Подобряване на енергийната ефективност на индустриални компресори

• Около една десета от енергията в индустрията се използва за производство на сгъстен въздух
  
  
• До 90% от нея често се губи вследствие на течове, падове в налягането, неправилно оразмеряване, експлоатиране или обслужване
  
  
• Повишаването на енергийната ефективност на компресорите може да спести милиарди киловатчасове годишно и да намали драстично въглеродния отпечатък и разходите на предприятията

Около една десета от енергията в индустрията се използва за производство на сгъстен въздух. В Европа това е приблизително 80 TWh на годишна база, а в световен мащаб – над 400 – 500 TWh. Голяма част от промишлените компресори в експлоатация са твърде енергоемки и неефективни, работейки с ефективност едва 10 – 15%.

В резултат около 85 – 90% от вложената енергия често се губи: под формата на топлина, вследствие на течове, падове в налягането, неправилно оразмеряване, експлоатиране или обслужване. Масовото подобряване на енергийната ефективност на индустриалните компресорни системи може да спести милиарди киловатчасове годишно, да намали драстично въглеродния отпечатък и оперативните разходи на предприятията.
Практиката показва, че прилагането на различни мерки и технологични решения, като програми за профилактика, честотно управление, контрол на температурата и налягането, подобряване на изолацията и улавяне на отпадната топлина с цел повторното й използване, може да повиши ефективността на промишлените компресори с 20 до 60%. Обзор на някои от най-популярните и ефикасни подходи и стратегии, подчинени на тази цел, ще направим в настоящата статия.

Сгъстеният въздух е критичен ресурс в промишлеността

Използването на сгъстен въздух и специални газове е ключово в редица промишлени съоръжения – от хранително вкусовата, бутилиращата и пивоварната индустрия до машиностроенето и общото производство. Въздушните компресори днес се използват широко в различни сектори, а ролята им е критична за обезпечаване на голям брой разнообразни технологични процеси. Повечето такива системи обаче са остарели и работят със значително влошена ефективност, което води до сериозни загуби на енергия и разходи за предприятията на годишна база. Ето защо съвременните подходи в дизайна са насочени основно към по-висока надеждност в комбинация с подобрена енергийна ефективност и улеснено обслужване.

Подмяната накуп на цялото амортизирано компресорно оборудване с ново за много компании е равно на непосилна инвестиция, особено при неясна възвръщаемост. Затова е важно както бизнесът да е наясно с конкретните очаквани ползи при ретрофит и частична или цялостна модернизация на компресорния парк, така и преди драстични капиталовложения първо да се приложат някои сравнително по-достъпни и лесни за изпълнение мерки за оптимизация на съществуващата техника за производство на сгъстен въздух. Важно е в процеса да се вземат предвид всички компоненти на системата за сгъстен въздух включително компресори, резервоари за съхранение (ресивери), филтри за очистване на въздуха, изсушители за отстраняване на влагата, охладители за топлия въздух, сепаратори за кондензата, маслоотделители, блокове за автоматично регулиране и управление, както и системи за пренос и разпределение на сгъстения въздух до консуматорите.

Експертите препоръчват в първия етап от всяка програма за обследване и цялостна оптимизация на енергийната ефективност да се заложат следните цели:

• Елиминиране на работата на празен ход;
• Подобряване на качеството на входния въздух в системата;
• Преразглеждане на дизайна и организацията (технологичната схема) на системата;
• Осъществяване на постоянен мониторинг за падове на налягането;
• Откриване и отстраняване на течове.

Съществена е ролята на различни специализирани стандарти и регулации, които служат като рамка при оценката и повишаването на енергийната ефективност на промишлените компресори. Такива са например БДС EN ISO 11011:2015 “Сгъстен въздух. Енергийна ефективност. Оценяване”, който взема предвид целия цикъл на производство, пренос и потребление, както и ISO 1217 с фокус върху приемните тестове на бутални компресори и такива с течен пръстен (liquid ring). Базови линии залагат още стандартът за управление на енергията ISO 50001, директивите за енергийна ефективност, екодизайн и за машините на ЕС и др.

Обследване и модернизация на системите за сгъстен въздух

Тестовете показват, че работата на празен ход води до излишно използване на около 40 на сто от пълния капацитет на компресора. В дългосрочен план натрупването на такива периоди води до значително повишаване на енергийното потребление на предприятието. За да се предотвратят тези нежелани загуби, се препоръчва изключване на системите за сгъстен въздух, когато не се използват, например през нощта или по време на почивки и прекъсвания. Добро решение е модернизацията посредством честотни регулатори (VFD), които адаптират скоростта на двигателя към реалното моментно търсене на сгъстен въздух и позволяват 20 до 50% икономии на енергия в сравнение с компресорите с фиксирана скорост.

Подобряването на качеството на входящия въздушен поток в системата също има значима роля за нейната ефективност във времето. Качеството следва да се разглежда като съчетание на три основни елемента – температура, състав и влажност.

По-хладният въздух изисква по-малко енергия за сгъстяване, което означава и по-малко разходи. Специалистите съветват при възможност да се избягва компресирането на горещ въздух с по-малка плътност, тъй като това цялостно влошава производителността.

От не по-малка важност е съставът на изходния въздух. Колкото по-чист (с по-малко замърсявания и примеси) е той, толкова по-плавно и с по-малко съпротивление се движи в системата, намалявайки износването на механичните части и подобрявайки капацитета за съхранение. Регулярното обслужване и почистване на системата може да подобри състава на циркулирания въздух и значително да повиши ефективността на компресора. Що се отнася до влажността, сухите среди са оптимални за производство на сгъстен въздух. Наличието на влага в системата може да доведе до ръждясване и износване на компонентите, течове и намален капацитет.

Ключова стъпка от всяка програма за оптимизация е оценката на съществуващия системен дизайн. Ефективността на една промишлена система за сгъстен въздух силно зависи от технологичната й схема или дизайна и организацията на отделните компоненти. Важни са както наличието, така и изправната работа на блоковете за управление, които регулират производството и подаването на сгъстен въздух към консуматорите въз основна на потребностите, а не при висок фиксиран капацитет.

Целта е да се доставя компресиран въздух при най-ниското възможно стабилно налягане. Синхронизирането на контролните блокове на отделните компресори в сложни и мащабни инсталации балансира натоварването на системата и осигурява по-ефективна работа с по-ниска консумация на енергия и по-малко разходи. В тази връзка е важно консуматорите да получават точно такива обеми сгъстен въздух и с такова налягане, от каквито реално имат потребност. Ако системата може да отчита промени в търсенето на ниво управление, тя може да работи ефективно дори при условия на частично натоварване. Тази стратегия е особено ефективна при значителни колебания в потреблението.

Падовете на налягането са друга основна причина за намалена производителност и повишена консумация на енергия, ето защо системата трябва да се наблюдава за такива явления, а причините за тях да се елиминират своевременно.

От най-съществена важност при подобряването на енергийната ефективност на индустриалните компресорни системи обикновено е откриването и отстраняването на въздушните течове. Те типично водят до загуби на до 30% от произведения сгъстен въздух, като нерядко налагат и нежелани престои. Ранната детекция в комбинация с подходяща поддръжка и превенция осигурява висока надеждност, ефективност и производителност на системата в дългосрочен план.

Добри практики при поддръжката и експлоатацията

Правилното по честота и обхват обслужване на промишлените компресори значително удължава сервизния им живот, като гарантира и много по-добра ефективност. В това направление експертите препоръчват регулярна подмяна или поне почистване на въздушните и маслените филтри на всеки три месеца или на около 500 работни часа. При продължително използване маслените филтри на компресорите се задръстват с различни частици и замърсявания, които повишават съпротивлението. Важно е редовно да се проверява за запушвания, тъй като това може да намали налягането и да увеличи потреблението на енергия, както и да причини повреди.

Друга популярна практика е поддържането на правилен опън и подравняване на ремъците, за да се избегне тяхното прекалено изпъване и повишаване на износването, както и разхлабването, водещо до понижена производителност и ефективност.

Ключов елемент от обслужването на промишлени компресори е инспекцията на подвижните компоненти – предпазни клапани, дюзи, електрически връзки и т. н. С голям приоритет е да се осигури надеждно смазване на движещите се елементи, за да се гарантира гладката и ефективна работа на системата без аварии и загуби на енергия. Не е без значение и изборът на смазочно масло. Изследванията показват, че при сериозна част от системите в съвременната практика използването на синтетични смазващи флуиди позволява по-висока енергийна ефективност и производителност в сравнение с конвенционалните минерални масла. В резултат се намалява коефициентът на триене, а следователно и износването и корозията.

Често срещан, добре познат и ефикасен вариант при откриването на течове са ултразвуковите детектори. През последните няколко години в практиката се налагат и ново поколение дебитомери с IO-Link технология, които позволяват събиране на данни в реално време и получаване на известия при регистрирани отклонения от зададените прагове. Съвременните индустриални компресори все по-често са оборудвани с интелигентни сензори, които проследяват налягането, температурата, вибрациите и други критични параметри в реално време. Когато са свързани чрез IoT платформи, сензорите осигуряват големи обеми от данни, които са отлична основа за прогнозна поддръжка и идентифициране на потенциални проблеми при промишлените компресори, включително износване на лагери или прегряване.

Умните сензори следят за падове на налягането и задействат аларми при необходимост от подмяна на компонент или извършване на друго критично действие по поддръжката.

При проектирането и изграждането на енергийноефективни системи за сгъстен въздух в индустрията следва правилно да се оразмеряват отделните компоненти. Както преоразмеряването, така и недостатъчно големият типоразмер при системите за филтриране, изсушителите и други съществени елементи на инсталацията за сгъстен въздух може да доведе до значително влошаване на енергийната ефективност и производителността. Същевременно замърсяването, износването и наличието на влага компрометира работата на системата за разпределение и доставка на сгъстения въздух до консуматорите, причинява загуби на налягане в тръбната система, замърсява филтрите и затруднява регулаторите. Всичко това може да стане повод за нови течове, аварии, замръзване на тръбопроводите на открито и други нежелани ефекти.

В тази връзка специалистите препоръчват при проектирането, обслужването и експлоатацията на компресори в промишлеността да се прилага холистичен и последователен подход, отчитащ необходимостта от навременна инспекция, обслужване и подмяна (при необходимост) на всички ключови системни компоненти, обхващащ консумативите и приоритизиращ прогнозната поддръжка.

Този дълъг и комплексен процес често започва с правилен избор и съчетаване на компонентите, като е важно и физическото разполагане на компресорите в предприятието. С оглед на енергийната ефективност е важно да се осигури пространство с добра циркулация на въздуха около системата и с умерена температура (нито твърде висока, нито твърде ниска), за да се избегне топлинният стрес върху механичните компоненти и смазочните масла.