Енергийна ефективност и регулиране на системи за сгъстен въздух
Начало > Автоматизация > Статии > Сп. Инженеринг ревю - брой 2, 2011
Сгъстеният въздух е важен промишлен източник на енергия. Това е четвъртият основен ресурс, наред с електричеството, водата и природния газ, който се използва в почти всички индустриални предприятия – от малките цехове и сервизи до огромните пречиствателни станции за отпадни води, нефтопреработвателни, циментови, химически, рудодобивни и металургични предприятия. В съответствие с това системите за сгъстен въздух покриват голям диапазон: от няколко kW до 40 000 kW и повече. В много предприятия компресорите консумират повече електроенергия отколкото всеки друг тип оборудване. Изследвания на организации, свързани с енергийната ефективност показват, че в развитите в индустриално отношение страни за сгъстен въздух се консумира между 10 и 20% от електроенергията, изразходвана за промишлени нужди. От друга страна, системите за сгъстен въздух имат ниска обща ефективност, обикновено в границите 10-15%, което обуславя значителни производствени разходи. Голямо предимство е, че сгъстеният въздух се генерира на място и следователно потребителят може да контролира процеса и да влияе върху цената му. Без съмнение си заслужава да се инвестират време и средства за подобряване работата на компресорните системи и намаляване на цената на сгъстения въздух. Полезните резултати от това са в различни направления:
- Според проучвания на Енергийния департамент на САЩ съществува потенциална възможност да се намали консумацията на енергия от 20 до 50% и повече, което спестява значителни средства. Едно изследване на ЕС посочва стойност около 30%.
- Подобряват се надеждността, безопасността и условията на труд.
- Намалява се вредното въздействие върху околната среда чрез намалената консумация на електроенергия, а оттук и по-малко въглеродни емисии.
От всички ресурси, сгъстеният въздух предоставя може би най-много възможности за бързо постигане на енергоспестяване при сравнително неголеми инвестиции. Целта на настоящата статия е да се анализират и систематизират някои от основните възможни действия, водещи до подобряване на енергийната ефективност на системите за сгъстен въздух - както за вече съществуващи системи, така и за такива в етапа на проектиране.
Разходи за сгъстен въздух
Сгъстеният въздух не е безплатен, но за съжаление често се третира като такъв. Трябва да се осъзнае, че всъщност, това е един много скъп продукт.
Сгъстеният въздух е форма за акумулиране на енергия, която се използва за задвижване на различни машини и оборудване и като основен компонент на редица технологични процеси. Той е незаменим на места, където директното електрическо задвижване е опасно или непрактично.
Типичният индустриален компресор е с електрическо задвижване, засмуква приблизително 7 обема въздух при атмосферни условия и ги сгъстява в един обем при високо налягане – около 7 bar. Сгъстеният въздух се пренася до консуматорите, където отдава енергията си, като се разширява отново до атмосферно налягане. В процеса на сгъстяване и последващото охлаждане на газа до температурата на околната среда се отделят топлина и влага. Топлината може да се оползотвори ефективно, например за отопление и загряване на вода. В зависимост от конкретното приложение, влагата във въздуха трябва да се контролира, тъй като могат да възникнат проблеми с тръбопроводите (корозия) и използваното оборудване.
Фиг. 1 илюстрира разходите на една типична компресорна система за експлоатационен цикъл от 10 години. Оперативните разходи (електроенергия и поддръжка) са около 80%. Разходите за оборудването и инсталирането са в пъти по-малко – около 20%. Тъй като разходите за енергия са преобладаващи с дял от 73%, при проектирането и изграждането на компресорни системи би трябвало да се използват най-ефективните налични към момента компоненти, като решението се взима на основата на разходите за целия експлоатационен цикъл, а не само от началната инвестиция.
На фиг. 2 са показани типични загуби, свързани с генерирането и разпределението на сгъстения въздух. Вижда се, че почти 90% от мощността, а оттам и енергията, се губят, което го прави вероятно най-скъпият източник на енергия в промишлените предприятия и поставя актуалния въпрос дали сгъстеният въздух е най-подходящото решение за конкретното приложение. Някои промишлени компресори са с водно охлаждане и това добавя допълнителни разходи за охлаждане, циркулация и химическо третиране на водата.
Направена е оценка на годишните разходи за електроенергия на компресори с инсталирана мощност 10, 20, 50 и 100 kW, работещи на една смяна, на две смени и непрекъснато, като резултатите са дадени в Таблица 1. При оценката е прието: к. п. д. на електродвигателя е 90%; компресорът работи на празен ход 35% от времето и тогава консумира средно 30% от мощността при пълно натоварване (това е характерно за съвременните винтови компресори, а при буталните процентът при празен ход е по-нисък - около 10%); цената на електроенергията е 0.10 лв./kWh. За сравнение, цената на нов компресор от 100 kW (в зависимост от вида и производителя) е съизмерима с годишните разходи за електроенергия.
Насоки за повишаване на ефективността
Мерките за повишаване на енергийната ефективност, които ще бъдат разгледани, са добре известни, но невинаги се изпълняват, защото често потребителите не осъзнават колко са високи разходите за сгъстен въздух и не са информирани за реалните икономии, които могат да бъдат постигнати.
Неподходяща употреба
Сгъстеният въздух се използва в голям брой приложения поради своята безопасност, чистота, лесна достъпност и голяма гъвкавост за адаптиране към различни нужди. Понякога той се използва за дадено приложение "по инерция", само защото има наличен източник, а не защото е най-евтината и подходяща технология. От друга страна, както вече бе коментирано, сгъстеният въздух е скъп източник на енергия, като само около 10% от консумираната енергия може да се употреби под формата на полезна работа. Оказва се, че много операции могат да се извършат по-икономично и ефикасно, като се използват други технологии и източници на енергия. Когато е възможно и безопасно, могат да се използват инструменти и съоръжения с директно електрическо задвижване. Ако въздухът е задължителна част от процеса, може да се проучи възможността за използване на вентилатори и въздуходувки вместо по-скъпите и сложни за поддръжка компресори.
Работно налягане и хидравлични загуби
Много системи работят с налягане по-високо от необходимото за нормалната работа на устройствата и за компенсиране на хидравличните и обемни загуби (протечки). Анализът на данни и работни характеристики на съвременни компресорни машини (винтови, пластинкови и турбокомпресори), както и някои ориентировъчни изчисления за консумираната мощност от компресори с въздушно и водно охлаждане показва, че за системи с налягане до 7 bar, което е най-често срещания случай, увеличението на налягането с 15 kPa повишава консумацията на енергия с 1%. Съществуват и други неблагоприятни последствия, когато системата работи с налягане по-голямо от необходимото. Увеличеното налягане повишава консумацията на въздух на всички нерегулирани устройства, включително и протечките, свободното изтичане и др. Въпреки че е различен за различните системи, обикновено нерегулираният разход се движи в границите от 30 до 50%, което съответства на допълнително увеличаване на консумираната енергия с около 0.8% на всеки 15 kPa. Може да се приеме, че увеличаването на системното налягане с 15 kPa увеличава консумацията на енергия с 1.8%. В същото време, повечето машини и инструменти могат да работят ефективно и при налягания 5 - 6 bar. Затова се препоръчва внимателно проучване на спецификациите на крайното оборудване, за да се установи минимално възможното работно налягане за нормалното му функциониране. Ако има възможност, трябва да се направят и експерименти в работни условия чрез постепенно намаляване на работното налягане.
На фиг. 3 са показани потенциалните възможности за икономия на енергия и средства чрез редуциране на налягането с 50, 100, 150 и 200 kPa, на системи с налягане 7 bar, годишна натовареност 2000 часа и цена на електроенергията 0.1 лв./kWh, при инсталирани мощности от 5 до 110 kW. Когато е необходимо високо работно налягане само в няколко точки от системата, икономически целесъобразно е да се използват локално малки компресори или бустери за високо налягане. Ако нуждите от високо (или ниско) налягане надхвърлят 30% от средната консумация, трябва да се премине към създаването на две отделни системи за сгъстен въздух.
Загубите на налягане (хидравличните загуби) влияят пряко на системното налягане. При правилно проектиране, експлоатиране и редовна поддръжка на системата те не трябва да надхвърлят 10%. Друга, практически доказала се препоръка е, че максималният пад на налягане, измерен между ресивера и най-отдалечената точка, трябва да е до 0.3 bar. За реализация на тези препоръки могат да се вземат редица мерки.
Съществено влияние върху пада на налягането оказва диаметърът на тръбопроводната разпределителна мрежа. Енергийните загуби и съответните разходи при различни диаметри и дебити могат да се оценят по графичната зависимост, представена на фиг. 4. Изчисленията са направени за стоманен тръбопровод с дължина 100 m, температура 15 oC, налягане в началото на тръбопровода 7 bar, ефективност на компресорния агрегат 75%, годишна експлоатация 2000 h, цена на електроенергията 0.10 лв./kWh. Вижда се значителното намаляване на енергийните загуби с нарастване на сечението на тръбопровода (мащабът по вертикалната ос е логаритмичен). Например, удвояването на диаметъра намалява енергийните загуби повече от 30 пъти, което определя бързо компенсиране на по-големите начални инвестиции.
Оборудването за обработка на въздуха, включващо охладители, влагоотделители, изсушители, филтри, омаслители и др., трябва да бъде избрано с възможно най-ниските падове на налягане, при максималните работни условия. След като гореспоменатото оборудване е инсталирано, трябва да се спазват и документират препоръчаните от производителя процедури за правилна експлоатация и поддръжка.
Особено внимание трябва да се обърне на филтрите тъй като тяхното замърсяване може да доведе до значителни хидравлични загуби. Смукателните филтри защитават компресора от въздушните замърсявания с различен произход. Те трябва да се сменят редовно, особено в области със завишена концентрация на прах и насекоми. Големият пад на налягане в смукателните филтри намалява производителността и енергийната ефективност на компресорите. Филтрите за сгъстен въздух са разположени след компресора и са предназначени да отстраняват замърсявания от различен произход – твърди частици, кондензат, лубриканти и др. Съществува голямо разнообразие от филтри, в зависимост от степента на пречистване, която те осигуряват. Като правило, колкото по-фин е филтърът, толкова по-голям е падът на налягане (хидравличните загуби). Филтрите за твърди частици създават значително по-малки падове на налягането в сравнение с коалесцентните филтри, служещи за отстраняването на влага и лубриканти. За даден филтър падът на налягането в него нараства с втората степен на дебита. В сила е и обратното: ако при даден дебит се използва филтър с два пъти по-голяма номинална пропускателна способност, то загубите на налягане ще се намалят четири пъти. Могат да се дадат няколко най-общи препоръки, водещи до икономия на енергия:
- Да се използва степен на филтрация само до нивото, необходимо за конкретното приложение.
- Загубите на налягане във филтрите трябва да се следят внимателно и филтриращият елемент да се заменя според спецификациите на производителя или когато консумацията на енергия нарасне. За целта да се използват само проверени манометри.
- Намаление на загубите на налягане и съответно икономии на енергия могат да се получат чрез инсталиране на филтри в паралел или използването на преоразмерени по производителност филтри.
Трябва да се обърне внимание и на факта, че прекомерното повишаване на загубите във филтрите често предизвиква и допълнителни енергийни загуби, дължащи се на скъсяване на работния цикъл на компресора.
Обемни загуби (протечки)
Протечките са значим източник на енергийни загуби в промишлените компресорни системи. При нередовна и некачествена поддръжка на тръбните съединения, фитингите и крайното оборудване загубите достигат 20 - 30%. За бърза оценка на обемните загуби при изтичане през отвор в атмосфера може да се използва следната регресионна зависимост:
DQ = 0,0133 p0,861 d2,004,
където DQ е дебитът в m3/min p - налягане, bar; d - диаметър на отвора, mm. Максималната грешка по този израз не надхвърля 1.5%, ако налягането е в граници от 4.5 до 9 bar, а диаметърът на отвора е от 0.4 до 10 mm.
Графичната зависимост, представена на фиг. 5, показва енергийните загуби, свързани с протечките през неуплътнени места при различни налягания. Това дава възможност да се оцени потенциалната възможност за икономии. Изчисленията са направени при приета средна ефективност на съвременните компресорни агрегати 7,2 kW/(m3/min), годишна експлоатация 2000 h и цена на електроенергията 0.10 лв./kWh.
Чрез проактивна програма за управление на протечките, включваща мероприятия за тяхното откриване и отстраняване, загубите могат да се сведат под 10% от производителността на компресорната система. Опитът показва, че ликвидирането на протечките е най-бързото и леснодостъпно мероприятие за оптимизация на системите за сгъстен въздух. Обикновено, направените за целта разходи се компенсират за по-малко от 6 месеца.
Начинът за регулиране на компресора оказва голямо влияние върху крайния икономически ефект от редукцията на протечките. Например, ако те се намалят с 10% в система с един ротационен компресор (най-често винтов), регулиран чрез дроселиране, ще се постигне икономия на енергия само около 3%, поради ограничените възможности на метода. Същата редукция на протечките в система с честотно регулиране на компресора ще доведе до икономии от почти 10%. Особеностите и ефективността на различните методи за регулиране ще бъдат разгледани по-нататък.
Първата стъпка във всяка програма за намаляване на протечките е тяхната количествена оценка, която се извършва в непроизводствен период, при неработещи крайни консуматори. Задачата се решава много лесно, ако в системата има предварително инсталиран разходомер. При липсата на такъв също има начини за лесна оценка, макар и не толкова прецизна. Ако компресорите работят в режим включване/изключване или натоварване/разтоварване, трябва да се измерят съответните времена, когато се захранват само протечките. Например, ако един компресор с номинална производителност 600 m3/h работи натоварен 2 min и е разтоварен или изключен за 3 min, то обемните загуби в системата могат да се оценят, като се раздели времето за работа натоварен на общото време натоварен плюс разтоварен - в случая 2/5=0,4. Това показва, че компресорът в този режим на работа е натоварен 40% от времето и следователно протечките са 0,4 x 600 = 240 m3. Друг прост метод предполага, освен секундомер, наличието и на достатъчно прецизен манометър. Първо, компресорът се изключва и се измерва времето, за което налягането спада между две фиксирани стойности, разположени малко по-ниско от точката на нормалното работно налягане и отговарящи на пад на налягането например около 1.5 bar. След това компресорът се включва и се измерва времето за повишаване на налягането между същите две точки. Тестът се повтаря няколко пъти и се изчисляват средните стойности на тези времена. Натоварването на компресора се определя, като се раздели времето за повишаване на налягането на общото време - за повишаване плюс спадане. Протечките се получават, като се умножи полученото число по производителността на компресора. При липса на разходомер трябва да се приеме декларираната от производителя стойност при съответната честота на въртене.
Следващата стъпка в програмата за намаление на протечките е откриването на източниците. При неработещо оборудване протечките често могат да се чуят. В среда със силен шум от машини и инструменти трябва да се използва преносим ултразвуков акустичен детектор. След като е установено приблизителното местоположение, точните места се уточняват със сапунена вода - това е един много сигурен метод, но доста трудоемък.
Опитът показва, че най-често срещаните източници на протечки са различните съединения и фитинги, и отстраняването им се свежда до просто дозатягане или евентуално - подмяна.
Превантивни мерки за ограничаване на протечките са:
- правилен монтаж на фитингите и съединенията с подходящите уплътнения;
- изолиране на неработещото оборудване от разпределителната система чрез подходяща спирателна арматура;
- понижаване на системното налягане ако е възможно (ефектът от това бе коментиран по-горе);
- използване на висококачествени съединения и фитинги.
След като протечките се редуцират или отстранят, е необходимо регулиращата система на компресора да се настрои отново, за да се постигне възможно най-голямата енергийна ефективност.
Рекуперация (регенерация) на топлината
Както вече бе показано на фиг. 2, почти 80% от консумираната електрическа енергия от индустриалните компресори се превръща в топлина. Подходящо проектираната рекуперираща система може да оползотвори 50 - 90% от наличната топлинна енергия за отопление и горещо водоснабдяване. При нови или реконструиращи се системи за сгъстен въздух, потенциалът за рекуперация на енергията влияе върху месторазположението на компресорите в предприятието.
Съвременните маслени винтови компресорни агрегати са идеалните кандидати за рекуперация на топлина за отопление. Околният въздух се затопля чрез прекарването му през крайните охладители и маслоохладителите на компресора. Тъй като компресорните агрегати обикновено се доставят монтирани в подходящи шкафове и оборудвани с топлообменници, за изграждане на рекупериращата отоплителна система са необходими допълнително само въздухопроводи и подходящи вентилатори. Въздухопроводът може да включва и управлявана с термостат клапа, така че през горещите периоди от годината топлината да се отделя извън помещението в околната среда. Една приблизителна оценка е, че могат да си извлекат почти 30 000 BTU за час от всеки 100 m3 въздух при пълно натоварване на компресора. Въздухът може да се загрее с 15 до 25 °С над входната температура с до 90% ефективност на рекуперацията. Основното изискване при проектиране на подобни системи е, те по никакъв начин да не ограничават и затрудняват необходимия за охлаждането на компресора въздушен поток.
Подходящ акумулиращ обем
Правилно подбраните ресивери могат да допринесат съществено за повишаване на енергийната ефективност и стабилизация на системното налягане. В тази връзка могат да се препоръчат няколко мерки:
- Ресиверите да се разполагат възможно най-близко до компресорното оборудване.
- В повечето случаи, при винтови компресори регулирани чрез натоварване/разтоварване, е достатъчен акумулиращ обем от 10 l на всеки един m3/h от производителността на машината.
- Когато ресиверите са изложени на екстремно ниски температури, трябва да се вземат мерки за предотвратяване на замръзването в дренажната система за кондензата. Ако е необходимо, да се използват ресивери в специално нискотемпературно изпълнение.
- В случаите, когато се налага изсушаване на въздуха, известно предимство има инсталирането на два ресивера - един преди и един след изсушителя.
Оптимизиране на въздушните изсушители
Изсушителите могат да консумират значително количество сгъстен въздух или електроенергия и често имат ограничени възможности за регулиране на производителността. Добре е да се има предвид следното:
- При поръчка на оборудване, да се имат предвид енергоспестяващите хладилни изсушители с циклично действие.
- Да се избягва изсушаването на въздуха до нива по-ниски от реално необходимите за конкретното приложение.
- Да се използват енергоспестяващи регулатори на точката на оросяване при всички видове адсорбционни изсушители.
Температура на газа при засмукване
Известно е, че с намаляване на началната температура на газа се намалява и необходимата работа за сгъстяването му. От друга страна, компресорът непрекъснато генерира топлина, която се разсейва в помещението и повишава температурата. За практически нужди може да се приеме, че намаляването на температурата на засмукване с 3 °C намалява консумираната мощност с 1%. Фиг. 6 показва потенциалните възможности за намаляване на разходите чрез намаляване на температурата на засмукване с 3, 6, 10, 15 и 20 °C. За целта, компресорът трябва да се разположи в добре вентилирано помещение с отвеждане на горещия въздух настрани от входа на компресора. Смукателният въздуховод трябва да довежда въздух от възможно най-студената част на помещението или да започва на подходящо място извън него в най-сенчестата страна.
Тръбопроводна разпределителна система
В практиката се използват две принципни схемни решения - линейна система с един главен тръбопровод и дълги отклонения, и затворена кръгова система, позволяваща протичане към даден консуматор от няколко места. В повечето случаи кръговата система, при еднакви други условия, е по-доброто решение от енергийна гледна точка. На фиг. 7 са показани двете разновидности на тръбната система с конкретен пример. Вижда се, че при кръговата система максималният пад на налягане е в пъти по-малък - 0,19 срещу 0,58 bar в линейната система. Мощността, изразходвана за преодоляване на хидравличните съпротивления, е повече от два пъти по-малка - 4.2 срещу 10,1 kW. При приетите по-горе допускания, годишните енергийни разходи са с 1570 лв. по-малки от тези в линейната система, което е предпоставка за бързото компенсиране на по-големите инвестиции в по-дългия тръбопровод.
Вижте още от Автоматизация
Новият брой 9/2024
