Sistemas de control para compresores de aire cuando hay un aumento de la demanda

Uno de los grandes retos del diseño de los sistemas de control para compresores de aire es saber cómo gestionar las grandes demandas periódicas de caudal. Los fabricantes de alimentos y bebidas se encuentran entre las industrias de proceso que a menudo se enfrentan a estos eventos. Si a ésto le añadimos las demandas de aire comprimido del envasado in situ, la tarea se complica aún más.

Los grandes sistemas de aire comprimido suelen tener dificultades para suministrar una presión constante durante los picos de producción. Las actividades que requieren un uso intensivo del aire pueden poner a prueba los límites de un sistema. Esto ocurre a menudo en las plantas con múltiples compresores de aire que se han añadido a lo largo del tiempo sin los cambios adecuados en el almacenamiento, los controles y las tuberías.

El suministro de una presión constante en toda la planta mantiene una producción sin problemas. Muchos equipos modernos de producción y envasado están diseñados para funcionar dentro de una estrecha banda de presión y pueden no funcionar correctamente fuera de esa banda. Para evitar que se produzcan desechos, algunos equipos controlan la presión de entrada y se desconectan si la presión es demasiado baja o demasiado alta para funcionar correctamente. Los reguladores de punto de uso pueden evitar la sobrepresurización, pero no las situaciones de baja presión.

La gestión de eventos de alta demanda intermitente requiere la evaluación de múltiples aspectos del sistemas de control para compresores de aire que veremos a continuación:

Controles del compresor de aire

Los controles individuales de los compresores de aire determinan cómo regular el suministro de aire, por ejemplo, control dual, modulación, accionamiento de frecuencia variable (VFD) o desplazamiento variable. Los controles modernos también supervisan e informan del estado de los componentes internos para ayudar a un funcionamiento seguro, a la planificación del mantenimiento y a la resolución de problemas. También suelen mantener registros históricos con marcas de fecha y hora, junto con alarmas y mensajes que pueden enviarse al usuario por diversos medios (correo electrónico, texto, etc.).

Desde el punto de vista del análisis de datos, con una simple conexión Ethernet a la red, se puede tener acceso a información importante en los controles y configurar la mensajería (correos electrónicos, textos) para alertar de eventos concretos. La mayoría de los controladores individuales disponibles hoy en día tienen muchas funciones para ayudar a explicar el funcionamiento del sistema. Examinar los ciclos de trabajo del compresor de aire resulta útil para entender el funcionamiento del sistema, así como dar a conocer información crítica, como la temperatura de funcionamiento, presión, advertencias y alarmas.

Controles principales para compresores de aire

En los sistemas más grandes y de múltiples unidades de compresión, los controles individuales de los compresores de aire se ajustan a los cambios de la demanda, pero sólo hasta cierto punto. Hay que tener en cuenta que normalmente responden a señales de presión en la descarga del compresor de aire, por lo que hay un retraso inherente en la forma en que pueden responder a los cambios de presión a cientos o miles de metros de distancia. Los controles del sistema mejoran el tiempo de respuesta al tomar las señales de presión aguas abajo. Al medir no sólo la presión, sino también la tasa de cambio de la misma, los controles inteligentes pueden elegir qué compresor o compresores de aire deben cargarse y descargarse para mantener una presión constante.

Los controladores principales del sistema hacen que el compresor de aire trabaje en conjunto, asegurando que los compresores de aire estén optimizados, que la dinámica del sistema esté equilibrada y que se mantenga la presión. Otro aspecto clave de los controladores principales es la supervisión de todo el sistema de aire comprimido. Esto puede incluir secadores, filtros, válvulas, múltiples salas de compresores de aire, así como sensores remotos.

Los controladores principales disponen de una gran cantidad de información, desde mensajes y alarmas para compresores de aire individuales, hasta mensajes y alarmas para la estación y todo en un solo lugar. También proporcionan datos y análisis de tendencias, bien limitados en la pantalla, o en algunos casos años de datos disponibles a través de un navegador web. La extracción de estos datos puede ayudar a identificar si el evento de alta demanda es un problema de control del compresor de aire o un problema del punto de uso.

Tuberías y velocidad del aire.

Un punto muy importante sobre los datos, es que sólo son un punto determinado en el tiempo y no necesariamente dan una imagen completa de cómo el sistema está realmente instalado. Las tuberías pueden tener un efecto significativo en el funcionamiento del compresor de aire, especialmente en los sistemas con eventos de alta demanda. Hay una buena cantidad de información de referencia disponible para la selección, el dimensionamiento y el diseño de las tuberías, pero dos puntos principales en los que hay que centrarse es mantener las velocidades manejables y la caída de presión baja. Cuanto más estrecha sea la tubería, más rápido deberá fluir un determinado volumen a través de ella para alimentar la demanda en el otro extremo. Esto tiene múltiples efectos negativos.

En general, una buena regla general es mantener el gradiente de presión desde el o los compresores de aire hasta el punto más alejado de la tubería de distribución en un 10% o menos de la presión de descarga del compresor de aire. Teniendo en cuenta que la mayor parte de esa caída de presión se producirá a través de los secadores y los filtros, las tuberías deberían tener muy poco o ningún efecto sobre la caída de presión. Se aconseja que se valore el coste de aumentar el tamaño de las tuberías de la planta, si esto podría mejorar la producción al estabilizar la presión de funcionamiento, y la disminución del coste energético al minimizar la presión de la planta.

Almacenamiento del aire comprimido: húmedo, seco y en los puntos de uso.

El volumen almacenado en la sala del compresor de aire es fundamental para el funcionamiento del mismo. Un tanque húmedo evitará el exceso de ciclos, lo que no sólo ayudará a mantener una presión constante, sino que también reducirá los requisitos de mantenimiento y reparación. Un tanque seco más grande después de los secadores y filtros proporciona el almacenamiento principal del sistema y ayuda a reducir la velocidad a través del tratamiento del aire.  El almacenamiento en el punto de uso puede tener un gran efecto en la fiabilidad del sistema. Proporciona un depósito de aire limpio y seco listo para satisfacer la gran demanda, al tiempo que minimiza el impacto del gran flujo en otros usuarios de aire.

Cuando las tuberías están bien dimensionadas, también pueden proporcionar almacenamiento adicional en la planta, lo que puede ayudar a equilibrar la demanda. Sin embargo, las tuberías deben estar dimensionadas para evitar el exceso de velocidad y la caída de presión.

Una herramienta adicional en la categoría de almacenamiento es el controlador de flujo. Con el desarrollo de compresores de aire y controles de sistema más sofisticados, este dispositivo, no suele diseñarse en los nuevos sistemas. Sigue siendo una herramienta valiosa, especialmente en los casos en los que el tiempo y los presupuestos prohíben realizar cambios significativos en el sistema de aire, así como en los casos en los que partes de la planta necesitan una presión significativamente menor que otras áreas o en los que la mayor parte de la demanda de aire fluctúa considerablemente y el almacenamiento en el punto de uso simplemente no puede cubrirla.

Diseñar el sistema de control para compresores pensando en la flexibilidad y el futuro

La dinámica del sistema puede cambiar de un turno a otro y, sin duda, lo hará en cuanto se añadan, eliminen o cambien los equipos de producción. El sistema diseñado sobre la base de lo que hacía la planta hace un año puede no funcionar bien en la actualidada, a menos que se haya diseñado a propósito para la flexibilidad.

Existen varias consideraciones para abordar grandes sistemas con demandas dinámicas:

• Los controles mantienen el funcionamiento de los compresores de forma segura, ya sean individuales o principales. Estos controles responden a los eventos de la demanda, y ambos tienen una gran cantidad de datos e información.

• Tuberías: limitar la caída de presión en el sistema y minimizar la velocidad. Si se multiplica por dos el diámetro, se cuadruplica el área de la sección transversal de la tubería y se reduce la velocidad a una cuarta parte de la que había.

• El almacenamiento en la sala del compresor de aire proporciona un amortiguador de control, ayudando a preservar la longevidad del sistema de aire comprimido, así como el ahorro de energía que permite a los compresores de aire el tiempo necesario para el ralentí y el apagado o el tiempo suficiente para cargar un compresor de aire de ajuste o de reserva. El almacenamiento en el punto de uso elimina el ruido en el sistema y mantiene el funcionamiento en el punto de uso, de modo que la producción puede funcionar sin problemas.

Es recomendable ser flexible con el tamaño del compresor de aire y secador, más grande no es necesariamente mejor. Invertir en una tubería más grande o en varios compresores de aire más pequeños en lugar de uno grande puede proporcionar una mejora significativa del aire comprimido a largo plazo, así como aumentar la productividad mediante la eliminación del tiempo de inactividad y la caída de presión innecesaria.

En los casos en los que se experimente una pérdida de productividad o un tiempo de inactividad debido a eventos de gran demanda, éstos son aspectos claves para los sistemas de control para compresores de aire.