نوسانات تقاضا، ذخیره سازی هوای فشرده و کنترل ظرفیت

برای بررسی ذخیره سازی هوای فشرده، ابتدا باید گفت که سیستم های تولید هوای فشرده دینامیک هستند؛
به این معنی که شرایط فلو ریت و فشار در سراسر سیستم ثابت نیست و دائما در حال تغییر است.
پایدارترین شرایط معمولاً در کاربردهای فرآیندی رخ می دهد، جایی که تقاضا برای هوای فشرده نسبتاً ثابت است و تغییرات تدریجی است.
این امر کنترل های لازم برای حفظ فشار ثابت و پایدار سیستم را ساده می کند. با این حال،
در بیشتر کارخانه‌های صنعتی، با استفاده از ابزارآلات مختلف و با وقوع رویدادهای تقاضای متناوب، تقاضا در نوسان است.

کنترل کمپرسور ها در بحث ذخیره سازی هوای فشرده

یک رویداد تقاضا معمولا در فاصله قابل توجهی از کمپرسور(های) هوای فشرده رخ می دهد.
اگر سیستم تولید هوای فشرده به درستی برای رسیدگی به چنین رویدادهای جریان بزرگ طراحی نشده باشد، افت فشار در سراسر سیستم توزیع می تواند به طور نامنظم و متفاوت ایجاد شود.
چنین نوسانات زیاد فشار، کنترل های کمپرسور را مختل می کند و در نتیجه عملکرد ناکارآمد کمپرسور هوا را به همراه دارد.

از نظر تئوری، اگر حجم سیستم (مخازن ذخیره سازی هوای فشرده به علاوه لوله های توزیع) به اندازه کافی بزرگ باشد، نوسانات فشار رویداد تقاضا حداقل خواهد بود و کمپرسورهای هوا فشار تخلیه ثابتی را مشاهده می کنند.
این فشار ثابت، کنترل های لازم برای حفظ فشار ثابت و پایدار سیستم را ساده می کند.

بدیهی است که ارائه حجم بسیار زیاد سیستم عملی نیست،
اما نشان می‌دهد که بسیاری از مشکلات فشار را می‌توان با طراحی سیستمی با لوله‌کشی توزیع با اندازه مناسب و اعمال ذخیره‌سازی به شکل مخازن هوا در مکان‌های مناسب درون سیستم، از بین برد.

شرایط کلیدی ذخیره سازی هوای فشرده

درک ذخیره سازی در یک سیستم هوای فشرده نیاز به تعریف برخی اصطلاحات اساسی ذخیره سازی هوای فشرده دارد.
هوا یک ماده سیال است و بدون اختلاف فشار، جریانی وجود ندارد.
برای تاثیر گذار بودن، هوا باید جریان داشته باشد.
پس برای جریان پذیرفتن، هوا باید در فشاری بالاتر از فشاری که برای انجام کار استفاده می شود، ذخیره شود.

پارامتر های مهم و بررسی آنها

• دیفرانسیل مفید تفاوت بین فشار ذخیره شده و فشار مصرفی است.
  اگرچه هوا برای انجام کار باید در فشارهای بالاتر ذخیره شود،
  اما سیستم هایی که می توانند کمپرسورها را با کمترین فشار ممکن راه اندازی کنند، انرژی کارآمدتری خواهند داشت.
• ذخیره سازی مفید مقدار هوایی است که در حجم بالاتری از فشار مصرفی ذخیره می شود.
  ذخیره سازی هوای فشرده بصورت مفید، تابعی از دو عامل است:
  حجم ذخیره سازی موجود و دیفرانسیل مفید.
  هرچه حجم فیزیکی مخزن ذخیره سازی هوا بزرگتر باشد، هوای بیشتری در ذخیره سازی وجود دارد.
  هر چه دیفرانسیل مفید بیشتر باشد، ذخیره مفید بیشتر است.
  برای به دست آوردن مقدار ذخیره سازی مفید، باید یک اختلاف فشار در گیرنده وجود داشته باشد.
  حجم سیستم ثابت، یک عدد ثابت است،
  اما فشار سیستم می تواند متفاوت باشد.
  هرچه فشار بیشتری در یک حجم معین ذخیره شود، فوت مکعب بیشتری هوا برای انجام کار در دسترس است.
  ذخیره سازی مفید بر حسب فوت مکعب اندازه گیری می شود.
  این خود نشان دهنده مقدار هوای موجود برای اعمال در یک رویداد سیستمی است.
• نرخ تغییر جزء زمان دار در سیستم های هوای فشرده است. نرخ تغییر، رابطه تغییر فشار (مثبت و منفی) در مقابل زمان به عنوان تابعی از جریان است.
  وقتی عرضه از تقاضا بیشتر می شود، فشار افزایش می یابد و نرخ تغییر مثبتی وجود دارد.
  وقتی برعکس این قضیه اتفاق می افتد و تقاضا از عرضه بیشتر می شود، فشار کاهش می یابد و نرخ منفی برای تغییر ایجاد می شود.
  اگر به اندازه کافی خوش شانس باشید که تقاضای برابر با عرضه داشته باشید، نرخ تغییر صفر است.
  البته این امر به ندرت اتفاق می افتد!

وظیفه اصلی ذخیره سازی موثر هوا چیست؟

وظیفه اصلی ذخیره سازی هوای فشرده در یک سیستم تولید هوای فشرده، مدیریت نرخ تغییر در سیستم است.
با کاهش نرخ تغییر، عملیات ذخیره سازی فشار کارخانه را تثبیت می کند.
این فشار نسبتا ثابت برای بسیاری از کاربردها سودمند است.

به عنوان مثال،
با فشار پایدار، ابزارهای دستی با سرعت و گشتاور ثابت کار می کنند و کیفیت کار انجام شده را بهبود می بخشند.
تولید افزایش می‌یابد و نرخ ضایعات و کار مجدد به میزان قابل توجهی با فشار سیستم پایدار کاهش می‌یابد.

بعنوان مثالی دقیق تر،
در کاربردهای رنگ آمیزی، میزان اسپری رنگ ثابت است و عیوب اسپری بیش از حد یا زیر پاشش را که در اثر نوسانات فشار ایجاد می شود، از بین می برد.
فشار پایدار به سیستم اجازه می دهد تا با دقت بیشتری مدیریت شود تا حداکثر کارایی خود را ارائه دهد.

تامین حداکثر تقاضای جریان هوا با ظرفیت کمپرسور آنلاین به تنهایی به یک یا چند کمپرسور نیاز دارد که در شرایط نیمه بار یا بدون بار کار کنند و آماده بارگیری در یک لحظه باشند.
همزمان با اینکه پیک تقاضا رخ می دهد، کمپرسور(های) هوا برای مدت کوتاهی در طول رویداد تقاضا بارگیری می کنند.
سپس به عملیات بارگذاری جزئی یا بدون بار باز می گردند.
نتیجه این امور، کارایی ضعیف کل سیستم است.

کاهش نرخ تغییر چه تاثیری در طراحی سیستم هوای فشرده دارد؟

با کاهش نرخ تغییر، ذخیره سازی هوای فشرده زمانی را فراهم می کند تا رویداد پیک تقاضا قبل از کاهش فشار سیستم به نقطه ای که یک کمپرسور اضافی راه اندازی شود، متوقف شود.
در این پروسه، انرژی قابل توجهی هنگام راه اندازی کمپرسور غیرضروری هدر می رود،
هوا به سیستم پمپ می شده و تخلیه می شود و کمپرسور بدون بار کار می کند.

به طور ایده آل،
فقط تا زمانی که تایمر خودکار اجازه فعالیت می دهد، این پروسه شکل خواهد گرفت.
در زندگی واقعی، کمپرسور بدون بار معمولاً به کار خود ادامه می دهد و انرژی را تا زمانی که به صورت دستی خاموش شود، هدر می دهد.
ذخیره سازی مناسب هوا از راه اندازی کمپرسورهای غیر ضروری جلوگیری می کند.

با کاهش نرخ تغییر، ذخیره سازی زمان را برای روش کنترل ظرفیت جداگانه هر کمپرسور فراهم می کند تا به طور مناسب به تغییر تقاضا که با تغییر فشار منعکس می شود، پاسخ دهد.
بدون وجود زمان برای پاسخگویی، کنترل‌های مکانیکی و الکترونیکی اغلب می‌توانند با یکدیگر مبارزه کنند.
این امر منجر به پدید آمدن یک سیستم کنترل‌نشده می‌شود که کارآمدی انرژی را بسیار کم می کند.

چه اتفاقی برای کمپرسور ها می افتد؟

در چنین شرایطی، کمپرسورها با فرکانس تسریع شده، وارد سیکل شده و شروع به کار می کنند که از نظر مکانیکی برای هواکش و تمام اجزای چرخه مضر است.
ذخیره سازی هوای فشرده، با حذف یا کاهش این چرخه، قابلیت اطمینان و طول عمر هر کمپرسور را بهبود می بخشد.

برای اینکه یک سیستم هوای فشرده به حداکثر بازده عملیاتی دست یابد، مخزن ذخیره هوای فشرده باید هم تولید و هم ذخیره سازی هوای فشرده را انجام دهد.
هدف اصلی، تامین میانگین تقاضای هوا با کمپرسورها و تامین حداکثر تقاضای فلو هوا از مخزن است.
فشار هوای ذخیره شده و اندازه گیرنده هوا متغیرهای مهمی در مدیریت نرخ تغییر و اندازه مناسب مخزن ذخیره هوای فشرده هستند.

انواع ذخیره سازی هوای فشرده

همانطور که در شکل بالا نشان داده شده است،
ذخیره سازی در یک سیستم هوای فشرده را می توان به سه دسته تقسیم کرد که هر کدام عملکرد خاص خود را دارند.
ذخیره سازی کنترلی، ذخیره سازی عمومی و ذخیره سازی اختصاصی:

• ذخیره سازی کنترلی یا Control Storage: حجم ذخیره سازی در سمت عرضه سیستم بین کمپرسورها و نقطه ای است که هدر اتاق تامین به هدر توزیع می پیوندد.
• ذخیره سازی عمومی یا General Storage: حجم ذخیره سازی در سیستم لوله کشی سقفی (Overhead) از تخلیه کمپرسور خانه گرفته تا کاربران نهایی علاوه بر گیرنده های نصب شده از راه دور.
• ذخیره سازی اختصاصی یا Dedicated Storage: نوعی ذخیره سازی است که در آن از سوپاپ اطمینان محافظت می شود و از تامین کل سیستم جدا شده است تا به یک نقطه مصرف خاص خدمت رسانی کند.

ذخیره سازی کنترلی یا Control Storage

Control Storage، حجم ذخیره سازی در سمت منبع سیستم بین کمپرسورها است و نقطه ای که هدر اتاق تغذیه به هدر توزیع می پیوندد.
یا در سیستم هایی با کنترل کننده های جریان فشار، ذخیره سازی کنترلی حجم بهمراه کنترل کننده جریان فشار است.
وظایف اصلی ذخیره سازی کنترلی، حفظ یکپارچگی فشار سیستم تحت هر شرایطی است.
علاوه بر این، کارکرد کمپرسورها تا آنجایی که کنترل های آنها اجازه می دهد باید بهینه شود.

ذخیره سازی کنترلی برای تأخیر در راه اندازی کمپرسور غیر ضروری لازم است.
ذخیره‌سازی هوای فشرده بصورت کنترلی، با اندازه مناسبی لازم است تا فشار کارخانه در طول مدت زمانی که طول می‌کشد تا پمپاژ هوا به داخل سیستم پس از راه‌اندازی شروع شود، کاهش یابد.

این زمان مجاز شروع می تواند تا ۳۰ ثانیه طول بکشد و در طی آن دوره، ذخیره سازی کنترلی باید نیاز اضافی کارخانه را برآورده کند.
اجازه شروع کمپرسور پشتیبان به دنبال خرابی غیرمنتظره یک کمپرسور در حال کار، اغلب بزرگترین رویدادی است که یک سیستم تولید هوای فشرده تجربه می کند.
ذخیره سازی کنترلی با اندازه مناسب، این رویداد را بدون رسیدن فشار کارخانه به زیر حداقل سطح مجاز خود، کنترل می کند.

ذخیره سازی هوای فشرده بصورت کنترلی برای اجازه دادن به کنترل های ظرفیت جداگانه کمپرسورها برای عملکرد عادی و عدم مقابله با یکدیگر، بسیار مهم است.
این امر به سیستم تولید هوای فشرده اجازه می دهد تا با کمترین فشار ممکن کار کند که باعث صرفه جویی در مصرف انرژی می شود.

علاوه بر این،
ذخیره سازی کنترلی، فرکانس چرخه کمپرسور را کاهش می دهد؛
یعنی باعث بهبود قابلیت اطمینان و طول عمر کمپرسور و همچنین کارایی عملیاتی آن می شود.

اثر ذخیره سازی هوای فشرده  بر نرخ تغییر

ذخیره سازی کنترلی تأثیر فوق العاده ای بر نرخ تغییر دارد.
ذخیره سازی هوای فشرده بصورت کنترلی بزرگتر به معنای سرعت کمتر تغییر است.
نرخ آهسته‌تر تغییر، به سیستم اجازه می‌دهد تا رویدادهای تقاضای بیشتری را بدون اضافه کردن اسب بخار آنلاین مدیریت کند.
مثال زیر را همانطور که در شکل بالا نشان داده شده است، در نظر بگیرید:

• حداقل فشار مجاز (فشار بحرانی) برای یک سیستم، ۹۰ psig است.
• کمپرسور هوا یک اپراتوره در سیستم به طور کامل بارگذاری شده است و سیستم را در فشار تخلیه ۱۰۰ psig نگه می دارد.
• شخصی ابزاری را در کارخانه راه اندازی می کند که ۹۶ cfm اضافی مصرف می کند.
• از آنجایی که کمپرسور به طور کامل بارگذاری شده است و نمی تواند ۹۶ cfm اضافی را تحویل دهد، نرخ تغییر-۹۶ cfm  وجود دارد و فشار سیستم کاهش می یابد؛
  زیرا تقاضا بیشتر از عرضه است.
• اگر ذخیره سازی کنترلی ۱۰۶۰ گالن باشد، یک دقیقه طول می کشد تا فشار کارخانه از ۱۰۰ psig به ۹۰ psig کاهش یابد.
• اگر ذخیره سازی کنترلی دو برابر شود و به ۲۱۲۰ گالن برسد، زمان دو برابر یعنی ۲ دقیقه طول می کشد تا فشار کارخانه از ۱۰۰ psig به ۹۰ psig  کاهش یابد.
• اگر ذخیره سازی کنترلی سه برابر شود و به ۳۱۸۰ گالن برسد، سه برابر زمان یعنی ۳ دقیقه طول می کشد تا فشار کارخانه از۱۰۰ psig به ۹۰ psig کاهش یابد.

نتیجه بررسی این مثال:

همانطور که این مثال نشان می دهد، زمان رسیدن به فشار بحرانی در طول هر رویداد، مستقیماً با مقدار کل ذخیره سازی هوای فشرده بصورت کنترلی متناسب است.
با کاهش نرخ تغییر، ذخیره سازی کنترلی زمان را برای تغییر دینامیک سیستم به حدی ارائه می دهد که تقاضا کمتر از عرضه شود و فشار بدون نیاز به راه اندازی کمپرسور اضافی بازیابی شود.

اهمیت ذخیره سازی هوای فشرده بصورت کنترلی

همه کمپرسورها برای عملکرد موثر، به ذخیره سازی کنترلی نیاز دارند.
روش کنترلی ظرفیت استفاده شده توسط کمپرسور، میزان ذخیره سازی کنترلی مورد نیاز برای عملکرد موثر و نیز قابلیت اطمینان کمپرسور را تعیین می کند.

کمپرسورهایی که در هر دو حالت استارت و توقف یا کنترل ظرفیت با یا بدون بار کار می‌کنند،
نسبت به کمپرسورهایی که در روش‌های کنترل ظرفیت مدولاسیون، جابجایی متغیر و سرعت متغیر کار می‌کنند، به میزان قابل‌توجهی به ذخیره‌سازی کنترلی بیشتری نیاز دارند.

در کمپرسورهای توقف و شروع و با یا بدون بار، ظرفیت کمپرسور تغییر نمی کند.
یا کمپرسور ۱۰۰ درصد ظرفیت نامی خود را ارائه می دهد یا ۰ درصد.
ظرفیت بار بخشی با تغییر مقدار زمانی که کمپرسور بارگیری و تخلیه می شود، به دست می آید که میانگین این زمان ها با میانگین cfm تقاضای سیستم مطابقت دارد.
زمانی که کمپرسور بارگیری یا تخلیه می شود، یک deadband فشار قابل تنظیم، سیستم را کنترل می کند.

هنگامی که یک کمپرسور با یا بدون بار به نقطه تنظیم فشار تخلیه می‌رسد، ولو ورودی بسته می‌شود.
در این حالت، ظرفیت ۰٪ است.
فشار هواکش همان چیزی است که در سپراتور یا مخزن ذخیره هوای فشرده (sump/separator) وجود دارد.

همچنین توان مصرفی تقریباً ۷۰٪ توان بار کامل است.
تا زمانی که فشار در سپراتور یا مخزن ذخیره هوای فشرده به فشار تخلیه کامل آن کاهش پیدا نکند،
به توان کامل تخلیه کمپرسور که تقریبا ۲۵ درصد از توان بار کامل است، نمی رسد.

جمع بندی

کاهش سریع فشار باعث کف کردن بیش از حد روغن و افزایش انتقال روغن به پایین دست می شود.
برای جلوگیری از کف شدن روغن، زمان تخلیه سامپ از ۳۰ تا ۱۰۰ ثانیه تنظیم شده است.
اگر ذخیره سازی کنترلی برای تخلیه کامل سامپ کافی نباشد،
کمپرسور قبل از رسیدن به شرایط کامل تخلیه بار، مجدداً بارگیری می شود.

این عملیات بسیار ناکارآمد است.
اگر قرار است کمپرسور در روش کنترل با بار یا بدون بار به طور موثر کار کند،
ذخیره سازی هوای فشرده بصورت کنترلی با اندازه مناسب ضروری است.
همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است،
راندمان عملکرد یک کمپرسور با یا بدون بار مستقیماً با حجم ذخیره سازی کنترلی متفاوت است.

با کمپرسورهای با یا بدون بار، بازده بار بخشی به این بستگی دارد که کمپرسور بتواند قبل از بارگذاری مجدد، مخزن خود را کاملاً تخلیه کند.
ذخیره سازی کافی برای اجازه دادن به این تخلیه مورد نیاز است.
کمپرسورهایی که با هر روش دیگر کنترل ظرفیت کار می کنند،
مثل مدولاسیون، جابجایی متغیر یا سرعت متغیر، فشار سیستم را با  تغییر جریان کمپرسور کنترل می کنند.

راندمان بار بخشی این کمپرسورها عمدتاً تحت تأثیر میزان ذخیره سازی هوای فشرده بصورت کنترلی قرار نمی گیرد.
نیاز اولیه ذخیره سازی کنترلی برای این کمپرسورها، به حداقل رساندن شروع و توقف غیر ضروری است.
علاوه بر این،
دادن زمان برای شروع به کار سایر کمپرسورهای سیستم و افزایش فشار در صورت نیاز به اسب بخار آنلاین بیشتر است.

مقدار ذخیره سازی کنترلی مورد نیاز برای محدود کردن شروع و توقف غیر ضروری به طور قابل توجهی کمتر از مقدار مورد نیاز برای کارکرد کمپرسور با یا بدون بار در حداکثر کارایی است.