Optymalizacja i rozbudowa instalacji pneumatycznej – jak zmniejszyć zużycie energii i opłaty za prąd?
Systemy sprężonego powietrza są ważnym elementem infrastruktury m.in. w przemyśle motoryzacyjnym, spożywczym, metalowym, drzewnym i elektronicznym. Jednocześnie należą do najbardziej energochłonnych mediów wykorzystywanych w zakładach. Według danych publikowanych przez Komisję Europejską wytwarzanie sprężonego powietrza odpowiada za około 10% przemysłowego zużycia energii elektrycznej.
Wysokie koszty sprężonego powietrza nie zawsze oznaczają konieczność wymiany sprężarki. Często większy efekt daje usunięcie nieszczelności, obniżenie niepotrzebnie wysokiego ciśnienia, ograniczenie spadków w sieci i poprawa sterowania całym systemem. Dobra wiadomość jest taka, że w wielu przypadkach zużycie energii można zmniejszyć bez wymiany całej instalacji. Od czego zacząć i jak zrobić to skutecznie?
Efektywna instalacja pneumatyczna
Największym kosztem związanym z wytwarzaniem sprężonego powietrza jest energia. W całym cyklu życia sprężarki może ona odpowiadać za około 70–80% wydatków. O ekonomicznej pracy systemu nie decyduje więc wyłącznie cena i sprawność samego urządzenia. Równie ważny jest sposób zaprojektowania całej instalacji.
Dobrze zaprojektowana instalacja pneumatyczna powinna dostarczać odpowiednią ilość sprężonego powietrza przy możliwie niskim zużyciu energii. Przy jej projektowaniu lub rozbudowie trzeba uwzględnić przede wszystkim:
- rzeczywiste zapotrzebowanie na sprężone powietrze,
- wymagany przepływ i ciśnienie robocze,
- wymaganą jakość powietrza,
- sposób jego magazynowania i uzdatniania,
- charakter pracy poszczególnych odbiorników,
- planowaną rozbudowę systemu.
Takie podejście stosuje również BP Techem, które od ponad 30 lat projektuje i modernizuje systemy sprężonego powietrza dla przemysłu. Firma bierze pod uwagę m.in. przepływ, ciśnienie i sposób pracy odbiorników. Uwzględnia także przyszłą rozbudowę systemu. Pozwala to ograniczyć ryzyko przewymiarowania instalacji i związanych z nim niepotrzebnych kosztów.
Ile kosztuje 1 m³ sprężonego powietrza?
Chcąc ocenić potencjał oszczędności, warto najpierw ustalić koszt wytworzenia sprężonego powietrza. Nie ma jednej stawki właściwej dla każdego zakładu. Koszt wytworzenia 1 m³ sprężonego powietrza zależy przede wszystkim od ceny energii elektrycznej, ciśnienia roboczego i sprawności całego systemu. Przykładowo przy jednostkowym zużyciu energii wynoszącym 0,12 kWh/m³ i cenie 1 zł/kWh koszt samej energii wynosi 12 groszy na 1 m³.
Najprościej określić go na podstawie jednostkowego zużycia energii:
koszt 1 m³ = zużycie energii [kWh/m³] × cena energii [zł/kWh]
Przykładowo przy zużyciu 0,12 kWh na 1 m³ i cenie energii 1 zł/kWh koszt samego prądu wynosi około 12 groszy na 1 m³. Do tego dochodzą wydatki na serwis, materiały eksploatacyjne i uzdatnianie powietrza.
Dokładne wyliczenie powinno bazować na rzeczywistym poborze energii oraz ilości powietrza wytwarzanego przez instalację. Dane producenta pozwalają natomiast na wstępne oszacowanie kosztu. Znajomość ceny 1 m³ ułatwia sprawdzenie później, które zmiany rzeczywiście przynoszą oszczędności. Umożliwia również ocenę opłacalności planowanej modernizacji.
Gdzie ucieka energia w instalacji?
Straty zaczynają się już na etapie wytwarzania sprężonego powietrza. Według danych Krajowej Agencji Poszanowania Energii około 85% energii elektrycznej pobieranej przez sprężarkę zamienia się w ciepło. Nie musi być ono jednak bezpowrotnie oddawane do otoczenia. Przy odpowiednim układzie można odzyskać około 70–80% energii pobieranej przez urządzenie.
Służy temu m.in. odzysk ciepła ze sprężarki. Ciepło można skierować przez wymiennik do instalacji centralnego ogrzewania, przygotowania ciepłej wody użytkowej lub wody technologicznej. Może również służyć do ogrzewania hal i magazynów. Kolejne straty powstają podczas przesyłu oraz wykorzystania powietrza przez siłowniki, zawory, chwytaki czy narzędzia pneumatyczne.
Najczęstsze przyczyny wysokich rachunków
Najczęstsze źródła dodatkowych kosztów wynikają z nieprawidłowej pracy i eksploatacji całego systemu sprężonego powietrza. Skala problemu może być duża. W niektórych instalacjach nieprawidłowości potrafią generować nawet 30–40% niepotrzebnych wydatków na energię.
Wycieki sprężonego powietrza
Powietrze najczęściej ucieka na złączkach, zaworach i zużytych uszczelnieniach. To powszechny problem w zakładach produkcyjnych. W źle utrzymanej sieci, nieszczelności mogą pochłaniać nawet 20–30% wydajności sprężarki. Urządzenie musi wtedy stale uzupełniać powietrze, które nigdy nie trafia do procesu.
Duże nieszczelności można rozpoznać po charakterystycznym syczeniu. W hałasie hali mniejsze wycieki łatwo jednak przeoczyć. Do ich dokładnej lokalizacji wykorzystuje się detektory ultradźwiękowe. Systematyczne wykrywanie i usuwanie nieszczelności pozwala w dobrze utrzymanej instalacji ograniczyć ich poziom do poniżej 10% wydajności sprężarki.
Zbyt wysokie ciśnienie robocze
Operatorzy często podnoszą nastawy sprężarki na zapas. Ma to zapewnić prawidłową pracę najbardziej oddalonych lub wymagających odbiorników. Wyższe ciśnienie oznacza jednak większe zużycie energii. Według danych JRC obniżenie wartości o 1 bar może zmniejszyć zużycie energii o około 6–8%.
Ciśnienia nie należy jednak zmniejszać w ciemno. Trzeba znaleźć najniższą wartość, przy której wszystkie odbiorniki nadal pracują prawidłowo. Pomiar powinien uwzględniać również okresy największego poboru powietrza. Jeśli wyższych parametrów wymaga tylko pojedyncza maszyna, lepiej podnieść ciśnienie lokalnie niż utrzymywać wysoką wartość w całej sieci.
Spadki ciśnienia w sieci
Różnica ciśnienia między sprężarkownią a maszyną wynika głównie z oporów przepływu. Powodują je zbyt małe średnice rur, długie odcinki instalacji, przewężenia oraz źle dobrana armatura. Straty rosną wraz ze wzrostem przepływu. Dlatego problem staje się szczególnie widoczny podczas największego zapotrzebowania zakładu.
W prawidłowo zaprojektowanej instalacji łączny spadek ciśnienia między sprężarką a punktem odbioru powinien być możliwie niski, najlepiej znacznie poniżej 10% ciśnienia tłoczenia. Należy przy tym uwzględnić straty występujące zarówno w rurociągach, jak i w urządzeniach uzdatniania oraz armaturze. Przy modernizacji należy więc znaleźć odcinki generujące największe opory. Rozwiązaniem może być zwiększenie średnicy przewodów, zmiana przebiegu sieci lub wymiana elementów dławiących przepływ. Podnoszenie ciśnienia sprężarki jedynie maskuje problem i dodatkowo zwiększa pobór energii.
Przygotowanie powietrza i kondensat
Po sprężeniu i schłodzeniu powietrza wykrapla się zawarta w nim para wodna. Bez skutecznego osuszania kondensat trafia do rurociągów i urządzeń. To z kolei może powodować korozję, przyspieszać zużycie elementów i prowadzić do awarii pneumatyki. Zabrudzone filtry zwiększają natomiast opory przepływu i powodują dodatkowe spadki ciśnienia.
Stan filtrów należy kontrolować na podstawie różnicy ciśnień przed i za wkładem. Jednym z sygnałów do jego wymiany może być spadek sięgający około 0,4 bar. Osuszacze i filtry trzeba też dopasować do jakości powietrza wymaganej przez dany proces. Ważne jest także skuteczne odprowadzanie kondensatu bez niepotrzebnego wypuszczania sprężonego powietrza.
Nieefektywna praca sprężarki
Wysokie zużycie energii nie zawsze oznacza awarię urządzenia. Częstą przyczyną jest niewłaściwy dobór sprężarki do potrzeb zakładu. Przewymiarowana jednostka może często przechodzić na bieg jałowy i nadal pobierać energię. Przy kilku sprężarkach straty zwiększa również niewłaściwa kolejność ich załączania.
Sprężarki z regulacją prędkości obrotowej (VSD) mogą ograniczać zużycie energii w instalacjach o zmiennym zapotrzebowaniu na sprężone powietrze. Według analiz JRC zastosowanie odpowiednio dobranej sprężarki VSD w systemie może przynieść średnio około 15% oszczędności energii, a w sprzyjających warunkach nawet 30%. Rzeczywisty efekt zależy jednak od profilu obciążenia i konfiguracji całego układu.
Audyt sprężonego powietrza w praktyce
Jeżeli zużycie energii jest zbyt wysokie, warto zacząć od audytu instalacji. Nie powinien on opierać się wyłącznie na parametrach nominalnych urządzeń. Liczą się dane zebrane podczas rzeczywistej pracy zakładu. BP Techem wykonuje zarówno audyty energetyczne systemów sprężonego powietrza, jak i kontrole nieszczelności.
W ramach audytu sprawdza się przede wszystkim:
- pracę sprężarek – pobór mocy, przepływ, ciśnienie, temperaturę, punkt rosy, czas pracy na biegu jałowym oraz częstotliwość i kolejność załączania urządzeń;
- straty sprężonego powietrza – nieszczelności przewodów, połączeń i armatury można lokalizować za pomocą detektorów ultradźwiękowych, a następnie określić ich skalę;
- możliwości optymalizacji – zebrane dane pozwalają ocenić dobór urządzeń, sposób sterowania oraz potencjalne efekty zmiany konfiguracji sprężarkowni.
Profesjonalnie wykonany audyt pozwala:
- wykryć miejsca strat sprężonego powietrza,
- ograniczyć pracę sprężarek na biegu jałowym,
- poprawić stabilność ciśnienia w instalacji,
- wskazać urządzenia pracujące poza właściwym punktem pracy.
Wyniki audytu stają się więc punktem wyjścia do przygotowania skutecznego planu optymalizacji instalacji sprężonego powietrza.
Plan optymalizacji instalacji sprężonego powietrza krok po kroku
Strategię wdrażania rozwiązań ograniczających zużycie energii najlepiej prowadzić w określonej kolejności. Przede wszystkim trzeba znaleźć i usunąć istniejące straty. Dopiero później warto decydować o większych inwestycjach. Cały proces można podzielić na siedem kroków:
Krok 1: Pomiary i audyt.
Prace należy rozpocząć od zebrania danych z rzeczywistej pracy instalacji. Trzeba określić pobór energii, przepływ, ciśnienie oraz profil zapotrzebowania na sprężone powietrze w różnych warunkach produkcji.
Krok 2: Lokalizacja i usunięcie nieszczelności.
Trzeba następnie znaleźć miejsca, przez które powietrze opuszcza instalację bez wykorzystania w procesie. Usunięcie wycieków zmniejsza ilość powietrza, którą sprężarki muszą niepotrzebnie wytwarzać.
Krok 3: Optymalizacja ciśnienia.
Ciśnienie należy ustawić na najniższym poziomie zapewniającym prawidłową pracę wszystkich odbiorników. Nastawy powinny wynikać z pomiarów oraz wymagań urządzeń.
Krok 4: Ograniczenie spadków ciśnienia.
Obowiązkowym krokiem jest usunięcie nadmiernego oporu powodowanego m.in. przez zbyt małe średnice rurociągów, przewężenia i armaturę. Jeżeli wyższego ciśnienia wymaga tylko pojedynczy odbiornik, warto rozważyć zastosowanie lokalnego wzmacniacza ciśnienia. Dobór takiego rozwiązania powinien uwzględniać wymagany przepływ, parametry pracy odbiornika oraz dodatkowe zużycie sprężonego powietrza przez urządzenie.
Krok 5: Optymalizacja uzdatniania i sterowania.
Należy sprawdzić spadki ciśnienia na filtrach, pracę osuszaczy, punkt rosy oraz sposób odprowadzania kondensatu. Przy kilku sprężarkach trzeba także ograniczyć bieg jałowy i właściwie ustawić kolejność załączania urządzeń.
Krok 6: Dobór lub wymiana sprężarki.
Dopiero po ograniczeniu strat można określić rzeczywiste zapotrzebowanie na sprężone powietrze. BP Techem przy doborze urządzeń bierze pod uwagę przepływ, ciśnienie, sposób pracy odbiorników oraz planowaną rozbudowę systemu, co pozwala ograniczyć ryzyko przewymiarowania.
Przy rozbudowie zakładu nie zawsze wystarczy dołożyć kolejną sprężarkę. Zwiększony przepływ może ujawnić ograniczenia istniejącej sieci, takie jak zbyt małe średnice przewodów czy niewystarczająca pojemność zbiorników. Dlatego przed zwiększeniem mocy sprężarkowni warto sprawdzić, czy problem rzeczywiście leży po stronie źródła sprężonego powietrza, czy w sposobie jego dystrybucji.
Krok 7: Analiza odzysku ciepła i ponowny pomiar.
Na końcu warto sprawdzić, czy ciepło ze sprężarki można wykorzystać do ogrzewania pomieszczeń, przygotowania ciepłej wody lub procesów technologicznych. Po modernizacji należy ponownie zmierzyć zużycie energii i parametry instalacji. Dopiero takie porównanie pokazuje rzeczywisty efekt wprowadzonych zmian.
Zużycie energii i opłaty za prąd można ograniczyć przede wszystkim przez usunięcie nieszczelności, właściwe ustawienie ciśnienia roboczego, zmniejszenie spadków ciśnienia w sieci oraz poprawę sposobu pracy sprężarek. W wielu zakładach już te działania pozwalają wyeliminować znaczną część niepotrzebnych strat.
Nie warto jednak działać w ciemno. Najlepsze efekty daje podejście, które zaczyna się od profesjonalnego audytu instalacji sprężonego powietrza. Można go zlecić wyspecjalizowanej firmie BP Techem. Po dokładnym zbadaniu systemu i przygotowaniu planu działania powinno się krok po kroku wdrażać potrzebne optymalizacje oraz uzasadnione inwestycje. Dzięki temu instalacja przestaje niepotrzebnie drenować firmowy budżet i funkcjonuje stabilniej przy niższym zużyciu energii.
Artykuł sponsorowany