Il controllo della portata nei compressori alternativi

Introduzione

Lo sviluppo di nuove tecnologie e dell'elettronica ha permesso di migliorare il controllo della portata dei compressori alternativi.

Lo scopo di questi sistemi è di ottimizzare il consumo di energia ed il controllo delle macchine attraverso il numero di giri del motore oppure agendo in ogni ciclo di compressione sulle valvole di aspirazione.

In questo modo si ha una regolazione continua della portata del compressore.

Il sistema basato sul riflusso è ormai consolidato da anni anche per applicazioni complesse e heavy-duty. In base a questo principio la società Cozzani ha sviluppato e brevettato un

sistema di regolazione della portata denominato FluxtoFlow? che, a differenza degli altri sistemi idraulici presenti sul mercato, è caratterizzato per la prima volta da un'attuazione di tipo esclusivamente elettromeccanico (fig.1).

Il progetto qui descritto confronta due differenti sistemi di regolazione della portata, quello basato sul reflusso e quello ottenuto con la variazione del numero dei giri del motore (VSD).

Progetto

Nelle macchine la selezione del controllo portata è in genere impostata sulle esigenze dell'impianto.

Le API 618 danno indicazioni sul controllo a gradini generalmente del 25-50-75 e 100%. Per applicazioni in cui è necessario una portata continuamente variabile il controllo dei giri del motore è una soluzione possibile. Motori a gas azionano frequentemente e da molti anni compressori per servizi di gas naturale.

Motori elettrici a giri variabili trovano sempre più applicazione nella compressione di gas tecnici e nei servizi severi di O&G.

Tutti questi sistemi hanno un impatto sulle valvole, sulla loro progettazione e sul comportamento del compressore per ogni singola applicazione.

Conseguentemente le attività di manutenzione saranno correlate alle condizioni di severità effettive da fronteggiare.

Il sistema a riflusso impiegato positivamente da molti anni comporta la regolazione in ogni ciclo di compressione, con la possibilità di operare anche a giri elevati. Oltre ad un risparmio energetico più efficace, va considerato anche un miglior

comportamento delle valvole riducendo i fenomeni di fluttering in aspirazione.

Il sistema FluxtoFlow? esegue continuamente delle funzioni di diagnostica su ogni attuatore. In caso di funzionamento con due o più attuatori per effetto di compressione, se un attuatore presenta dei problemi, il sistema è in grado di escluderlo e

di continuare a gestire la regolazione della portata mediante gli altri attuatori. Anche in caso di un malfunzionamento completo del sistema, il compressore è in grado di funzionare al 100% della portata lasciando quindi l'utilizzatore nella possibilità di operare ed avere una produzione adeguata.

Il sistema è costituito da attuatori elettromeccanici, collegati ad un sistema di controllo elettronico che ne garantisce la prestazione e l'efficacia operativa.

Il sistema di controllo degli attuatori scambia segnali con la sala di controllo che definisce la regolazione

necessaria della portata. Quando richiesto il compressore può essere anche controllato per mantenere la pressione costante in aspirazione, attraverso un PI controller, con set point imposto manualmente in sala controllo. Quando la pressione scende il sistema di controllo reagisce aumentando il ritardo nella chiusura della valvola di aspirazione, riducendo la portata. Se la pressione cresce il sistema reagisce in maniera opposta aumentando la portata.

La logica di controllo è effettuata in modo da ottimizzare automaticamente l'impianto. L'efficacia del sistema è stata verificata in più occasioni attraverso il controllo del ciclo indicato e delle temperature di mandata di ogni cilindro

Manutenzione

Le prestazioni delle valvole sono influenzate dai parametri progettuali, dalle condizioni operative, dell'eventuale presenza di sporco o liquido trascinati dal gas. Quindi la loro manutenzione predittiva o preventiva ha un effetto notevole sull'affidabilità e la disponibilità dei compressori.

L'ottenimento di un MTBF compatibile con le Con motori a giri variabili il comportamento delle valvole risente di una minore portata e pertanto aumentano ed occorre tenerne conto nella definizione dell'alzata ottimale.

L'uso del riflusso consente di ottenere una minore fluttuazione durante la fase di aspirazione grazie al controllo effettuato dall'attuatore, che permette di tenere aperte le valvole per il tempo necessario.

Dopo circa 8000 ore di marcia (equivalenti a 235,2 milioni di cicli di attuazione sulla valvola aspirante con conseguenti spostamenti dell'asta dell'attuatore) le valvole e gli attuatori sono stati ispezionati riscontrando una leggera usura delle parti limitata ad alcuni componenti quali spingenti e dischi.

Confronto tra Reverse Flow e VSD 

Confrontando due macchine identiche equipaggiate con i due differenti sistemi di regolazione è stato possibile analizzare le loro prestazioni e le conseguenze sul consumo energetico e sul comportamento delle valvole.

A parità di portata le fluttuazioni di pressione in aspirazione sono più alte nel sistema VSD. La differenza è dovuta al tipo di controllo. Il reverse flow controlla l'istante di chiusura della valvola. L'aspirazione avviene in gran parte con lo spingente che agisce sul disco per tenere la valvola nella posizione di apertura e quindi con fluttering minimizzato.

Ciò riduce l'usura delle molle e dischi con maggiore affidabilità e durata delle valvole.

Le oscillazioni sono più accentuate quando si marcia ai giri minimi con VSD (Fig.2).

Monitorando il comportamento dei due compressori si è evidenziato che col FluxtoFlow?  la regolazione della portata può arrivare fino al 15% della portata nominale mentre variando il numero di giri la regolazione arriva fino al 50% con la conseguente necessità di utilizzare il by-pass avendo così un maggior consumo energetico.

Confrontando le temperature di mandata nei due compressori, in quello controllato dal sistema a reflusso, si sono riscontrati valori più elevati che diminuiscono con l'aumentare della portata: si tratta di un fenomeno tipico della regolazione basata sul metodo del reflusso che tuttavia è stato rilevato in misura modesta e non influenza il processo.

Conclusioni

Il controllo continuo della portata dei compressori alternativi può essere efficacemente effettuato con VSD e sistemi a riflusso.

Confrontando temperature, pressione nei cilindri e consumi energetici misurati in due compressori gemelli si è riscontrato che il sistema FluxtoFlow?  basato sul principio del riflusso garantisce migliori prestazioni e un maggiore risparmio energetico rispetto alla regolazione tramite VSD oltre ad assicurare una maggiore durata delle valvole aspiranti riducendo le forze di impatto sul disco valvola.

Andrea Raggi

R&D Engineer, Dott.Ing.Mario COZZANI S.r.l. 

Antonio Giampà

R&D Engineer, Dott.Ing.Mario COZZANI S.r.l.