Energooszczędne układy sprężonego powietrza

Transkrypt

1 Podstawy, porady i podpowiedzi Energooszczędne układy sprężonego powietrza Użytkownicy sprężarek mają do dyspozycji wiele sposobów oszczędzania energii. Poniższy poradnik opisuje możliwe rozwiązania w całym układzie od wytwarzania poprzez uzdatnianie aż do zakładowej sieci sprężonego powietrza. Na samym początku procesu optymalizacji należy przeprowadzić analizę bieżącego stanu układu oraz pomiar zapotrzebowania na sprężone powietrze w poszczególnych działach lub urządzeniach odbiorczych. Fakty są znane: ok. 10% łącznego zużycia prądu w przemyśle przypada na wytwarzanie sprężonego powietrza, które ma wiele zastosowań: służy zarówno jako nośnik energii jak i medium w różnych procesach. Faktem jest również, że sprężone powietrze jest stosunkowo drogim nośnikiem energii, o ile nie wprowadza się konsekwentnie energooszczędnych rozwiązań. Przeprowadzone w przeszłości badania wykazały, że uzasadnione ekonomicznie i wykonalne z technicznego punktu widzenia zmiany mogą zredukować wydatki na energię nawet o 30%. Nawet jeśli założy się, że niektóre usprawnienia zostały w danym zakładzie już wprowadzone, to i tak istnieje nadal wiele możliwości dalszych zmian zmniejszających zużycie energii.

2 Ponad dwie trzecie kosztów użytkowania przypada na energię Wprowadzenie zmian zmniejszających wydatki na energię elektryczną jest o tyle ważne, że stanowią one największą pozycję wśród łącznych kosztów zakupu i użytkowania sprężarki. Różne badania dotyczącego tego tematu wykazały, że wydatki te to około dwie trzecie wszystkich kosztów. Tym dziwniejszy jest fakt, że większość ankietowanych przedsiębiorstw (w jednym z badań było to 70%) nie wie, ile sprężonego powietrza zużywa i tylko w 20% z nich wprowadzono rozwiązania zmniejszające zużycie energii. Łączne koszty w % 100% Pozostałe koszty 90% Koszty zakupu 80% 70% 60% 50% 40% Koszty energii 30% 10% 10% 0% Godziny pracy pod obciążeniem rocznie Wydatki na energię mają największy udział w łącznych kosztach użytkowania stacji sprężarek Pierwszy krok: pomiary Z tego względu pierwszym etapem działań zmierzających do zmniejszenia zużycia energii jest ustalenie rzeczywistego zapotrzebowania na sprężone powietrze. Jednym z elementów audytu jest określenie, jakie koszty energii związane z wyko- rzystaniem sprężonego powietrza przypadają na poszczególne działy lub etapy produkcji. Same zmiany organizacyjne przyniosły w niektórych przedsiębiorstwach oszczędności wynoszące od 30 do 40%.

3 Największe oszczędności: usunięcie nieszczelności Wśród działań zmierzających do zmniejszenia kosztów energii związanych z wytwarzaniem sprężonego powietrza a to jest głównym celem niniejszego poradnika zdecydowanie najważniejsze jest usunięcie nieszczelności w sieci. Nawet w zakładach dbających o konserwację straty wytwarzanego powietrza na skutek nieszczelności mogą wynosić do 30% (dane Agencji Energii NRW: 10% w przemysłowych sieciach sprężonego powietrza, maksymalnie 30%). Pojedyncza nieszczelność o średnicy 2 mm w układzie o ciśnieniu roboczym 10 bar może powodować straty wynoszące 0,4 m 3 /min, co w ciągu roku powoduje dodatkowe wydatki na energię zamykające się w czterocyfrowych liczbach. Ponadto kontrola szczelności sieci sprężonego powietrza za pomocą specjalnego miernika ultradźwiękowego nie wymaga dużych nakładów. Czas amortyzacji kosztów związanych z uszczelnianiem układu wynosi z reguły od sześciu miesięcy do dwóch lat. Takie czynności należy powtarzać regularnie. Przykładowe wyliczenia oszczędności dzięki usunięciu nieszczelności Stan Udział % Współ. red. Cel Udział % Różnica Zużycie sprężonego powietrza Zużycie z nieszczelnościami m 3 /rok , Zużycie bez nieszczelności m 3 /rok , Straty w wyniku nieszczelności rocznie Straty przez nieszczelności m 3 /rok Udział strat w zużyciu 0,16 0,05 Koszty rocznie Koszty energii pod obciążeniem /rok ,65 73,2 0, ,32 66, ,33 Koszty energii bieg luzem /rok ,53 5,5 0, , ,63 % pracy pod obciążeniem % 0,93 0,97 Koszty kapitałowe /rok ,91 16,4 1, ,30 27, ,39 Koszty serwisu (zakładowe) /rok 8.356,63 2,7 0, ,98 2, ,65 Koszty serwisu (zewnętrzne) /rok 6.488,61 2,1 0, ,17 1, ,44 Koszty łącznie /rok ,33 0, , , ,67 Koszt wytworzenia /m 3 0,0150 0,75 0,0113 0,0038 Koszt nieszczelności /rok ,55 0, , ,97

4 Stopień sprawności stacji sprężonego powietrza Podczas planowania i optymalizacji wytwarzania sprężonego powietrza należy uwzględnić fakt, że kompresor przekształca w mechaniczne sprężanie tylko 7% zużywanej energii. Zdecydowanie największa jej część jest odprowadzana na zewnątrz w postaci ciepła. Stopień sprawności jest więc znacznie niższy od napędu elektrycznego. Tym bardziej istotne jest wykorzystanie dostępnej energii w każdy możliwy sposób. Energia końcowa 100 % Osuszacz ziębniczy 1,4 % Sprężarki 98,6 % Straty silnika 9,9 % Straty przy sprężaniu i na biegu jałowym 76,8 % Ciepło oddawane do otoczenia Wydatki na osuszanie 1,4 % Straty ciśnienia na filtrach, osuszaczu i w sieci 0,6 % Straty przez nieszczelności 3,5 % Straty na skutek rozprężania 0,9 % Mechaniczne sprężanie 6,9 % Sprężarka przekształca tylko 7% zużywanej energii elektrycznej w mechaniczne sprężanie powietrza

5 Wiele powodów, niewiele dobrych Bezpornym faktem jest, że istnieje wiele powodów, które powodują przesunięcie na później modernizacji sieci sprężonego powietrza. Chcemy wykazać, że to po prostu się nie opłaca. Jest wiele powodów, które sprawiają, że kwestia modernizacji stacji sprężarek jest zaniedbywana brak motywacji pracowników dostępne środki muszą być wykorzystane na inne inwestycje 11,5 12,4 30,8 51,8 zbyt długi okres amortyzacji środków trwałych 19,2 47,6 brak środków na inwestycje 19,2 47,6 koszty poszukiwania odpowiednich rozwiązań są wyższe od oszczędności 17,3 21,4 koszty energii nie są istotne 17,3 27,2 zastrzeżenia dotyczące pracy i bezpieczeństwa produkcji 15,4 8,9 brak czasu, duże obciążenie 38,5 38,6 brak osoby odpowiedzialnej za zużycie energii brak znajomości producentów energooszczędnych sprężarek brak wiedzy na temat możliwych oszczędności 11,8 14,8 28,9 29,1 23,1 25, in % ponad 25 mln. euro do 2,5 mln. euro

6 Podstawy planowania stacji sprężarek Podczas projektowania (oraz rozbudowy lub modernizacji) stacji sprężarek użytkownik ma do wyboru kilka różnych typów kompresorów. Wymagane parametry pracy (przede wszystkim wydajność i ciśnienie robocze) decydują o wstępnej selekcji. W przypadku często stawianego pytania: Olejowe czy bezolejowe należy uwzględnić wymaganą jakość sprężonego powietrza również pod względem energetycznym. Należy pamiętać, że każde urządzenie uzdatniające zużywa energię bezpośrednio lub pośrednio (np. powodując spadek ciśnienia). Podczas projektowania stacji sprężarek użytkownik ma do wyboru kilka różnych typów sprężarek Sprężarki Sprężarki wyporowe Turbosprężarki O ruchu posuwistozwrotnym Rotacyjne Promieniowe Osiowe Jednowałowe Dwuwałowe Tłokowe Membranowe Łopatkowe Spiralne Z regulacją wydajności Śrubowe Kłowe

7 Olejowe czy bezolejowe? Z energetycznego punktu widzenia jednostopniowa sprężarka olejowa ma wiele zalet, gdyż temperatura robocza stopnia śrubowego jest stosunkowo niska, co przekłada się na wyższą sprawność energetyczną. Ten rodzaj sprężarki jest dla wielu przedsiębiorstw, które używają kompresorów o mocy do 100 kw, bez wątpienia najlepszym wyborem. Jeśli wymagane jest sprężone powietrze wysokiej jakości, można rozważyć wybór dwustopniowej sprężarki śrubowej szczególnie w wypadku, gdy jest ona energetycznie i termicznie sprzężona z osuszaczem adsorpcyjnym, który do regeneracji wykorzystuje wydzielane przez nią ciepło. W takim wypadku użytkownik może jednak zastosować również dwustopniowe bezolejowe sprężarki tłokowe, które w porównaniu do sprężarek śrubowych charakteryzują się sprawnością energetyczną wyższą o 5-10% i mniejszymi stratami przy pracy na biegu luzem. Nowe technologie otwierają nowe możliwości Podczas dokonywania wyboru należy pamiętać, że pojawiły się nowe technologie sprężania, które mają wiele zalet pod względem energetycznym. Zaliczają się do nich sprężarki PureAir, znajdujące się w ofercie Gardner Denver: bezolejowe sprężarki śrubowe z wtryskiem wody typoszeregu DH bezolejowe, dwustopniowe turbosprężarki Quantima z regulowaną wydajnością t y p o s ze r e g Ultima z 2 bezolejowymi stopniami sprężającymi napędzanymi osobnymi zsynchronizowanymi silnikami wysokoobrotowymi ze zmienną liczbą obrotów Innowacyjne metody sprężania takie jak typoszereg PureAir oferują nowe możliwości oszczędności energetycznych

8 Co zrobić z ciepłem sprężarki? Jak już wcześniej wspominaliśmy, większość energii wykorzystywanej przez sprężarkę jest przekształcana nie w sprężone powietrze lecz w ciepło. Ma to swoje dobre strony: jeśli istnieje możliwość wykorzystania go, znacznie wzrasta sprawność energetyczna. W zakładzie odzyskane ciepło może zostać użyte w technologicznych procesach termicznych (kąpiel cieplna, osuszanie termiczne itp.) jak też do ogrzewania hal i podgrzewania wody użytkowej/ procesowej. Jest to rozwiązanie opty- malne, jeśli odzyskana energia cieplna jest używana w ciągu całego roku a nie tylko w okresach grzewczych. Takie układy odzysku ciepła są dość proste w instalacji i przynoszą znaczne oszczędności energetyczne. Wymienniki ciepła CompAir, zarówno montowane fabrycznie, jak i jako zestawy do zabudowy, pozwalają na wykorzystanie tej energii 0% odzysku Chłodnica Gorący olej Gorący olej Układ odzysku ciepła Ciepła woda Procesy technologiczne Ogrzewanie Ok. 80% odzysku Nagrzewnice

9 Jakie ciśnienie robocze jest potrzebne? Innym parametrem, który należy koniecznie sprawdzić szukając oszczędności energetycznych jest ciśnienie sieci. Przykład: jeśli zakład wykorzystujący standardowo w układzie sprężone powietrze o ciśnieniu 8,5 bara może zmniejszyć je do 7 bar, to będzie to oznaczało spadek kosztów energii o 11%. Często udaje się to bez żadnych nakładów inwestycyjnych, gdy w wielu wypadkach ciśnienie robocze zostało ustalone na wyższym poziomie na wszelki wypadek bez sprawdzania, czy jest to rzeczywiście konieczne. Są również rozwiązania techniczne umożliwiające obniżenie ciśnienia takie jak większy zbiornik buforowy czy nowoczesny sterownik nadrzędny. Poprzez obniżenie ciśnienia roboczego użytkownik może uzyskać znaczne oszczędności 20 % 10 % 5 % Oszczędność mocy 0 % 10 % 20 % 30 % 0 % 5 % 10 % 14 % 19 % 23 % 26 % 30 % 34 % 37 % 40 % 50 % 9,5 9 8,5 8 7,5 7 6,5 6 5,5 5 4,5 Ciśnienie P (n) [bar]

10 Uzdatnianie: nie za dużo Z zakupem sprężarki powiązany jest ściśle wybór urządzeń uzdatniających sprężone powietrze. Jeśli ktoś zdecyduje się na (sprawniejszą energetycznie) sprężarkę olejową i ze względu na wymaganą jakość sprężonego powietrza będzie musiał zainstalować uzdatnianie, to może okazać się, że wszystkie oszczędności energetyczne pochłonie filtracja. Należy pamiętać, że niezależnie od tego, czy urządzenie uzdatniające zużywa energię elektryczną, czy też nie, to i tak powoduje ono wydatek energetyczny konieczny do produkcji sprężonego powietrza. W przypadku osuszaczy adsorpcyjnych należy uwzględnić fakt, że zużywają one część sprężonego powietrza do regeneracji zwiększając jego zużycie. Również to pogarsza bilans energe- tyczny. W przypadku filtrów decydującym parametrem jest spadek ciśnienia. Użytkownik powinien zadbać o odpowiedni dobór urządzeń i utrzymanie niskiego poziom dławienia. Praktyka wskazuje, że łączny spadek ciśnienia na kilku urządzeniach uzdatniających (np. filtr wstępny, osuszacz, filtr dokładny) wynosi co najmniej 1 bar, co przekłada się na wzrost zużycia energii o 8 do 11%. Fakt ten powinien skłonić użytkownika do monitorowania spadku ciśnienia a po jego wzroście do wymiany wkładów filtracyjnych lub ustalenia jego przyczyn. Każdy element uzdatniający sprężone powietrze zwiększa zużycie energii powodując spadek ciśnienia delta P [bar] dp [bar] Sieć sprężonego powietrza 0,1 Elementy przyłączeniowe 0,5 Filtr dokładny 1µµm dp = 0,9 bar Osuszacz (bez filtrów) 0,1 0,3 Osuszacz adsorpcyjny regenerowany na gorąco % dodatkowego zużycia energii Filtr wstępny 0,1 Filtr dokładny 0,01µµm Filtr wysokowydajny 0,1 0,3 (0,7) Separator cyklonowy Filtr węglowy 0,1 0,3

11 Sieć: unikać przewężeń Dla sieci sprężonego powietrza obowiązuje zasada łańcucha, który jest tak silny, jak jego najsłabsze ogniwo. Innymi słowami: każde przewężenie prowadzi do spadku ciśnienia i podwyższonego zużycia energii. Z tego faktu wynika konieczność dokładnej kontroli średnicy rur i ich wymiany, jeśli zajdzie taka potrzeba. Takie czynności można wykonać np. podczas okresowej kontroli szczelności sieci sprężonego powietrza. Ponadto zalecamy odcinanie od układu za pomocą zaworu nieużywanych narzędzi pneumatycznych, gdyż mogą one przepuszczać sprężone powietrze. A teraz sterowanie Nie wymieniliśmy jeszcze najważniejszego elementu decydującego o zużyciu sprężonego powietrza: bardzo duży wpływ na to ma sterowanie, którego usprawnienie może przynieść znaczne oszczędności. Proces optymalizacji należy zacząć od ustalenia aktualnego stanu stanowiącego punkt wyjściowy do wprowadzania zmian. Nie ma tutaj ogólnie obowiązujących rozwiązań, każdy przypadek jest inny. Od danej sytuacji zależy, czy sensowne jest zastosowanie sprężarek o regulowanej wydajności, czy też wystarczy zmiana sterowania (zmiana obciążenia podstawowego, kaskadowe włączanie się sprężarek, sterownik nadrzędny). Celem zmian powinno być ograniczenie pracy na biegu luzem i optymalne wykorzystanie pracy pod obciążeniem. Należy tutaj wziąć pod uwagę również wielkość zbiornika ciśnieniowego p[bar] 7 Strata ciśnienia 6 Kolano Kolano Trójnik Redukcja Rozszerzenie Rozgałęzienie Zawór Kołnierz Koszty ( /rok) Stan Cel I Cel II Koszty energii pod obciążeniem Koszty energii bieg luzem Koszty kapitałowe Koszty serwisu Oszczędności (aktualnie-cel) bez odzysku ciepła Każde przewężenie powoduje dławienie i zwiększa zużycie energii Układ sterowania ma duży wpływ na zużycie energii przez stację sprężarek

12 Każdy szczegół ma znaczenie Na koniec można powiedzieć, że jest wiele obszarów, w których można wprowadzić zmiany skutkujące zmniejszeniem zużycia energii. Wiele z nich jak np. usunięcie nieszczelności w sieci nie wymaga wielkich nakładów inwestycyjnych i przynosi szybki zysk. Inne takie jak zmiana sterowania wymagają poświęcenia większej ilości czasu na zapoznanie się z tematem i z reguły konieczne są tutaj konsultacje ze specjalistami. Na pewno warto określić dokładnie koszty sprężonego powietrza z podziałem na linie produkcyjne i działy dzięki temu uzyska się motywację do zmian i systematycznego obniżania kosztów. Podstawą do zwiększenia sprawności energetycznej jest pomiar zużycia sprężonego powietrza Dodatkowe informacje: Gardner Denver Polska Sp. z o.o. ul. Pachońskiego Krakow Tel: +48 (0) Fax: +48 (0) office.krc@compair.com Bibliografia: [1] Compressed Air Systems in the European Union, Energy, Emissions, Savings Potential and Policy Actions, Peter Radgen, Edgar Blaustein, 2001 LOG_X Verlag GmbH, Stuttgart [2] Verein Deutscher Ingenieure: VDI Bericht1681, Tagung Veitshöchheim, 2002 [3] EnergieAgentur.NRW, Seminarunterlagen, Druckluft Störungsfreie, kostengünstige und energieeffiziente Bereitstellung, Wuppertal, [4] Deutsche Energie-Agentur GmbH, Informationsblätter Druckluftsysteme: Druckluft verteilung, Berlin, [5] KfW Bankengruppe: KfW-Befragung zu den Hemmnissen und Erfolgsfaktoren von Energieeffizienz in Unternehmen, Frankfurt, 2005