No Slide Title

„Zasady dobrej praktyki inżynierskiej
dotyczącej gospodarki sprężonym
powietrzem w przemyśle – poprawne
układy produkcji i dystrybucji
m gr inż. W ojciech Halk iew icz
Energia sprężonego pow ietrza.
K oszty produk cji sprężonego pow ietrza
Ważność energii w instalacjach sprężonego powietrza.
Energia stanowi ogromną większość kosztów produkcji sprężonego powietrza podczas
użytkowania sprężarki. Analiza całkowitego kosztu użytkowania podczas całego życia
technicznego urządzenia (z ang. life-cycle cost LCC) standardowej sprężarki wskazuje,
że zużycie energii stanowi około 70-90% całkowitego kosztu LCC produkcji sprężonego
powietrza.
Inwestycja
1-7,5 %
`
Instalacja
1,2%
`
`
Obsługa
4,7%
Energia; 87%
Inwestycja 1-7,5%
Instalacja
1,2%
Obsługa
4,7%
Energia
86,6%
Fig.1: Koszt LCC dla 5 lat pracy sprężarki śrubowej 160
kW pracującej 6.000h/rok, ze średnim obciążeniem 60%,
przy założeniu kosztu energii 0,08 euro/kWh.
P otencjał oszczędności
% Możliwości
zastosowania /1/
Uzyskany obecnie wynik
[% ] /2/
Potencjalny udział /3/
Silniki elektryczne wysokiej sprawności
25%
2%
0,5%
Napędy zmienno – obrotowe
25%
15%
3,8%
Unowocześnianie sprężarek
30%
7%
2,1%
Stosowanie zaawansowanych systemów sterowania
20%
12%
2,4%
Odzysk ciepła odpadowego
20%
20%
4,0%
Poprawa systemów chłodzenia, osuszania i filtracji
10%
5%
0,5%
Prawidłowe projekty całych instalacji sprężonego powietrza
50%
9%
4,5%
Redukcja strat ciśnienia wynikających z tarcia
50%
3%
1,5%
Dopasowywanie właściwych urządzeń końcowych
(odbiorczych)
5%
40%
2,0%
Redukcja wycieków powietrza
80%
20%
16%
Częstsze wymiany wkładów filtrów
40%
2%
0,8%
Mierzone oszczędności energii
Zainstalowanie lub modernizacja systemu
Użytkowanie i obsługa systemów
RAZEM
32,9%
Legenda do powyższej tabeli:
- /1/ % systemów sprężonego powietrza, w których mierzone wartości są możliwe do zastosowania i efektywne kosztowo (systemy, w których można stosować jedną z
powyższych metod oszczędzania)
- /2/ % redukcji w rocznym zużyciu energii (osiągnięte oszczędności z tytułu wykorzystania metod oszczędzania)
- /3/ Potencjalny udział uzyskanych oszczędności = [/1/%Możliwości zastosowania] x [/2/%uzyskanych osiągnięć]
W nioski – P odstaw ow e źródła niepotrzebnych
kosztów :
• WYCIEKI
• ŹLE WYKONANE LUB ZAPROJEKTOWANE SIECI
ORAZ ZŁE PRZEKROJE RUROCIĄGÓW
• NIESYSTEMATYCZNE WYMIANY WKŁADÓW
FILTRACYJNYCH
• ŹLE DOBRANY, ŹLE STEROWANY LUB NIE
UNOWOCZEŚNIANY PARK SPRĘŻAREK
Straty w yciek ów
Średnica otworu
Wymiar
rzeczywisty
Strata przy
6 bar
Moc potrzebna na
pokrycie start
[mm]
[l/s]
[kW]
1
1
0,3
3
10
3,1
5
27
8,3
10
105
33
Optym alna sieć sprężonego pow ietrza
Dlatego należy pam iętać o tym , że:
•
•
•
•
•
•
•
spadek ciśnienia nie powinien przekraczać 10% wartości ciśnienia –
między zbiornikiem wyrównawczym, a odbiornikami;
0,14 bar straty ciśnienia, to około 1 % kosztów energii zużywanej przez
sprężarkę, inaczej – 1 bar starty ciśnienia, to około 7% strat energii;
na wyprodukowanie 1 m3/h powietrza o ciśnieniu 7 bar potrzeba około
111 W energii elektrycznej;
duże prędkości przepływu, to duże spadki ciśnienia;
w celu uzyskania równego ciśnienia w wielu punktach obiektu, należy
dążyć do zamykania instalacji w „pętlę”, aby unikać spadków ciśnienia
typowych dla szeregowych połączeń odbiorników;
aby wzmocnić punkty odbioru na końcu pętli lub linii, należy
zainstalować dodatkowy zbiornik w ich najbardziej oddalonych od
sprężarkowni punktach;
największe odbiorniki należy instalować możliwie jak najbliżej źródła
sprężonego powietrza, łącząc je jak najkrótszymi odcinkami rur;
•
•
•
•
•
•
•
•
elementy instalacji wymagające obsługi powinny być montowane z
obejściem (by-pass’em);
w newralgicznych punktach zakładu oraz w sprężarkowni należy
przewidywać miejsca na podłączenie sprężarki rezerwowej;
instalacje powinny mieć minimalne pochylenia od sprężarek w kierunku
separatorów wilgoci, spustów kondensatu itd.;
rurociągi muszą być odpowiednio zamocowane. Są to rury, które mają
duży ciężar własny, zmieniają swoją długość zależnie od temperatury
oraz znajdują się pod ciśnieniem;
wprowadzenia instalacji do odbiorników skierowane były najpierw w
górę ponad główny rurociąg, a potem sprowadzane w dół do
odbiornika;
niepotrzebne długości rurociągów, to straty przepływów oraz zbędna
objętość do napełnienia drogim medium;
zawory odcinające pomiędzy siecią a odbiornikami powinny być szczelne
typu kulowego;
połączenie między siecią , a odbiornikiem powinno być dokonane za
pomocą połączenia elastycznego, aby uniknąć naprężeń.
Spadek ciśnienia na w k ładach
filtracyjnych
Stosow anie silnik ów elek trycznych
w ysok iej spraw ności:
Jest to zalecenie UE, które stopniowo w życie
wprowadzają wszyscy dostawcy sprężarek, a przede
wszystkim producenci silników elektrycznych.
Odzysk ciepła
Do czego nie w arto używ ać w prost sprężonego
pow ietrza
•
•
•
•
•
•
•
•
Do galwanizacji, bo wanny galwaniczne wymagają ciśnienia maks. do
0,3 bar - DMUCHAWY
Do napowietrzania ścieków – to technologia wymagająca sprężonego
powietrza o ciśnieniu rzadko powyżej 0,6 bar - DMUCHAWY
Do usuwania wilgoci z powierzchni DMUCHAWY – NOŻE
POWIETRZNE
Do suszenia powierzchni i zbiorników, suszenia elementów
przed malowaniem lub pakowaniem - DMUCHAWY – NOŻE
POWIETRZNE
Do czyszczenia obrabiarek i usuwania wiórów, czyszczenia
powierzchni – POPRZEZ SPECJALNE DYSZE
Do pokrywanie dużych powierzchni, rozprowadzania środków
płynnych – NOŻE POWIETRZNE LUB – POPRZEZ SPECJALNE DYSZE
Wprost do chłodzenia elementów maszyn, przedmiotów
obrabianych w obrabiarkach lub narzędzi obróbczych – POPRZEZ
SPECJALNE DYSZE
Do chłodzenia skrzynek sterujących i elektrycznych – POPRZEZ
SPECJALNE DYSZE
Unow ocześnianie park u sprężarek
Dobór w łaściw ych urządzeń
• Na pewnym dobrym poziomie technicznym –
nie ma złych sprężarek, ale często bywają źle
dobrane
• Potrzebny jest Państwu specjalista, który
dokona poprawnej identyfikacji potrzeb
ilościowych i jakościowych i dobierze poprawne
urządzenia
Ok reślenie zastosow ania sprężonego pow ietrza
oraz jego czystości w g norm y I SO8573.1
•
Zastosowanie sprężonego powietrza musi być dobrze zdefiniowane w kontakcie z
użytkownikiem – jego oczekiwania, wymagania – zgodnie z normami.
•
Co to jest sprężone powietrze bezolejowe, co to jest sprężarka bezolejowa
K LASYFI K ACJA JAK OŚCI P OW I ETR ZA
UW AGA tzw . >>k lasa „0”<< nie oznacza „0” cząstek
stałych, „0” oleju i „0” w ilgotności
CZY I STNI EJE P OW I ETR ZE
ABSOLUTNI E BEZOLEJOW E ?
TYPOWE UKŁADY UZDATNIANIA
UW AGA – w szystk ie osuszacze m uszą być
zabezpieczane filtram i
P orów nanie sprężarek śrubow ych
Dobór w łaściw ych urządzeń
• Tam gdzie to jest tylko możliwe – warto
korzystać z najpopularniejszych i
najdostępniejszych także w zakresie zaplecza
serwisowego sprężarek śrubowych z
wtryskiem oleju
• Jedynie tam gdzie to bezwzględnie konieczne
stosować sprężarki bezolejowe.
Typow e w ym agania instalacji
Instalacje przemysłowe w przytłaczającej większości
wymagają:
• Jakości powietrza klasy 2.4.2
• Ciśnienia w sieci ~5-7 bar
• Rzadko zdarzają się instalacje wymagające jakości 1.2.1 lub
1.1.1 oraz wyższe ciśnienia rzędu 8-10 bar
• UWAGA: ENERGIA!!! – spadek ciśnienia o 1 bar odpowiada
~ 7% energii pracujących sprężarek
Ok reślenie zapotrzebow ania ilościow ego na
sprężone pow ietrze
•
•
•
•
•
•
•
•
Nm3/h i FAD
Stabelaryzowane pobory odbiorników
Pomiary
Informacje od technologa
Uzyskanie stosownego bilansu ilościowego poborów
Określenie przebiegu zmienności poboru powietrza w czasie
Oszacowanie współczynników jednoczesności poboru przez
odbiorniki
Określenie strat przecieku
Ciśnienie instalacji – ciśnienie sprężarek
•
•
•
Określenie wytycznych – założeń co do wymiarów
rurociągów w sprężarkowni oraz na sieci – tak aby spadki
ciśnienia nie przekraczały maksymalnie 0,1 bar na 100
m rurociągu. Prędkość powietrza w rurociągu – optymalnie
5 m/s, zalecane poniżej 10 m/s.
Dobór poszczególnych filtrów i osuszaczy wg
wcześniejszych ustaleń oraz przy założeniu minimalnych
spadków ciśnienia
Określenie wymaganego ciśnienia w sieci i spadków
ciśnienia – dobranie ciśnienia roboczego sprężarek
Bilans przepływ ów i ciśnienia
Spadki ciśnienia szacuje się następująco:
•
•
•
•
•
•
•
Spadek ciśnienia na filtrze spr. powietrza
~0,1-0,5 bar
Spadek ciśnienia na osuszaczu chłodniczym
~0,15-0,35 bar
Spadek ciśnienia na osuszaczu adsorpcyjnym ~0,1-0,2 bar
Spadek ciśnienia na instalacji
~0,1-0,2 bar
Zakres regulacji sprężarki
~0,5 bar
Na instalacji – należy przeliczać spadki ciśnienia na kolanach, trójnikach,
zaworach itd. – wg zaleceń dostawcy rurociągów na odpowiadającą
długość rurociągu lub wg podanego spadku ciśnienia.
Przykład: Zakres ciśnienia sprężarek 8 – 8,5 bar, spadek ciśnienia na
osprzęcie - ~0,85 bar – efektywnie na sieci będziemy mieć ciśnienie w
zakresie 7,15 – 7,65 bar.
Dobór średnicy rurociągu
Obliczanie średnicy wewnętrznej rurociągu
d rury = 5
• 1,85
1,6 ×10 × V × L
1010 × ∆P × Pmax
3
[ m]
Gdzie:
drury – średnica wewnętrzna rurociągu
V – całkowity przepływ powietrza
L – długość efektywna rurociągu
ΔP – zakładany spadek ciśnienia
Pmax – ciśnienie na wyjściu ze sprężarki ( absolutne )
[m]
[m3/s]
[m]
[bar]
[ barabs]
Przykład:
1,6 × 103 × 0,0331,85 × 200
V = 2 m3/min = 0,033 m3/s
5
d rury =
= 0,037 [m] = 37 [mm]
L = 200
m
1010 × 0,1× 8
ΔP = 0,1
bar
Pmax = 8
barabs
Zatem najbliższa nominalna średnica wynosi DN40
Dobór sprężarek
• Określenie wielkości i ilości sprężarek (Z uwzględnieniem
warunków zasysania i otoczenia – FAD i Nm3/h) oraz
warunków rozruchu
• W oparciu o informacje o zmienności poboru – wybór
systemu regulacji wydajności sprężarek
• W oparciu o topografię zakładu produkcyjnego, instalacji oraz
poborów lokalnych – wybrać koncepcję sprężarkowni
centralnej lub sprężarek gniazdowych
• Uwzględnić bezpieczeństwo i niezawodność systemu !
(maszyny rezerwowe – np.:100=50+50 + rezerwa 50 albo
lepiej 100=3 x [331/3] + rezerwa [331/3])
Dobór zbiornik a w yrów naw czego
Należy uwzględnić wymagany do utrzymania poziom (zakres)
ciśnienia w sieci i na zbiorniku
Gdzie:
•
•
•
•
Vzbiornika
Qzuż.
prob.
Δp
Vzbiornika = (2 x Qzuż. ) / (prob. x Δp)
- pojemność zbiornika [m3]
- ilość powietrza zużywana przez odbiorniki [m3/min]
- ciśnienie robocze [bar]
- zakres ciśnień roboczych (górne – dolne) [bar]
Najprostsza zasada mnemotechniczna, to instalowanie zbiornika
wyrównawczego o pojemności 1 m3 na każde 100 m3/h pobieranego
powietrza
UWAGA: NIE DOTYCZY INSTALACJI ZE SPRĘŻARKAMI Z WYDAJNOŚCIĄ
REGULOWANĄ POPREZ ZMIANĘ PRĘDKOŚCI OBROTOWEJ
Chłodzenie m aszyn i pom ieszczenia
sprężark ow ni
•
•
•
•
•
•
•
Sprężarki chłodzone powietrzem dostępne są w zasadzie do mocy 250 kW (do około
2500 m3/h)
Należy zapewnić ilość powietrza chłodzącego o temperaturze odpowiednio niższej niż
temperatura w sprężarkowni w ilości większej od wydajności wentylatorów
chłodzących sprężarek tam zainstalowanych. Zalecana prędkość wlotu powietrza do
czerpni wlotowej, to 2-2,5 m/s.
Powietrze wentylacyjne powinno być czyste, możliwie wolne od zanieczyszczeń lub
czerpnia odpowiednio zabezpieczona przed zapyleniem
Najlepsza czerpnia dla sprężarki to swobodne zasysanie powietrza do pomieszczenia
(żaluzje regulowane)
Ciepłe powietrze należy z pomieszczenia usunąć – latem na zewnątrz, zimą do układu
odzysku lub wprost do podgrzewania innych pomieszczeń z uwzględnieniem
recyrkulacji w sprężarkowni
W bilansie powietrza chłodzącego należy uwzględnić także osuszacze chłodnicze
Maszyny chłodzone wodą – jeśli istnieje taka konieczność lub potrzeba – warto
zaprząc do układów odzysku ciepła – tym bardziej, że można odzyskać około 85-94%
energii odpadowej. Takie układy opłacalne są od sprężarek o mocy zainstalowanej
powyżej 37 kW.
Należy dobrać stosow ne uk łady
uzdatnia k ondensatu
UWAGA:
Kondensat ze sprężarek bezolejowych ma silny odczyn kwaśny !!!
Ok reślenie m ocy pobieranej
sprężark ow ni
Dla potrzeb określenia zasilania sprężarkowni należy zdobyć informacje na
temat:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Mocy zainstalowanej sprężarek i osuszaczy (łącznie z wentylatorami)
Mocy pobieranej na wale przy maksymalnym obciążeniu każdej ze sprężarek
Mocy pobieranej na wale na biegu luzem każdej ze sprężarek
Poboru prądu rozruchowego
Poboru prądu nominalnego
Jaki jest sposób rozruchu maszyny
Jakie są zalecane bezpieczniki
Jakie są zalecane przekroje przewodów zasilających
Napięcie standardowe – 400 V, na zamówienie 230V lub 500V. Dla silników powyżej 250
kW dostępne także zasilanie 6 kV
UWAGA: WIELU PRODUCNETÓW PODAJE MOC SILNIKA Z TZW. „SERVICE
FACTOREM”, tzn. np. SF = 1,15 , co oznacza, że silnik o mocy deklarowanej
30 kW będzie mógł pobierać (i zwykle pobiera) w rzeczywistości moc 34,5 kW.
W związku z tym należy sprawdzać moce i prądy pobierane, a efektywność
sprężarki w [kWh/m3] oceniać po uzyskaniu od producenta parametrów mocy
(prądu) pobieranej w rzeczywistości.
Uk ład nadrzędnego sterow ania
Uk ład nadrzędnego sterow ania
Nadrzędne sterow anie i m onitoring
Sterowanie nadrzędne ZALECANE ALGORYTMY PRACY
•
•
•
•
•
ALGORYTM FIFO- stosowany przy sieciach o znacznych wahaniach poboru,
zasilanych sprężarkami o takich samych wydajnościach. Włączona raz sprężarka
kontynuuje pracę tak długo, jak jest to wymagane. W momencie wzrostu ciśnienia do
zaprogramowanego poziomu, sterownik jako pierwszy wyłącza tę sprężarkę, która
pierwsza rozpoczęła pracę. Ten tryb zapewnia w dłuższym okresie czasu
równomierne wykorzystanie wszystkich maszyn. Unika się nagłych startów i
zatrzymań sprężarek, nawet przy szybkich zmianach ciśnienia i poboru w sieci.
ALGORYTM CZASOWY- jest to najprostsza metoda kontrolowania równomiernego
wykorzystania sprężarek pracujących w zespole. Numery przypisane kolejnym
sprężarkom zmieniają się rotacyjnie po zadanym okresie czasu.
ALGORYTM ENERGETYCZNY-realizuje rotację pracy sprężarek w trybie
optymalizującym zużycie energii. Tryb zalecany przy współpracy sprężarek o różnych
wydajnościach. MULTIPILOT M2 dokonując odpowiednich przeliczeń, włącza i
wyłącza sprężarki w takiej kolejności, która zapewnia w danym momencie najniższy
pobór energii niezbędny do utrzymania w sieci zadanego ciśnienia. Dodatkowo,
uaktywniony tryb rotacji czasowej zapewnia równe wykorzystanie sprężarek o takiej
samej wydajności.
Sterownik musi mieć możliwość podłączenia do komputera PC oraz
przekazywania analizy ilości produkowanego powietrza, a także mocy pobieranej do
tego celu oraz kosztach na nie poniesionych.
Oprogramowanie informuje na odległość o statusie urządzeń oraz o ilości
produkowanego powietrza oraz jego kosztach. Sterownik powinien mieć możliwość
współpracy z innymi typami sprężarek różnych wielkości różnych producentów.
Sprężark ow nia podsum ow anie
P rzyk ładow e porów nanie ofert:
Cena zakupu
zł
Wydajność
m3/h
80 000,000
74 000,000
109 600,000
847,000
732,000
846,000
Pobór mocy na wale pod pełnym obciążeniem (razem z wentylatorami)
Pobór mocy na wale na biegu luzem (razem z wentylatorami)
kW
84,800
76,780
79,200
kW
18,200
19,180
21,200
95,200%
94,700%
95,200%
89,076
81,077
83,193
Sprawność silnika elektrycznego głównego
%
Energia elektryczna pobierana z sieci przy pełnym obciążeniu
kW
Energia elektryczna pobierana z sieci na biegu luzem
kW
Ilość godzin roboczych do przepracowania w ciągu roku pod obciążeniem
h
Ilość godzin roboczych do przepracowania w ciągu roku na biegu luzem
h
1 000,000
1 000,000
1 000,000
Ilośc godzin całkowitych przepracowanych przez 7 lat pracy
h
56 000,000
56 000,000
56 000,000
Cena energii elektrycznej
zł/kWh
Koszty energii pobieranej przez sprężarkę w czasie 7 lat eksploatacji
zł
19,118
20,253
22,269
7 000,000
7 000,000
7 000,000
0,360
0,360
0,360
1 619 470,588
1 481 238,437
1 523 647,059
Koszty serwisu bez remontu stopnia sprężającego na w/w ilość przepracowanych godzin
zł
42 900,000
42 000,000
70 000,000
Koszty jednej operacji remontu stopnia
zł
25 000,000
25 000,000
25 000,000
Przebieg godzinowy do remontu
h
25 000,000
40 000,000
60 000,000
Ile remontów stopnia należy przeprowadzić
x
2,240
1,400
0,933
Koszty remontu stopnia w czasie całej eksploatacji
zł
56 000,000
35 000,000
23 333,333
Koszty serwisu łącznie
zł
98 900,000
77 000,000
93 333,333
Koszty instalacji urządzenia
zł
12 000,000
11 100,000
16 440,000
Koszty produkcji powietrza łącznie
zł
1 810 370,588
1 643 338,437
1 743 020,392
Ilość m3 powietrza teoretycznie możliwych do wyprodukowania przez sprężarkę przez 7 lat
m3
Koszt idealny m3 powietrza [koszty łączne / ilość m3 teoretycznie możliwa do sprężenia przez 7 lat]
zł
Ilość m3 powietrza rzeczywiście wyprodukowanych przez sprężarkę w okresie 7 lat
m3
Koszt rzeczywisty m3 powietrza
zł
51 938 040,000 44 886 240,000 51 876 720,000
0,035
0,037
0,034
41 503 000,000 35 868 000,000 41 454 000,000
0,044
0,046
0,042
PYTANIA?
Wojciech Halkiewicz
[email protected]
ŹRÓDŁA:
• Systemy sprężonego powietrza w Unii Europejskiej,
Raport końcowy”, Październik 2000, ISBN 3-932298-16-0
• Materiały informacyjne będące własnością Gardner Denver
• Materiały informacyjne, obliczenia i analizy będące
własnością Vector Sp. z o.o.
• Biuletyny BCAS