Мерки за енергоспестяване при системи за сгъстен въздух

Pазходите, свързани с консумация на електроенергия, обикновено съставляват до 75% от общите разходи в рамките на жизнения цикъл на една система за сгъстен въздух. Само за година тези разходи могат да надвишат цената за закупуване на самото компресорно оборудване.

Проучванията сочат, че в индустриалните предприятия, в които се използва сгъстен въздух като технологичен носител на енергия, близо 30% от генерирания ресурс се губи в системата. Ето защо при промишлените компресорни системи е от изключителна важност да се прилагат ефикасни мерки за повишаване на енергийната ефективност, които да ограничат загубите на енергия.

Типична структура на системите за сгъстен въздух

Една базова промишлена система за сгъстен въздух се състои от три основни компонента: агрегат за производство на сгъстен въздух - компресор (един или повече); разпределителна система и оборудване за утилизиране на продукта. Компресорната машина обикновено е с електрическо задвижване. Тя всмуква атмосферен въздух през въздушен филтър и го компресира, като намалява обема му значително - например до една десета от първоначалния обем.

Типичните индустриални системи компресират около 7 обема атмосферен въздух до 1 обем под високо налягане. Компресираният въздух е с повишена температура и съдържа концентрирана влага от естествената влажност в атмосферата. По-нататъшната му обработка продължава в охладителна система и изсушител, където съдържимата влага се извлича. Така обработеният и компресиран въздух се подава към разпределителната система на индустриалното съоръжение или към резервоар за сгъстен въздух.

Въздухът обикновено се кондиционира посредством филтри, които са монтирани на входните и изходните точки на системата. Изходните зони на разпределителните системи за сгъстен въздух типично включват спирателен кран, филтър, регулатор на налягането и омаслител. Системата може да подава сгъстен въздух само към едно или към множество съоръжения в индустриалното предприятие.

На теория, колкото по-сложна по структура е една такава система, толкова повече условия за загуби на енергия са налице. Типични причини за такива загуби са въздушни течове (протечки), спад в налягането, свръхналягане, употреба на сгъстен въздух за неподходящи приложения, както и влошен контрол и управление на системата.

Сгъстеният въздух като източник на енергия

Сгъстеният въздух се използва масово като средство за акумулиране на енергия в индустрията за редица цели като задвижване на машини и оборудване или осъществяване на различни технологични процеси. На практика обаче той се оказва скъп ресурс. За да бъде оценен най-точно потенциалът за енергоспестяване в една компресорна система, е необходимо да се изчисли реалната цена за производство на единица обем сгъстен въздух, включително изразходваната за целта електрическа енергия.

В допълнение е важно да се отчете, че системното налягане влияе върху обема консумиран на изхода на системата компресиран въздух. Широко срещан случай в индустрията е системата да работи с много по-високо от необходимото за нормална работа на задвижваното оборудване налягане. Така се създава изкуствено по-високо потребление на генерирания ресурс, което води до излишни загуби на енергия и по-високи сметки за електричество.

Ефективно управление на системите за сгъстен въздух

Възможностите на една компресорна система да превърне редуцираното налягане и ограниченото изкуствено потребление на сгъстен въздух в реални икономии на енергия и по-ниски разходи за електричество са пряко свързани с ефективното й управление. В техническата практика системите за сгъстен въздух с интегрирани решения за контрол на процеса са се доказали като много по-ефективни от базовите конфигурации, при които регулирането и управлението се извършват ръчно.

В съвременните решения автоматизирани регулатори се грижат за подаването на точното количество сгъстен въздух, необходимо за работата на даден агрегат или машина. Така на практика се ограничава свръхпроизводството и свързаните с него допълнителни разходи за електрическа енергия.

Основна роля в повишаването на енергийната ефективност на компресорните системи имат самите компресори и техните компоненти.

Енергийноефективни компресори

На пазара се предлага широка гама от индустриални компресори за различни приложения с мощности в диапазона от няколко киловата до 40-50 000 kW. В зависимост от типоразмера и приложението варират дебитът, максималното работно налягане и ефективността при пълно, частично и нулево натоварване на различните модели. Според конструкцията и принципа на действие можем да класифицираме въздушните компресори като винтови, бутални, центробежни, обемни, турбокомпресори и др.

Сред най-ефективните достъпни на пазара технически решения са винтовите компресори с променлив дебит, при които оборотите на въртене на двигателя се променят в зависимост от моментите потребности на сгъстен въздух на изхода на системата, като налягането остава константно, а специфичният разход на електроенергия е възможно най-нисък. Посредством ефективен контрол на дебита могат да се реализират значителни икономии на енергия до 40-50%.

Все по-разпространен подход към повишаване на енергийната ефективност на индустриалните системи за сгъстен въздух е интегрирането на микропроцесорно управление в компресора, което гарантира постоянно налягане в системата и ангажиране само на необходимия компресорен капацитет съобразно моментното натоварване. PLC-базираните контролери за компресорни инсталации прецизно адаптират обема на генерираното към необходимото количество сгъстен въздух, като избягват свръхпроизводството или свръхналягането.

Свръхналягане в системата

Прекалено високото налягане в системите за сгъстен въздух е сред най-честите причини за загуби на енергия и по-високи експлоатационни разходи. При такива системи единствен регулатор типично се оказва спирателният кран или дюза на изхода на системата.

Оборудването, в което се използва генерираният сгъстен въздух, често има пневматични и други специфични компоненти с определени стойности на оптимално и максимално работно налягане и дебит на сгъстения въздух. Както прекалено високите, така и прекалено ниските налягане и дебит биха могли да доведат до неизправна работа и понижена ефективност на машините, които използват сгъстения въздух.

В допълнение, свръхналягането в системата типично спомага за по-бързото износване на компонентите и цялостно увеличава разходите за притежание и експлоатация. Липсата на регулатори на налягане в компресорните системи често води до използването им в условия на повишено налягане. В такива приложения могат да се приложат редица мерки за енергоспестяване, сред които инсталирането на измервателни уреди, контролни вентили, електронни контролери, автоматика и др.

Спадове в налягането

При закупуване на компресорно оборудване е препоръчително да се избере такова със защита от резки спадове в налягането. Важно е филтрите и изсушителите в инсталацията да бъдат оразмерени правилно, за да се избегнат такива ефекти. Допустимият спад в налягането в компресорната инсталация, включително всички компоненти и разпределителната система, е около 1 bar.

Спадането на налягането в системите за сгъстен въздух обикновено се дължи на ограничаване на дебита и общото триене в тръбната разпределителна система и компонентите. При по-голям диаметър на тръбите в разпределителната система скоростта на преминаване на сгъстения въздух е по-ниска и съответно триенето е по-ниско.

Препоръчително е тази скорост да е до 6 m/s в главния отсек на разпределителната система, за да се избегнат прекомерно триене и спадове в налягането. Изчислено е, че всеки бар нежелан спад на налягането увеличава производствените разходи с около 7%. Повишаването на налягането на входа на системата, което да компенсира недобре оразмерената система, също значително увеличава разходите за производство на обем сгъстен въздух.

Експертите съветват тръбопроводите в компресорните системи да се проектират с плавни извивки и завои и да се използват компоненти и арматура с ниско съпротивление като колянови фитинги, сферични кранове вместо шибъри, филтри с подходящ размер и др.

Оползотворяване на отпадна топлина

Отпадната топлина, генерирана от въздушните компресорни инсталации в индустриалните предприятия, може да бъде ефективно утилизирана за площно отопление или загряване на вода за технологични цели. Така за кратки периоди се реализират значителни икономии на енергия и разходи. Рекуперацията на топлина е особено ефективна при маслените винтови компресори.

Топлината, извлечена от системата за сгъстен въздух на етапа охлаждане, може да загрее вода до температура от 55 до 70 °C. Затопленият технологичен въздух при охлаждането на компресирания може да бъде подаван и към система за площно отопление, като през зимата част от циркулираната топлина е добре да се връща обратно в компресорното помещение, за да се поддържа там температура не по-ниска от 15 °C. Така няма да се намали ефективността на технологичния процес по производство на сгъстен въздух.

Контрол на дебита

Повечето индустриални системи за сгъстен въздух работят при изкуствено завишено налягане, което да компенсира колебанията в дебита, протечките и спадовете в налягането, причинени често от недобре проектирана или оразмерена инсталация или липса на агрегати за съхранение на произведения сгъстен въздух.

Дори при наличието на по-голям компресорен капацитет закъсненията при стартирането на необходимите компресорни машини неминуемо водят до спадане на налягането, което впоследствие се компенсира с изкуствено завишаване. Тази практика е причина за ангажирането на до 25% повече компресорна мощност от необходимата, като така се генерират и значително повече разходи за енергия.

Ефективен подход за преодоляване на тези проблеми е интегрирането на система за контрол на дебита в инсталацията за производство на сгъстен въздух. Тя се монтира между производствения агрегат (компресори, охладители, изсушители и филтри) и разпределителната система. След регулатора на дебита могат да бъдат монтирани резервоари за сгъстен въздух, в които продуктът да се съхранява, когато няма потребност от него, без това да повлиява върху налягането в системата, което остава постоянно.

Елиминиране на въздушните течове

Въздушните течове или обемни протечки са сред най-големите източници на загуби на енергия в системите за сгъстен въздух. В една типична индустриална компресорна инсталация могат да възникнат загуби на до 30% от произведения сгъстен въздух вследствие на влошена поддръжка на оборудването и арматурата на разпределителната система. Колкото по-високо е налягането в системата, толкова повече сгъстен въздух се губи в протечки.

За да се елиминират излишните разходи, свързани с тези загуби, е препоръчително да се провежда регулярна поддръжка на инсталацията и възникналите течове на сгъстен въздух да се отстраняват своевременно с цел да се ограничат загубите на енергия и допълнителните финансови разходи. За целта е необходимо специално оборудване за мониторинг на системата и иницииране на редовни проверки.

В неработно време инсталацията е добре да бъде приведена към експлоатационни условия, за да се локализират всички точки, в които е налице изтичане на сгъстен въздух, и да се изчислят обемът и дебитът на загубите.

Типични елементи на системите за сгъстен въздух, в които възникват или са причинител на протечки, са остарелите тръби, присъединителните зони, недобре затегнатата съединителна арматура, повредените или амортизирани уплътнения на пневматичните компоненти, вентилите и задвижките, гъвкавите маркучи и меки връзки, в които са се появили процепи, запушените филтри и задръстени изпускателни клапани, които повишават цялостно налягането в системата и др.

Неподходящо оборудване или приложения

Неподходящата употреба на сгъстен въздух за приложения, в които тази технология се явява неефективно решение, както и неправилно подбраният тип оборудване в компресорната система, са причина за значителни загуби в индустриалните предприятия.

За приложения, в които са необходими по-ниски работни налягания например, свръхмощните индустриални компресорни инсталации не са подходящи. В такива случаи е добре да се оценят възможностите за обезпечаване на приложенията посредством въздуходувки, вентилатори и друго оборудване с по-малка мощност и енергиен разход.

Честа практика в промишлените съоръжения е компресорните системи да се използват за почистване на прах и различни замърсители, охлаждане и други неспецифични дейности, както и изпускателните дюзи да се оставят отворени, дори когато системата не е в употреба.

Тези незабележими наглед загуби на сгъстен въздух водят до сериозни разходи в дългосрочен план. Препоръчително е в системите за сгъстен въздух да се интегрират сензори и клапанни регулатори с автоматичен контрол, които да не допускат ненужно похабяване на този скъп ресурс.