Zasady dobrej praktyki inżynierskiej dotyczącej gospodarki sprężonym powietrzem w przemyśle poprawne układy produkcji i dystrybucji

Transkrypt

1 Zasady dobrej praktyki inżynierskiej dotyczącej gospodarki sprężonym powietrzem w przemyśle poprawne układy produkcji i dystrybucji mgr inż. Wojciech Halkiewicz

2 Energia sprężonego powietrza. Koszty produkcji sprężonego powietrza Ważność energii w instalacjach sprężonego powietrza. Energia stanowi ogromną większość kosztów produkcji sprężonego powietrza podczas użytkowania sprężarki. Analiza całkowitego kosztu użytkowania podczas całego życia technicznego urządzenia (z ang. life-cycle cost LCC) standardowej sprężarki wskazuje, że zużycie energii stanowi około 70-90% całkowitego kosztu LCC produkcji sprężonego powietrza. ` ` ` Inwestycja 1-7,5 % Instalacja 1,2% Obsługa 4,7% Energia; 87% Inwestycja 1-7,5% Instalacja 1,2% Obsługa 4,7% Energia 86,6% Fig.1: Koszt LCC dla 5 lat pracy sprężarki śrubowej 160 kw pracującej 6.000h/rok, ze średnim obciążeniem 60%, przy założeniu kosztu energii 0,08 euro/kwh.

3 Potencjał oszczędności Mierzone oszczędności energii % Możliwości zastosowania /1/ Uzyskany obecnie wynik [% ] /2/ Potencjalny udział /3/ Zainstalowanie lub modernizacja systemu Silniki elektryczne wysokiej sprawności 25% 2% 0,5% Napędy zmienno obrotowe 25% 15% 3,8% Unowocześnianie sprężarek 30% 7% 2,1% Stosowanie zaawansowanych systemów sterowania 20% 12% 2,4% Odzysk ciepła odpadowego 20% 20% 4,0% Poprawa systemów chłodzenia, osuszania i filtracji 10% 5% 0,5% Prawidłowe projekty całych instalacji sprężonego powietrza 50% 9% 4,5% Redukcja strat ciśnienia wynikających z tarcia 50% 3% 1,5% Dopasowywanie właściwych urządzeń końcowych (odbiorczych) 5% 40% 2,0% Użytkowanie i obsługa systemów Redukcja wycieków powietrza 80% 20% 16% Częstsze wymiany wkładów filtrów 40% 2% 0,8% RAZEM 32,9% Legenda do powyższej tabeli: - /1/ % systemów sprężonego powietrza, w których mierzone wartości są możliwe do zastosowania i efektywne kosztowo (systemy, w których można stosować jedną z powyższych metod oszczędzania) - /2/ % redukcji w rocznym zużyciu energii (osiągnięte oszczędności z tytułu wykorzystania metod oszczędzania) - /3/ Potencjalny udział uzyskanych oszczędności = [/1/%Możliwości zastosowania] x [/2/%uzyskanych osiągnięć]

4 Wnioski Podstawowe źródła niepotrzebnych kosztów: WYCIEKI ŹLE WYKONANE LUB ZAPROJEKTOWANE SIECI ORAZ ZŁE PRZEKROJE RUROCIĄGÓW NIESYSTEMATYCZNE WYMIANY WKŁADÓW FILTRACYJNYCH ŹLE DOBRANY, ŹLE STEROWANY LUB NIE UNOWOCZEŚNIANY PARK SPRĘŻAREK

5 Straty wycieków Średnica otworu Strata przy 6 bar Moc potrzebna na pokrycie start Wymiar rzeczywisty [mm] [l/s] [kw] 1 1 0, , ,

6 Optymalna sieć sprężonego powietrza

7 Dlatego należy pamiętać o tym, że: spadek ciśnienia nie powinien przekraczać 10% wartości ciśnienia między zbiornikiem wyrównawczym, a odbiornikami; 0,14 bar straty ciśnienia, to około 1 % kosztów energii zużywanej przez sprężarkę, inaczej 1 bar starty ciśnienia, to około 7% strat energii; na wyprodukowanie 1 m 3 /h powietrza o ciśnieniu 7 bar potrzeba około 111 W energii elektrycznej; duże prędkości przepływu, to duże spadki ciśnienia; w celu uzyskania równego ciśnienia w wielu punktach obiektu, należy dążyć do zamykania instalacji w pętlę, aby unikać spadków ciśnienia typowych dla szeregowych połączeń odbiorników; aby wzmocnić punkty odbioru na końcu pętli lub linii, należy zainstalować dodatkowy zbiornik w ich najbardziej oddalonych od sprężarkowni punktach; największe odbiorniki należy instalować możliwie jak najbliżej źródła sprężonego powietrza, łącząc je jak najkrótszymi odcinkami rur;

8 elementy instalacji wymagające obsługi powinny być montowane z obejściem (by-pass em); w newralgicznych punktach zakładu oraz w sprężarkowni należy przewidywać miejsca na podłączenie sprężarki rezerwowej; instalacje powinny mieć minimalne pochylenia od sprężarek w kierunku separatorów wilgoci, spustów kondensatu itd.; rurociągi muszą być odpowiednio zamocowane. Są to rury, które mają duży ciężar własny, zmieniają swoją długość zależnie od temperatury oraz znajdują się pod ciśnieniem; wprowadzenia instalacji do odbiorników skierowane były najpierw w górę ponad główny rurociąg, a potem sprowadzane w dół do odbiornika; niepotrzebne długości rurociągów, to straty przepływów oraz zbędna objętość do napełnienia drogim medium; zawory odcinające pomiędzy siecią a odbiornikami powinny być szczelne typu kulowego; połączenie między siecią, a odbiornikiem powinno być dokonane za pomocą połączenia elastycznego, aby uniknąć naprężeń.

9 Spadek ciśnienia na wkładach filtracyjnych

10 Stosowanie silników elektrycznych wysokiej sprawności: Jest to zalecenie UE, które stopniowo w życie wprowadzają wszyscy dostawcy sprężarek, a przede wszystkim producenci silników elektrycznych.

11 Odzysk ciepła

12 Do czego nie warto używać wprost sprężonego powietrza Do galwanizacji, bo wanny galwaniczne wymagają ciśnienia maks. do 0,3 bar - DMUCHAWY Do napowietrzania ścieków to technologia wymagająca sprężonego powietrza o ciśnieniu rzadko powyżej 0,6 bar - DMUCHAWY Do usuwania wilgoci z powierzchni DMUCHAWY NOŻE POWIETRZNE Do suszenia powierzchni i zbiorników, suszenia elementów przed malowaniem lub pakowaniem - DMUCHAWY NOŻE POWIETRZNE Do czyszczenia obrabiarek i usuwania wiórów, czyszczenia powierzchni POPRZEZ SPECJALNE DYSZE Do pokrywanie dużych powierzchni, rozprowadzania środków płynnych NOŻE POWIETRZNE LUB POPRZEZ SPECJALNE DYSZE Wprost do chłodzenia elementów maszyn, przedmiotów obrabianych w obrabiarkach lub narzędzi obróbczych POPRZEZ SPECJALNE DYSZE Do chłodzenia skrzynek sterujących i elektrycznych POPRZEZ SPECJALNE DYSZE

13 Unowocześnianie parku sprężarek

14 Dobór właściwych urządzeń Na pewnym dobrym poziomie technicznym nie ma złych sprężarek, ale często bywają źle dobrane Potrzebny jest Państwu specjalista, który dokona poprawnej identyfikacji potrzeb ilościowych i jakościowych i dobierze poprawne urządzenia

15 Określenie zastosowania sprężonego powietrza oraz jego czystości wg normy ISO Zastosowanie sprężonego powietrza musi być dobrze zdefiniowane w kontakcie z użytkownikiem jego oczekiwania, wymagania zgodnie z normami. Co to jest sprężone powietrze bezolejowe, co to jest sprężarka bezolejowa

16 KLASYFIKACJA JAKOŚCI POWIETRZA UWAGA tzw. >>klasa 0 << nie oznacza 0 cząstek stałych, 0 oleju i 0 wilgotności

17 CZY ISTNIEJE POWIETRZE ABSOLUTNIE BEZOLEJOWE?

18 TYPOWE UKŁADY UZDATNIANIA UWAGA wszystkie osuszacze muszą być zabezpieczane filtrami

19 Porównanie sprężarek śrubowych

20 Dobór właściwych urządzeń Tam gdzie to jest tylko możliwe warto korzystać z najpopularniejszych i najdostępniejszych także w zakresie zaplecza serwisowego sprężarek śrubowych z wtryskiem oleju Jedynie tam gdzie to bezwzględnie konieczne stosować sprężarki bezolejowe.

21 Typowe wymagania instalacji Instalacje przemysłowe w przytłaczającej większości wymagają: Jakości powietrza klasy Ciśnienia w sieci ~5-7 bar Rzadko zdarzają się instalacje wymagające jakości lub oraz wyższe ciśnienia rzędu 8-10 bar UWAGA: ENERGIA!!! spadek ciśnienia o 1 bar odpowiada ~ 7% energii pracujących sprężarek

22 Określenie zapotrzebowania ilościowego na sprężone powietrze Nm 3 /h i FAD Stabelaryzowane pobory odbiorników Pomiary Informacje od technologa Uzyskanie stosownego bilansu ilościowego poborów Określenie przebiegu zmienności poboru powietrza w czasie Oszacowanie współczynników jednoczesności poboru przez odbiorniki Określenie strat przecieku

23 Ciśnienie instalacji ciśnienie sprężarek Określenie wytycznych założeń co do wymiarów rurociągów w sprężarkowni oraz na sieci tak aby spadki ciśnienia nie przekraczały maksymalnie 0,1 bar na 100 m rurociągu. Prędkość powietrza w rurociągu optymalnie 5 m/s, zalecane poniżej 10 m/s. Dobór poszczególnych filtrów i osuszaczy wg wcześniejszych ustaleń oraz przy założeniu minimalnych spadków ciśnienia Określenie wymaganego ciśnienia w sieci i spadków ciśnienia dobranie ciśnienia roboczego sprężarek

24 Bilans przepływów i ciśnienia Spadki ciśnienia szacuje się następująco: Spadek ciśnienia na filtrze spr. powietrza ~0,1-0,5 bar Spadek ciśnienia na osuszaczu chłodniczym ~0,15-0,35 bar Spadek ciśnienia na osuszaczu adsorpcyjnym ~0,1-0,2 bar Spadek ciśnienia na instalacji ~0,1-0,2 bar Zakres regulacji sprężarki ~0,5 bar Na instalacji należy przeliczać spadki ciśnienia na kolanach, trójnikach, zaworach itd. wg zaleceń dostawcy rurociągów na odpowiadającą długość rurociągu lub wg podanego spadku ciśnienia. Przykład: Zakres ciśnienia sprężarek 8 8,5 bar, spadek ciśnienia na osprzęcie - ~0,85 bar efektywnie na sieci będziemy mieć ciśnienie w zakresie 7,15 7,65 bar.

25 Dobór średnicy rurociągu Obliczanie średnicy wewnętrznej rurociągu 1,85 3 d 1,6 10 V L 5 = rury P P max [ m] Gdzie: drury średnica wewnętrzna rurociągu V całkowity przepływ powietrza L długość efektywna rurociągu ΔP zakładany spadek ciśnienia Pmax ciśnienie na wyjściu ze sprężarki ( absolutne ) [m] [m3/s] [m] [bar] [ barabs] Przykład: V = 2 m3/min = 0,033 m3/s L = 200 m ΔP = 0,1 bar Pmax = 8 barabs Zatem najbliższa nominalna średnica wynosi DN40 3 1,85 1,6 10 0, d 5 rury = = 0,037 [ m] = 37 [ mm] ,1 8

26 Dobór sprężarek Określenie wielkości i ilości sprężarek (Z uwzględnieniem warunków zasysania i otoczenia FAD i Nm 3 /h) oraz warunków rozruchu W oparciu o informacje o zmienności poboru wybór systemu regulacji wydajności sprężarek W oparciu o topografię zakładu produkcyjnego, instalacji oraz poborów lokalnych wybrać koncepcję sprężarkowni centralnej lub sprężarek gniazdowych Uwzględnić bezpieczeństwo i niezawodność systemu! (maszyny rezerwowe np.:100= rezerwa 50 albo lepiej 100=3 x [33 1 / 3 ] + rezerwa [33 1 / 3 ])

27 Dobór zbiornika wyrównawczego Należy uwzględnić wymagany do utrzymania poziom (zakres) ciśnienia w sieci i na zbiorniku V zbiornika = (2 x Q zuż. ) / (p rob. x Δp) Gdzie: V zbiornika - pojemność zbiornika [m 3 ] Q zuż. - ilość powietrza zużywana przez odbiorniki [m 3 /min] p rob. - ciśnienie robocze [bar] Δp - zakres ciśnień roboczych (górne dolne) [bar] Najprostsza zasada mnemotechniczna, to instalowanie zbiornika wyrównawczego o pojemności 1 m 3 na każde 100 m 3 /h pobieranego powietrza UWAGA: NIE DOTYCZY INSTALACJI ZE SPRĘŻARKAMI Z WYDAJNOŚCIĄ REGULOWANĄ POPREZ ZMIANĘ PRĘDKOŚCI OBROTOWEJ

28 Chłodzenie maszyn i pomieszczenia sprężarkowni Sprężarki chłodzone powietrzem dostępne są w zasadzie do mocy 250 kw (do około 2500 m 3 /h) Należy zapewnić ilość powietrza chłodzącego o temperaturze odpowiednio niższej niż temperatura w sprężarkowni w ilości większej od wydajności wentylatorów chłodzących sprężarek tam zainstalowanych. Zalecana prędkość wlotu powietrza do czerpni wlotowej, to 2-2,5 m/s. Powietrze wentylacyjne powinno być czyste, możliwie wolne od zanieczyszczeń lub czerpnia odpowiednio zabezpieczona przed zapyleniem Najlepsza czerpnia dla sprężarki to swobodne zasysanie powietrza do pomieszczenia (żaluzje regulowane) Ciepłe powietrze należy z pomieszczenia usunąć latem na zewnątrz, zimą do układu odzysku lub wprost do podgrzewania innych pomieszczeń z uwzględnieniem recyrkulacji w sprężarkowni W bilansie powietrza chłodzącego należy uwzględnić także osuszacze chłodnicze Maszyny chłodzone wodą jeśli istnieje taka konieczność lub potrzeba warto zaprząc do układów odzysku ciepła tym bardziej, że można odzyskać około 85-94% energii odpadowej. Takie układy opłacalne są od sprężarek o mocy zainstalowanej powyżej 37 kw.

29 Należy dobrać stosowne układy uzdatnia kondensatu UWAGA: Kondensat ze sprężarek bezolejowych ma silny odczyn kwaśny!!!

30 Określenie mocy pobieranej sprężarkowni Dla potrzeb określenia zasilania sprężarkowni należy zdobyć informacje na temat: Mocy zainstalowanej sprężarek i osuszaczy (łącznie z wentylatorami) Mocy pobieranej na wale przy maksymalnym obciążeniu każdej ze sprężarek Mocy pobieranej na wale na biegu luzem każdej ze sprężarek Poboru prądu rozruchowego Poboru prądu nominalnego Jaki jest sposób rozruchu maszyny Jakie są zalecane bezpieczniki Jakie są zalecane przekroje przewodów zasilających Napięcie standardowe 400 V, na zamówienie 230V lub 500V. Dla silników powyżej 250 kw dostępne także zasilanie 6 kv UWAGA: WIELU PRODUCNETÓW PODAJE MOC SILNIKA Z TZW. SERVICE FACTOREM, tzn. np. SF = 1,15, co oznacza, że silnik o mocy deklarowanej 30 kw będzie mógł pobierać (i zwykle pobiera) w rzeczywistości moc 34,5 kw. W związku z tym należy sprawdzać moce i prądy pobierane, a efektywność sprężarki w [kwh/m3] oceniać po uzyskaniu od producenta parametrów mocy (prądu) pobieranej w rzeczywistości.

31 Układ nadrzędnego sterowania

32 Układ nadrzędnego sterowania

33 Nadrzędne sterowanie i monitoring Sterowanie nadrzędne ZALECANE ALGORYTMY PRACY ALGORYTM FIFO- stosowany przy sieciach o znacznych wahaniach poboru, zasilanych sprężarkami o takich samych wydajnościach. Włączona raz sprężarka kontynuuje pracę tak długo, jak jest to wymagane. W momencie wzrostu ciśnienia do zaprogramowanego poziomu, sterownik jako pierwszy wyłącza tę sprężarkę, która pierwsza rozpoczęła pracę. Ten tryb zapewnia w dłuższym okresie czasu równomierne wykorzystanie wszystkich maszyn. Unika się nagłych startów i zatrzymań sprężarek, nawet przy szybkich zmianach ciśnienia i poboru w sieci. ALGORYTM CZASOWY- jest to najprostsza metoda kontrolowania równomiernego wykorzystania sprężarek pracujących w zespole. Numery przypisane kolejnym sprężarkom zmieniają się rotacyjnie po zadanym okresie czasu. ALGORYTM ENERGETYCZNY-realizuje rotację pracy sprężarek w trybie optymalizującym zużycie energii. Tryb zalecany przy współpracy sprężarek o różnych wydajnościach. MULTIPILOT M2 dokonując odpowiednich przeliczeń, włącza i wyłącza sprężarki w takiej kolejności, która zapewnia w danym momencie najniższy pobór energii niezbędny do utrzymania w sieci zadanego ciśnienia. Dodatkowo, uaktywniony tryb rotacji czasowej zapewnia równe wykorzystanie sprężarek o takiej samej wydajności. Sterownik musi mieć możliwość podłączenia do komputera PC oraz przekazywania analizy ilości produkowanego powietrza, a także mocy pobieranej do tego celu oraz kosztach na nie poniesionych. Oprogramowanie informuje na odległość o statusie urządzeń oraz o ilości produkowanego powietrza oraz jego kosztach. Sterownik powinien mieć możliwość współpracy z innymi typami sprężarek różnych wielkości różnych producentów.

34 Sprężarkownia podsumowanie

35 Przykładowe porównanie ofert: Cena zakupu zł , , ,000 Wydajność m3/h 847, , ,000 Pobór mocy na wale pod pełnym obciążeniem (razem z wentylatorami) kw 84,800 76,780 79,200 Pobór mocy na wale na biegu luzem (razem z wentylatorami) kw 18,200 19,180 21,200 Sprawność silnika elektrycznego głównego % 95,200% 94,700% 95,200% Energia elektryczna pobierana z sieci przy pełnym obciążeniu kw 89,076 81,077 83,193 Energia elektryczna pobierana z sieci na biegu luzem kw 19,118 20,253 22,269 Ilość godzin roboczych do przepracowania w ciągu roku pod obciążeniem h 7 000, , ,000 Ilość godzin roboczych do przepracowania w ciągu roku na biegu luzem h 1 000, , ,000 Ilośc godzin całkowitych przepracowanych przez 7 lat pracy h , , ,000 Cena energii elektrycznej zł/kwh 0,360 0,360 0,360 Koszty energii pobieranej przez sprężarkę w czasie 7 lat eksploatacji zł , , ,059 Koszty serwisu bez remontu stopnia sprężającego na w/w ilość przepracowanych godzin zł , , ,000 Koszty jednej operacji remontu stopnia zł , , ,000 Przebieg godzinowy do remontu h , , ,000 Ile remontów stopnia należy przeprowadzić x 2,240 1,400 0,933 Koszty remontu stopnia w czasie całej eksploatacji zł , , ,333 Koszty serwisu łącznie zł , , ,333 Koszty instalacji urządzenia zł , , ,000 Koszty produkcji powietrza łącznie zł , , ,392 Ilość m3 powietrza teoretycznie możliwych do wyprodukowania przez sprężarkę przez 7 lat m , , ,000 Koszt idealny m3 powietrza [koszty łączne / ilość m3 teoretycznie możliwa do sprężenia przez 7 lat] zł 0,035 0,037 0,034 Ilość m3 powietrza rzeczywiście wyprodukowanych przez sprężarkę w okresie 7 lat m , , ,000 Koszt rzeczywisty m3 powietrza zł 0,044 0,046 0,042

36 PYTANIA?

37 Wojciech Halkiewicz

38 ŹRÓDŁA: Systemy sprężonego powietrza w Unii Europejskiej, Raport końcowy, Październik 2000, ISBN Materiały informacyjne będące własnością Gardner Denver Materiały informacyjne, obliczenia i analizy będące własnością Vector Sp. z o.o. Biuletyny BCAS