O racjonalnym gospodarowaniu sprężonym powietrzem - PJCEE Dzisiejszy świat, pomimo starań ekologów, naukowców, dziennikarzy i wielu innych grup społecznych, w sposób zdecydowany zmierza w kierunku ciągłego wzrostu zużycia energii pierwotnej. W obliczu skończonych zasobów paliw kopalnych i braku wyraźnych perspektyw na pozyskiwanie energii ze źródeł alternatywnych, ludzkość zmuszona będzie w krótkim horyzoncie czasowym do poczynienia znacznych kroków w dziedzinie energooszczędności. Niektóre z wysoko rozwiniętych państw wdrożyły już odpowiednie zapisy prawne, które obligują zakłady przemysłowe do corocznych oszczędności w zużyciu energii. Doświadczenia przemysłu japońskiego, który uważany jest za najbardziej energooszczędny w świecie, jednoznacznie wykazują, że najbardziej spektakularne rezultaty w energooszczędności osiągnąć można poprzez niskonakładowe działania mające na celu zwiększenie świadomości użytkowników urządzeń energetycznych. Poczynione przeze mnie obserwacje wydają się potwierdzać to stwierdzenie w odniesieniu do instalacji sprężonego powietrza. Dbałość o instalację w zakładzie przemysłowym w większości przypadków sprowadza się do bezpieczeństwa ruchu linii technologicznych. Przeprowadzając audyty energetyczne tego typu układów, niejednokrotnie zastawałem pomieszczenie kompresorowni z regularnie serwisowanymi urządzeniami, pieczołowicie prowadzonymi zapisami przeglądów, dobrze oznakowanymi rurociągami, słowem mówiąc stan wzorcowy. Dokładniejsza analiza pracy układu wykazała jednak, że nastawy sprężarek są czysto przypadkowe, zawyżone w stosunku do aktualnych potrzeb, a ich współpraca jest daleka od punktu optymalnego. Przyczyn takiego stanu poszukiwać można w niewystarczającej wiedzy kadry technicznej o systemach tego typu, z jednoczesnym przeniesieniem środka ciężkości w kierunku bezpieczeństwa. Widząc te niedoskonałości w racjonalnym wykorzystaniu zasobów naszej planety, zdecydowałem się na napisanie ninijszego artykułu. Jeżeli przyczyni się on do zaoszczędzenia choćby jednej kilowatogodziny energii elektrycznej, pozwolisz drogi Czytelniku, że poczytam to sobie za sukces. Czym jest sprężone powietrze? Co może łączyć fabryki produkujące szeroko rozumianą galanterię chemiczną, zespoły napędowe do różnego rodzaju pojazdów czy też złożone systemy elektroniczne? Już pobieżna obserwacja procesu produkcyjnego fabryk o różnym charakterze i zdolności wytwórczej przyniesie nam jedno spostrzeżenie: w większości z nich używane jest sprężone powietrze. Oczywiście stopień jego
Przepływ energii w instalacji sprężonego powietrza wykorzystania i przeznaczenie mogą być różne, niemniej jednak fakt zużywania sprężonego powietrza w ogromnych wręcz ilościach jest niezaprzeczalny. Przyjrzyjmy się więc, czym jest sprężone powietrze? Odpowiedź jest dosyć prozaiczna: jest ono nośnikiem energii. Energia elektryczna zamieniana jest w sprężarkach na energię potencjalną zmagazynowaną w powietrzu o ciśnieniu znacznie wyższym niż atmosferyczne. I właśnie ta energia jest ponownie wykorzystywana w procesie rozprężania (Rys. 1.). Postrzeganie sprężonego powietrza w zakładzie przemysłowym Prezentowane powyżej spojrzenie na sprężone powietrze od strony energetycznej wydaje się być bardzo naturalnym. Jednakże, odwiedzając wiele zakładów przemysłowych, miałem okazję naocznie przekonać się, że ten naturalny sposób patrzenia nie jest już tak intuicyjnym dla personelu technicznego odpowiedzialnego za utrzymanie ruchu. Moje spostrzeżenia dotyczą zarówno naszych rodzimych zakładów przemysłowych, z doświadczoną kadrą techniczną starej daty", jak i nowoczesnych fabryk należących do dużych koncernów światowych, w których kadra inżynieryjna kształcona była zgodnie z współczesnymi, światowymi standardami. Jak więc postrzegana jest instalacja sprężonego powietrza w zakładzie przemysłowym? Dla osób odpowiedzialnych za utrzymanie ruchu na linii technologicznej najważniejsza jest ciągłość produkcji. Niedopuszczalne są zatem żadne przestoje spowodowane nieciągłością dostaw różnych mediów, w tym sprężonego powietrza. W zdecydowanej większości wizytowanych przeze mnie układów, ciśnienie było znacznie wyższe od wymaganego przez pneumatyczne układy automatyki i sterowania. Podyktowane to było szeroko rozumianymi względami bezpieczeństwa". Uwzględniając fakt, że sprężone powietrze jest ogólnodostępne, łatwe do pozyskania i nieszkodliwe dla ludzi i środowiska, to końcowy obraz nie powinien być trudny do przewidzenia. Wszystko to prawda, ale w takim podejściu pomijany jest jeszcze jeden aspekt, być może najistotniejszy: koszty. Otóż sprężone powietrze jest bardzo drogim nośnikiem energii! W optymalnych warunkach pracy, w samym procesie technologicznym ciągłego sprężania powietrza, około 90% energii elektrycznej, niezbędnej do zasilania sprężarki, rozpraszanej jest w formie ciepła. Oznacza to, że tylko około 10% tej energii elektrycznej wykorzystywane jest do efektywnego podnoszenia ciśnienia powietrza. A jak to wygląda w praktyce? Żeby zasilić wkrętarkę pneumatyczną o mocy wyjściowej 1kW, musimy zainstalować kompresor, który z sieci elektrycznej pobiera około 10kW mocy elektrycznej. Natomiast moc pobierana przez jeden taki kompresor będzie wystarczająca do zasilenia około 10 wkrętarek elektrycznych o porównywalnej mocy wyjściowej. Jak już wspomniałem, te proste oszacowania dotyczą sytuacji idealnej. W rzeczywistości jednak nawet w bardzo zaawansowanych zakładach przemysłowych kilkunastoprocentowe wycieki z instalacji nie są niczym nadzwyczajnym, a sytaucja, w której kompresor pracuje w sposób ciągły, jest zjawiskiem niezwykle rzadkim. Kilka słów teorii Zanim przejdę do przedstawienia przykładów z życia wziętych", pozwolę sobie na krótki wywód
teoretyczny dotyczący sprężarek. Omawiane poniżej przykłady dotyczą sprężarek śrubowych, ponieważ ten rodzaj urządzeń jest obecnie dominującym w zakładach przemysłowych małej i średniej wielkości. Obliczenia i wyniki pomiarów, zaprezentowane w dalszej części niniejszego artykułu, wykonane zostały na stanowisku sprężarki w Polsko Japońskim Centrum Efektywności Energetycznej (PJCEE - www. pjcee.pl), które jest projektem międzyrządowym realizowanym przez Krajową Agencję Poszanowania Energii S.A. (www.kape. gov.pl). Wyobraźmy sobie sytuację, w której w procesie produkcyjnym potrzebny jest stały strumień sprężonego powietrza o ciśnieniu pt. Idealną sytuacją byłoby zastosowanie takiej sprężarki, która pokryłaby zapotrzebowanie na medium w trybie pracy ciągłej, nadążając" z produkowaniem sprężonego powietrza za aktualnym zużyciem (Rys. 2). Pokazany na Rys. 2 efekt uzyskać można w kompresorach, w których silniki zasilane są poprzez przemiennik częstotliwości, bądź też w maszynach wyposażonych w komorę sprężania o zmiennej objętości. Jednakże zakupienie sprężarki, która generowałaby określony ściśle strumień sprężonego powietrza o wymaganym ciśnieniu pt byłoby zadaniem karkołomnym. Bardzo często stosowanym rozwiązaniem jest zainstalowanie sprężarki o wydajności wyższej niż wymagana, a następnie sterowanie jej w systemie poprzez załączanie/wyłączanie. Na Rys. 3 pokazane zostały przebiegi ciśnienia i poboru mocy przez sprężarkę, regulowaną w omówiony powyżej sposób. Przeanalizujmy więc sposób w jaki działa pokazana regulacja. Nastawa dolna ciśnienia, przy którym sprężarka zaczyna sprężać powietrze (tryb obciążenia, ON-load), jest wyższa od ciśnienia wymaganego przez układ automatyki pt. Zakres pracy sprężarki
Przebieg poboru mocy i zmiany ciśnienia w sprężarce przy regulacji obciążenie-odciążenie (ang. ON-load - UN-load) reguluje nastawa górna ciśnienia, przy której kompresor przejdzie w tryb odciążenia (UN-load, bieg jałowy). Bieg jałowy eliminuje krótkotrwałe, częste załączania i wyłączania kompresora, które w znacznym stopniu obniżyłyby trwałość urządzenia. Trzeba jednak pamiętać, że w trybie odciążenia kompresor zużywa w zależności od typu i producenta 30% 4-60%1 energii elektrycznej pobieranej w trakcie normalnej pracy. Dlatego też z punktu widzenia energooszczędności, tryb odciążenia jest niepożądany i należy minimalizować czas jego trwania. Wpływ nastaw kompresora na zużycie energii elektrycznej Jeżeli przyjmiemy, że do efektywnego sprężenia określonej jednostki powietrza wymagana jest stała ilość energii, to kompresory z takim systemem regulacyjnym, który umożliwi ciągłą pracę w trybie odciążenia, będą oszczędniejsze od kompresorów pracujących na zasadzie załącz/wyłącz. Oszczędność spowodowana jest brakiem poboru energii elektrycznej na utrzymanie biegu jałowego. I do chwili obecnej sprawa jest dosyć oczywista. A jak wygląda sytuacja przy regulacji załącz/wyłącz? Jaki wpływ na zużycie energii elektrycznej mają nastawy sprężarki? Problem jest wcale niebagatelny, bowiem niewiele układów sprężarek, które miałem okazję analizować, miały dobrane optymalne nastawy. Na Rys. 4 pokazano zmianę ciśnienia sprężonego powietrza i pobór mocy przez kompresor dla różnych nastaw. Zawór, przez który zrzucane było powietrze do otoczenia, w trakcie trwania całego eksperymentu był otwarty w tej samej pozycji, co symulowało stałe odbiory sprężonego powietrza, niezależnie od nastaw kompresora. Na podstawie powyższego wykresu trudno jest wyrokować, który sposób utrzymania ruchu jest bardziej korzystny z punktu widzenia efektywności energetycznej. Jednakże dokładniejsza analiza danych pozwoliła na wyciągnięcie konkretnych wniosków. Wyniki obliczeń pokazane zostały w zamieszczonej poniżej tabeli, przy założeniu, że we wszystkich przypadkach pobory mocy w trybie obciążenia i odciążenia są na tym samym poziomie.
Wyniki pomiarów zamieszczone w tabeli jednoznacznie wykazują wpływ nastaw ciśnienia kompresora na zużycie energii. Sterowanie grupą sprężarek Dotychczas przeprowadzone rozważania balansowały na grani-cy teorii i praktycznych aspektów procesu sprężania powietrza. Czas
najwyższy, żeby przejść do zagadnień bardziej związanych z rzeczywistością. Prezentowane poniżej wykresy obrazują wyniki pomiarów, które udało się zebrać audytorom PJCEE, w trakcie pomiarów w pracujących obiektach. W rzeczywistych warunkach, w zakładach przemysłowych, pojedyncze zainstalowane sprężarki są rzadkością. W zasadzie regułą jest, że z jednym systemem sprężonego powietrza współpracuje cała grupa kompresorów. Jak już wykazałem powyżej, sprężone powietrze jest bardzo drogim nośnikiem energii, tak więc sterowanie grupą sprężarek powinno odbywać się w sposób bardzo świadomy i rozważny. Jednakże, jak wykazuje praktyka, niewiele układów generujących powietrze o podwyższonym ciśnieniu zostało zoptymalizowanych z punktu widzenia oszczędności energii. Najczęściej spotykanym problemem są zbyt wysokie nastawy ciśnienia. Czasami spotyka się też układy, w którym ciśnienie raz sprężonego powietrza redukowane jest do pewnego stabilnego poziomu (Rys. 5). Prezentowane na Rys. 5 wyniki rejestracji ciśnienia wykazują, że jego wartości są stabilne przez ponad 90% czasu rejestracji. Udział czasu, w którym ciśnienie spada poniżej wartości zadanej w nadrzędnym sterowniku kontrolnym, utrzymuje się w granicach 2%. Głównym jednakże problemem jest generowanie sprężonego powietrza o ciśnieniu znacz-nie wyższym od wymaganego. Zabudowa-nie dodatkowego zbiornika buforowego w pobliżu miejsca dużych odbiorów rozwiązałoby prawdopodobnie problem rzadkich i chwilowych spadków ciśnienia, co pozwoliłoby na znaczne obniżenie parametrów (ciśnienia) generowanego sprężonego powietrza. Autor: dr inż. Paweł Olszewski Polsko Japońskie Centrum Poszanowania Energii, KAPE S.A. Instytut Techniki Cieplnej, Politechnika Warszawska KONTAKT
Polsko Japońskie Centrum Efektywności Energetycznej Tel.: (22) 825 86 92