Minimalizowanie kosztów sprężonego powietrza w aplikacjach przemysłowych

Sprężone powietrze jest niezbędne w wielu zastosowaniach przemysłowych, jednak w przypadku występowania niezidentyfikowanych nieszczelności w instalacji może być bardzo kosztowne. Inwestując nieco czasu i pracy w analizę czy audyt systemu sprężonego powietrza, można znaleźć jego nieefektywne elementy. Ich naprawa sprawi, że koszty generowane przez system zostaną znacznie obniżone.

 

Pomiar i monitorowanie zużycia sprężonego powietrza jest ważnym czynnikiem w zarządzaniu kosztami systemu sprężonego powietrza. Źródło: Atlas Copco

 

Przestrzeganie opisanych w artykule dziesięciu zasad pozwoli na obniżenie kosztów eksploatacji systemu sprężonego powietrza.

1. Analiza zużycia powietrza

Zwykle jedynie połowa sprężonego w systemie powietrza jest zużywana do realizacji obsługiwanego procesu. Pozostała część jest marnotrawiona z powodu sztucznego zapotrzebowania, niewłaściwego użytkowania lub nieszczelności układu.

Sztuczne zapotrzebowanie występuje wówczas, gdy w systemie istnieją duże rezerwy sprężonego powietrza. W niektórych zastosowaniach może ono stanowić nawet 10–15% zużycia sprężonego powietrza.

Niewłaściwe użycie to np. otwarte na-
wiewy, chłodzenie stanowisk pracy, chłodzenie szaf sterowniczych lub nawiewu na silniki. Niektóre z tych działań, z chłodzeniem szaf sterowniczych, usuwaniem wilgoci i tworzeniem stref niskiego ciśnienia włącznie, można wykonać bardziej efektywnie za pomocą wentylatora, dmuchawy lub pompy podciśnienia, a każde z nich zużyje mniej energii niż sprężarka.

Wiedza na temat zużycia sprężonego powietrza to pierwszy krok do opracowania strategii jego obniżenia.

2. Kontrola systemu

Sprawdzenie systemu dystrybucji powietrza oznacza szukanie nieszczelności i odpowiedni dobór przewodów. Zarówno nieszczelności, jak i nieprawidłowo dobrane przewody skutkują niepożądanymi spadkami ciśnienia, a te powodują zwiększoną pracę systemu sprężonego powietrza i zwiększone zużycie energii. W niektórych systemach nieszczelności pochłaniają 20–30% sprężonego powietrza.

Przyjrzyjmy się niektórym obliczeniom i przykładom, aby zrozumieć znaczenie nieprawidłowości systemu dystrybucji na zwiększone zużycie.

Nieszczelności. Przy ciśnieniu w układzie równym 5,5 bara wyciek przez otwór o średnicy 1,5 mm oznacza wypływ o wartości 148 l/min. Jeśli zwiększymy ciśnienie do 8,6 bara, wartość wypływu zwiększy się do 217 l/min. Ten 46-procentowy przyrost zużywanego powietrza szybko zwiększy koszty energii.

Większe nieszczelności mogą być słyszalne podczas działania systemu, jednak znalezienie wszystkich nieszczelności wymaga przeprowadzenia audytu. Ultradźwiękowe detektory nieszczelności pomagają w zlokalizowaniu niewielkich wycieków, jednak najlepszą praktyką w zakresie ich detekcji i efektywnej likwidacji jest świadomość i zaangażowanie w procedury monitorujące całego personelu zakładowego.

Dobór średnicy przewodów i ich konfiguracja. Rozmiar przewodów ma duży wpływ na wartości ciśnienia. Jako przykład może służyć zakład, w którym występuje problem zbyt niskiego ciśnienia. Objętościowe natężenie przepływu w systemie to 11 300 l/min przy ciśnieniu w układzie równym 6,9 bara i przewodach o średnicy 50 mm. Aby skompensować niskie ciśnienie, operator postanawia zakupić nowy, większy kompresor. Czy jest to odpowiednie rozwiązanie? Prawdopodobnie nie.

Zwiększenie średnicy przewodów z 50 mm do 75 mm i stworzenie zamkniętego układu zmniejszy spadek ciśnienia z 0,9 do 0,1 bara, bez konieczności zakupu nowego kompresora.

Innym sposobem na unikanie spadków ciśnienia związanych z rozmiarem przewodów i ich konfiguracją jest niestosowanie długich fragmentów przewodów. Dzięki minimalizowaniu użycia długich przewodów i wykrywaniu nieszczelności można zapewnić odpowiednie ciśnienie bez przeciążania kompresora.

3. Zmniejszenie ciśnienia

Często spotyka się systemy działające pod wysokim ciśnieniem w celu zaspokojenia potrzeb tylko jednego punktu odbioru powietrza. Powoduje to straty dużej ilości sprężonego powietrza, zwłaszcza gdy zapotrzebowanie na powietrze poszczególnych odbiorników w systemie bardzo się różni. Aby uniknąć produkcji niepotrzebnej ilości sprężonego powietrza, należy zastosować osobny kompresor lub system zwielokrotniania ciśnienia. Dzięki temu pozostała część systemu może wciąż pracować przy niskim ciśnieniu. Zmniejszy to straty i zużycie sprężonego powietrza oraz znacznie ograniczy ogólne zużycie energii.

Oszczędności się sumują. Każdy wzrost ciśnienia o wartość równą 0,14 bara to wzrost kosztów energii o ok. 1%. Przed zakupem dodatkowego kompresora należy jednak:

→ oszacować prawidłowość konfiguracji ustawień sterujących kompresora,

→ znaleźć miejsca powodujące spadki ciśnienia w osuszaczach, filtrach i przewodach,

→ określić, czy istnieje punkt sztucznego zapotrzebowania.

4. Upewnienie się, że zbiorniki na sprężone powietrze są odpowiednio używane

Rozmiar zbiornika na sprężone powietrze i jego położenie to istotne czynniki dla obniżenia kosztów sprężonego powietrza. Zbiorniki te spełniają bardzo ważną funkcję w systemie. Przechowują sprężone powietrze na potrzeby późniejszego użycia i są buforem pomiędzy kompresorem a systemem, zmniejszając różnicę ciśnień powstającą przy sprężaniu powietrza.

Compressed Air and Gas Institute (CAGI) zaleca zastosowanie zbiorników o objętości 18–22 litry na każde 30 l/min objętościowego natężenia przepływu w układzie. W instalacji z wieloma kompresorami rozmiar zbiornika powinien zależeć od końcowego kompresora.

Innym sposobem na ograniczenie wydatków jest upewnienie się, że zbiornik znajduje się we właściwym miejscu. Niektórzy operatorzy decydują się na montaż zbiornika przed osuszaczem. Może to mieć pozytywny wpływ na działanie osuszacza, ponieważ zbiornik obniża temperaturę powietrza i usuwa z niego kondensat oraz mgłę olejową. Jednakże osuszacz będzie wypełniony powietrzem nasyconym. Jeśli zaistnieje nagłe zapotrzebowanie na powietrze, a możliwości osuszacza i kompresora zostaną przekroczone, osuszacz zostanie przeciążony, co spowoduje nagły spadek ciśnienia w tym miejscu.

Instalacja zbiornika za osuszaczem nie przynosi podobnych korzyści, lecz zbiornik przechowuje czyste i suche powietrze. Każde nagłe zapotrzebowanie na powietrze w tej sytuacji zostanie zaspokojone suchym medium. Najlepszym rozwiązaniem jest instalacja dwóch zbiorników po stronie doprowadzenia powietrza: jednego – „mokrego” przed osuszaczem, co zapewni kontrolę składowanego powietrza i opad kondensatu, oraz drugiego –„suchego” zbiornika w celu zaspokajania nagłego zapotrzebowania na powietrze.

5. Efektywne sterowanie wieloma systemami

Przy projektowaniu wielokompresorowego systemu sprężonego powietrza dobrym sposobem na zaoszczędzenie pieniędzy jest obciążenie jak największej liczby kompresorów. Sterowanie wieloma kompresorami może się przyczynić do redukcji kosztów działania systemu, ponieważ wybierany jest kompresor mający działać przy konkretnym obciążeniu, bazując na zapotrzebowaniu zakładu.

Pomoże to również ograniczyć ciśnienie w układzie (należy pamiętać, że każde 0,14 bara ciśnienia podnosi koszty energii o 1%). Jeśli na wyposażeniu znajduje się sprężarka z napędem o zmiennej prędkości (VSD) i sprężarka odśrodkowa, sterowanie układu wielokompresorowego sprawi, że urządzenia te będą pracować w optymalnych warunkach, a więc straty sprężonego powietrza zostaną zminimalizowane.

6. Dobór odpowiedniego osuszacza i filtrów

Proces osuszania sprężonego powietrza jest często opacznie rozumiany. Skutkuje to powstaniem nieefektywnych systemów, powodujących dodatkowe straty energii i pieniędzy. Często pojawiają się pytania związane z wyborem filtrów i osuszacza:

→ Czy powinienem zastosować osuszacz ze środkiem osuszającym, czy z obiegiem chłodniczym?

→ Jaki poziom filtracji jest niezbędny w moim przypadku?

→ Czy potrzebuję wszystkich tych filtrów, regulatorów i środków smarujących?

Niezależnie od pytania, odpowiedź zazwyczaj brzmi tak samo: to zależy od zastosowania. Istnieje jednak kilka ogólnych porad na temat wyboru osuszaczy i filtrów w sposób pozwalający ograniczyć koszty sprężonego powietrza:

Nie należy osuszać sprężonego powietrza w większym stopniu, niż wymaga tego zastosowanie. Nie jest to konieczne i skutkuje marnotrawieniem pieniędzy.

Należy wziąć pod uwagę wewnętrzne osuszanie w osuszaczu z obiegiem chłodzącym, a następnie dosuszać tak, by uzyskać odpowiednią wilgotność do danego zastosowania.

Każdy filtr powoduje spadek ciśnienia, który z kolei generuje koszty. Nie należy filtrować bardziej, niż jest to wymagane.

7. Usuwanie kondensatu za pomocą bezstratnych odpływów

Sprężarki wytwarzają wiele wody. Niezbędne jest znalezienie sposobu na bezpieczne i wydajne usunięcie jej z systemu, by nie zmienić przewodów sprężonego powietrza w przewody hydrauliczne. Nie należy używać manualnych odpływów, ponieważ ich działanie zależy od pracy służb utrzymania ruchu, a te mogą mieć w danej chwili inne priorytety.

Gdy taki odpływ zostanie otwarty, może sprzyjać marnowaniu cennego sprężonego powietrza. Czasowo sterowane odpływy mają podobną wadę i oba wspomniane typy odpływów mogą nie działać prawidłowo w wilgotny dzień. Zamiast tego należy zastosować odpływy działające na zasadzie pułapek na kondensat – wykrywają one obecność kondensatu i otwierają się, nie powodując strat ciśnienia. Należy zawsze kontrolować stan odpływów i regularnie dokonywać napraw, jeśli zachodzi taka potrzeba.

8. Odzysk ciepła

Ciepło jest zawsze produktem ubocznym sprężania powietrza. Można odzyskać 90–95% energii cieplnej z niektórych sprężarek. Sprężarka z wbudowanym wentylatorem może służyć do ogrzewania pomieszczenia, a sprężarki z płaszczem wodnym mogą produkować ciepłą wodę na potrzeby zakładu. Zamiast kierować ciepłe powietrze na zewnątrz lub marnować wodę chłodzącą, lepiej skorzystać z tych sposobów, by zasilić zakład i zaoszczędzić pieniądze.

9. Pomiar i monitorowanie zużycia sprężonego powietrza

Śledzenie zużycia sprężonego powietrza może dostarczyć ważnych wskazówek. Zawsze dobrze jest wiedzieć, co dzieje się z systemem, niezależnie od tego, czy dotyczy to czynności konserwacyjnych, czy inicjatyw związanych z oszczędzaniem energii. Taka praktyka zapobiegnie przeoczeniu poważnych usterek, ale również pomoże znaleźć sposoby ciągłego zwiększania wydajności.

Podczas monitorowania należy:

→ wyznaczyć wartość bazową zużycia przed dokonaniem zmian,

→ zdefiniować odniesienie zużycia energii do nakładu produkcji,

→ odnotowywać każde zmiany w systemie i wynikające z nich oszczędności energii,

→ zapisywać dane i trendy konserwacyjne,

→ badać wpływ nowych urządzeń,

→ notować ciśnienia robocze w strategicznych punktach systemu, ponieważ mogą one wskazać potencjalne miejsce awarii,

→ analizować zjawisko występowania niskiego ciśnienia w punkcie odbioru powietrza – może to wskazywać na problem w systemie i nie musi wymagać wymiany kompresora.

Monitorowanie systemu to dobry początek. Może być wykonywane przez załogę zakładu lub dokonane w trakcie audytu systemu sprężonego powietrza. Ten drugi sposób pomoże uzyskać lepszy wgląd w funkcjonowanie systemu i wskaże, jakie zmiany wpłyną na jego usprawnienie. Innym sposobem na kontrolowanie sprężarek jest zastosowanie bezprzewodowego systemu monitorującego, który wskazuje, gdzie trafia sprężone powietrze, gdzie występują spadki ciśnień i jak wiele energii zużywa system.

10. Dobór odpowiedniego kompresora

Najważniejszy jest dobór odpowiedniego kompresora. Istnieje wiele możliwości, jednak każda z technologii ma swoją indywidualną zaletę w zależności od zapotrzebowania zakładu oraz rodzaju aplikacji:

→ VSD – dostosowuje się do zapotrzebowania, dlatego ten kompresor jest odpowiedni do giętarek i urządzeń tnących;

→ bezolejowa – idealna do wymagających zastosowań, takich jak produkcja żywności, napojów i farmaceutyków;

→ odśrodkowa (promieniowa) – są to dynamiczne sprężarki dużych rozmiarów. Stanowią duży wydatek, co sprawia, że nadają się do dużych zakładów, np. produkujących półprzewodniki;

→ tłokowa – sprężarki te są zazwyczaj niewielkich rozmiarów, co sprawia, że stanowią dobry wybór dla przemysłu automotive.

Nie należy dokonywać zakupu sprężarki bez uprzedniego sprawdzenia, które z urządzeń najlepiej się sprawdzi w konkretnym zastosowaniu, mając na uwadze ciśnienie i natężenie przepływu. Sprawdzenie tych opcji pozwoli zaoszczędzić pieniądze w późniejszym czasie.

Podsumowanie

Wdrażanie praktyk poprawiających efektywność i rentowność wymaga czasu i stałego zaangażowania. Przestrzeganie opisanych wytycznych pozwoli na zaoszczędzenie w zakładzie znacznych ilości energii oraz pieniędzy.


Deepak Vetal –- Product Marketing Manager w firmie Atlas Copco Compressors.