Obniżenie kosztów poprzez optymalizację ciśnienia w sieci sprężonego powietrza

Na potrzeby wyjaśnienia problematyki obniżenia kosztów eksploatacji sieci sprężonego powietrza przyjmijmy następujący układ:

• Sprężarka śrubowa smarowana olejowo w wersji o maksymalnym ciśnieniu roboczym 10bar, znamionowa moc silnika 45 kW,
  FAD 7m³/min. (420m³/godz.) przy maksymalnym ciśnieniu roboczym, przyłącze 1,5”

oraz następujące, prawidłowo dobrane urządzenia uzdatniania sprężonego powietrza umieszczone w sprężarkowni:

• separator cyklonowy,
• filtr wstępny,
• osuszacz chłodniczy,
• filtr końcowy,
• zbiornik sprężonego powietrza.

Ze sprężarkowni wychodzi instalacja sprężonego powietrza o średnicy zgodnej z wymaganym przepływem, stopniowaniem średnic i przebiegiem, a na końcu instalacji podłączona jest jedna lub wiele maszyn wykonawczych.

Jakie spadki ciśnienia gwarantuje taka instalacja?

Szacunkowe spadki ciśnienia na każdym z elementów wynoszą odpowiednio:

• separator cyklonowy – 0,05 bar,
• filtr wstępny – wkład czysty 0,15 bar (0,35 bar w stanie zanieczyszczonym przed wymianą),
• osuszacz chłodniczy – 0,15 mbar,
• filtr końcowy – wkład czysty 0,15 bar (0,35 bar w stanie zanieczyszczonym przed wymianą),
• zbiornik sprężonego powietrza – 0,50 bar,
• instalacja sprężonego powietrza – 0,50 bar.

Całkowity hipotetyczny spadek ciśnienia w sieci sprężonego powietrza pomiędzy sprężarką, a maszyną wykonawczą wynosi 1,90 bar.

Jak obniżyć koszt systemu sprężonego powietrza?

Obniżenie kosztów eksploatacji systemu możliwe jest na etapie projektowania sieci sprężonego powietrza w celu zmniejszenia spadku ciśnienia w instalacji. Istnieje kilka rodzajów działań, które mogą do tego doprowadzić. 

Można zwiększyć wielkość zbiornika sprężonego powietrza.

Można zwiększyć średnicę rurociągu ponad określone wielkości albo połączyć rurociąg w pętlę.

Można zastosować rurociągi i elementy o niskich współczynnikach oporu przepływu wykonane z materiałów o jak najmniejszej chropowatości.

Można zastosować konstrukcje zoptymalizowane pod kątem przepływu.

Załóżmy, że na poziomie projektowania, doboru materiałów, doboru elementów wyposażenia uda się obniżyć spadek ciśnienia o 50%, czyli do poziomu 0,95 bar.

Te wszystkie działania są możliwe na etapie budowania instalacji sprężonego powietrza i wymagają zwiększonych nakładów inwestycyjnych, ale i tak stanowią nieznaczny procent kosztu eksploatacji systemu sprężonego powietrza.

Największym kosztem eksploatacji sieci sprężonego powietrza jest bez wątpienia koszt energii elektrycznej i każde działanie optymalizacyjne będzie dążyć do zmniejszenia jej poboru.

Zakładając jednak, że wkraczamy z optymalizacją kosztów w już istniejącą sieć sprężonego powietrza, powinniśmy skoncentrować się na dwóch podstawowych działaniach, które są powiązane ze sobą, tj. usunięciu nieszczelności oraz obniżeniu ciśnienia roboczego sprężarki.

Nieszczelności tworzą sztuczne zapotrzebowanie i powodują niepotrzebną pracę sprężarki oraz urządzeń uzdatniania sprężonego powietrza. Jednocześnie skracają żywotność wszystkich elementów systemu sprężonego powietrza, wymuszają przedwczesną obsługę serwisową i generują dodatkowe koszty.

Poniższa tabela pokazuje wielkość strat powietrza w zależności od średnicy otworu i ciśnienia w sieci sprężonego powietrza:

Wielkość nieszczelności jest szacunkowa, bo zależy również od regularności kształtu otworu, ale na potrzeby obliczeń przyjęto, że powierzchnia nieregularnego otworu jest równa powierzchni koła.

Z tabeli wynika, że nieszczelność zmniejsza się wraz ze zmniejszaniem ciśnienia w sieci sprężonego powietrza i są to wymierne wartości w skali roku.

Przyjmując, że sprężarka pracuje 2 zmiany dziennie po 8 godzin, 5 dni w tygodniu i 52 tygodnie rocznie, to jej czas pracy wyniesie 4.160 godzin.

W tym czasie, jeżeli obniżylibyśmy ciśnienie w sieci sprężonego powietrza o 1 bar z 8 do 7 bar to przez jeden otwór o średnicy 3 mm wyciekłoby (43,92 – 39,06) m³/godz. * 4.160 godzin = 20.217 m³/rok sprężonego powietrza mniej.

Koszt nieszczelności

Uproszczona kalkulacja kosztu 1m³ sprężonego powietrza opisana jest w naszym artykule: Ile kosztuje sprężarka? Koszty zakupu i eksploatacji sprężarki i na bieżące potrzeby wygląda następująco:

• Stawka za 1kWh – 0,57 zł/kWh
• Moc silnika zasilającego sprężarkę – 45kW
• Wydajność FAD 7m³/min.* = 420m3/godz
• Sprawność silnika – 0,93
• Obciążenie sprężarki – 0,80

* na potrzeby kalkulacji przyjmujemy, że wydajność sprężarki jest stała niezależnie od ciśnienia roboczego

Godzinowy koszt energii elektrycznej wynosi 45kW * 0,57zł/kWh * 0,8/0,93 = 22,06 zł/godz.

Jednostkowy koszt sprężonego powietrza wynosi 22,06zł/godz. / 420m³/godz. = 0,0525zł/m³.

Roczny koszt nieszczelności sprężonego powietrza wypływającego przez jeden otwór o średnicy 3mm, jeżeli zmniejszylibyśmy ciśnienie w sieci o 1 bar wynosi 20.217 m³/rok * 0,0525 zł/m³ = 1.061 zł/rok.

Takich „otworów” w sieci może być znacznie więcej, bo średnio nieszczelności w sieci sprężonego powietrza zakładów przemysłowych dochodzą do poziomu 20-30% i dąży się do tego, aby wynosiły nie więcej niż 10%.

Skalkulowana oszczędność wyniknie samoczynnie, gdy ciśnienie w cieci obniży się o 1 bar, ale drogą do uzyskania większej redukcji kosztów jest usuwanie nieszczelności.

Oznacza to, że rzeczywisty potencjał obniżenia kosztów poprzez usunięcie nieszczelności i zmniejszenie ciśnienia roboczego w sieci sprężonego powietrza jest znacznie większy.

Potencjał energetycznej oszczędności w zmniejszeniu ciśnienia roboczego w sieci sprężonego powietrza

Poniżej podane są informacje na temat rzeczywistego poboru mocy sprężarki o mocy znamionowej silnika 45kW w wersji ciśnieniowej 10bar (w przykładzie obliczania kosztów nieszczelności uwzględniał to współczynnik sprawności silnika).

Jak widać, zmniejszając ciśnienie robocze z 8 do 7 bar, pobór mocy redukuje się o 2,46kW.

Roczna oszczędność wynosi 4.160 godzin * 2,46kW * 0,57 zł/kWh * 0,8 = 4.666zł/rok.

Uproszczeniem na potrzeby tej kalkulacji jest brak poboru energii w czasie, gdy sprężarka jest w odciążeniu, tj. gdy silnik elektryczny pracuje i pobiera energię, a stopień sprężający nie tłoczy powietrza, bo już zostało osiągnięte maksymalne ciśnienie.

Na ile realne jest obniżenie ciśnienia w sieci sprężonego powietrza?

Zmniejszanie ciśnienia roboczego w istniejącej sieci sprężonego powietrza to proces długofalowy. Nie można wejść do sprężarkowni i nagle zmienić nastawy bez ponoszenia konsekwencji.

Większość odbiorników pneumatycznych wymaga minimalnego ciśnienia ok. 4,0-4,5 bar. Występuje jednak grupa maszyn potrzebujących ciśnienia 6,0-6,5 bar. Są również i takie, które potrzebują większych ciśnień, bo wymaga tego charakterystyka ich pracy. Jednak większość przemysłowych maszyn produkcyjnych wymaga ciśnienia niższego niż 7 bar i nie ma powodów stosowania większych ciśnień oprócz przekonania, że będzie się to równało większej wydajności pracy.

Tam, gdzie potrzebne jest większe ciśnienie, można punktowo zastosować wzmacniacz ciśnienia, a jeżeli takich odbiorników jest więcej, można stworzyć drugą sieć z większym ciśnieniem. Znane są przykłady istnienia w zakładach przemysłowych dwóch sieci sprężonego powietrza o ciśnieniach 3,5 bar i 6,0 bar, albo 7,0 bar i 10,0 bar. Istnienie dwóch sieci, gdy różnica ciśnień wynosi 2,5-3,0 bar, jest w dużych zakładach ekonomicznie uzasadniona, bo przecież inwestycja w sprężarkę i serwis w długiej perspektywie to jedynie 25% kosztów posiadania instalacji, a 75% kosztów to energia elektryczna. Dodatkowo, ciśnienie większe o 1 bar to koszty energii elektrycznej większe o 5-7%.

Jak można zauważyć, na potrzeby niniejszego opracowania przyjęto kilka uproszczeń, by kalkulacje były przejrzyste. Dodatkowo proces obniżania ciśnienia powinien być rozłożony w czasie i przebiegać pod kontrolą. Efektem będzie optymalizacja kosztów, która przyniesie wymierne efekty ekonomiczne. Aby moc jednak zrealizować ten proces w sposób najbardziej bezpieczny dla produkcji, potrzebna jest wiedza i doświadczenie.

BP Techem