Jak zmniejszyć zużycie energii przez instalację sprężonego powietrza?

Sprężone powietrze jest jednym z najdroższych nośników energii używanych w zakładzie produkcyjnym. Problem nie polega wyłącznie na sprawności sprężarki. Równie dużo kosztują nieszczelności, zbyt wysokie ciśnienie, praca jałowa, spadki ciśnienia na filtrach oraz używanie powietrza tam, gdzie wystarczyłaby dmuchawa albo zwykły wentylator.

Najczęstszy błąd wygląda tak: na najdalszej maszynie brakuje ciśnienia, więc obsługa podnosi nastawę sprężarki dla całej hali. Maszyna zaczyna działać, ale jednocześnie rośnie zużycie energii, wydajność wszystkich nieszczelności i obciążenie armatury. Zakład płaci więcej, chociaż rzeczywistą przyczyną mógł być zapchany filtr, przewód o zbyt małej średnicy albo źle dobrany reduktor.

Oszczędzanie trzeba więc zacząć od pomiarów, a nie od kupowania nowego kompresora.

Najpierw zmierz pobór, przepływ i straty powietrza

Rachunek za energię pokazuje zużycie całego zakładu, ale nie odpowiada na najważniejsze pytanie: ile prądu zużywa system sprężonego powietrza na wyprodukowanie jednego metra sześciennego powietrza. Do tego potrzebne są równoczesne pomiary:

• mocy czynnej pobieranej przez sprężarki i osuszacze,
• przepływu powietrza za stacją sprężarek,
• ciśnienia na kolektorze głównym,
• ciśnienia przy najbardziej wymagających odbiornikach,
• punktu rosy,
• czasu pracy pod obciążeniem, bez obciążenia i na biegu jałowym.

Pojedynczy odczyt z panelu sprężarki niewiele wyjaśnia. Instalację trzeba obserwować przez co najmniej pełny cykl produkcyjny, zazwyczaj siedem dni. Rejestracja powinna obejmować rozruchy, przerwy zmianowe, weekend i okresy największego poboru.

Podstawowym wskaźnikiem jest jednostkowe zużycie energii:

SEC = zużycie energii elektrycznej [kWh] / ilość dostarczonego powietrza [m³]

Wynik należy podawać razem z ciśnieniem roboczym i warunkami odniesienia. Sama informacja „0,12 kWh/m³” jest niepełna, jeśli nie wiadomo, czy instalacja pracowała przy 6,5, 8 czy 10 barach oraz czy w bilansie uwzględniono osuszacze i urządzenia pomocnicze.

Dla dużej, prawidłowo eksploatowanej instalacji pracującej w pobliżu 6,5 bara wynik poniżej około 0,11 kWh/m³ można traktować jako ambitny punkt odniesienia, a nie gwarantowaną wartość dla każdego zakładu. Mała sprężarkownia, zmienne zapotrzebowanie, adsorpcyjne osuszanie powietrza albo wymaganie wysokiego ciśnienia mogą podnieść ten wskaźnik.

Szczególnie dużo mówi pomiar podczas postoju produkcji. Gdy maszyny są wyłączone, a sprężarka regularnie się uruchamia, system najczęściej zasila nieszczelności, automatyczne spusty kondensatu lub odbiorniki pozostawione pod ciśnieniem.

W instalacji ze zbiornikiem i znaną objętością rurociągów można przeprowadzić uproszczony test spadku ciśnienia:

1. Napełnić instalację do normalnego ciśnienia roboczego.
2. Wyłączyć sprężarki.
3. Odciąć aktywne odbiorniki.
4. Zmierzyć czas spadku ciśnienia, na przykład z 7 do 3,5 bara.
5. Porównać wynik po usunięciu nieszczelności.

Metoda nie sprawdzi się, gdy odbiorniki muszą pracować bez przerwy albo objętość systemu nie jest znana. W takim przypadku lepszy będzie przepływomierz termiczny lub masowy oraz rejestracja przepływu poza godzinami produkcji.

Przy obliczaniu kosztów nie należy stosować samej ceny energii czynnej z faktury. Potrzebny jest krańcowy koszt 1 kWh, uwzględniający elementy rachunku zależne od zużycia. Jeżeli sprężarkownia pobiera rocznie 500 000 kWh, a przyjęta do kalkulacji stawka wynosi 0,80 zł/kWh netto, jej koszt energii to:

500 000 kWh × 0,80 zł/kWh = 400 000 zł rocznie

Redukcja zużycia o 15% oznacza w takim przykładzie około 60 000 zł oszczędności rocznie. Stawki 0,80 zł/kWh nie należy kopiować bez sprawdzenia umowy, faktur, opłat dystrybucyjnych i profilu poboru konkretnego zakładu.

Nieszczelności i nadmierne ciśnienie usuń przed wymianą sprężarki

W zaniedbanej instalacji straty z powodu wycieków potrafią odpowiadać za około 20–30% wydajności sprężarek. Po wdrożeniu stałego programu kontroli realnym celem jest ograniczenie ich do 5–10% przepływu systemu. Jednorazowa akcja naprawcza nie wystarcza. Złączki ponownie się luzują, przewody pękają, uszczelnienia zaworów zużywają się, a kolejne maszyny są podłączane prowizorycznie.

Najwięcej nieszczelności występuje zwykle w:

• szybkozłączach i przewodach elastycznych,
• zespołach przygotowania powietrza,
• elektrozaworach,
• siłownikach pneumatycznych,
• automatycznych spustach kondensatu,
• połączeniach gwintowanych,
• starych fragmentach instalacji, które pozostały pod ciśnieniem mimo demontażu maszyn.

Do kontroli podczas produkcji najlepiej nadaje się detektor ultradźwiękowy. Samo nasłuchiwanie jest mało skuteczne w głośnej hali, a woda z detergentem nadaje się głównie do potwierdzania wycieku w już wskazanym miejscu.

Naprawy trzeba prowadzić według wartości strat, a nie według kolejności znalezienia usterek. Każda wykryta nieszczelność powinna otrzymać numer, lokalizację, szacowany przepływ, datę zgłoszenia i status naprawy. Po wykonaniu pracy należy sprawdzić miejsce ponownie. Zdarza się, że wymiana szybkozłącza usuwa tylko jedną z dwóch nieszczelności albo nowy element zostaje źle uszczelniony.

Drugim priorytetem jest obniżenie ciśnienia do najniższej wartości, przy której proces pracuje stabilnie. Dla systemów działających w okolicy 7 barów obniżenie ciśnienia tłoczenia o około 0,14 bara daje w przybliżeniu 1% oszczędności energii przy pełnym przepływie. Redukcja o 1 bar może więc obniżyć zużycie sprężarek mniej więcej o 7%, a dodatkowo zmniejsza przepływ przez nieszczelności i nieregulowane dysze.

Nie wolno jednak zmieniać nastawy skokowo i bez pomiaru ciśnienia przy odbiornikach. Bezpieczniejsza procedura wygląda następująco:

1. Zarejestrować ciśnienie na kolektorze i przy krytycznej maszynie.
2. Ustalić minimalne ciśnienie wymagane przez producenta urządzenia.
3. Obniżać nastawę co 0,1–0,2 bara.
4. Obserwować proces w czasie największego poboru.
5. Przerwać obniżanie, gdy pojawi się niestabilność, spadek siły siłowników albo wydłużenie cyklu.

Jeżeli sprężarka pracuje na 8 barów tylko dlatego, że jedno urządzenie wymaga chwilowo 7,5 bara, podnoszenie ciśnienia całej sieci jest zwykle najdroższym rozwiązaniem. Lepszy może być lokalny booster, zbiornik buforowy przy odbiorniku, przebudowa odcinka rurociągu albo usunięcie nadmiernego spadku ciśnienia.

Spadek pomiędzy sprężarkownią a punktem poboru powinien być możliwie mały. W praktyce trzeba dążyć do utrzymania go poniżej około 0,3 bara podczas normalnej pracy. Wyższa różnica wymaga sprawdzenia filtrów, osuszacza, średnic przewodów, zaworów, reduktorów i sposobu poprowadzenia magistrali.

Szczególnie irytujące są filtry wymieniane według kalendarza bez kontroli różnicy ciśnień. Jeden wkład może zabrudzić się wcześniej, drugi pozostanie sprawny znacznie dłużej. Manometr różnicowy pozwala wymieniać filtr według jego rzeczywistego stanu. Trzeba tylko pamiętać, że dopuszczalny spadek zależy od typu wkładu i dokumentacji producenta.

Sterowanie sprężarkami i sposób użycia powietrza decydują o końcowym wyniku

Dwie sprawne sprężarki mogą tworzyć nieefektywny układ, jeżeli pracują z nakładającymi się zakresami ciśnienia. Typowy obraz to częste przełączanie obciążenie–odciążenie, jednoczesna praca kilku maszyn z małym obciążeniem oraz okresowe wydmuchy z zaworów bezpieczeństwa. Każda sprężarka „pilnuje” własnej nastawy, ale nikt nie steruje całą stacją.

Sprężarka śrubowa pracująca bez obciążenia nadal może pobierać około 20–35% mocy znamionowej, mimo że nie dostarcza użytecznego powietrza. Dokładna wartość zależy od konstrukcji, mocy i sposobu sterowania. Dlatego sama liczba motogodzin nie wystarcza. Trzeba oddzielnie analizować czas:

• pracy pod obciążeniem,
• pracy odciążonej,
• postoju,
• rozruchów,
• pracy z częściową wydajnością.

W stacji wielosprężarkowej zazwyczaj najlepiej sprawdza się układ, w którym jedna lub kilka jednostek pokrywa obciążenie podstawowe, a jedna sprężarka reguluje zmiany zapotrzebowania. Nadrzędny sterownik może zawęzić pasmo ciśnienia i ograniczyć sytuacje, w których kilka urządzeń równocześnie pracuje na częściowym obciążeniu.

Falownik nie jest automatyczną receptą na niższe rachunki. Sprężarka o zmiennej prędkości ma sens wtedy, gdy:

• pobór powietrza wyraźnie zmienia się w czasie,
• urządzenie przez znaczną część pracy mieści się w efektywnym zakresie regulacji,
• pozostałe sprężarki mogą pracować stabilnie jako jednostki bazowe,
• minimalna prędkość nie powoduje długiej, nieefektywnej pracy,
• układ sterowania zapobiega wzajemnemu „przeciąganiu się” sprężarek.

Jeżeli zapotrzebowanie jest niemal stałe, dobrze dobrana sprężarka stałoobrotowa może osiągnąć lepszy koszt całkowity niż droższy model z falownikiem. Problemem bywa też przewymiarowanie. Zakup większej maszyny „na zapas” często kończy się pracą odciążoną i wysokim zużyciem energii poza optymalnym punktem.

Osobnej kontroli wymagają zastosowania końcowe. Sprężonego powietrza nie powinno się używać do zadań, które można wykonać przy niższym ciśnieniu lub inną technologią. Najczęstsze przykłady to:

• chłodzenie szaf i produktów otwartą rurką,
• stałe przedmuchiwanie detali,
• osuszanie powierzchni,
• transport lekkich odpadów,
• czyszczenie stanowisk,
• wytwarzanie podciśnienia przez stale zasilane eżektory.

Otwarta dysza jest tania w zakupie, lecz droga w eksploatacji. Niewielka średnica otworu nie oznacza małego kosztu, jeżeli przedmuch działa bez przerwy przez dwie lub trzy zmiany. Pomaga zawór impulsowy, czujnik obecności detalu, dysza oszczędnościowa albo redukcja lokalnego ciśnienia. Przy stałym, dużym przepływie lepsza bywa dmuchawa niskociśnieniowa.

Eżektory próżniowe powinny mieć funkcję odcięcia po uzyskaniu wymaganego podciśnienia. Zasilanie ich przez cały cykl maszyny jest częstym i kosztownym błędem. Nie należy jednak wyłączać powietrza bez analizy bezpieczeństwa: w chwytakach podciśnieniowych utrata zasilania może spowodować upuszczenie elementu.

Znaczenie ma również jakość powietrza. Osuszanie do punktu rosy znacznie niższego, niż wymaga proces, zwiększa koszt energii. Osuszacz adsorpcyjny bez odzysku ciepła może zużywać istotną część wytwarzanego powietrza na regenerację. Nie powinno się jednak podnosić punktu rosy tam, gdzie grozi to korozją instalacji, zamarzaniem przewodów zewnętrznych, wadami lakierniczymi albo zanieczyszczeniem produktu.

Dobrze zaprojektowana instalacja nie kończy się więc na sprężarce. Liczą się również zbiorniki, osuszacze, separatory, filtry, spusty kondensatu, sterowanie, średnice rurociągów oraz sposób korzystania z powietrza na stanowiskach. Dobór i modernizację takich elementów warto opierać na rzeczywistym profilu poboru, a nie wyłącznie na mocy obecnej maszyny. Więcej informacji na: walterpolska.pl.

FAQ

Czy najpierw usuwać nieszczelności, czy obniżać ciśnienie?
Najpierw trzeba usunąć największe nieszczelności i sprawdzić spadki ciśnienia. Dopiero później należy stopniowo obniżać nastawę. W przeciwnym razie instalacja może stracić stabilność, a obsługa szybko przywróci poprzednie, zbyt wysokie ciśnienie.

Jak często wykonywać kontrolę ultradźwiękową?
W typowym zakładzie co najmniej raz na sześć miesięcy. W rozbudowanej instalacji, przy częstych zmianach maszyn lub dużej liczbie przewodów elastycznych lepszy jest cykl kwartalny. Największe wycieki należy usuwać na bieżąco, bez czekania na kolejną akcję.

Czy wyłączenie sprężarek na noc zawsze jest bezpieczne?
Nie. Najpierw trzeba wskazać odbiorniki wymagające ciągłego zasilania, na przykład systemy zabezpieczeń, sterowanie klapami lub procesy technologiczne. Pozostałe strefy można odcinać zaworami automatycznymi albo sekcyjnymi.

Po jakim czasie zwraca się montaż przepływomierza?
Nie ma jednej wartości dla wszystkich instalacji. Przy sprężarkowni zużywającej energię za kilkaset tysięcy złotych rocznie wykrycie kilku procent strat może pokryć koszt pomiaru w ciągu kilku miesięcy. W małym warsztacie zwrot będzie dłuższy, dlatego czasami wystarczy pomiar czasowy wykonany podczas audytu.

Czy odzysk ciepła ze sprężarki rzeczywiście się opłaca?
Tak, gdy zakład ma równoczesne zapotrzebowanie na ciepło. Większość energii elektrycznej pobieranej przez sprężarkę ostatecznie zamienia się w ciepło. Można je wykorzystać do ogrzewania hali, wody procesowej albo wstępnego podgrzewania wody użytkowej. Latem problemem bywa brak odbioru ciepła, dlatego oszczędności trzeba liczyć dla rzeczywistego okresu wykorzystania, a nie dla całego roku.

Czy nowa sprężarka zawsze zużyje mniej energii?
Nie. Nowoczesna, lecz przewymiarowana sprężarka pracująca głównie w odciążeniu może zużywać więcej niż starsza maszyna dobrze dopasowana do profilu poboru. Przed zakupem trzeba wykonać przynajmniej tygodniowy pomiar mocy, przepływu i ciśnienia.

Pierwsze działanie powinno być proste: zmierz przepływ poza godzinami produkcji i sprawdź, dlaczego sprężarka pracuje, kiedy zakład niczego nie wytwarza. Następnie usuń pięć największych nieszczelności. Nie zaczynaj od podnoszenia ciśnienia ani od zakupu większej sprężarki — to dwa błędy, które najczęściej zwiększają koszty zamiast rozwiązywać problem.