.

En plus, il existe un troisième compresseur avec des ampérages beaucoup plus bas. Ce compresseur a fonctionné à vide pendant le premier tiers du profil et a été arrêté manuellement à mi-chemin. Cependant, l'unité continue de consommer des ampérages bien que le moteur ne tourne pas. Cela est dû au fait que les condensateurs de correction du facteur de puissance installés consomment des ampérages (pas de puissance) lorsqu'ils sont sous tension.

Un tel profil présentait un problème pour estimer le débit en se basant sur les ampères (aucun débitmètre n'était installé à ce moment-là), car une réduction des ampères pouvait signifier deux choses différentes : soit une pleine charge réduite, soit un compresseur en modulation à charge partielle. Il a fallu être prudent lors de la simulation d'un profil de débit dans ce cas pour pouvoir calculer avec précision les économies estimées.

L'auditeur du système a découvert que la consommation d'énergie était de 2 740 000 kWh par an. Cette consommation d'énergie représente environ 10% de la charge électrique totale de l'installation. La puissance spécifique du système a été calculée à environ 22,5 kW pour 100 cfm, ce qui est une quantité juste pour un système d'air comprimé de cette taille.

Il a été calculé qu'une économie de 35% pourrait être réalisée en appliquant diverses mesures de conservation de l'énergie dans l'usine et qu'une réduction énergétique considérable pourrait être accordée pour payer les changements.

Intégration des compresseurs à vitesse variable et du séquenceur de compresseurs d'air

La première recommandation était de contrôler les compresseurs. La modulation est l'une des pires façons de faire fonctionner les compresseurs à charge partielle. Les améliorations comprenaient trois mesures de conservation. La première consistait à mettre à niveau l'un des anciens compresseurs vers une unité à vitesse variable plus efficace à deux étages. Cela avait le potentiel de revitaliser le système de production d'air comprimé, d'offrir une plus grande efficacité et de fournir une excellente réduction de la charge partielle pour s'adapter aux charges variables. L'utilisation d'un séquenceur de compresseurs a été recommandée pour assurer un bon contrôle des compresseurs de base restants, composés des 150 CV et 125 CV restants. Un grand réservoir de stockage, d'une capacité de 2 000 gallons, a été ajouté pour faciliter le contrôle des compresseurs.

Le contrôleur sélectionné dispose d'un mode d'efficacité énergétique capable de sélectionner la taille de compresseur appropriée pour fonctionner en fonction de la charge du système. Ceci est réalisé tout en conservant le compresseur à vitesse variable (VSD) comme unité de réglage, prenant en charge la charge partielle. Le contrôleur détecte la pression en aval du sécheur d'air et contrôle le laminage typique causé par le sécheur et le différentiel de pression du filtre. Le contrôleur est interconnecté avec les compresseurs de base de telle sorte qu'il oblige les unités à fonctionner à pleine charge. Inversement, si le compresseur n'est pas nécessaire, l'unité sera déchargée et arrêtée à l'aide de ses commandes locales de démarrage automatique. La vérification de la charge a démontré que cette stratégie de contrôle fonctionnait très bien, car les compresseurs de base n'avaient qu'un seul% de temps de fonctionnement sans charge sur l'ensemble du profil final.

Lutter contre la demande artificielle de sécheurs et de filtres à air comprimé

De plus, d'autres changements ont été apportés au système. Les sécheurs d'air étaient des unités non cycliques qui consommaient un total d'environ 8 kW en permanence. Il s'agit d'une puissance nominale quasi complète, même lorsque le compresseur d'air associé est arrêté. L'achat d'un unique nouveau sécheur à masse thermique, dimensionné pour tous les compresseurs, a été recommandé afin de réduire la puissance proportionnellement à la charge d'humidité de la production d'air comprimé. Les économies globales ont été de 78% par rapport à une unité non cyclique de taille similaire.

La perte de charge du filtre, qui est généralement de 3 à 5 psi, est résolue en installant un filtre principal de type séparateur de brouillard avec une perte de charge moyenne d'environ 0,5 psi. Des purges sans air ont été installées sur les filtres, les sécheurs et les compresseurs afin de réduire la perte d'air comprimé.

Il a été constaté que la charge de production était sensible à la pression. Par conséquent, plus la pression de l'usine était élevée, plus les machines consommaient d'air (ce qu'on appelle la demande artificielle). Il a été recommandé d'installer un régulateur de débit pour maintenir la pression de l'usine à un niveau inférieur, tout en maintenant la pression du compresseur légèrement plus élevée. Cela permettait un bon contrôle des compresseurs sans modifier le niveau de l'usine.

Résultats de l'audit énergétique

Après l'installation, la compagnie d'électricité est revenue et a effectué un enregistrement de vérification. Le système consommait environ 1 242 200 kWh et produisait environ 1 050 cfm d'air comprimé. Cela représente une économie d'énergie de 55%. C'était considérablement différent des valeurs prévues. Le changement majeur a été que l'usine a commencé à arrêter son système les week-ends pour économiser de l'énergie. La puissance spécifique du système, lorsqu'il est en fonctionnement, est maintenant de 18,5 kW/100 cfm, ce qui représente une économie d'environ 18%sur l'efficacité de la production d'air comprimé. Le reste des économies a été le résultat de la réduction du débit d'air comprimé et de la diminution des heures de fonctionnement.

L'enregistrement ultérieur des données d'air comprimé révèle un problème

Plusieurs années plus tard, la compagnie d'électricité a approuvé un autre enregistrement de données du fournisseur d'air comprimé pour vérifier si les économies réalisées lors de la vérification initiale étaient maintenues. L'évaluation a déterminé que la majorité de l'équipement de production d'air comprimé fonctionnait correctement. Cependant, le contrôleur du compresseur était tombé en panne sans que les opérateurs de l'usine ne le sachent. Cela a entraîné le fonctionnement d'un des compresseurs pendant le week-end en mode marche/arrêt, alors qu'un compresseur binaire efficace était disponible. L'usine n'avait aucun moyen de surveiller l'efficacité de son système d'air comprimé, ce qui a entraîné une diminution involontaire de l'efficacité énergétique. L'usine s'en est rendu compte à la suite d'une discussion avec la compagnie d'électricité et a corrigé la situation.

Conclusions sur l'utilisation des compresseurs d'air à vitesse variable

Ce projet montre le type d'économies réalisables non seulement en remplaçant les compresseurs, mais aussi en intégrant compresseurs à vitesse variable et une plus grande capacité de stockage. D'autres mesures supplémentaires, telles que des sécheurs d'air efficaces et le contrôle du débit, ont permis des économies supplémentaires par rapport à ce que pouvait apporter un équipement de production efficace. Bien sûr, des économies substantielles ont été réalisées simplement en éteignant les compresseurs pendant les heures de non-production. Même avec un bon contrôle, l'enregistrement supplémentaire a montré que, si l'efficacité du système n'est pas surveillée, son fonctionnement peut perdre de son efficacité au fil du temps.