Повышение энергоэффективности промышленных компрессоров, обнаружение и устранение утечек сжатого воздуха
Сжатый воздух представляет собой затратную форму передачи и хранения энергии, так как его сжатие требует значительных энергетических затрат, а большая часть энергии теряется в виде тепла. Обычно сжатый воздух производится в промышленности с помощью электрических компрессоров. Около 10% электроэнергии, потребляемой в промышленности, идет на производство сжатого воздуха.
Несмотря на эти затраты, сжатый воздух остается важным элементом многих производственных процессов. Он используется для питания различного пневматического оборудования, в прессах, штампах, молотах, в пневматических инструментах, в пневматических системах для управления станками, в устройствах для быстрой и эффективной очистки оборудования от загрязнений и пыли.
Большое количество сжатого воздуха можно было бы сохранить, если бы удалось сократить его потери. Во многих системах сжатого воздуха потери составляют от 20 до 40%, но в особенно неэффективных системах они могут достигать 60%. Во многих случаях эти значительные потери остаются незамеченными, поскольку потребление контролируется недостаточно.
В условиях постоянного роста цен на электроэнергию важно тщательно контролировать и оптимизировать эффективность производства и потребления сжатого воздуха.
Почему утечки сжатого воздуха так дорого обходятся?
Во-первых, это бесцельная трата энергии: для выполнения задачи приходится сжимать больше воздуха, чем если бы в системе не было утечек.
Во-вторых, компоненты изнашиваются быстрее, так как они работают чаще или подвергаются большим нагрузкам. Это приводит к увеличению затрат на обслуживание и запасные части.
В-третьих, при значительных утечках система может даже не достигать необходимого давления. Это может вызвать проблемы с соблюдением производственных процедур и качеством продукции.
В-четвертых, рост цен на электроэнергию напрямую влияет на стоимость сжатого воздуха.
Стратегия оптимизации
Если пользователь хочет постоянно снизить энергопотребление системы сжатого воздуха, рекомендуется стратегический подход, состоящий из двух этапов: во-первых, необходимо минимизировать потребление сжатого воздуха путем анализа производственных процессов и устранения утечек. Таким образом, можно определить необходимый расход.
После четкого определения требуемого потребления на втором этапе можно оптимизировать производство и обработку сжатого воздуха с точки зрения энергопотребления: спроектировать компрессоры и установки подготовки сжатого воздуха так, чтобы они соответствовали фактическим минимизированным требованиям.
Затраты на сжатый воздух: производство, эксплуатация и обслуживание систем сжатого воздуха в промышленности
После обсуждения важности сжатого воздуха в промышленности, давайте подробно рассмотрим конкретные затраты на системы сжатого воздуха. Обсудим, какие затраты возникают и какова их доля.
Распределение затрат по жизненному циклу
Затраты в течение жизненного цикла системы сжатого воздуха обычно распределяются следующим образом:
- Затраты на приобретение (около 10-15%): это затраты на приобретение и установку системы, включая компрессор, осушитель и другое оборудование.
- Затраты на электроэнергию (от 70 до 75%): это затраты на потребление электроэнергии при работе систем сжатого воздуха, которые составляют самую крупную статью затрат.
- Расходы на техническое обслуживание (около 10–15%): запасные части, ремонт, текущее обслуживание или договоры на обслуживание.
Важно отметить, что точные проценты могут варьироваться в зависимости от типа системы сжатого воздуха, условий эксплуатации и региона. Однако затраты на электроэнергию почти всегда являются доминирующим фактором в жизненном цикле системы сжатого воздуха.
Удельная мощность в киловатт-часах на кубический метр или киловаттах на кубический метр в минуту соответствует эффективности системы сжатого воздуха. Неэффективная система требует больше энергии для производства определенного количества сжатого воздуха, что делает производственные процессы более дорогими.
Однако из паспорта компрессора это невозможно прочитать, поскольку там указана только механическая мощность на валу, а не фактическая потребляемая электрическая мощность на кубометр воздуха.
Это логично, ведь на удельную мощность влияют различные факторы, находящиеся вне контроля производителя компрессора.
Следует отметить, что даже современный высокоэффективный компрессор может работать неэффективно в системе, спроектированной не оптимально.
Поэтому следует постоянно контролировать среднюю производительность, чтобы можно было вовремя принять меры, если ее окажется недостаточно. Эффективный компрессор должен иметь удельную мощность примерно 0,12 кВт·ч/м3, или 7,2 кВт/(м3/мин).
Рекомендации по повышению энергоэффективности системы сжатого воздуха
Если удельная мощность системы сжатого воздуха ниже желаемого целевого значения, следующие меры могут помочь исправить ситуацию:
- Оптимизация условий всасывания. Температура, влажность, абсолютное давление и вентиляция играют важную роль в эффективности производства сжатого воздуха. Высокие температуры могут увеличить эксплуатационные расходы, а недостаточная вентиляция может снизить эффективность даже при оптимальных условиях.
- Выбор оборудования и управление компрессором. Различные типы компрессоров имеют свои преимущества и недостатки с точки зрения эффективности, технического обслуживания и стоимости. Оптимальной может быть комбинация одного компрессора с регулируемой скоростью для пикового потребления и двух компрессоров, способных покрывать базовую нагрузку. Компрессор с регулируемой скоростью адаптирует частоту вращения двигателя к потребностям в потреблении воздуха и оптимально эффективен при нагрузке от 40 до 80%.
- Рекуперация тепла. Повышает общую эффективность системы сжатого воздуха за счет использования отработанного тепла, образующегося во время сжатия, тем самым снижая чистые эксплуатационные расходы.
- Возраст, состояние и техническое обслуживание оборудования: Старые системы часто менее эффективны, чем новые. Плохое состояние системы может повлиять на работу и привести к увеличению затрат. Независимо от возраста оборудования, регулярное техническое обслуживание и осмотр необходимы для поддержания эффективности системы и раннего выявления потенциальных проблем.
- Оптимизация уровня давления и минимизация потерь давления. Более высокий номинальный уровень давления часто приводит к увеличению эксплуатационных расходов. Например, увеличение давления всего на десятую часть мегапаскаля может увеличить потребление энергии на 5–7%. Рекомендуется эксплуатировать систему только при необходимом давлении. В то же время в распределительной сети могут возникнуть потери давления из-за засорения фильтров, препятствий или неправильного размера труб. Эти потери создают необходимость увеличения давления компрессора. Таким образом, регулярный осмотр и регулировка системы могут помочь поддерживать оптимальное рабочее давление и сэкономить затраты на электроэнергию.
- Конструкция трубопроводов. Слишком малый диаметр трубы может привести к высокой скорости потока и увеличению потерь давления. Поэтому правильный выбор размеров труб и воздуховодов имеет решающее значение для эффективности системы. Более крупные трубы и воздуховоды могут обеспечить более плавный поток воздуха, снижая турбулентность и сопротивление, что в свою очередь снижает потери давления. Однако, слишком большие трубы могут быть неэффективными с точки зрения затрат и пространства, поэтому важно найти оптимальный баланс.
- Адсорбционный осушитель для высоких требований к сушке. Если требуется особенно сухой сжатый воздух (ниже точки росы -40 °C), рекомендуется использовать адсорбционный осушитель. Адсорбционные осушители с холодной регенерацией используют декомпрессию для восстановления адсорбента, на который тратится от 12 до 20% осушенного сжатого воздуха. Адсорбционные осушители с термической регенерацией восстанавливаются с помощью внешнего источника тепла и используют значительно меньше сжатого воздуха или даже не используют его вовсе, но, взамен, требуется энергия для нагрева. Если возможно, можно использовать отходящее тепло от охлаждения компрессора.
- Электрические против пневматических приводов. Если требуется выполнить простые движения, электроприводы более эффективны и точны, чем пневматические приводы. Для прессов выбор между электроприводами и пневматическими зависит от требуемой силы прессования и времени работы: иногда предпочтительнее электроприводы, иногда - пневматические. Если требуется удерживающая сила, пневматика более эффективна, поскольку электроприводы постоянно потребляют энергию для позиционирования. В итоге: электроприводы более эффективны для задач движения, но в 22 раза более энергоемки, чем пневматические, для зажима и удержания. Комбинация электрического и пневматического приводов часто является наиболее энергоэффективной.
Винтовые компрессоры с регулируемой скоростью вращения
Винтовые компрессоры с регулируемой скоростью вращения (VSD) представляют собой передовое решение в области сжатия воздуха, обеспечивающее высокую эффективность и экономию энергии.
Эти компрессоры используют технологию частотно-регулируемого привода, которая позволяет точно настраивать скорость вращения двигателя в соответствии с текущими потребностями производства воздуха. Благодаря этому, VSD компрессоры способны существенно сокращать энергопотребление, особенно в условиях переменной нагрузки.
Принцип работы VSD компрессоров заключается в том, что частотный преобразователь изменяет частоту тока, подаваемого на электродвигатель, тем самым регулируя его скорость. Это позволяет компрессору производить только тот объем воздуха, который необходим в данный момент, избегая перепроизводства и минимизируя время простоя в режиме холостого хода.
Одним из ключевых преимуществ VSD компрессоров является их способность поддерживать постоянное рабочее давление с высокой точностью, что снижает риск износа оборудования и увеличивает срок его службы. Кроме того, благодаря более плавному запуску, уменьшается механическая нагрузка на компоненты компрессора, что также способствует увеличению его надежности.
Компании, такие как Atlas Copco, предлагают широкий ассортимент VSD компрессоров, которые включают в себя запатентованные винтовые элементы и системы управления, такие как Elektronikon, обеспечивающие удобство в эксплуатации и минимальное время настройки. Эти компрессоры также оснащены системами смазки, охлаждения и масло-влагосепараторами, что гарантирует высокое качество сжатого воздуха.
Использование VSD компрессоров является оптимальным решением для промышленных предприятий с переменными режимами работы, так как они способны адаптироваться к колебаниям потребности в сжатом воздухе, обеспечивая при этом прямую экономию электроэнергии до 35%. Это делает их идеальным выбором для предприятий, стремящихся к повышению энергоэффективности и снижению эксплуатационных расходов.
Невидимые утечки сжатого воздуха: обнаружение и устранение
Сжатый воздух, который утекает неиспользованным, представляет собой значительные затраты и увеличивает базовую нагрузку компрессоров. Рассмотрим экономические и экологические последствия этих утечек и предложим конкретные решения для их снижения.
Важно отметить, что правильно установленные трубы из нержавеющей стали, приваренные или закрепленные болтами через фланцы, редко становятся источником утечек. Эти прочные соединения обладают высокой надежностью. Большинство потенциальных проблем с утечками возникает при производстве оборудования, где происходит механический износ, а условия эксплуатации влияют на надежность пневматических компонентов.
Поэтому, если пользователь ищет утечки, ему следует сосредоточить свое внимание в первую очередь на механизме и его соединениях.
Основной причиной утечек и негерметичности сжатого воздуха являются соединительные элементы, такие как фланцы, фитинги, муфты, шланги или шланговые муфты, поскольку они либо повреждаются, либо ослабевают с течением времени, либо подвергаются неблагоприятному воздействию вибрации или механического воздействия.
Клапаны, цилиндры, концевые выключатели и другие пневматические компоненты также могут быть источником утечек, особенно если они не обслуживаются и не проверяются регулярно.
Эффективное обнаружение и оценка утечек во время эксплуатации
Обнаружение утечек сжатого воздуха с помощью ультразвука основано на ультразвуковых волнах, генерируемых выходящим воздухом и неслышимых для человеческого уха. Преимуществом этого метода является возможность обнаружения утечек во время эксплуатации.
Ультразвуковые течеискатели могут издавать ультразвуковые волны слышимыми и видимыми на расстоянии от 6 до 10 м, в зависимости от размера утечки. Поэтому обнаружение начинается с большего расстояния, и техник постепенно приближается к месту утечки. Как только утечка будет точно обнаружена, можно рассчитать потерю объемного расхода по звуковой мощности, расстоянию и давлению в системе.
На практике преобладают небольшие утечки, но они не устраняются, поскольку большая часть потерь вызвана несколькими крупными утечками.
Оценка стоимости потерь сжатого воздуха помогает определить приоритетность каждой утечки и помогает действовать экономично, поскольку для ремонта могут потребоваться запасные части, средства технического обслуживания и, возможно, перерыв в производстве. Поэтому экономически выгоднее отложить устранение небольших утечек на подходящее время, например, когда машина не работает.
Необходимо учитывать часы работы. Это время, когда постоянно происходит утечка сжатого воздуха. Таким образом, можно рассчитать объем потерь сжатого воздуха в год, затраты на электроэнергию.
Если пользователь хочет отключить места с утечками от источника сжатого воздуха при остановке производства, хорошо сослужат автоматические запорные клапаны на машинах и коллекторах.
Чем выше давление, тем больше потери объемного расхода. Поэтому давление в трубопроводе должно быть максимально снижено, чтобы минимизировать ненужные потери. Без надобности повышать давление выше необходимого значения однозначно не стоит.
Измерение расхода: важный инструмент для определения общего потенциала экономии
С помощью датчиков расхода можно точно отслеживать расход сжатого воздуха на всем производстве, непосредственно после резервуара сжатого воздуха.
В идеальном случае, когда оборудование не работает, но подача сжатого воздуха продолжается, объемный расход должен быть равен 0,00 мл/ч. Это указывает на отсутствие утечек сжатого воздуха. Однако на практике утечки происходят, что приводит к постоянным потерям объемного расхода.
Датчики расхода также позволяют контролировать потребление на конкретном участке - будь то цех, участок, линия или отдельный станок. Это упрощает обнаружение утечек, поскольку обслуживание фокусируется непосредственно на известных проблемных участках, без необходимости сканировать всю сеть.
Это также предоставляет преимущество точного распределения потребления сжатого воздуха по соответствующим центрам затрат, позволяя таким образом распределять затраты на электроэнергию в соответствии с потребностью.
Ультразвуковые детекторы для обнаружения утечек
Ультразвуковой течеискатель UltraCam LD 500/510 эффективно обнаруживает утечки сжатого воздуха, облегчая планирование ремонтных работ.
Это устройство использует 30 МЭМС-микрофонов для обнаружения ультразвука, который был бы неслышим без них. Сигналы от этих микрофонов служат основой для точного расчета и визуализации утечек, даже в условиях шумного производства.
Однако обнаружение утечек - это только первый шаг. Для эффективного снижения расхода сжатого воздуха необходимо устранить обнаруженные утечки.
Сбор подробной информации прямо на месте утечки имеет ключевое значение для эффективного планирования и определения приоритетов мер по устранению утечек. Течеискатель LD 500 собирает и документирует все важные данные для последующего ремонта.
На основе данных о расстоянии, давлении в системе и уровне шума утечки рассчитывается объемный расход. После ввода рабочих часов и стоимости сжатого воздуха рассчитываются финансовые потери. Кроме того, устройство автоматически записывает данные каждой утечки, что позволяет отслеживать динамику ситуации во времени.
С помощью программного обеспечения Leak Reporter можно удобно управлять данными аудита, которые иногда содержат сотни утечек, как локально, так и удаленно.
В несколько простых шагов можно создать подробные отчеты об утечках (в формате PDF или CSV), содержащие информацию о каждой утечке и краткое резюме на титульной странице.
Созданный отчет служит планом работы для обслуживающего персонала, который систематически устраняет каждую утечку. После успешного устранения утечки ее статус можно обновить в программном обеспечении.