Cómo gestionar varios sistemas de compresores de aire

Controlar los sistemas de aire comprimido puede resultar complicado, sobre todo si se utilizan varios compresores de aire en distintas salas. Si está controlando su sistema manualmente y siguiendo un procedimiento que utiliza ajustes de presión locales, es probable que esté desperdiciando mucha energía. Sin embargo, si aprende a gestionar correctamente varios sistemas de aire comprimido, podrá reducir significativamente sus costes energéticos y conseguir una presión de aire más fiable.

Comprender la presión de control del compresor

Para explicar cómo controla la presión un compresor de aire, utilizaremos como ejemplo los compresores de tornillo rotativo, que son los más utilizados en entornos industriales. Las estrategias que comentamos a continuación no son necesariamente aplicables a los sistemas de compresores centrífugos.

En los sistemas de aire comprimido, el parámetro más crítico es la presión. Si la presión no se mantiene por encima de un determinado nivel mínimo, las máquinas alimentadas por el aire comprimido dejarán de funcionar correctamente, lo que puede interrumpir la producción. Si el mundo fuera perfecto, controlar la presión sería sencillo. Podríamos ajustar fácilmente los compresores a la presión de aire mínima necesaria. Sin nuestra ayuda, los compresores podrían arrancar, parar, cargar y descargar para mantener la salida de presión ideal y un consumo de energía óptimo.

Sin embargo, no es tan sencillo, ya que hay un gran problema con el que tendrá que lidiar: el diferencial de presión. Para ilustrar este problema, considere un sistema sencillo de aire comprimido en el que el aire que sale de dos compresores pasa por un filtro, un secador, tuberías del sistema y, a continuación, un filtro, regulador y lubricador (FRL) antes de llegar al usuario final crítico.

Los compresores controlan la presión del aire que sale del sistema. En una disposición normal de banda de presión en cascada, estas máquinas proporcionarían generalmente una presión de aire de alrededor de 100 libras por pulgada cuadrada (psi) cuando ambos compresores están a plena carga. Esto cambiaría a alrededor de 115 psi cuando las cargas son más ligeras.

Sin embargo, a medida que el aire se desplaza por cada componente del sistema, pierde presión. Esto significa que cuando llega al usuario final, la presión es significativamente menor. En este punto, donde se encuentra el usuario final, la presión debe controlarse con precisión. Sin embargo, las condiciones del mundo real dificultan la gestión precisa de esta presión.

Cómo afectan las caídas de presión al sistema

Cuando los compresores de aire están totalmente cargados, la presión del aire experimenta una caída al desplazarse por los componentes del sistema. A continuación se muestra un ejemplo de las caídas de presión habituales que se producen cuando el aire pasa por el sistema:

• Caída de 4 psi en el filtro.
• Caída de 6 psi en la secadora.
• Caída de 5 psi en la tubería.
• Caída de 15 psi en el FRL.

En este ejemplo, el aire experimentó una caída total de 30 ps i en su trayecto desde el compresor hasta el usuario final crítico. Esto significa que, si el aire que sale del compresor era de 100 psi, el usuario final sólo tendrá 70 psi para trabajar. Este es el peor escenario posible cuando el sistema está totalmente cargado.

¿Se puede estabilizar la presión del aire suministrado al usuario final con la ayuda del control del compresor? La respuesta es no. El compresor sólo puede controlar la presión del aire que sale de la propia máquina, pero no una vez que ha pasado por otros componentes del sistema.

Si las aplicaciones finales de este aire incluyen tareas sensibles a la presión, esta gran variación de presión puede causar una amplia gama de problemas. Entre otras cosas, puede dar lugar a una producción incoherente o incluso detener por completo el funcionamiento. Para hacer frente a esta inconsistencia de la presión en el usuario final, los operarios suelen aumentar artificialmente la presión de descarga del compresor para compensar la presión más baja.

El coste de aumentar la presión

Aumentar artificialmente la presión de descarga del compresor en, digamos, 10 psi significa que los compresores mantendrán la presión entre 110 y 125 psi, dependiendo de la carga. La presión más alta, sin embargo, tendrá un coste. Es una regla general que, a aproximadamente 100 psi, por cada aumento de 2 psi en la presión de descarga, el consumo de energía del compresor aumenta aproximadamente un 1%.

Aumentar la presión de descarga también puede tener otras consecuencias negativas. La presión máxima nominal típica de un compresor de aire es de 125 psi y, si se supera, puede sobrecargar el motor.

Múltiples ubicaciones de compresores

En el caso de un sistema con varios compresores de aire, los problemas serán aún mayores, sobre todo si los compresores se encuentran en salas distintas. Este fenómeno se debe a que cada compresor experimentará cargas y diferencias de presión de aire diferentes.

Para que una instalación con dos compresores de aire se controle eficazmente, los compresores de cada una de estas salas deben coordinarse correctamente. Para lograrlo, es necesario disponer de una banda de presión amplia mediante el ajuste local del punto de ajuste del compresor.

Sin embargo, si las cargas varían mucho, coordinar varios compresores es prácticamente imposible. La única excepción sería que los compresores pudieran compartir cargas de algún modo con todas las unidades funcionando a cargas parciales.

Ineficiencias de la carga de piezas

Un planteamiento equivocado sería ajustar todos los compresores exactamente a la misma presión para que puedan compartir la carga. Con esta estrategia, las máquinas mantendrán la presión del sistema dentro de la misma banda aceptable, lo que les permitirá compartir la carga.

Sin embargo, aunque parece una solución sencilla, la penalización energética es enorme. Esto se debe a que los compresores de tornillo rotativo de velocidad fija tienden a alcanzar una eficiencia óptima cuando la carga está llena.

Por ejemplo, si hace funcionar su compresor a una carga del 30%, puede consumir entre el 60% y el 80% de lo que consumiría a plena carga. Si hace funcionar tres compresores a una carga del 30%, podrían consumir el doble de lo que consumiría un solo compresor a plena carga. Ahora imagine cuánta energía gastaría si hiciera lo mismo con 10 compresores. Sus facturas de energía serían increíblemente elevadas.

Independientemente del sistema que utilice, la mejor estrategia es mantener todos los compresores a plena carga excepto uno. El que soporta la carga parcial debe tener también la mayor eficiencia de carga parcial.

Elimine los diferenciales de presión

Incluso si se intenta controlar la presión más adelante en la línea, como entre el secador y la tubería o entre la tubería y el FRL, no se podrán eliminar los problemas de diferencial de presión que podrían surgir en el usuario final crítico.

Hay que tener en cuenta que las plantas suelen tener varios cientos de usuarios críticos, y controlar la presión del aire para todos ellos es sencillamente imposible. Lo que sí es posible, sin embargo, es diseñar componentes fiables y de alta calidad que alimenten al usuario final.

Una de las razones por las que muchos sistemas de compresores experimentan diferenciales de presión tan indeseables es que no utilizan componentes optimizados. Muchas piezas se eligen simplemente porque se ajustan a los tamaños estándar disponibles utilizados en la planta, no necesariamente porque sean los mejores componentes para la aplicación. Este problema se aplica a elementos del sistema como:

• Reguladores
• Mangueras
• Conectores
• Filtros

Además, estos componentes no siempre se instalan correctamente. Durante la instalación, a menudo se presta poca atención a las demandas máximas de las piezas conectadas en el extremo de la manguera. Por ejemplo, si se conecta una gran llave de impacto neumática a una manguera larga de un cuarto de pulgada, las diferencias de presión resultantes podrían ser extremas. Los tamaños de los componentes deben actualizarse para adaptarse a los requisitos máximos de la herramienta, lo que reducirá drásticamente el diferencial de presión.

Puede reducir el diferencial de presión en cada componente mejorando el elemento en cuestión. Si puede mejorar los tipos de filtro, aumentar el tamaño de los secadores de aire y aumentar la capacidad de las tuberías, podrá reducir la presión diferencial y suministrar mejor la presión de aire necesaria al usuario final. Puede conseguir ambas cosas sin tener que aumentar la presión de descarga y desperdiciar energía.

Utilización de controles para mejorar la eficacia del rendimiento

Si utiliza una estrategia no gestionada para controlar varios compresores de aire, experimentará un consumo de energía innecesario y problemas de mantenimiento más frecuentes o inesperados. Si gestiona sus compresores utilizando únicamente los controladores de a bordo, esta técnica podría causar problemas como:

• Consumo excesivo: Funcionan más compresores de los necesarios, lo que reduce la eficiencia energética de su planta.
• Funcionamiento ineficaz: La combinación de compresores de aire en funcionamiento no es óptima, lo que ralentiza su productividad y aumenta el consumo de energía.
• Presión alta: La presión de sus compresores de aire es innecesariamente alta.

¿Por qué suceden estas cosas? Si se observan las señales, los valores de consigna y los diferenciales, se puede empezar a comprender lo complejo que es un sistema que funciona sólo con controladores incorporados.

Factores que intervienen en la gestión de un sistema de control de compresores de aire

Imagine un sistema con tres compresores, cada uno de los cuales tiene su propio prefiltro, secador y postfiltro. Los tres compresores también tienen sus propias señales de presión. Éstas se encuentran en la descarga del compresor y antes de los componentes de tratamiento, que son los filtros y el secador. Para asegurarse de que todos los compresores están alineados, los transductores de presión tendrían que estar perfectamente calibrados entre sí.

Otro factor que influye en este esquema de control es la caída de presión que se produce desde el punto en que los compresores descargan el aire hasta el depósito receptor, que se encuentra aguas abajo de los componentes de tratamiento del aire. A menos que los componentes de tratamiento de aire y las tuberías provoquen exactamente la misma caída de presión, sus compresores no estarán alineados.

La alineación perfecta rara vez se da debido a diversos factores, como los intervalos de mantenimiento y las diferentes características de los equipos de tratamiento de aire. Cuando las señales y los diferenciales están desajustados, esto hará que funcionen demasiados compresores de aire, lo que desperdicia energía y aumenta innecesariamente los intervalos de mantenimiento.

Otro factor que influye en la forma de controlar los compresores son los valores de consigna del control del compresor. Si tiene compresores de velocidad fija, se controlan mediante válvulas de entrada, normalmente en modo "carga/descarga", lo que significa que la válvula está completamente abierta o cerrada. Normalmente, la diferencia entre los puntos de carga y descarga es de 10 psi.

Si la velocidad del motor controla su compresor, los "puntos de ajuste" se convierten en "presión objetivo". Si tiene más de un compresor en control local, sus valores de consigna se extienden en un amplio rango, lo que hace que el primer compresor funcione a una presión más alta para mantener este esquema de control.

Esta estrategia, conocida como esquema de control en cascada, aumenta el consumo de energía del sistema como consecuencia de la presión elevada. En un esquema típico de control en cascada, el compresor que arranca en último lugar se ajusta a la presión mínima aceptable. A la inversa, el compresor que arranca primero y se apaga último se ajusta para arrancar a 115 psi y apagarse a 125 psi.

En situaciones de baja demanda, el sistema de compresión puede funcionar entre 25 y 35 psi por encima de la presión mínima aceptable. Esto consumiría aproximadamente un 15% más de energía de la que se necesitaría normalmente para esa demanda.

Ventajas de la conectividad remota

Independientemente del tipo de compresores de aire que tenga, puede aplicar y vincular controles de sistema de alta calidad para supervisar y controlar sus sistemas de compresores. Los fabricantes suelen desarrollar y suministrar sus propios equipos de supervisión, que incluyen una interfaz gráfica para que pueda visualizar lo que ocurre en su sistema. Estos equipos también suelen disponer de controles remotos basados en web.

Utilizar la comunicación a distancia tiene muchas ventajas. Por ejemplo, considere este escenario. Un compresor sin capacidad de conectividad remota para enviar una alerta o hacer sonar una alarma se avería durante un turno de baja producción en el que no hay personal de mantenimiento con experiencia. El personal de la planta tiene que hacer frente a esta interrupción del suministro de aire. Además, es probable que tengan que detener la producción mientras se ponen en contacto con un proveedor de servicios de emergencia y esperan a que llegue.

Consideremos la misma situación anterior, pero con una notificación de alerta móvil integrada en el sistema de control que avisa inmediatamente al proveedor de servicios. Esta función permite al proveedor evaluar rápida y remotamente lo que está pasando. Puede revisar los parámetros de funcionamiento del sistema y averiguar cómo se ha producido la desconexión. Este sistema de notificación puede incluso permitir al proveedor reiniciar el compresor de aire si ofrece permiso para esta acción.

En última instancia, la conectividad remota mejora drásticamente la calidad y la rapidez de la respuesta, lo que mejora la productividad, ahorra tiempo y aumenta los beneficios.

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