Działania prewencyjne, polegające na wykrywaniu oraz likwidacji nieszczelności w instalacjach sprężonego powietrza, odgrywają kluczową rolę w zrównoważonym rozwoju środowisk produkcyjnych. Uzyskuje się korzyści ekonomiczne, środowiskowe i społeczne, zgodne z koncepcją tzw. potrójnej linii przewodniej (ang. triple bottom Line – TBL).
Sprężone powietrze jest jednym z najdroższych i najbardziej podstawowych mediów w wielu gałęziach przemysłu. Często jego koszty przewyższają koszty energii elektrycznej, gazu ziemnego czy wody, zużywanych przez pracującą fabrykę oraz dla celów konserwacyjnych. Jednak nawet jedna trzecia sprężonego powietrza jest co roku tracona z powodu nieszczelności w instalacjach oraz nieefektywności. Dlatego odnajdowanie nieszczelności oraz ich usuwanie jest niezbędne organizacji przemysłowej do obniżenia kosztów, zwiększenia wydajności oraz redukcji śladu węglowego. Jednocześnie potencjalnie może to poprawić relacje pomiędzy kluczowymi zainteresowanymi stronami oraz inwestorami.
Zapobieganie marnotrawstwu energii
Nieszczelności w instalacjach pneumatycznych są poważnym źródłem marnotrawstwa energii. Według amerykańskiej agencji EERE (Office of Energy Efficiency & Renewable Energy, urząd ds. efektywności energetycznej i energii odnawialnej) nieszczelności te pochłaniają około 20–30% całkowitej objętości sprężonego powietrza generowanego w zakładzie przemysłowym. Ponadto wycieki sprężonego powietrza są przyczyną problemów z działaniem instalacji pneumatycznej takich jak wahania ciśnienia, które prowadzą do mniejszej wydajności narzędzi i sprzętu pneumatycznego, co może negatywnie wpływać na produkcję. Dodatkowo niezlokalizowane nieszczelności mogą wymagać zwiększenia mocy kompresorów lub zainstalowania dodatkowych, co prowadzi do generowania niepotrzebnych kosztów. Nieszczelności mogą również doprowadzić do skrócenia czasu eksploatacji oraz zwiększenia potrzeb konserwacji kompresorów, ze względu na niepotrzebne częstsze załączanie i wydłużony przez to czas pracy tych urządzeń.
W ramach oszczędzania energii i zasobów można znacznie obniżyć koszty za pomocą proaktywnego wykrywania nieszczelności. Wspomniana agencja EERE przeprowadziła badania w pewnej fabryce chemicznej, która rozpoczęła realizację programu zapobiegania nieszczelnościom w instalacji sprężonego powietrza. Wykonano przegląd instalacji i pokazano, w jaki sposób można znacznie obniżyć koszty dla zakładu za pomocą działań naprawczych.
Aby ulepszyć standardy energetyczne, należy zmniejszyć marnotrawstwo oraz przestrzegać wymagań określonych przepisami, podatkami i przez inwestora. Ponadto wiele organizacji przemysłowych planuje wdrożyć standardy zarządzania energią zgodnie z ISO 50001. Podobnie jak inne standardy ISO systemów zarządzania, certyfikat ISO 50001 nie jest obowiązkowy, jednak wymaga od organizacji opracowania polityki bardziej efektywnego zużywania energii. Obejmuje to ustalenie celów i zadań, wymaganych do realizacji tej polityki, wykorzystanie danych w celu lepszego zrozumienia zużycia energii i podjęcia odpowiednich decyzji w tej sprawie, mierzenia wyników, sprawdzania i raportowania realizacji polityki w praktyce oraz ciągłego poprawiania zarządzania energią. Gdy liderzy organizacji podejmują decyzję o wdrożeniu tych standardów, to ich obowiązkiem staje się określenie śladu węglowego organizacji i pokazanie stronom zewnętrznym oraz inwestorom, że firma wdrożyła efektywny system zarządzania energią.
Ustalenie metody lokalizacji nieszczelności
Niezależnie od tego, czy organizacja planuje wdrożenie ISO 50001, czy po prostu chce zwiększyć efektywność energetyczną fabryki w celu redukcji kosztów, identyfikowanie nieszczelności w instalacji sprężonego powietrza jest niezbędne, jednak może być szczególnie trudne w hałaśliwym środowisku hali produkcyjnej. A zatem identyfikowanie najodpowiedniejszych metod czy narzędzi dla danej sytuacji jest kluczowe, aby program został skutecznie wdrożony i przyniósł korzyści.
Test nieszczelności za pomocą roztworu mydła
Tradycyjną metodą lokalizowania nieszczelności w instalacjach pneumatycznych jest naniesienie roztworu mydła na podejrzewane miejsce wycieku i obserwowanie, czy nie pojawiają się bąbelki powietrza. Metoda ta sprawdza się, jeśli miejsce wycieku jest znane, a system znajduje się pod odpowiednim ciśnieniem. Jednak gdy miejsce wycieku jest nieznane, lokalizowanie nieszczelności może być uciążliwe, gdyż operatorzy muszą nanosić roztwór mydła na całe podejrzane urządzenie czy maszynę i obserwować, czy nie pojawiają się bąbelki powietrza. A zatem tego typu test może być czasochłonny i kłopotliwy, przy czym niekoniecznie dostarcza wystarczających danych potwierdzających wielkość nieszczelności i natężenie wypływającego powietrza.
Wykrywanie nieszczelności za pomocą pojedynczego mikrofonu
Ultradźwiękowe (akustyczne) wykrywacze nieszczelności potrafią lokalizować miejsca wycieków, wykorzystując system z pojedynczym mikrofonem, pracujący w zakresie około 40 kHz. Metoda ta polega na przetwarzaniu ultradźwięków towarzyszących wydostającemu się powietrzu na dźwięki słyszalne przez człowieka. Operator wykrywacza musi zostać przeszkolony tak, aby odróżniał te dźwięki od hałasu otoczenia. Podczas lokalizowania nieszczelności operator przesuwa mikrofon wykrywacza nad rurami instalacji pneumatycznej tak długo, aż odnajdzie miejsce wycieku i pomierzy jego wielkość. Jednak niedoświadczony operator może często przeoczyć miejsce wycieku lub oznaczyć je fałszywie. Ponadto ręczne przesuwanie mikrofonu nad sprzętem w celu lokalizacji nieszczelności może być czasochłonne i narażać operatora na niebezpieczeństwo. W dodatku wymagane jest dużo czasu, aby operator nabrał odpowiedniej praktyki.
Obrazowanie akustyczne o wysokiej rozdzielczości
Wykrywanie nieszczelności za pomocą urządzeń wykorzystujących metodę obrazowania akustycznego o wysokiej rozdzielczości (HD), które mają zestaw specjalnych zintegrowanych mikrofonów, może być nawet 10 razy szybsze, niż w przypadku metody z roztworem mydła czy użycia wykrywaczy ultradźwiękowych. Generalnie im większa liczba mikrofonów, tym lepsze działanie wykrywacza. Optymalnym wyborem w tym przypadku będzie użycie mikrofonów MEMS (z mikroukładem elektromechanicznym), które są małe, zużywają mniej energii, mają lepszą charakterystykę pracy i większą stabilność niż inne systemy. Obrazowanie akustyczne HD daje precyzyjne obrazy, które wizualnie reprezentują informacje o ultradźwiękach towarzyszących wyciekom sprężonego powietrza, nawet w hałaśliwym otoczeniu. Obrazy wycieków są nakładane w czasie rzeczywistym na obraz pokazywany na wyświetlaczu kamery cyfrowej, co pozwala na bardzo dokładne określenie źródła dźwięku. Niektóre wykrywacze mogą być podłączane do sieci, co pozwala na automatyczne zapisanie obrazów dźwiękowych w chmurze w celu przeanalizowania i przetwarzania po zakończeniu inspekcji. Pozwala to na łatwy dostęp do zapisanych plików oraz łatwiejsze odseparowanie źródeł dźwięku w celu dokonania głębszej analizy i zaklasyfikowania problemu po powrocie operatora do biura. Gdy inspekcje z wykorzystaniem wykrywacza nieszczelności metodą obrazowania akustycznego stają się częścią rutynowych prac konserwacyjnych, może to pomóc zakładom przemysłowym w obniżeniu kosztów zużytej energii elektrycznej oraz uniknięciu potencjalnie wysokich wydatków kapitałowych na wymianę kompresorów oraz innego związanego sprzętu. Niektóre wykrywacze przenośne wymagają tylko jednej ręki do obsługi, jednocześnie potrafią lokalizować miejsca wycieków z odległości ponad 100 metrów, co ma zasadnicze znaczenie dla bezpieczeństwa i komfortu pracy osoby obsługującej. Operatorzy mogą więc przeprowadzić szybkie skanowanie dużego obszaru z dużej odległości bez potrzeby fizycznego dotykania maszyn czy wyłączania linii produkcyjnej.
Lokalizacja nieszczelności w hałaśliwym środowisku
W pełnych hałasu fabrykach i halach produkcyjnych wykrycie nieszczelności w instalacjach sprężonego powietrza za pomocą ludzkiego ucha jest prawie niemożliwe. Tak więc dla technologii detekcji wycieków kluczowy jest zakres częstotliwości pracy. Najbardziej efektywnym zakresem jest tu 20–30 kHz, ponieważ pomaga w odróżnianiu szumu spowodowanego wydostawaniem się sprężonego powietrza od hałasu otoczenia. Amplituda dźwięków generowanych przez maszyny zwykle osiąga wartości szczytowe przy częstotliwościach poniżej 10 kHz oraz opada do zera przy 60 kHz. Ponieważ w zakresie 20–30 kHz istnieje większa różnica pomiędzy hałasem powodowanym wyciekami sprężonego powietrza a szumem otoczenia niż przy wyższych częstotliwościach, to łatwiej jest wykrywać nieszczelności właśnie w tym zakresie.
Niemniej jednak zakłócenia spowodowane hałasem otoczenia mogą nadal stanowić problem. W tym przypadku urządzenia do wykrywania nieszczelności muszą odróżnić źródła dźwięków przypominających wydostające się sprężone powietrze od innych, które zakłócają proces detekcji. Większość obecnych na rynku kamer do obrazowania akustycznego wymaga od użytkownika ręcznego odfiltrowania zakłócających dźwięków, za pomocą ręcznej zmiany zakresu częstotliwości. Jednak idealne urządzenie może automatycznie wykryć wzorce dźwięku, które przypominają te towarzyszące wyciekom sprężonego powietrza oraz usunąć dźwięki zakłóceń zarówno z pojedynczych, jak i wielu źródeł, wykorzystując zaawansowaną technologicznie kamerę oraz filtry oparte na technologii sztucznej inteligencji (AI). Zasadniczo takie wykrywacze potrafią rozpoznać, czy dany dźwięk przypomina syczenie wyciekającego powietrza, czy szum otoczenia bez manualnej interwencji użytkownika na bardzo podobnej zasadzie, jak ludzie potrafią odróżnić tę samą nutę graną na dwóch różnych instrumentach. Liczba mikrofonów także odgrywa dużą rolę w detekcji nieszczelności – szczególnie dla źródeł dźwięku o bardzo wysokiej częstotliwości. Aby dokładnie usłyszeć te dźwięki, kamery do obrazowania akustycznego muszą mieć więcej mikrofonów, najlepiej znajdujących się blisko siebie, ponieważ w przeciwnym razie powstaną problemy ze zniekształceniami przestrzennymi (ang. spatial aliasing), co doprowadzi do błędnych wyników pomiarów i wyświetlenia źródeł dźwięku w nieprawidłowych lokalizacjach.
Korzyści długoterminowe
Poza obniżeniem kosztów dla organizacji przemysłowych, kamery do obrazowania akustycznego są skutecznym narzędziem do zmniejszania nieefektywności, redukcji ogólnego śladu węglowego generowanego przez pracujące fabryki oraz poprawy bezpieczeństwa personelu wykonującego lokalizacje nieszczelności w instalacjach pneumatycznych. Na koniec prewencyjne pomiary nieszczelności mogą odgrywać podstawową i strategiczną rolę w zrównoważonej przyszłości środowisk produkcyjnych. Lokalizowanie oraz usuwanie nieszczelności w instalacjach sprężonego powietrza może być dla organizacji przemysłowych szybkim sposobem zmniejszania zużycia energii oraz obniżenia kosztów i zwiększenia bezpieczeństwa. Ponieważ wydatki na energię stanowią jeden z większych kontrolowanych wydatków operacyjnych dla organizacji wykorzystujących przemysłowe systemy sprężonego powietrza, to organizacje te mogą zaoszczędzić zasoby, czas, pieniądze oraz utrzymać dobre relacje z kluczowymi zainteresowanymi stronami.
Rob Milner, menedżer ds. globalnego rozwoju biznesu (monitoring warunków) w firmie Teledyne FLIR.
