Paineilmakompressorin tyhjäkäyntisyklin optimointi
Isotalo, Jussi (2019)
2019
Automaatiotekniikka
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2019-04-03
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201903201321
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201903201321
Tiivistelmä
Jopa 20 % teollisuuden käyttämästä sähköenergiasta kuluu paineilman tuotantoon. Kasvavien energiansäästövaatimusten johdosta paineilman tuotannon energiatehokkuuden merkitys on lisääntynyt entisestään. Samalla myös öljyttömän paineilman tuotantotekniikka on yleistynyt, mikä on edistänyt turbotekniikkaan perustuvien kompressorien laaja-alaista käyttöä paineilman tuotannossa. Kun turbokompressorilla hoidetaan paineilmajärjestelmässä niin peruskuorman tuotanto kuin myös järjestelmän säätö, on energiatehokkaisiin säätötapoihin etsittävä uusia vaihtoehtoja. Tämän työn tarkoituksena on tutustua turbokompressorin tuotonsäätömenetelmiin ja tutkia niiden hyödyntämistä kompressorin tyhjäkäynnin energiankulutuksen pienentämisessä.
Tutkimus aloitettiin perehtymällä paineilman tuotantoon, paineilman kulutuksen vaihteluihin sekä kompressorin tyhjäkäynnin periaatteeseen. Turbokompressorin teoriaa käytiin läpi tutustumalla sen rakenteeseen, toimintaan ja erityisesti sen tuottaman paineilman määrän muuttamiseen. Kompressorin tyhjäkäynti jaettiin osiin, joiden energiankulutuksen muodostumisen periaatteet käytiin läpi. Käsitellyistä tuotonsäätömenetelmistä valittiin kolme käytännössä sovellettavinta menetelmää, joiden hyödyntämistä tasaisen tyhjäkäynnin energiankulutuksen optimoimiseksi tutkittiin teorian pohjalta. Menetelmiksi valittiin pyörimisnopeussäätö, imuvirtauksen kuristus ja lähdön ohivirtautus. Jokaiselle säätötavalle kehitettiin menetelmä sen tutkimiseksi laboratoriossa kompressoriyksiköllä.
Menetelmien käytännön soveltuvuuden testaamiseksi vakioitiin testiolosuhteet ja suunniteltiin mittausjärjestely. Laboratoriomittaukset suoritettiin ja niiden tulokset analysoitiin. Mittausten perusteella havaittiin, että kaikilla kolmella menetelmällä saavutettiin teorian ennustamia energiankulutuksen muutoksia kohtuullisen pienillä eroavaisuuksilla. Erojen todettiin johtuvan useasta kompressorivaiheesta koostuvasta kompressorista sekä sen apulaitteiden käyttämästä energiasta. Pyörimisnopeussäädön perusteella saavutettiin parhaimmillaan 89 %:n, imuvirtauksen kuristuksella 52 %:n ja lähdön ohivirtautuksella 23 %:n energiansäästö verrattuna mittauksen referenssipisteeseen.
Työn tulosten perusteella havaitaan, että kompressorin energiankulutusta tyhjäkäyntitilanteessa voidaan optimoida hyödyntäen perinteisesti tuotonsäätöön käytettyjen menetelmiä. Havaintojen perusteella voidaan menetelmillä saavuttaa merkittäviä energiansäästöjä, joiden ansiosta tyhjäkäyntiä voidaan hyödyntää energiatehokkaammin eri sovelluksissa. Jatkossa työn tutkimusta ja laboratoriomittauksia voidaan hyödyntää tyhjäkäyntisyklin siirtymien energiankulutuksen optimointiin. Tämän työn tuloksien ja suoritettavien jatkotutkimusten myötä turbokompressorin tyhjäkäynnin aikainen energiankulutus voidaan optimoida mahdollisimman energiatehokkaaksi, mikä johtaa kompressorin sovelluskohteiden lisääntymiseen ja sen hyvän kilpailukyvyn parantumiseen entisestään.
Tutkimus aloitettiin perehtymällä paineilman tuotantoon, paineilman kulutuksen vaihteluihin sekä kompressorin tyhjäkäynnin periaatteeseen. Turbokompressorin teoriaa käytiin läpi tutustumalla sen rakenteeseen, toimintaan ja erityisesti sen tuottaman paineilman määrän muuttamiseen. Kompressorin tyhjäkäynti jaettiin osiin, joiden energiankulutuksen muodostumisen periaatteet käytiin läpi. Käsitellyistä tuotonsäätömenetelmistä valittiin kolme käytännössä sovellettavinta menetelmää, joiden hyödyntämistä tasaisen tyhjäkäynnin energiankulutuksen optimoimiseksi tutkittiin teorian pohjalta. Menetelmiksi valittiin pyörimisnopeussäätö, imuvirtauksen kuristus ja lähdön ohivirtautus. Jokaiselle säätötavalle kehitettiin menetelmä sen tutkimiseksi laboratoriossa kompressoriyksiköllä.
Menetelmien käytännön soveltuvuuden testaamiseksi vakioitiin testiolosuhteet ja suunniteltiin mittausjärjestely. Laboratoriomittaukset suoritettiin ja niiden tulokset analysoitiin. Mittausten perusteella havaittiin, että kaikilla kolmella menetelmällä saavutettiin teorian ennustamia energiankulutuksen muutoksia kohtuullisen pienillä eroavaisuuksilla. Erojen todettiin johtuvan useasta kompressorivaiheesta koostuvasta kompressorista sekä sen apulaitteiden käyttämästä energiasta. Pyörimisnopeussäädön perusteella saavutettiin parhaimmillaan 89 %:n, imuvirtauksen kuristuksella 52 %:n ja lähdön ohivirtautuksella 23 %:n energiansäästö verrattuna mittauksen referenssipisteeseen.
Työn tulosten perusteella havaitaan, että kompressorin energiankulutusta tyhjäkäyntitilanteessa voidaan optimoida hyödyntäen perinteisesti tuotonsäätöön käytettyjen menetelmiä. Havaintojen perusteella voidaan menetelmillä saavuttaa merkittäviä energiansäästöjä, joiden ansiosta tyhjäkäyntiä voidaan hyödyntää energiatehokkaammin eri sovelluksissa. Jatkossa työn tutkimusta ja laboratoriomittauksia voidaan hyödyntää tyhjäkäyntisyklin siirtymien energiankulutuksen optimointiin. Tämän työn tuloksien ja suoritettavien jatkotutkimusten myötä turbokompressorin tyhjäkäynnin aikainen energiankulutus voidaan optimoida mahdollisimman energiatehokkaaksi, mikä johtaa kompressorin sovelluskohteiden lisääntymiseen ja sen hyvän kilpailukyvyn parantumiseen entisestään.