Sprężone powietrze to w zakładzie przemysłowym wygodny, ale drogi nośnik energii. Dlatego też warto jego zużycie optymalizować.
Sprężone powietrze wykorzystuje się w mniejszym lub większym stopniu w praktycznie każdym zakładzie produkcyjnym. Przy bardzo wielu zaletach ten rodzaj medium energetycznego w zakładzie nie jest tani, a błędy na etapie projektowania, budowy i eksploatacji sieci sprężonego powietrza mogą być powodem znacznych strat energii.
W jednym z opracowań przygotowanych przez Departament Energii USA podano, że w typowym zakładzie przemysłowym ok. 10% energii elektrycznej jest zużywane do produkcji sprężonego powietrza, choć w niektórych przypadkach może to być nawet 30% lub więcej. Jak wyliczono, w ciągu 10 lat użytkowania (w przeciętnych warunkach) systemu sprężonego powietrza 79% kosztów to energia elektryczna, a po 12% to koszty utrzymania i sprzętu. Warto więc dbać, by w systemie dystrybucji powietrza nie było choćby małych nieszczelności. Straty energii to, poza utratą powietrza jako medium przez nieszczelności, również straty w formie ciepła i spowodowane pracą kompresorów na biegu jałowym.
Koszt sprężonego powietrza
Zatem ile kosztuje sprężone powietrze? W przypadku innych mediów z reguły dostawcy są zewnętrzni, a cenę ustala rynek. Sprężone powietrze „produkuje” się w zakładzie i nie zawsze mamy wiedzę o wszystkich kosztach z tym związanych. Mierząc ilość powietrza uzyskanego w jednostce czasu i zużycie energii elektrycznej przez kompresor, można wyliczyć tylko koszt w przeliczeniu na energię elektryczną. Nie obejmuje on jednak kosztów poniesionych na inwestycje i obsługę techniczną instalacji.
Kolejna trudność to ocena rzeczywistego zużycia sprężonego powietrza przez różne odbiorniki i przez poszczególnych użytkowników. Jednak dopiero taka szczegółowa wiedza pozwala na wskazanie miejsc, w których warto optymalizować zużycie lub nawet zrezygnować z tego typu źródła energii, np. przechodząc na zasilanie energią elektryczną.
Urządzenia elektryczne mają znacznie większą sprawność energetyczną. W jednym z przykładowych wyliczeń, do których udało się dotrzeć autorowi, wykazano, że zastępując szlifierkę pneumatyczną (koszt energii wyliczono na ok. 1500 zł rocznie) szlifierką elektryczną z nowoczesnym silnikiem bezszczotkowym (koszt energii ok. 180 zł), oszczędza się w ciągu roku 1320 zł.
Oczywiście nie wszędzie da się zastąpić sprężone powietrze. Ma ono bowiem wiele zalet. W systemach zasilania sprężonym powietrzem można bezpiecznie magazynować duże ilości energii, zachowując przy tym pewność prawidłowego zasilania urządzeń i narzędzi. Wykorzystuje się je również do transportowania elementów i ich podnoszenia oraz do odmuchu.
Mówiąc o odmuchu, warto zauważyć, że duża siła działania sprężonego powietrza nie musi być równoznaczna z generowaniem dużego hałasu i zużyciem znacznej ilości powietrza. Na przykład rozwiązanie firmy Silvent, w takich zastosowaniach, jak czyszczenie, suszenie i chłodzenie, umożliwia według firmy zmniejszenie zużycia sprężonego powietrza nawet do 50%. Dysze i pistolety Silvent zmniejszają powstające zawirowania powietrza, co obniża poziom hałasu o nie mniej niż 810 dB. Wykorzystuje się tu tzw. efekt eżektorowy, czyli dodatkowe zasysanie powietrza otaczającego dyszę. Ten przykład pokazuje, że nawet w stosunkowo prostych konstrukcjach jest miejsce na nowe rozwiązania i postęp technologiczny.
Jak mówi Robert Ryt, Training and Marketing Manager w firmie Kaeser Kompressoren, planując zmiany w stacjach sprężarek, warto potraktować to zagadnienie kompleksowo, a nie jedynie wymieniając jedno wyeksploatowane urządzenie na nowoczesne. Koniecznie należy pamiętać o kosztach oraz działaniach proekologicznych. Audyt systemu sprężonego powietrza przed jego modernizacją może się okazać stosunkowo niedrogim sposobem ustalenia, jaki potencjał oszczędności tkwi w instalacji sprężonego powietrza. Jak dodaje Robert Ryt, dzięki odpowiedniemu zoptymalizowaniu systemu instalacje i urządzenia sprężonego powietrza w Europie mogłyby przeciętnie zmniejszyć koszty o ok. 33%, a niektóre, jak się okazuje, nawet o 71%, a główny czynnik kształtujący koszty to zużycie energii elektrycznej.
Szukanie oszczędności
Pierwszym krokiem w kierunku optymalizacji wykorzystania w zakładzie sprężonego powietrza powinno być przeprowadzenie audytu sprawności energetycznej instalacji jego wytwarzania, dystrybucji i odbioru. Obecnie są dostępne kalkulatory, które pomagają dobrać odpowiedni rodzaj instalacji. Przykładem jest kalkulator sprawności energetycznej Atlas Copco.
Podczas audytu sprawności energetycznej firma sprawdza statyczne i dynamiczne ciśnienie zasilania narzędzi pneumatycznych pracujących na linii produkcyjnej. Wykonuje się pomiary i dokumentuje spadek ciśnienia oraz przeprowadza oględziny instalacji sprężonego powietrza. Jest to podstawą do przygotowania zaleceń, np. dotyczących prawidłowej instalacji akcesoriów pneumatycznych. Odpowiednia instalacja to również wyższa moc i moment obrotowy narzędzi pneumatycznych, co zwiększa ich produktywność.
Firma Festo radzi, by zastosować tzw. dwanaście metod efektywności energetycznej. Są to takie działania, jak: właściwe wymiarowanie, czyli taki dobór wielkości elementów, by nie były większe, niż jest to wymagane, zmniejszenie długości przewodów (unikanie stacjonarnego powietrza), zdecentralizowana wyspa zaworowa z optymalnie poprowadzonymi przewodami, sprawne sterowanie w pętli otwartej i ze sprzężeniem zwrotnym, wykorzystanie zaoszczędzonej energii do przyspieszania innych napędów oraz oszczędzanie energii hamowania w połączonym obwodzie pośrednim. Ponadto według specjalistów Festo warto także stosować usprawnienia typu: przerywanie dostarczania sprężonego powietrza do systemów w czasie przestoju (zmniejszanie strat wynikających z nieszczelności), zmniejszanie poziomu ciśnienia i wykorzystanie regulatora ciśnienia do zmniejszenia ciśnienia skoku powrotnego z 6 do 3 barów. To również zmniejszanie tarcia przez optymalizację łożysk i systemów prowadzenia oraz redukcja ciężaru przez ograniczenie masy ruchomej, dzięki połączeniu technik pneumatycznych i elektrycznych. Eksperci firmy zalecają również takie działania, jak redukcja poziomu ciśnienia w sieci, a tam, gdzie jest to potrzebne – stosowanie wzmacniaczy ciśnienia.
Robert Ryt z Kaeser Kompressoren jest zdania, że każdą skuteczną optymalizację musi poprzedzać dokładna analiza systemu sprężonego powietrza. Wspomagane komputerowo procesy, np. analiza wykorzystania sprężonego powietrza (ADA), umożliwiają to przy stosunkowo małym nakładzie środków. Eksploatacja stacji sprężonego powietrza jest analizowana za pomocą tzw. loggera danych, bez ingerowania bezpośrednio w sieć sprężonego powietrza. Także zużycie sprężonego powietrza w poszczególnych obszarach w zakładzie można ustalić przez pomiar przepływu. W ten sposób można określić ekonomiczność poszczególnych sprężarek oraz skontrolować cały system pod kątem słabych punktów. Logger zbiera wszystkie istotne dane i przekazuje je do komputera, który na ich podstawie tworzy wykres zużycia sprężonego powietrza. Widoczne są na nim wahania zużycia, fazy biegu luzem, czas pracy i postoju sprężarek oraz przyporządkowanie wydajności każdej sprężarki do określonego zużycia sprężonego powietrza. Z uzyskanych danych specjalny program System oszczędzania KAESER (KESS) wylicza zapotrzebowanie na energię kontrolowanej stacji sprężonego powietrza i porównuje je z zapotrzebowaniem nowego rozwiązania – stacji zoptymalizowanej. KESS może też symulować różnego rodzaju alternatywne warianty systemowe. Na podstawie porównania przedstawionych wariantów oraz wyliczenia amortyzacji inżynier projektu ustala zakres wymaganej modernizacji: powtórną konfigurację wszystkich urządzeń, częściową lub pełną wymianę.
Jak wspomniano wcześniej, największym problemem w instalacjach sprężonego powietrza są nieszczelności. W skrajnych przypadkach zdarza się, że nawet połowa wytworzonego powietrza jest w ten sposób bezproduktywnie tracona. Najlepszą metodą, by temu przeciwdziałać, jest systematyczne wykonywanie przeglądów instalacji pneumatycznej. Większość nieszczelności występuje przy samym stanowisku pracy, w przyłączach, wężach, armaturze oraz w narzędziach, maszynach i urządzeniach. Najprostszy sposób zidentyfikowania nieszczelności w układzie sprężonego powietrza to osłuchiwanie, zwłaszcza w czasie, gdy nie jest prowadzona produkcja. W tego typu diagnostyce korzysta się z niezwykle czułej i skutecznej metody – ultradźwiękowego wykrywania nieszczelności.
Na rynku dostępnych jest wiele urządzeń przeznaczonych do tego celu. Przykładem jest detektor ultradźwiękowy SONAPHONE. Umożliwia on wykrycie nieszczelności, które są niewidoczne i niesłyszalne dla ludzkiego ucha (częstotliwość pracy urządzenia 40 kHz). Zaletą jest możliwość stosowania urządzenia podczas normalnej pracy zakładu (hałas otoczenia nie ma wpływu na jego funkcjonowanie). Sonda ultradźwiękowa umieszczona na elastycznym przewodzie pozwala wykryć nieszczelności w miejscach trudno dostępnych. Można je rozbudować np. o sondę paraboliczną (wyposażoną we wskaźnik laserowy lub celownik) o zasięgu do 25 m, co sprawdza się przy kontroli instalacji podsufitowych.
Z kolei wykrywacz nieszczelności TMSU 1 produkcji SKF to czuły i łatwy w obsłudze przyrząd do wykrywania nieszczelności instalacji, wykorzystujący piezoelektryczny detektor ultradźwięków. Sonda czujnika pomiarowego działa kierunkowo i pozwala na zlokalizowanie nieszczelności. Może być również używany do sprawdzania poprawności działania odwadniaczy w instalacjach sprężonego powietrza.
W ofercie firmy Biall jest ultradźwiękowy wykrywacz nieszczelności EnergyLab EM282. Zastosowano w nim metodę pomiaru aktywną (nadajnik plus odbiornik) lub pasywną (odbiornik). Służy do wykrywania nieszczelności w zbiornikach lub zamkniętych przestrzeniach przez umieszczenie nadajnika wewnątrz obiektu i zlokalizowanie nieszczelności za pomocą odbiornika. Częstotliwość detekcji to 40 kHz.
Poza już wymienionymi jest jeszcze wiele elementów w systemach dystrybucji sprężonego powietrza, które można zoptymalizować. Pomimo że kompresory są coraz bardziej wydajne, nadal w czasie pracy generują znaczną ilość ciepła, które można też wykorzystać. Z kolei odpowiednie dobranie materiału i systemu, w jakim wykonana jest instalacja, pozwala ograniczyć koszty obsługi lub przyszłej rozbudowy, np. dzięki możliwości podłączania poprzez szybkozłącze.
Warto też tak zaprojektować umieszczenie filtrów i osuszaczy, by była możliwa ich wymiana bez konieczności wyłączenia całego systemu. Źle zaprojektowana pod względem przestrzennego rozmieszczenia elementów instalacja może być powodem spadków ciśnienia. Dlatego też specjaliści zalecają projektowanie sieci raczej w układzie pętli, a nie w układzie liniowym. Bardzo ważny jest też prawidłowy dobór średnicy rurociągu.
Systemy zarządzania sieciami sprężonego powietrza
Obecnie, jak zauważa Robert Ryt, warto również rozważyć zastosowanie systemu zarządzania sieciami sprężonego powietrza, np. takiego, jak Sigma Air Manager, który umożliwia dokładne dopasowanie eksploatacji sprężarek do aktualnego zapotrzebowania na sprężone powietrze. W połączeniu z wizualizacją danych, ze stacji sprężonego powietrza Sigma Air Control plus, Sigma Air Manager umożliwia stałe zapisywanie przebiegu pracy urządzeń w trybie obciążenie/bieg luzem, czyli parametrów obciążenia i zużycia energii przez każdą sprężarkę. Oprócz tego odczytane, przedstawione i zapisane jest ciśnienie sieci oraz zużycie sprężonego powietrza. Wszystkie dane są przechowywane przez rok w pamięci długoterminowej systemu i można je wizualizować na każdym komputerze wyposażonym w przeglądarkę internetową. Są one w każdej chwili do dyspozycji zakładowego zespołu lub systemu monitoringu instalacji sprężonego powietrza. Użytkownik może przeprowadzać analizy w zależności od zapotrzebowania. Zużycie energii systemu sprężonego powietrza i wynikający z tego koszt są w każdej chwili do wglądu.
Autor: Bohdan Szafrański jest od początku lat 90. związany z branżą informatyczną. Ukończył studia podyplomowe z zakresu informatyki i telekomunikacji na Politechnice Warszawskiej. Zajmował się zagadnieniami normalizacyjnymi w Polskim Komitecie Normalizacyjnym. Publicysta, dziennikarz. Obecnie publikuje m.in. w prasie specjalistycznej skierowanej do służb utrzymania ruchu w przemyśle.
