Jeśli istnieją Święty Graal, bądź Kamień Filozoficzny pneumatyki, to bez fałszywej skromności możemy przyznać, że jesteśmy najbliżej ich odkrycia.
Sprężone powietrze, obok energii elektrycznej, jest najczęściej wykorzystywanym medium energetycznym we współczesnych zakładach produkcyjnych.
Wpływa na to jego dostępność, bezpieczeństwo użytkowania, łatwość dystrybucji i uniwersalność zastosowań (procesy technologiczne, sterowanie, kontrola). W zakładach produkcyjnych występują najczęściej: sprężarka bądź ich zespół jako źródło zasilania, urządzenia uzdatniające (separatory cyklonowe, filtry, osuszacze), oraz mniej bądź bardziej rozbudowana sieć przesyłowa wraz ze zbiornikami i odbiornikami. System zasilania składający się z tych elementów tworzy jedną funkcjonalną całość. I tak go należy rozpatrywać – jako integralny indywidualny obiekt.
Wytwarzanie sprężonego powietrza jest procesem bardzo energochłonnym. Przyjmuje się, że jedynie około 20% dostarczonej energii jest wykorzystane, pozostałe 80% ulega bezpowrotnej stracie, głównie w postaci ciepła. O powadze problemu oszczędności w tej branży świadczy fakt, że 10% energii elektrycznej zużywanej w przemyśle europejskim zasila sprężarki.
Z technicznego, ekonomicznego i globalnego ekologicznego punktu widzenia konieczne jest uzyskanie oszczędności rzędu 33% w ciągu 15 lat. Ten stan zamierza się osiągnąć poprzez:
- redukcję nieszczelności sieci 16,0%
- konfigurację sieci i zaawansowane sterowanie 6,9%
- pełniejsze wykorzystanie ciepła sprężarek 4,0%
- zastosowanie sprężarek zmiennoobrotowych 3,8%
- zastosowanie sprężarek o większej sprawności 2,3%.
Ekologicznym efektem tych poczynań mają być oszczędności rzędu 5 milionów ton emitowanego CO2 rocznie. Działania w celu uzyskania powyższych oszczędności objęte są unijnym programem SAVE, projekt XVII/4 1031/Z/98-266.
Zagadnienie oszczędności energii w zakresie wytwarzania, przesyłania i wykorzystania sprężonego powietrza jest także bardzo aktualne w zakładach produkcyjnych, gdzie lokalne dążenie do ograniczenia kosztów doskonale splata się z globalnymi wymogami. I tutaj mam dwie wiadomości: 90% systemów w przemyśle jest wykonana niepoprawnie, zaś drastycznie niepoprawnie 60%. To ta zła. Dosyć łatwo jest jednak te instalacje poprawić, a koszty są stosunkowo niewielkie. Opłacalność przeprowadzenia takich prac jest wysoka, a efekt ekonomiczny natychmiastowy. To ta dobra. Redukcja nieszczelności, jest stosunkowo prosta do zdiagnozowania i naprawy. Pełniejsze wykorzystanie ciepła sprężarek, zastosowanie maszyn zmienoobrotowych czy sterowników nadrzędnych są tematami popularnymi w branży. Niestety, w większości przypadków służą wyłącznie marketingowi.
Spośród wszystkich mediów energetycznych (energia elektryczna, gaz opałowy, woda, gorąca para) problematyce systemów sprężonego poświęcona jest stosunkowo mała liczba poważnych publikacji. Sporadycznie pojawiają się opracowania głębiej wkraczające w specyfikę systemu jakim jest układ sprężarka – uzdatnianie – sieć – odbiorniki. Opisywane są, nawet bardzo dokładnie, poszczególne elementy oraz możliwe do uzyskania oszczędności, ale bez podejścia całościowego. Takie traktowanie układów daje ograniczone możliwość szukania dalszego zmniejszenia energochłonności przemysłowych systemów zasilających. Są trzy powody takiej rzeczywistości. Po pierwsze dla opisu systemów sprężonego powietrza nie istnieje dobry aparat matematyczny. Trudno ująć w opisujące nawet w dalekim przybliżeniu wzory zachowanie medium, które nieliniowe charakterystyki wytwarzania nakłada na nieliniowe charakterystyki oporów filtracji i osuszania, łącząc z nieliniowością przepływu i zużywania przez odbiorniki. Po drugie, nie leży to w optyce koncernów branży pneumatycznej. Lepiej przecież sprzedać kolejną sprężarkę niż trudzić się nad rozwiązaniami systemowymi. Po trzecie, mimo wspaniałych materiałów producentów, wiedza dotycząca układów zasilania w sprężone powietrze jest zazwyczaj niewielka. Bezmyślne powielanie starych rozwiązań nie ma nic wspólnego z energooszczędnością. Dotyczy to w równym stopniu „złotoustych szamanów marketingu” jak i projektantów. Niestety także wiedza kadry inżynierskiej w tej dziedzinie jest niewystarczająca do dokonania rzetelnej weryfikacji, choć tutaj coraz częściej zdarzają się chlubne wyjątki.
Klasyczny system zasilania
Systemy pneumatyczne mają bardzo specyficzną cechę – potrafią zmagazynować znacznie więcej energii niż w danym momencie jest wykorzystywane, pozornie bez negatywnych konsekwencji. Jednak takie stany skutkują marnotrawstwem, niezauważalnym na początku, ale zawsze bardzo dotkliwie odczuwanym w kosztach eksploatacji. Zwłaszcza przy ciągle rosnących cenach energii elektrycznej.
Zbiornik umieszczany jest zazwyczaj na początku systemu dystrybucji sprężonego powietrza bezpośredni za sprężarkami. Jest to efektem zaszłości historycznej, gdzie przy stosowaniu sprężarek tłokowych w zbiorniku chłodziło się powietrze i dosyć skutecznie wytrącał kondensat olejowy. Ponadto jego duża objętość musiała tłumić pulsacje. Obecnie, przy zastosowaniu nowoczesnych sprężarek śrubowych czy łopatkowych, a zwłaszcza szybkich w reakcji agregatów zmienoobrotowych takie umieszczenie zbiornika jest zazwyczaj błędem, gdyż wprowadza już na początku systemu niepotrzebne opory przepływu i opóźnia reakcje na zmiany zapotrzebowania urządzeń. Charakterystycznymi cechami obecnych rozwiązań jest określanie stanu systemu zasilania przez pomiar ciśnienia w jednym miejscu. Ich podstawową wadą jest niewrażliwość na lokalne zmiany przepływu powietrza oraz występowanie znacznych spadków ciśnienia pomiędzy punktami zasilania a dalej umieszczonymi odbiornikami. Aby odległe urządzenia mogły funkcjonować bez zakłóceń, konieczne jest odpowiednie zwiększenie ciśnienia zasilania. Przy bardzo rozbudowanych instalacjach przemysłowych tego typu różnica ciśnień niejednokrotnie przekracza wartość 1 bar. Skutkuje to wprost zwiększeniem zapotrzebowania na energię elektryczną nawet ponad 10%.
Energooszczędnie czyli jak?
W koncepcji nowoczesnych energooszczędnych systemów wytwarzania i przesyłania sprężonego powietrza znamienne jest określanie stanu energii systemu przez pomiar ciśnienia w kilku wybranych charakterystycznych punktach, a także zdecentralizowanie układu zasilającego (zespołu sprężarek). W tym przypadku sterujemy bezpośrednio energią sprężonego powietrza, nie zaś sprężarkami. Charakterystyczne jest także umieszczenie zbiornika (lub kilku zbiorników) w odległym od punktu zasilania miejscu sieci i potraktowanie go jedynie jako lokalnego elementu kompensującego chwilowy skokowy odbiór powietrza.
Przy rozległych sieciach przesyłowych najkorzystniejsze energetycznie jest zastosowanie zdecentralizowanego układu zasilającego z wielopunktowym pomiarem stanu (ciśnienia) systemu. W takiej instalacji bardzo ważną rolę odgrywa algorytm sterowania sprężarkami. Charakterystycznym dla takiego rozwiązania jest takie załączanie sprężarek, które powoduje najmniejsze opory przepływu. W odróżnieniu od stosowanych dotychczas rozwiązań, przedstawiony system charakteryzuje się zdecydowanie większą sprawnością energetyczną gdyż praktycznie doprowadza do ujednolicenia ciśnienia w całej sieci zasilającej. W takim przypadku możliwe jest ustalenie ciśnienia roboczego dla całej sieci na stabilnym, najniższym dopuszczalnym technologicznie poziomie, przy zastosowaniu zbiorników o mniejszej objętości. Przy zdecentralizowanym zasilaniu, ze względu na zmniejszenie długości przewodów i prędkości przepływów w sieci znacznie maleją także opory przepływu.
Przykładowe rozwiązanie
„Inteligentny” system powstawał w jednej z większych hut szkła. Była to zmiana dotychczasowego „klasycznego” systemu na zarządzanie całą siecią, przy niewielkich korektach orurowania. Sterowanie rozległego systemu realizowane jest przez próbkowanie ciśnienia w trzech charakterystycznych punktach. Po wdrożeniu okazało się, że system umożliwia stabilizację ciśnienia z dokładnością 0,1 bara (zakładano „tylko” 0,4 bara). I to wyłącznie przy sprężarkach stałoobrotowych! Przy takiej stabilności ciśnienia można było obniżyć jego wartość roboczą o 0,5 bara, bez zagrożenia pewności realizacji procesu technologicznego. Po tym zabiegu „niepotrzebna” okazała się sprężarka o mocy 132 kW. Udokumentowane roczne oszczędności energetyczne wyniosły 144 tysiące zł. Mikroprocesorowy sterownik obsługiwał równocześnie sprężarki łopatkowe i śrubowe o mocach od 132 do 350 kW. Wykres uwidocznił także (ciekawe) chwilowy zanik zasilania i reakcję systemu na jego przywrócenie.
Autor: Andrzej M. Araszkiewicz
GM_2025_3_26_28_Powietrze
