Operación de centrales de compresores de tornillo

B.Pijnenburg y J. Ritmann

BITZER Kühlmaschinenbau GmbH, Jens Juuls vej 16, 8260 Viby J. Aarhus, DK Correo electrónico:bas.pijnenburg@bitzer.de , john. ritmann@bitzer.de

Traducido por Juan Carlos Rodriguez (CLAUGER XGRENCO y Félix Sanz (AEFYT)

EXTRACTO

Las centrales de compresores de tornillo para amoníaco que utilizan el funcionamiento en paralelo de dos o tres compresores de tornillo industriales de NH3 más pequeños ofrecen la forma óptima de lograr la máxima eficiencia a carga parcial, mayor redundancia y otras características altamente deseables en la industria de la refrigeración industrial. La operación paralela optimizada puede asegurar la operación continua y, en la mayoría de las aplicaciones, puede configurarse para mejorar la economía operativa general. Se han desarrollado nuevos compresores para cumplir con los requisitos de flexibilidad en la operación y tener controles inteligentes. El sistema de control inteligente debe enfocarse en todas las demandas externas y esforzarse por ofrecer siempre la menor potencia absorbida posible, incluyendo escenarios futuros con conexión a redes inteligentes.

INTRODUCCIÓN

Las centrales de compresores de amoníaco suelen estar equipadas con uno o más compresores. La Figura 1 muestra un ejemplo de una central de dos compresores. Los compresores pueden equiparse con accionamiento de velocidad variable (VSD). Un estudio sobre el funcionamiento en paralelo de compresores de tornillo para refrigeración industrial con amoniaco describe la forma óptima de configurar centrales con múltiples compresores (Pijnenburg y Ritmann 2015). Los hallazgos de este estudio definen los criterios generales de diseño para lograr la mayor eficiencia a carga parcial posible en un amplio rango de capacidad. La primera parte de este artículo analiza ese mismo estudio, incluidos los diferentes métodos de regulación de capacidad, el método para evaluar la eficiencia total y la comparación entre diferente número de compresores en funcionamiento en paralelo.

Mantener una alta eficiencia es uno de los criterios más importantes para los clientes de refrigeración industrial. La seguridad operativa y la confianza son otros criterios importantes que enfatizan la necesidad de cierto nivel de redundancia. A menudo, los productos de los clientes o los resultados de los procesos son mucho más caros que el coste adicional de asegurar un respaldo adecuado de su sistema de enfriamiento. Las centrales con múltiples compresores ofrecen una alta redundancia, en términos de tener más compresores y sistemas de compresión más pequeños, lo que garantiza que la unidad pueda continuar brindando capacidad frigorífica, incluso durante el servicio planificado o la reparación imprevista en caso de fallos. Naturalmente, el tiempo operativo máximo y las mínimas paradas no deseadas tienen una alta prioridad en el sistema de refrigeración industrial. Este documento describe algunas de estas características de redundancia requeridas.

Para aprovechar al máximo la ventaja de la operación en paralelo, se necesita un sistema de control dedicado, tanto en lo que respecta a la eficiencia como a la redundancia. Este sistema de control deberá garantizar la máxima eficiencia y seguridad del funcionamiento, cuando opere dentro e incluso fuera de los límites de aplicación del compresor, para todo el rango de capacidad. El sistema de control debe además centrarse en todas las demandas externas, esforzándose por conseguir la menor potencia absorbida, además de estar previsto para responder a redes inteligentes futuras o variaciones en el precio de la electricidad durante el día y la noche.

MÉTODOS Y REQUISITOS COMUNES PARA LOS SISTEMAS DE CONTROL DE CAPACIDAD

Existen diferentes métodos para controlar la capacidad de un sistema compresor. La calidad de los sistemas de control se puede medir con diferentes parámetros:

La flexibilidad de adaptar la capacidad a la demanda frigorífica con precisión, es decir, qué tan bien se puede seguir un determinado punto de ajuste de presión de aspiración;
La influencia sobre la eficiencia del compresor y la línea de aspiración, es decir, cuánto se ve afectado el COP del sistema;
Los requisitos y la carga de la línea de alimentación eléctrica;
La posibilidad de cubrir un amplio rango de capacidad entre carga mínima y máxima;
El coste del sistema de control de capacidad; • Seguridad del funcionamiento; y
Niveles de ruido y vibraciones.

BITZER (2014) proporciona una descripción detallada de los diferentes métodos para controlar la capacidad de un sistema compresor. Aquí solo se describen brevemente los métodos utilizados en el análisis más adelante en este artículo:

Ciclo de encendido/apagado (todo/ nada),
Variación de velocidad (accionamiento de velocidad variable), y
Regulación con válvula de corredera.

Los primeros dos métodos no están incorporados en el propio compresor, pero se indica cómo debe funcionar. El último método requiere una construcción específica dentro del compresor. El primer método ofrece un control por etapas, mientras que los otros dos permiten una variación continua de la capacidad. Cada método se describe brevemente en las siguientes secciones, pero Blumhardt (2006) detalla un estudio comparativo sobre el control de capacidad con variación de velocidad y con válvula de corredera en compresores de tornillo.

Ciclo de encendido /apagado (todo/nada)

La forma más sencilla de variar la capacidad es con los ciclos de encendido/apagado (todo/nada). En sistemas simples, esta forma de control, puede dar lugar a una gran variación en las condiciones de funcionamiento y a la repetición de muchos ciclos. Puede tener sentido en sistemas con una pequeña variación de carga o una gran capacidad de almacenamiento de reserva del sistema frigorífico. La capacidad de regular la capacidad con precisión con este método mejora con la cantidad de compresores instalados en paralelo.

Regulación de velocidad

El caudal a través del compresor varía con la velocidad de rotación de los rotores. El compresor de tornillo con regulación de velocidad requiere una línea de alimentación específica para el VSD. En la mayoría de los casos, la regulación de la velocidad no requiere cambios en el compresor en sí, pero si afecta la forma en que este trabaja.

Regulación con válvula de corredera

Se puede mover una válvula de corredera paralela al eje del rotor para crear una derivación o bypass interno. Justo antes de comprimir el gas en las cavidades del rotor, este puede desviarse internamente hacia el lado de aspiración. El sistema de válvula de corredera es un sistema bastante simple y robusto para variación de capacidad tanto en su operación por etapas como contínua. La regulación de la válvula de corredera afectará a la relación de volumen (Vi) del compresor. La influencia en el Vi depende del diseño del compresor y de las condiciones de funcionamiento. Algunos diseños de compresores son capaces de regular de forma independiente la capacidad y el Vi.

La variación de la capacidad puede influir tanto en la eficiencia volumétrica como isentrópica del compresor. Las variaciones de la eficiencia difieren para cada método y también dependen de las condiciones de operación y de la construcción del compresor.

La eficiencia volumétrica se relaciona con el volumen de aspiración real. En este artículo, el término índice de carga parcial (λ) se utiliza para indicar la relación entre el flujo volumétrico real (a una determinada carga) y el volumen aspirado nominal a capacidad máxima (carga completa). La variación de la capacidad también influirá en la eficiencia de la línea de alimentación (motor o VSD).

DESCRIPCIÓN DE LA EFICIENCIA DE LOS MÉTODOS DE CONTROL DE CAPACIDAD

La eficiencia del compresor, el motor y el VSD, se pueden expresar como una función de la capacidad (no necesariamente la capacidad frigorífica del sistema).

Estos datos de eficiencia, también llamados datos de rendimiento, normalmente se expresan en forma de gráficos, tablas o funciones polinómicas. La eficiencia total del sistema se puede obtener uniendo los datos de rendimiento de diferentes componentes en serie y/o en paralelo. La relación entre la capacidad de refrigeración y la eficiencia del sistema no se puede obtener directamente de los datos de rendimiento suministrados, sino que requiere algún cálculo. Esta relación también dependerá de las condiciones de funcionamiento del sistema (temperaturas de evaporación y condensación).

La figura 2 muestra las dependencias típicas del índice de carga parcial del compresor (λ) y el rendimiento isentrópico (ηc) para una condición típica de enfriadora (T0/Tc = +5/+35 °C /+41/95 °F). La figura de la izquierda muestra los rendimientos en función de la posición de la válvula de corredera (CR), y la figura de la derecha muestra la relación con la velocidad del eje del compresor. El software para calcular el rendimiento del compresor (BITZER 2016) contiene datos basados en mediciones exhaustivas con diferentes modelos de compresores en todas condiciones de funcionamiento dentro de su gama como son, velocidades del eje y posiciones de la válvula de corredera.

La figura 3 muestra la dependencia típica del motor (ηm) y la eficiencia del variador (ηd), dependiendo de la relación entre el par del eje y el par nominal del motor (T/Tn), para tres velocidades del eje diferentes (1200, 2400 y 3600 rpm). Los datos del motor y del variador se han calculado con software de un importante proveedor mundial de motores y variadores de velocidad.

En los gráficos no se menciona directamente la capacidad de refrigeración. Esta debe obtenerse de los datos de rendimiento y de las condiciones operativas reales de funcionamiento del sistema.

Los sistemas de regulación de capacidad pueden tener otros efectos positivos o negativos distintos a la mejora de la eficiencia energética sobre el rendimiento del sistema. Algunos de estos efectos incluyen

Posibilidad de aumentar la capacidad al trabajar a velocidades superiores a las sincrónicas con VSD.
Función de arranque suave incorporada en el VSD que da como resultado una baja carga del motor y de la fuente de alimentación durante el arranque.
Los compresores de desplazamiento positivo requieren un par prácticamente constante en todo el rango de velocidades. Por lo tanto, la relación voltaje vs. frecuencia del VSD debe ser constante. Un VSD normalmente no puede suministrar voltajes por encima del voltaje de suministro, lo que significa que el motor recibirá un “voltaje bajo” durante la operación por encima de la velocidad síncrona. Esto significa que no puede suministrar el par completo, lo que limita las posibilidades en las condiciones de funcionamiento del compresor en ese rango de velocidad.
Operación con economizador que puede utilizarse para un amplio rango de capacidad con regulación de velocidad para la mayoría de diseños de compresores. El puerto del economizador con un puerto fijo, se cierra normalmente muy pronto en el proceso de descarga en compresores con regulación por válvula de corredera.
Las centrales requerirán compresores más pequeños para entregar la misma capacidad máxima.
La eficiencia del compresor, motor, o variador aumenta en cierto grado con el tamaño.
Las centrales, generan redundancia.
La complejidad de los sistemas aumenta con el número de compresores y la combinación de diferentes sistemas de regulación.

MÉTODO DE EVALUACIÓN DE EFICIENCIA A CARGA PARCIAL

La eficiencia a carga parcial de un sistema compresor se puede evaluar en función de los datos de rendimiento de los componentes y las ecuaciones descritas en esta sección. Las definiciones y unidades para cada símbolo utilizado en esta sección se enumeran en la nomenclatura al final de este documento. La ecuación (1) define la capacidad frigorífica que puede entregar un compresor de tornillo: La forma tradicional de evaluar el rendimiento a carga parcial se realiza mediante el trazado del COP en función de la capacidad frigorífica. Las ecuaciones anteriores muestran que para una determinada condición de funcionamiento y para un determinado tamaño de sistema compresor, existe una relación lineal entre la capacidad frigorífica y el índice de carga parcial (λ) y entre el COP y la eficiencia energética (η). Al mostrar la eficiencia energética en función del índice de carga parcial, tenemos una manera de mostrar el rendimiento a carga parcial en una escala adimensional de 0 a 1, lo que facilita la comparación para diferentes condiciones de operación y diferentes tamaños de sistema.

El índice de carga parcial total y la eficiencia energética para una central de compresores con múltiples compresores se pueden encontrar a partir de la suma ponderada de las eficiencias individuales de acuerdo con la Ecuación (5) y la Ecuación (6).

Las curvas de datos de rendimiento (Figura 2) muestran que el índice de carga parcial (λ) y la eficiencia energética (ηc) de un compresor se pueden controlar mediante dos parámetros: la velocidad y la posición de la válvula de corredera de capacidad. En este documento se supone que las condiciones de funcionamiento son constantes, pero estas pueden depender de la capacidad, por ejemplo, la temperatura de evaporación aumentará al disminuir la carga del evaporador.

La forma tradicional de evaluar el rendimiento a carga parcial se realiza mediante el trazado del COP en función de la capacidad frigorífica. Las ecuaciones anteriores muestran que para una determinada condición de funcionamiento y para un determinado tamaño de sistema compresor, existe una relación lineal entre la capacidad frigorífica y el índice de carga parcial (λ) y entre el COP y la eficiencia energética (η). Al mostrar la eficiencia energética en función del índice de carga parcial, tenemos una manera de mostrar el rendimiento a carga parcial en una escala adimensional de 0 a 1, lo que facilita la comparación para diferentes condiciones de operación y diferentes tamaños de sistema.

La eficiencia energética del motor (ηm) y del VSD (ηd) dependen de la velocidad y el par (como se ve en la Figura 3). En caso del VSD, el par y la velocidad variarán con la capacidad. La potencia del eje del compresor se relaciona con el par y la velocidad de acuerdo con la Ecuación (7). La velocidad del eje es constante o se controla de forma activa, por lo que el par del eje depende únicamente del índice de carga parcial del compresor, la eficiencia energética y la velocidad. Normalmente, se selecciona un motor con aproximadamente un 10 % de reserva de par a la carga máxima (o nominal), lo que da un par a la carga máxima del sistema entorno al 90 % del par nominal del motor (T/Tn = 0,9). El factor 0,9 no es constante y difiere según los tamaños de motor disponibles y el tipo de aplicación. La ecuación (8) define el par de carga parcial del motor en relación con su par nominal:

El rendimiento a carga parcial, descrito por la dependencia entre el índice de carga parcial y la eficiencia energética, se puede obtener fácilmente de los datos de rendimiento del compresor. También es posible obtener la eficiencia a carga parcial del motor y el variador en función del índice de carga parcial combinando la Ecuación (8) con la interpolación de datos del motor y de rendimiento del variador. La figura 4 muestra un ejemplo de la relación entre el índice de carga parcial (λ) y la eficiencia energética (η).

COMPARACIÓN DE DIFERENTES SOLUCIONES

En este apartado se compara el rendimiento a carga parcial de diferentes soluciones de centrales de compresores. El más básico regula el compresor únicamente con una válvula de corredera. El siguiente paso es agregar un VSD y finalmente usar múltiples compresores. Se realizaron simulaciones de muchas soluciones diferentes para mapear las diferentes combinaciones.

Todas las comparaciones se realizan para la misma capacidad máxima total. Para facilitar la comparación, los valores del índice de carga parcial se escalaron (indicados por λs) para ser exactamente 1 en máxima capacidad. El efecto del tamaño, en el que las máquinas más grandes tienden a tener una mayor eficiencia, se tiene en cuenta mediante el uso de datos de rendimiento reales de los tamaños adecuados de compresores, motores y variadores. El efecto del tamaño y el efecto de usar un variador de velocidad se vuelven evidentes cuando se observa la eficiencia a carga nominal máxima.

Múltiples compresores más pequeños tendrán una eficiencia a carga máxima ligeramente inferior en comparación con un número menor de compresores más grandes. Las soluciones con VSD tendrán una eficiencia a carga máxima ligeramente más baja que los compresores de tamaño comparable sin él. Las pérdidas en un VSD en sistemas de compresores múltiples naturalmente solo afectan a un compresor con VSD.

La Figura 5 compara la eficiencia total en el rango de capacidad para una solución con uno o dos compresores. Muestra que las soluciones sin VSD solo tienen una eficiencia cercana al valor máximo en un rango limitado. Las soluciones con VSD tienen niveles de alta eficiencia más constantes. La solución con dos compresores puede mantener la alta eficiencia hasta aproximadamente el 28 % de la capacidad, mientras que un solo compresor VSD muestra una caída considerable en la eficiencia por debajo del 43 % de la capacidad. Todas las soluciones tienen una alta eficiencia en el rango superior por encima del 65 % de capacidad aproximadamente.

Las líneas de trazo y punto horizontales muestran un ancho de banda del 10% de eficiencia, lo que muestra la magnitud de las diferencias entre las soluciones comparadas. Téngase en cuenta que los datos de rendimiento del compresor a menudo permiten una tolerancia de hasta el 10 % en los datos de eficiencia del compresor (COP) publicados. Desde 2014, la norma europea define que esta tolerancia es aplicable para todo el rango de carga parcial (según EN12900).

La Figura 6 compara una solución con dos o tres compresores. Nuevamente, las soluciones con VSD evidentemente tienen una alta eficiencia constante. La solución con tres compresores (un VSD) puede incluso mantener una eficiencia muy alta hasta aproximadamente el 17 % de su capacidad. Además, una solución de tres compresores con solo regulación de corredera (CR) tiene una alta eficiencia hasta aproximadamente el 23 % de su capacidad, excepto en un área de carga baja de alrededor del 37–43 %.

El análisis de los diferentes escenarios se realizó para operación en unas condiciones de operación fija (T0/Tc = +5/+35 °C / +41/95 °F). Los resultados cambiarán en función de las condiciones de funcionamiento, lo que debe tenerse en cuenta al buscar la solución óptima. No se elaboran aquí los resultados para las condiciones a baja temperatura, pero tendrán una tendencia a mostrar una eficiencia máxima más baja y una mayor caída en la eficiencia a carga parcial. Esto se debe básicamente al aumento relativamente mayor de pérdidas en el compresor de tornillo cuando se descarga a relaciones de presión más altas.

Los resultados muestran que la flexibilidad para variar la capacidad aumenta con el número de compresores y la incorporación de un VSD. Los compresores múltiples, combinados con la velocidad variable, aumentan significativamente el rango de capacidad, lo que permite que la eficiencia se mantenga muy cerca de la eficiencia a plena carga. En los casos en que las condiciones y cargas operativas reales sean difíciles de predecir o varíen mucho más de lo previsto originalmente esta adaptabilidad será muy valorada.

Además de la mayor eficiencia a carga parcial mencionada anteriormente, el funcionamiento de compresores más pequeños en paralelo también reduce considerablemente la intensidad en la fuente de alimentación durante el arranque de los compresores. El uso de múltiples compresores más pequeños conduce a una corriente de arranque reducida. La Figura 7 muestra una comparación de la corriente de arranque entre una unidad de tres compresores con VSD en el primer compresor y estrella/ triángulo en los otros dos (línea continua) y una unidad de un solo compresor más grande con arranque estrella/triángulo (línea discontinua). Las dos soluciones tienen la misma capacidad total de refrigeración. Aunque se puede usar VSD en todos los compresores para garantizar que la corriente de arranque no exceda la corriente de carga completa (sin picos), se debe considerar que, esta solución penalizará la eficiencia energética en todo el rango de capacidad, debido a las pérdidas en cada VSD.

SEGURIDAD A TRAVÉS DE LA REDUNDANCIA

La configuración más simple de una central de compresores múltiples, con dos compresores en paralelo (sin VSD), ya ofrece redundancia completa en la unidad motocompresora. Ambos pueden operar de forma independiente y brindar la capacidad de dar servicio a una unidad motocompresora, mientras que la otra continúa operando y brindando el 50% de la capacidad máxima frigorífica. La variante de tres compresores ofrece naturalmente un nivel de redundancia aún mayor. La redundancia que ofrecen varias unidades motocompresoras se expresa en términos de

El diseño de centrales permite el intercambio de una unidad motocompresora completa, sin parar la(s) otra(s).
El uso múltiple de compresores y motores más pequeños, con motores, equipos de arranque, etc. suele ser más adecuado en términos de coste y presentan mejor disponibilidad que los comparables con equipos más grandes. Esto significa un menor coste en caso de almacenar repuestos para casos imprevistos o tiempos de entrega más cortos.
Sensores redundantes en posiciones críticas. Cada compresor puede venir con su conjunto individual de sensores de presión y temperatura. El sistema de gestión de aceite también puede equiparse con sensores redundantes de presión y temperatura del aceite.

Incluso para mayor confianza la redundancia se puede aumentar agregando más unidades motocompresoras, o usando dos unidades en paralelo (cada una con dos compresores) en lugar de, por ejemplo, una central con cuatro compresores. Las unidades paralelas brindarán redundancia completa en todos los componentes, como el sistema de aceite, el cuadro de distribución, el controlador, etc.

SISTEMA DE CONTROL Y PROTECCIÓN

El sistema de control en la central de compresores juega un papel importante para aprovechar al máximo el potencial del uso de múltiples compresores y VSD. El potencial máximo solo puede conseguirse si el sistema de control es capaz de controlar todos los parámetros de manera óptima. También debe asegurar las funciones de redundancia mencionadas anteriormente, lo que influye en gran medida en la fiabilidad de la unidad.

Una forma de hacer que el sistema de control se ajuste al diseño redundante con varios compresores es utilizar varios sistemas de control más pequeños. En un sistema con módulos electrónicos distribuidos, cada unidad motocompresora puede tener su propio módulo, lo que le permite operar de manera independiente. Sin embargo, al mismo tiempo, los módulos individuales deben comunicarse de alguna manera para garantizar un control de capacidad óptimo en funcionamiento en paralelo. La Figura 8 muestra un diseño básico de un sistema con módulos de control distribuido.

Cada módulo de control de un compresor supervisa los parámetros operativos esenciales y protege la unidad motocompresora durante el funcionamiento, incluso en condiciones críticas. El módulo controla continuamente el compresor, según los requisitos de capacidad de un sistema maestro (SCADA) o controlador de la central de compresores.

El módulo controla la capacidad del compresor y funciones relacionadas: válvula de corredera; en su caso, la relación de volumen interno; el sistema de retorno de aceite; y otras funciones. La filosofía del módulo distribuido separado también se puede utilizar para otros componentes principales del sistema, como el sistema de gestión de aceite y el cuadro eléctrico. Todos los módulos distribuidos deben poder funcionar de forma independiente para garantizar la máxima redundancia. Al mismo tiempo, la comunicación entre los módulos individuales aumenta el potencial para optimizar el uso de cada componente individual y garantizar la máxima eficiencia de todo el sistema.

CONCLUSIÓN

Las centrales de compresores, donde un compresor opcionalmente está equipado con VSD, proporcionan alta redundancia y alta eficiencia en un amplio rango de capacidad. La central de tres compresores ofrece el más alto nivel de redundancia y alta eficiencia a carga parcial en el rango de capacidad más amplio. Sin embargo, más de tres compresores no aportan mucho en cuanto a eficiencia a carga parcial. La eficiencia máxima disminuirá ligeramente y rara vez se necesita un rango de capacidad más amplio. Una central con dos compresores proporciona una redundancia, que naturalmente aumenta con más compresores. Un sistema de control con módulos distribuidos se adapta a la oferta potencial de compresores de funcionamiento en paralelo. El sistema de control debe garantizar que los compresores y los componentes relacionados funcionen de manera óptima con respecto a la eficiencia y la confiabilidad en todas las circunstancias.

REFERENCIAS

BITZER. (2016). “Performance data for screw compressors.” BITZER Software v. 6.4.2, Sindelfingen, Germany, 2016.

BITZER. (2014). “Competence in capacity control.” BITZER publication A-600-5, Sindelfingen, Germany.

Blumhardt, R. (2006). “Capacity control of screw compressors: Speed or slide control—A comparitive study.” BITZER publication SV-0402- GB, Sindelfingen, Germany.

EN12900:2013 Refrigerant compressors – Rating conditions, tolerances, and presentation of manufacturer’s performance data, European Committee for Standardization, Brussels, 2013.

Pijnenburg, B.,and J. Ritmann. (2015). “Parallel operation of NH3 screw compressors—The optimum way.” Presented by BITZER at IIR Ohrid Macedonia, 2015.

NOMENCLATURA