Dindorf_Energetyka 2010_1

OCENA MOŻLIWOŚCI OSZCZĘDZANIA ENERGII W SYSTEMACH
SPRĘŻONEGO POWIETRZA
Autor: Ryszard Dindorf
(„Energetyka” – nr 1/2010)
Wprowadzenie
Zmniejszenie globalnego zapotrzebowania energetycznego, efektywne wykorzystanie zasobów
energii oraz wprowadzenie energooszczędnej gospodarki było powodem przyjęcia Protokołu z
Kyoto (1997) przez kraje, które zobowiązały się do ograniczenia emisji CO2 do 2012 roku o co
najmniej 5% do poziomu z 1990 r.. Jeżeli protokół z Kioto zostanie w pełni wprowadzony w
życie, to przewiduje się redukcję średniej temperatury globalnej nawet o 0,28°C do roku 2050.
Polska zajmuje czołowe miejsce w Europie pod względem emisji dwutlenku węgla do atmosfery,
która wynika z produkcji energii elektrycznej i cieplnej niemal wyłącznie z węgla kamiennego i
brunatnego, nieefektywnego systemu energetycznego, marnotrawstwo energii oraz struktury
przemysłowej z dużym udziałem energochłonnych gałęzi przemysłu. W ciągu ostatnich 20 lat
zanieczyszczenie atmosfery w Polsce osiągnęło poziom stawiający nasz kraj w rzędzie
najbardziej zanieczyszczonych rejonów Europy. Ponieważ zanieczyszczenia powstają w czasie
procesów produkcyjnych, głównie przez spalanie węgla kamiennego i brunatnego, dlatego
największym źródłem zanieczyszczeń jest gospodarka paliwowo-energetyczna (50%),
elektroenergetyczna i ciepłownicza (46%) oraz przemysł metalurgiczny (9%) [13]. Na Szczycie
Rady Europejskiej (2007 r.) przyjęto Plan Działań integrujący politykę klimatyczną i
energetyczną. W efekcie realizacji tego Planu powinno dojść do ograniczenia zużycia energii do
2020 r. o 20%. Udział Polski w wytwarzania energii elektrycznej z węgla kamiennego do 2020r.
ma zmniejszyć się o 41%. Planowaną strukturę zużycia energii pierwotnej do 2020r. w Polsce
zamieszczono na rys. 1.
Rys. 1. Planowana struktura zużycia energii pierwotnej do 2020r. [13]
W Siódmym Programie Ramowym UE dotyczącym priorytetu „Współpraca” znajduje się
priorytet tematyczny „Energia”, w którym przyjęto do realizacji zadanie: „Wydajność
energetyczna i oszczędność energii” [4]. Szacuje się, że energooszczędne układy napędowe mogą
w skali rocznej przynieść Europie zmniejszenie zużycia energii elektrycznej o 200 mld kWh oraz
ograniczenie emisji gazów cieplarnianych o 100 milionów ton [6]. W Unii Europejskiej
realizowane są różne programy prowadzące do zmniejszenia zużycia energii elektrycznej, np.
program MCP (Motor Challenge Programme), który dotyczy wspierania zakładów
przemysłowych w zwiększaniu efektywności zużycia energii elektrycznej w różnych systemach
napędowych (mechanicznych, hydraulicznych, pneumatycznych) [4]. Procentowy udział zużycia
energii przez silniki elektryczne, wykorzystane do napędu sprężarek, pomp, wentylatorów,
urządzeń chłodzących w 15 krajach UE w 2002r.przedstawiono na rys. 2.
Rys. 2. Udział zużycia energii elektrycznej przez silniki elektryczne w 15 krajach UE w 2002
(według testo Co Ltd.)
Europejskie programy efektywnego wykorzystania energii sprężonego powietrza dotyczą
racjonalizacji wytwarzania i wykorzystania sprężonego powietrza, np. przez zwiększenie
sprawności sprężarek, ograniczenie strat ciśnienia i zmniejszenia przecieków w instalacjach
pneumatycznych. W ramach Programu Unii Europejskiej “Systemy sprężonego powietrza w Unii
Europejskiej” (Compressed Air Systems in the European Union) planowane są działania
prowadzące do zwiększenia zużycia sprężonego powietrza przy jednoczesnym ograniczeniu
zużycia energii elektrycznej [5]. W Unii Europejskiej do napędu sprężarek zużywa się około od 7
do 10% wytwarzanej energii elektrycznej. Zużycie energii elektrycznej w 2001r. do napędu
sprężarek w wybranych wysoko uprzemysłowionych krajach UE przedstawiono na rys. 3.
Rys. 3. Zużycie energii elektrycznej do napędu sprężarek w krajach UE [10]
Z tego schematu wynika, że w całej Unii Europejskiej koszty energii zużytej do napędu sprężarek
wynosiły wtedy około 80 TWh. W samych Niemczech zużyto około 14 TWh energii elektrycznej,
czyli prawie tyle ile w ciągu jednego roku zużywa kolej niemiecka [8]. Natomiast na rys. 4
przedstawiono ilość sprężarek o mocy 10÷110 kW i 110÷300 kW, zainstalowanych w różnych
krajach UE w 2005 r. Natomiast prognozy dotyczące zmniejszenia zużycie energii elektrycznej
do napędu sprężarek, opracowane według BAU (Business As Usual), ARP (Awareness Raising
Programme), ERP (Economic and Regulatory Programme), przedstawiono na rys. 5.
Rys. 4. Liczba sprężarek o dwóch zakresach mocy, zainstalowanych w krajach UE [10]
Rys. 5. Prognozowane zużycie energii elektrycznej do napędu sprężarek w krajach UE,
prognozy według BAU, ARP i ERP [10]
Sprężone powietrze jest drogim nośnikiem energii ze względu na duże koszty jego wytwarzania,
przygotowania i przesyłania. Do sprężania powietrza wykorzystuje się sprężarki napędzane
silnikami elektrycznymi lub spalinowymi, które zużywają energię elektryczną lub paliwa
wytwarzane ze źródeł naturalnych. Ocenia się, że do wytworzenia 1 dcm3 sprężonego powietrza
potrzebna jest moc elektryczna 6,5 W, a do sprężenia powietrza do ciśnienia 1 MPa konieczne
jest wytworzenie energii elektrycznej o mocy 1 W [11]. Jak wynika z rys. 6 udział kosztów
energii elektrycznej w ogólnych kosztach eksploatacji sprężarek wynosi około 73%. Do
oszacowania zużycia energii elektrycznej przez sprężarki stosuje się różne wzory zlecane przez
normy międzynarodowe [10].
Rys. 6. Koszty eksploatacji sprężarek [4]
Program oszczędności energii sprężonego powietrza
W energooszczędnych systemach sprężonego powietrza dąży się rożnymi metodami do
zmniejszenia strat i minimalizacji zużycia energii. Wprowadzanie energooszczędnych systemów
sprężonego powietrza wiąże się ze zmniejszeniem zużycia energii do napędu sprężarek,
przesyłania sprężonego powietrza i sterowania systemów pneumatycznych. W ramach programu
MCP realizowany jest moduł systemów sprężonego powietrza CAS (Compressed Air Systems
Module), który dotyczy efektywnego wykorzystania sprężonego powietrza przez racjonalizację
wytwarzania i wykorzystania sprężonego powietrza [5]. Zgodnie z programem modułu
MCP-CAS, który ma na celu oszczędności energii elektrycznej do napędu sprężarek i
ograniczenia strat energii w systemach sprężonego powietrza, zalecane są odpowiednie środki
oszczędności energii, zamieszczone w następujących tablicach [5]:
•
•
•
•
Środki oszczędności energii przy wytwarzaniu sprężonego powietrza (Tablica 1).
Środki oszczędności energii w sieciach sprężonego powietrza (Tablica 2).
Środki oszczędności energii w zespołach przygotowania powietrza (Tablica 3).
Środki oszczędności energii w układach sterowania napędów pneumatycznych (Tablica 4).
Analiza efektywnego wykorzystania energii sprężonego powietrza powinna uwzględniać
następujące zadania:
•
•
•
•
•
Przeprowadzenie inwentaryzacji posiadanych układów sprężonego powietrza.
Analiza efektywności wytwarzania i wykorzystania sprężonego powietrza.
Ocena możliwości zastosowania środków służących do oszczędności energii.
Przyjęcie planu redukcji kosztów poprzez poprawę efektywności energetycznej.
Przygotowanie raportu z postępu w realizacji planu działania.
Tablica 1.
Środki oszczędności energii przy wytwarzaniu
i przygotowaniu sprężonego powietrza
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Zoptymalizowanie regulacji sprężarki lub układu sprężarek.
Zoptymalizowanie ciśnienia powietrza w układach regulacji sprężarek.
Obniżenie temperatury powietrza wlotowego przez zmianę lokalizacji wlotu
powietrza.
Filtrowanie i osuszanie powietrze do minimalnego poziomu wymaganego w
systemie.
Zoptymalizowanie procesu wymiany filtrów.
Odzyskiwanie i wykorzystywanie ciepła z chłodzenia powietrza.
Wymianę sprężarek na bardziej energooszczędne.
Tablica 2
Środki oszczędności energii w sieciach
sprężonego powietrza
1.
2.
3.
4.
5.
Zredukowanie wycieku powietrza poprzez zastosowanie szczelnych złączek i
wysokiej jakości szybkozłącz.
Podzielenie układu na strefy z regulacją ciśnienia, zastosowanie zaworów
odcinających..
Zastosowanie metod odwadniających do usuwania kondensatu, nie
powodujących strat powietrza.
Zainstalowanie pomocniczych zbiorników blisko odbiorników o zmiennym
zapotrzebowaniu powietrza.
Ograniczenie strat ciśnienia przez zastosowanie instalacji w formie
zamkniętej (pierścienia) oraz zmianę średnic przewodów instalacji
pneumatycznej.
Z technicznego, ekonomicznego i ekologicznego punktu widzenia konieczne jest oszczędzanie
energii sprężonego powietrza. Producenci i konstruktorzy systemów pneumatycznych podejmują
szereg działań, których celem jest zmniejszenie zużycia energii elektrycznej przez poprawę
sprawności sprężarek oraz zmniejszenie zużycia energii sprężonego powietrza przez ograniczenie
strat ciśnienia i przecieków w instalacjach pneumatycznych. Efektywne wykorzystanie
sprężonego powietrza wymaga kompleksowej analizy systemu sprężonego powietrza, od jego
wytwarzania, dystrybucji do wykorzystania [2].
Największe oszczędności energii w systemach pneumatycznych można osiągnąć przez
optymalne wykorzystanie źródła energii sprężonego powietrza (4%), wykorzystanie ciepła
sprężonego powietrza (4%), redukcję strat energii w instalacjach pneumatycznych przez
ograniczenie wycieków sprężonego powietrza i strat ciśnienia (10%), zoptymalizowanie sieci
pneumatycznych (7%), usprawnienie konstrukcji i działania napędów pneumatycznych przez
zastosowanie energooszczędnych metod sterowania (2%). Możliwe jest także zmniejszenie
kosztów wytwarzania elementów pneumatycznych (zmniejszenie wymiarów, masy i kosztów
materiałowych), obniżenie zużycia powietrza przez odbiorniki oraz zmniejszenie mocy i
skrócenia czasu zadziania zaworów pneumatycznych. W wielu firmach wdraża się komputerowo
wspomagane analizy wykorzystania sprężonego powietrza, np. z uzyskanych danych ze
specjalnego oprogramowania "System oszczędzania KAESER" (KESS) oblicza się
zapotrzebowanie energię w stacji sprężarek i porównuje je z zapotrzebowaniem
zoptymalizowanej stacji sprężarek. Natomiast oprogramowanie "SIGMA AIR CONTROL plus"
umożliwia zapisywanie pracy urządzeń w fazie obciążenia i biegu luzem, a także obciążenia
sprężarek i zużycia energii przy wytwarzaniu sprężonego powietrza [9].
Tablica 3.
Środki oszczędności energii w zespołach
przygotowania powietrza
1.
2.
3.
4.
Zastosowanie zespołów przygotowania powietrza, dostosowanych do
odbiorników.
Naprawa lub wymiana nieszczelnych elementów lub urządzeń przygotowania
powietrza.
Odłączenie dopływu powietrza do zespołów przygotowania powietrza, w
przydatku, gdy odbiornik jest wyłączony.
Zweryfikowanie i zoptymalizowanie zespołów przygotowania powietrza, np.
przez zastosowanie specjalnych regulatorów ciśnienia.
Tablica 4.
Środki oszczędności energii w układach sterowania
napędów pneumatycznych
1.
2.
3.
4.
5.
Zróżnicowanie ciśnienia w obwodach sterowania układów pneumatycznych.
Zastosowanie energooszczędnych metod sterowania z optymalizacją ciśnienia
roboczego.
Zastosowanie energooszczędnych metod sterowania z akumulacją energii
sprężonego powietrza.
Zastosowanie zaworów szybko-przełączających, zaworów sterowanych
metodą modulacji impulsowej PWM (Pulse Width Modulation) lub zaworów
sterownych przetwornikami piezoelektrycznymi.
Zastosowanie systemów mikroelektromechnicznych (MEMS), elementów
zminiaturyzowanych, mikrozaworów.
Straty energii w instalacji pneumatycznej
Największe oszczędności energii w systemach pneumatycznych można osiągnąć przez
optymalne wykorzystanie źródła energii sprężonego powietrza (sprężarek), ograniczenie strat
ciśnienia i zmniejszenie przecieków sprężonego powietrza w instalacji pneumatycznej.
Oszczędności energii zależą także od efektywnego wykorzystania systemów sprężonego
powietrza. Na schemacie rys. 7 przedstawiono szacunkową ocenę wykorzystania energii
sprężonego powietrza do celów produkcyjnych, z uwzględnieniem nieefektywnego
wykorzystania sprężonego powietrza oraz udziału strat ciśnienia i przecieków. Podczas
przepływu sprężonego powietrze w instalacji pneumatycznej występują straty energii związane
ze stratami ciśnienia i przeciekami. Straty te muszą być skompensowane przez dodatkowe
zużycie energii elektrycznej do napędu sprężarek, aby utrzymać odpowiednie ciśnienie zasilania i
zrekompensować przecieki. Zbyt duże ciśnienie sprężonego powietrza powoduje nadmierne oraz
nieuzasadnione akumulowanie energii sprężonego powietrza, tym bardziej, że wartość ciśnienie
zasilania jest składnikiem obliczania zapotrzebowania powietrza.
Rys. 7. Ocena wykorzystania energii sprężonego powietrza w warunkach przemysłowych [5]
Aby dobrać odpowiednie przekroje przewodów instalacji pneumatycznej należy określić
maksymalną rzeczywistą wartość objętościowego natężenia przepływu i dopuszczalne spadki
ciśnienia. Na ogół przyjmuje się, że spadki ciśnienia w przewodach nie powinny przekraczać
2-5% wartości ciśnienia roboczego w instalacji pneumatycznej. Na rys. 8 przedstawiono wykres
strat mocy w zależności od średnicy wewnętrznej rurociągu instalacji pneumatycznej, który
został określony dla natężania przepływu 50 m3/h przy ciśnieniu manometrycznym 7 bar
(700 kPa) na długości 100 m rury stalowej.
Rys. 8. Straty mocy w zależności od średnicy przewodu rurociągu instalacji pneumatycznej [6]
Przy doborze średnicy instalacji sprężonego powietrza, wykonywanej w systemach linowych lub
pierścieniowych, należy uwzględniać zalecane spadki ciśnienia, jak na schematach rys. 9. W
przypadku rur stalowych dopuszczalny spadek ciśnienia ∆p sprężonego powietrza kształtują się
następująco: 10% zadanej wartości ciśnienia na 30 m rury dla średnicy nominalnej 6-15 mm, 5%
zadanej wartości ciśnienia na 30 m rury dla średnicy nominalnej 20-80 mm. Spadki ciśnienia w
zależności od średnicy i długości innych przewodów rurowych (aluminiowe, polipropylenowe,
miedziane) zamieszczane są w tabelach producentów.
Rys. 9. Schemat instalacji sieci pneumatycznej [3]: a) system liniowy, b) system pierścieniowy,
spadki ciśnień w instalacji pneumatycznej: PG – główny przewód zasilający
∆p < 0,03 bar, PR– przewody rozprowadzające, ∆p < 0,03 bar, PP – przewody
przyłączeniowe ∆p < 0,04 bar, MP – miejsca (punkty) przyłączeniowe odbiorników
(siłowników) ∆p < 0,3 bar.
W instalacji pneumatycznej występują straty energii spowodowane niepożądanym przeciekiem
sprężonego powietrza. Poglądowy schemat systemu sprężonego powietrza z potencjalnymi
punktami strat przecieków przedstawiono na rys. 10. Przecieki w instalacji pneumatyczne są
źródłem znacznych strat energii, np. przez otwór o średnicy 1 mm przy ciśnieniu 0,6 MPa
wycieka 1,2 dcm2/s sprężonego powietrza, co odpowiada stracie 0,6 kWh [11]. Kompleksowa
kontrola sieci (instalacji) pneumatycznych oraz audyt sprężonego powietrza pokazuje skalę strat
przecieków sprężonego powietrza. W instalacjach pneumatycznych zakładów produkcyjnych
prawdopodobny jest wyciek dochodzący nawet do 20% wytworzonego sprężonego powietrza.
Ponieważ przecieki są nieuniknione, dlatego dopuszcza się występowanie przecieków w
zależności od wielkości sieci sprężonego powietrza, np. w małych sieciach (warsztaty,
laboratoria) dopuszczalny jest 5 % przeciek, a w dużych sieciach (odlewnie, huty, elektrownie)
dopuszcza się nawet 15 % przeciek.
Rys. 10. Poglądowy schemat systemu sprężonego powietrza z zaznaczonymi punktami
możliwych przecieków (Norgren Pneumatic)
Rys. 11. Straty przecieków w zależności od średnicy otworu nieszczelności (Norgren Pneumatic)
Wpływ średnicy otworu nieszczelności na przeciek (przepływ objętościowy) przedstawiono na
rys. 11.
Po uwzględnieniu 10-20% strat przecieków w instalacjach pneumatycznych, można określić
według schematu rys. 3 straty energii elektrycznej rzędu 8÷16 TWh w skali UE. Przedstawione
obliczenie oznacza duże potencjalne możliwości oszczędności energii w systemach sprężonego
powietrza. Jeżeli obliczenia przeprowadzone zostaną dla sprężarki o mocy 110 kW pracującej
przez 6000 h, to przy zużyciu energii 660 MWh straty przecieków wynoszą 66÷132 MWh.
Nieszczelności w przemysłowych systemach sprężonego powietrza mogą być spowodowane
różnymi czynnikami, np. niedokładnością wykonania i montażu, starzeniem, korozją,
uszkodzeniem elementów instalacji pneumatycznych. Najczęstszymi miejscami wycieków
sprężonego powietrza są: połączenia instalacji (złączki, przewody), filtry, regulatory ciśnienia,
zawory bezpieczeństwa, zawory odcinające, zawory spusty kondensatu, zbiorniki, a także
czynności związane z łączeniem i rozłączaniem przewodów pneumatycznych. Duże przecieki są
bardzo łatwe do zlokalizowania i usunięcia. Natomiast małe i bardzo małe przecieki są trudne do
wykrycia i zlokalizowania, nawet przez czułe przyrządy akustyczne. Badania przecieków
wymagają dużej wiedzy i doświadczenia. Przecieki w sieci pneumatycznej można ograniczy przez
zastosowanie dodatkowych zaworów odcinających przepływ, np. na rys. 12 przedstawiono
schemat sieci pneumatycznej z zaworami odcinającymi głównym i bocznym.
Rys. 12. Schemat sieci pneumatycznej z zaworami odcinającymi [6]
Energooszczędne sterowanie napędów pneumatycznych
Metody energooszczędnego sterowania napędów pneumatycznych są zwykle pomijane zarówno
w pracach projektowych jak i badawczych. Energooszczędne metody sterowania są szczególnie
przydatna w napędach pneumatycznych urządzeń mobilnych – pojazdy, roboty, w których
ograniczony jest zasób energii ze źródła sprężonego powietrza [8]. Przy projektowaniu
energooszczędnych napędów pneumatycznych konieczne jest prowadzenie odpowiednich badań
przez wyspecjalizowane jednostki naukowo-badawcze, ponieważ pojedynczy projektant nie ma
świadomości lub czasu na każdorazowe przeliczenie konkretnych oszczędności w danym
układzie sterowania pneumatycznego [1]. Pneumatyczne elementy wykonawcze (odbiorniki), a w
szczególności siłowniki zużywają najwięcej sprężone powietrze. Ilość zużytego powietrza przez
siłownik zależy od długości skoku i powierzchni tłoka, ciśnienia zasilania, ilości cykli pracy oraz
rodzaju pracy siłownika. Sposób sterowania pracą siłownika pneumatycznego, w którym przy
ruchu jałowym stosuje się ciśnienie o mniejszej wartości niż przy ruchu roboczym, daje
konkretne oszczędności energię sprężonego powietrza. Przykładowo siłownik o średnicy 80 mm i
skoku 200 mm, przy ciśnieniu 1,2 MPa i przy pracy 16 cykli/godzinę zużywa 50 tyś dcm3
powietrza na rok, co przekłada się na koszt energii elektrycznej około 73 Euro. Jeśli zredukuj się
średnicę tłoka siłownika do 63 mm, wtedy koszt energii wyniesie około 41 Euro. To oznacza
oszczędności energii 32 Euro w roku na jeden siłownik [11]. Jedną z dróg do poszukiwania
oszczędności energii jest zróżnicowanie ciśnienia w obwodach sterowania pneumatycznego. W
tym celu stosuje się rozwiązanie polegające na zastosowaniu zaworu redukcyjnego połączonego
z zaworem zwrotnym jak na rys. 13.
Rys. 13. Sterowanie siłownika zaworem redukcyjno-zwrotnym: a) schemat sterowania,
b) widok zaworu typu RSV [10]
Po zastosowaniu takiego rozwiązania podczas ruchu powrotnego tłoka siłownika można
zredukować ciśnienie nawet do 0,1 MPa, a przez to zmniejszyć koszt zużycie sprężonego
powietrza ok. 85% [12]. Bardzo często do ruchu powrotnego tłoka siłownika wymagane jest
dużo niższe ciśnienie niż podczas ruchu roboczego Odnosząc się do poprzedniego przykładu
zmniejszenie ciśnienia zasilania do 0,2 MPa w przypadku siłownika o średnicy tłoka 80 mm,
spowoduje oszczędności energii zasilania o ok. 24 Euro w ciągu roku. Szacuje się, że łączne
oszczędności wszystkich użytkowników wyrobów firmy MetalWork mogą wynieść nawet
450 tyś kWh w skali roku, co odpowiada 11 ton oleju opałowego. Wiele firm branży
pneumatycznej produkuje zawory z elektromagnesami o małej mocy, np. 2 W zamiast 5 W, a
także elektromagnesy nowej generacji o mocy 1 W [12[. Zmniejszenie mocy elektromagnesu
powoduje także przedłużenie okres jego użytkowania.
Zastosowanie energooszczędnych układów ze różnicowanym ciśnieniem jest możliwe także
przez indywidualne stopniowanie ciśnienia zasilania. Ze względu na znormalizowane wymiary
średnic tłoków i tłoczysk zwykle dobierane są siłowniki znacznie przewymiarowane, które
zużywają więcej sprężonego powietrza niż to wynikałoby z potrzeb procesu sterowania. Przez
indywidualne dopasowanie ciśnienia do każdego siłownika (grupy siłowników) można zacznie
zredukować zapotrzebowanie sprężonego powietrza w danym układzie pneumatycznym.
Ponieważ zróżnicowanie ciśnienia w układach pneumatycznych uzyskuje się przez zastosowanie
regulatorów ciśnienia – zaworów redukcyjnych, dlatego wymagane jest zaprojektowanie
dodatkowych równoległych obwodów pneumatycznych jak rys. 14.
Rys. 14. Zróżnicowanie ciśnienia w sterowania siłowników pneumatycznych
Ciśnienie w komorze siłownika w końcowym położeniu tłoka osiąga wartość ciśnienia zasilania.
Energooszczędne sterowanie może polegać również na tym, że podczas ruchu tłoka siłownika w
odpowiednim momencie zamyka się zawór i dopływ powietrza do komory siłownika, wtedy tłok
siłownika osiąga pozycję końcową pod wpływem zakumulowanej energii rozprężanego
powietrza w komorze roboczej siłownika. Na rys. 15 przedstawiono układ z połączeniem
różnicowym komór siłownika jednostronnego działania, w którym energia zgromadzona przy
wsuwaniu tłoczyska (ruch roboczy) jest wykorzystana podczas wysuwania tłoczyska (ruch
jałowy). Podczas ruchu jakowego siłownika nie jest konieczne korzystanie z energii źródła
zasilania. Jest to przykład odzyskiwania (rekuperacji) zakumulowanej energii sprężonego
powietrza w jednej komorze siłownika.
Rys. 15. Sterowanie pneumatyczne z różnicowym połączeniem siłownika
Natomiast na rys. 16 przedstawiono zasadę działania układu sterowania z siłownikiem
dwustronnego działania oraz zasobnikiem energii (powietrznikiem). Powietrze wypływające z
komory siłownika jest gromadzone w zasobniku energii, a następnie wykorzystywane do
przeciwnego ruchu tłoka siłownika. Wadą tych układów jest konieczność zastosowania w
układach sterowania dodatkowych elementów pneumatycznych (zaworów, powietrznika). Z
analizy przemian termodynamicznych sprężonego powietrza wynika, że sprawność
wykorzystania zakumulowanej energii sprężonego powietrza jest niska.
Podsumowanie
Z dotychczasowej praktyki wynika, że celowe są opracowania systemowe, polegające na
kompleksowym podejściu do oszczędności energii podczas wytwarzania (sprężarki, stacje
uzdatniania i przygotowania powietrza), dystrybucji (instalacje, rurociągi) i wykorzystania
(napędy, narzędzia, urządzenia) sprężonego powietrza. Kompleksową kontrolę sieci (instalacji)
pneumatycznych umożliwia audyt sprężonego powietrza, który może pokazać skalę strat energii
oraz przedstawić plan optymalizacji wykorzystania sprężonego powietrza w zakładowych
systemach. Ponieważ wiele firm nie ma wewnętrznych służb zajmujących się rozpoznawaniem i
rozwiązywaniem takich problemów, dlatego profesjonalny audyt zewnętrzny może pomóc w
diagnozowaniu całego procesu wytwarzania sprężonego powietrza od sprężarek poprzez sieć
instalacji do odbiorników.
Rys. 16. Pneumatyczny układ sterowania z akumulacją energii, według [7]
Audyt sprężonego powietrza umożliwi użytkownikowi przyjęcie rozwiązania efektywnego
ekonomicznie, który przyniesie szybki zwrot kosztów inwestycji. Przy projektowaniu
energooszczędnych systemów sprężonego powietrza konieczne jest prowadzenie odpowiednich
badań przez wyspecjalizowane jednostki naukowo-badawcze, ponieważ pojedynczy projektant
nie ma świadomości lub czasu do każdorazowego przeliczenia możliwości oszczędności w
danym systemie sprężonego powietrza.
Zgodnie z postanowieniem Komisji Europejskiej o ograniczeniu emisji CO2 wdrożono europejski
program MCP „Motor Challenge Programme”, którego celem w module systemów sprężonego
powietrza CAS „Compressed Air Systems Module” jest efektywne wykorzystanie sprężonego
powietrza „Compressed Air Efficiency” przez zmniejszenie zużycia energii i racjonalizację
wykorzystania energii w systemach sprężonego powietrza. Uczestnicy programu MCP w małych
i średnich zakładach przemysłowych powinni dążyć do oszczędności i racjonalizacji zużycia
różnych nośników energii. Poprzez audyt energetyczny można wykazać sposoby zmniejszenia
zużycie różnych nośników energii. Natomiast uczestnicy programu MCP-CAS w ramach działań
„Efektywne Systemy Sprężonego Powietrza” powinni przeprowadzić audyt sprężonego
powietrza do oceny potencjału oszczędności energii w zakładowych systemach sprężonego
powietrza. Pomimo programu MCP-CAS w wielu krajach europejskich nie udało się opracować
kompleksowych rozwiązań do `racjonalizacji zużycia i efektywnego wykorzystania energii
sprężonego powietrza.
Literatura
1. Dindorf R.: Energooszczędne sterowanie układami pneumatycznymi. Pneumatyka, nr 2, 2007.
2. Dindorf R.: System sprężonego powietrza w elektrofiltrach i instalacji usuwania suchego
popiołu. Napędy i Sterowanie, nr 1, 2008. Portal Internetowy WNP – Wirtualny Nowy
Przemysł.
3. Dindorf R.: Poradnik konstruktora maszyn i urządzeń. Rozdział 8.1. Napędy i sterowanie
pneumatyczne. Wydawnictwo Verlag Dashofer, Warszawa 2008.
4. De Keulenaer H. a. al. The European Motor Challenge Programme. European Copper Institute
(ECI), Brussels, Belgium.
5. De Keulenaer H. a. al.: Compressed Air Systems Module. The European Motor Challende
Programme. European Commission, Directorate-General Energy and Transport. Brussels,
2003, Belgium.
6. Energy efficient compressed air systems. GPG385. Carbon Trust GmbH. Stuttgard 2002.
7. Gauchel W. Energiesparende Pneumatik. Oelhydraulik und Pneumatik, 1, 2006.
8. Granosik G., Borenstein J.: Minimizing air consumption of pneumatic actuators in mobile
robots. IEEE International Conference on Robotics and Automation, New Orleans, LA., April
26-May 1, 2004,
9. Li T.C., Wu H.W., Kuo M.J.: A study of gas economizing pneumatic cylinder. Journal of
Physics, 48, 2006.
10. Radgen P., Blaustein E.: Compressed Air Systems in the European Union. LOG_X Verlag
GmbH, Stuttgart 2001.
11. MetalWork Pneumatic. Quality and environment, strategy and objectives ISO 14001.
12. SMC. Proposals for Energy Saving Pneumatic Systems. CAT.E02-21.
13. Internet: http://www.p.lodz.pl/i15/educatio/wde/wde_w13.ppt
Ocena możliwości oszczędności energii w systemach sprężonego powietrza
Streszczenie
W systemach sprężonego powietrza konieczne jest kompleksowe podejście do racjonalizacji zużycia energii przez
efektywne wytwarzane, dystrybucję i wykorzystanie sprężonego powietrza. W oparciu o wytyczne zawarte w The
European Motor Challende Programme (MCP) - Compressed Air Systems Module (CAS) przedstawiono potencjalne
możliwości oszczędności przy produkcji i uzdatnianiu sprężonego powietrza, w sieciach sprężonego powietrza, w
urządzeniach wykonawczych oraz w konstrukcjach, eksploatacji i sterowaniu systemów pneumatycznych. W
projektowaniu energooszczędnych systemów sprężonego powietrza dąży się rożnymi metodami do zmniejszenia
strat energetycznych i minimalizacji zużycia energii.
Estimate opportunities of energy savings in compressed air systems
Summary
The compressed air systems require the complex approach towards rational energy consumption by effective
production, distribution and application of the compressed air. Basing upon guidelines included in the European
Motor Challenge Programme (MCP) - Compressed Air Systems Module (CAS) the paper discusses potential energy
savings opportunities in production and treatment of compressed air, compressed air networks, end use devices
(actuators), overall system design, operation and control pneumatic systems. While designing energy saving
compressed air systems various methods are applied to reduce energy losses and minimize energy consumption.
Autor: Dr hab. inż. Ryszard Dindorf, prof. nadzw.
Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, [email protected]
Politechnika Świętokrzyska w Kielcach, [email protected]
Adres do korespondencji:
Zakład Mechatroniki
Wydział Mechatroniki i Budowy Maszyn
Politechnika Świętokrzyska
al. Tysiąclecia Państwa Polskiego 7
25-314 Kielce
Tel. 041 3424481
Fax. 041 3424534