Оптимизация систем сжатого воздуха: Практическое устранение неисправностей и стратегии эффективности

Многие объекты недооценивают истинную стоимость эксплуатации систем сжатого воздуха, фокусируясь вместо этого на удовлетворении спроса. Недавнее исследование рынка, заказанное DOE, показало, что только 17% пользователей приоритизируют эффективность, и всего 9% озабочены энергозатратами. В то же время 71% просто хотят стабильного, надежного снабжения.

На цехе сжатый воздух часто относятся как к бесплатному ресурсу — используют для продувания лишнего масла, опилок или пыли с оборудования. В реальности подача воздуха требует дорогих компрессоров, высокого потребления электроэнергии и текущего обслуживания. Компрессор на 100 л.с. может стоить $30 000–$50 000 закупки и потреблять до $50 000 электроэнергии в год. Годовое обслуживание может достигать 10% от первоначальных вложений.

Несмотря на эти цифры, многие объекты не знают своих годовых операционных затрат или потенциальной экономии от улучшения производительности системы. Повышение эффективности сжатого воздуха — скрытая возможность снизить счета за энергию и повысить надежность системы.

Рисунок 1.

Начните с системной оценки

Рассматривайте инфраструктуру сжатого воздуха как единую взаимосвязанную систему. Изменения в одном компоненте рिपплют через всю сеть — устранение утечки, например, повышает общее давление и может сделать другие, меньшие утечки более выраженными. Поэтому устранение искусственного спроса должно сочетаться с уточненными стратегиями управления и мерами экономии энергии.

Определите операционные затраты

Основные статьи расходов — обслуживание и энергия. Затраты на обслуживание можно извлечь из базы данных управления активами или из счетов подрядчиков.

Для оценки потребления электроэнергии рассмотрите:

• Расчет на полной нагрузке с использованием номинальной лошадиной силы компрессора, КПД мотора, годовых часов работы и местного тарифа за кВт·ч.
• Прямое измерение тока и напряжения на полной нагрузке клещевым амперметром или мультиметром.
• Логирование мощности для захвата реального потребления и коэффициента мощности.

Определите требования к спросу

Постройте профиль нагрузки, фиксирующий колебания спроса в кубических футах в минуту (CFM) во времени. Объекты с переменной нагрузкой выигрывают от продвинутых систем управления, а те, у кого кратковременные пики — от накопителей воздуха.

Соберите данные о расходе и давлении по системе при разных состояниях спроса и запишите реакцию компрессора. День или более мониторинга — с использованием логгера данных — раскроет пиковые и минимальные условия.

Измерьте системные давления

Используйте калиброванные манометры, расходомер давления или цифровой мультиметр с модулем давления для фиксации давлений в ключевых точках:

• Вход компрессора (стадия фильтрации)
• Перепад через сепаратор воздух-масло (если смазываемый)
• Межстадийные давления на многостадийных блоках
• Потери давления через послеохладители, осушители, фильтры и т.д.

Зафиксируйте системный расход

Применяйте ручной расходомер или массовый расходомер для измерения общего расхода на разных стадиях и сменах.

• Измеряйте потребление во время активных операций.
• Установите бенчмарки для будущих улучшений.
• Оцените утечки в периоды простоя.

Логируйте системные температуры

Показания температуры помогают оценить здоровье оборудования; выше ожидаемых температур часто сигнализируют о неэффективностях или надвигающихся отказах. Используйте инфракрасный термометр для мониторинга:

• Температура на выходе послеохладителя — действие требуется, если превышает 100 °F (38 °C).
• Выход роторного или смазываемого компрессора — обычно ниже 200 °F (93 °C).
• Температура входного воздуха.

Относитесь к системе комплексно

Три столпа двигают приросты производительности: сокращение искусственного спроса, оптимизация управления и улучшение энергопотребления. Улучшения в одной области влияют на другие, поэтому примите мышление непрерывного улучшения.

Устраните искусственный спрос

Помимо устранения утеток, изучите цеховые практики. Переобучите персонал: сжатый воздух — ценный, энергозатратный товар.

Точная оценка утечек

Утечка 20–30% мощности — распространенная, но расточительная практика. Установите базовую нагрузку утечек перед началом ремонтов.

Для простых систем пуск/стоп: запустите компрессор без нагрузки, зафиксируйте время падения от полного давления до холостого, и вычислите утечку как:

Утечка % = (T × 100) ÷ (T + t)
T = время под нагрузкой (мин), t = время холостого хода (мин)

Для более сложных систем управления требуется измерение объема системы (V) и времени (T) падения от P1 до P2 (≈ ½ P1). Утечка (cfm) = [(V × (P1–P2) ÷ (T × 14.7)] × 1.25.

Используйте ультразвуковые детекторы утечек для быстрого, неинвазивного обнаружения. Приоритизируйте зоны высокого риска: муфты, шланги, фитинги, резьбовые соединения, быстрые разъемы, FRL, конденсатоотводчики, клапаны, фланцы и уплотнения.

Улучшение стратегий управления

Внедряйте расширители спроса, контроллеры давления/расхода и интеллектуальную логику пуск/стоп для поддержания минимального стабильного давления с буфером высокого давления для пиков.

Мониторьте компрессоры на предмет:

• Лишнего времени работы.
• Работы на низкой нагрузке за пределами трим-уровней.
• Нестабильного среднего давления.
• Невыполнения минимальных системных требований.

Ремонт утечек и обновление управления могут исключить избыточные крупные компрессоры, сократить энергопотребление и позволить добавить небольшой эффективный компрессор для периодов низкого спроса.

Оптимизируйте компоненты на стороне подачи

Обеспечьте, чтобы каждый элемент — первичные двигатели, контролы, блоки подготовки воздуха, осушители, фильтры, ресиверы и накопительные сосуды — был правильно подобран, установлен и обслуживается. Особое внимание уделите обработке конденсата; избегайте накопления воды, уменьшающей емкость ресивера. Замените временные клапаны на спрос-ориентированные, чтобы устранить ненужные утечки.

Спроектируйте компоновку так, чтобы общий перепад давления от компрессора до точек потребления был менее 10% от давления на выходе компрессора.

Уточните оборудование на стороне потребления

• Сепараторы конденсата/смазки
• Воздушно-масляные сепараторы
• Тепловозвращательные блоки
• Точечные сборки использования

Свяжите производительность с производством

Измерьте выход системы (CFM при psig) против потребления энергии (кВт·ч) и коррелируйте с производственными единицами. Экономия энергии должна проявляться, если производство не растет пропорционально спросу на сжатый воздух. Если давление растет без роста производства — пересмотрите контролы.

Для более глубоких инсайтов посетите Fluke Corporation.

Примечания

1. См. «Приложение D» Improving Compressed Air System Performance: a Sourcebook for Industry онлайн на compressedairchallenge.org. Изучение заказано U.S. Department of Energy с технической поддержкой Compressed Air Challenge.
2. Improving Compressed Air System Performance: a Sourcebook for Industry: Раздел 12, «Compressed Air System Economics and Selling Projects to Management», стр. 69.
3. См. Ibid., Раздел 10, «Baselining Compressed Air Systems», стр. 61, и Раздел 11, «Determining Your Compressed Air System Analysis Needs».

Квантование энергозатрат

В типичном американском промышленном заводе сжатый воздух составляет около 10% электросчета — иногда превышая 30%. Стоимость на 1000 CFM варьируется от 18 до 30 центов. Эффективность может быть низкой до 10%; например, мотор 1 л.с. при 100 psig может требовать 7–8 л.с. входной мощности.

Расчет долларовой стоимости:

Стоимость = (bhp × 0.746 × часы работы × $/кВт·ч × % времени работы × % полной нагрузки bhp) ÷ КПД мотора

Пример: Компрессор 200 л.с., фактически использующий 215 bhp, работает 6800 ч/год, 85% полной нагрузки при 95% КПД, и 15% холостого хода при 25% нагрузки и 90% КПД. При тарифе $0.05/кВт·ч годовая стоимость = $51 064.

Источник: U.S. DOE Compressed Air Tip Sheet #1, «Determine the Cost of Compressed Air for Your Plant», август 2004 г.