Os compressores VSD permitem poupanças de energia de 55% numa fábrica de moldagem por injeção

No post seguinte, analisaremos a experiência de uma fábrica de moldagem por injeção de plástico que trocou o seu antigo sistema de compressores de ar modulantes por um sistema mais recente que utiliza Compressores VSD

Descrição do sistema de ar comprimido da instalação

A fábrica produz peças de plástico moldadas e sopradas num horário de três turnos, 5 dias por semana. A produção e a manutenção são efectuadas aos fins-de-semana, o que exige que os compressores de ar funcionem 24 horas por dia, pelo que a prática consistia em deixar o sistema de ar comprimido sempre pressurizado. O sistema era composto por três compressores de parafuso lubrificados, um de 150 cv e os outros de 125 cv (3 unidades), cada um controlado pelos seus próprios sistemas de controlo. O sistema também tinha secadores de ar refrigerados não cíclicos para cada compressor. O perfil do caudal de ar tinha uma componente de base bastante constante, mas com uma elevada variabilidade ocasional, dependendo da maquinaria de produção em funcionamento.

Avaliação inicial do sistema de ar comprimido

A empresa de eletricidade local foi chamada para realizar um estudo de definição do âmbito do sistema. Foram colocados registadores de dados no sistema de 100 psi, que mostraram que o sistema de ar comprimido estava a funcionar de forma ineficiente devido ao controlo modulante do compressor, em que a saída de um compressor varia para satisfazer os requisitos de fluxo, normalmente utilizando uma válvula de entrada. No controlo modulante, a válvula de entrada dos compressores estrangula o ar de entrada, reduzindo a saída do compressor em resposta à alteração da pressão do sistema. Quando esta modulação ocorre, há uma redução nos amperes do compressor à medida que a pressão aumenta. Os outros amperes do compressor menor de 125 hp aumentam em momentos de aumento da pressão e diminuem em momentos de diminuição da pressão. Isso não é modulação, mas mostra que o compressor está em redução, na capacidade máxima, com a válvula de entrada totalmente aberta.

Nos fins-de-semana, os 125 cv amperes começam a cair à medida que a pressão aumenta. Este é um sinal de que a válvula de entrada está a fechar sob carga leve, criando o pior cenário de dois compressores modulantes a partilhar a carga.

Além disso, existe um terceiro compressor com amperes muito mais baixos. Este compressor estava a funcionar sem carga durante o primeiro terço do perfil e foi desligado manualmente a meio. No entanto, a unidade continua a consumir amperes mesmo que o motor não esteja a funcionar. Isto acontece porque os condensadores de correção do fator de potência instalados consomem amperes (e não energia) quando estão ligados.

Um perfil como este apresentava um problema quando se estimava o caudal com base em amperes (não havia um medidor de caudal instalado na altura), uma vez que uma redução em amperes pode significar duas coisas diferentes, ou uma redução a plena carga ou um compressor a modular a carga parcial. Foi necessário ter cuidado ao simular um perfil de caudal neste caso para calcular com exatidão a poupança estimada.

O auditor do sistema constatou que o consumo de energia era de 2.740.000 kWh por ano. Este consumo de energia representa aproximadamente 10% da carga eléctrica total da instalação. A potência específica do sistema foi calculada em cerca de 22,5 kW por 100 cfm, o que é um valor razoável para um sistema de ar comprimido desta dimensão.

Estimou-se que poderiam ser obtidas poupanças de 35% através da aplicação de várias medidas de conservação de energia na fábrica e que poderia ser concedido um desconto substancial de energia para pagar as alterações.

Integração de compressores VSD e sequenciador de compressores de ar

A primeira recomendação foi o controlo dos compressores. A modulação é uma das piores formas de fazer funcionar os compressores em carga parcial. As melhorias consistiram em três medidas de conservação. A primeira foi a atualização de um dos compressores mais antigos para uma unidade de velocidade variável de duas fases mais eficiente. Isto tinha o potencial de renovar o sistema de produção de ar comprimido, proporcionar maior eficiência e oferecer uma excelente redução de carga parcial para acomodar cargas variáveis. Foi recomendado um sequenciador de compressores para proporcionar um bom controlo dos restantes compressores de base, incluindo os restantes 150 cv e 125 cv. Foi adicionado um grande tanque de armazenamento, de 2.000 galões, para facilitar o controlo dos compressores.

O controlador selecionado possui um modo de eficiência energética capaz de selecionar a dimensão adequada do compressor a funcionar, dependendo da carga do sistema. Isto ocorre mantendo o compressor VSD como a unidade de ajuste, assumindo a carga parcial. O controlador detecta a pressão a jusante do secador de ar e controla a queda típica causada pelo diferencial de pressão do secador e do filtro. O controlador está interligado com os compressores de base de forma a forçar as unidades a funcionar a plena carga. Por outro lado, se o compressor não for necessário, a unidade descarrega-se e desliga-se utilizando os seus controlos locais de arranque automático. A verificação da carga mostrou que esta estratégia de controlo funcionou muito bem, uma vez que os compressores de base tiveram apenas 1% de tempo de funcionamento sem carga em todo o perfil final.

Combater a procura artificial de secadores e filtros de ar comprimido

Além disso, houve outras alterações no sistema. Os secadores de ar eram unidades não cíclicas que consumiam um total de cerca de 8 kW em todos os momentos. Isto é quase a potência nominal total, mesmo quando o compressor de ar associado está desligado. A compra de um único secador de massa térmica novo, dimensionado para todos os compressores, foi recomendada para reduzir a potência em proporção à carga de humidade da produção de ar comprimido. A poupança global foi de 78% em comparação com uma unidade não cíclica de dimensão semelhante.

A perda de pressão do filtro, que é tipicamente de 3 a 5 psi, é resolvida através da instalação de um filtro principal do tipo eliminador de deriva com uma queda de pressão média de cerca de 0,5 psi. Foram instalados drenos Airless nos filtros, secadores e compressores para reduzir a perda de ar comprimido.

Verificou-se que a carga de produção era sensível à pressão. Por conseguinte, quanto mais alta a pressão da instalação, mais ar as máquinas exigiam (a chamada procura artificial). Foi recomendada a instalação de um controlador de caudal para regular a pressão da fábrica para um nível mais baixo, mantendo a pressão do compressor um pouco mais elevada. Isto permitiu um bom controlo dos compressores sem alterar o nível da central.

Resultados da auditoria energética

Após a instalação, a empresa de eletricidade voltou e efectuou um controlo de verificação. O sistema consumiu cerca de 1.242.200 kWh e produziu cerca de 1.050 cfm de ar comprimido. Isto representa uma poupança de energia de 55%. Este valor foi consideravelmente diferente dos valores previstos. A grande mudança foi o facto de a fábrica ter começado a desligar o seu sistema aos fins-de-semana para poupar energia. A potência específica do sistema, quando em funcionamento, é agora de 18,5 kW/100 cfm, uma poupança de aproximadamente 18% na eficiência da produção de ar comprimido. A restante poupança deveu-se a uma redução do caudal de ar comprimido e à redução das horas de funcionamento.

O registo subsequente de dados de ar comprimido revela o problema

Vários anos mais tarde, a empresa de serviços públicos aprovou outro registo de dados pelo fornecedor de ar comprimido para verificar se as poupanças da verificação original se mantinham. A avaliação determinou que a maior parte do equipamento de produção de ar comprimido estava a funcionar corretamente, mas infelizmente o controlador do compressor tinha avariado, sem o conhecimento dos operadores da fábrica. Isto fez com que um dos compressores continuasse a funcionar durante o fim de semana em modo carga/descarga, apesar de estar disponível um compressor eficiente de duas fases. A fábrica não tinha forma de monitorizar a eficiência do sistema de ar comprimido, pelo que a eficiência energética tinha diminuído inadvertidamente. A fábrica apercebeu-se deste facto após discussão com a empresa de serviços públicos e corrigiu a situação.

Conclusões sobre a utilização de compressores de ar VSD

Este projeto mostra o tipo de poupanças que podem ser obtidas não só através da substituição dos compressores, mas também através da incorporação de Compressores VSD e maior capacidade de armazenamento. Medidas adicionais, como secadores de ar eficientes e controlo de fluxo, permitiram poupanças adicionais para além das que poderiam ser alcançadas pelo equipamento de produção eficiente. Obviamente, foram conseguidas poupanças substanciais simplesmente desligando os compressores durante as horas de não produção. Apesar do bom controlo, o registo adicional mostrou que, sem monitorizar a eficiência do sistema, o seu funcionamento poderia tornar-se menos eficaz ao longo do tempo.