Optimization of compressed air installations

A patra sursa de energie utilizata in industrie este cea de aer comprimat, dupa electricitate, gaze naturale si apa, reprezentand un agent utilizat pe scara larga pentru transmiterea energiei.

Toate interventiile ce au legatura cu producerea, distribuirea sau utilizarea aerului comprimat au efecte directe asupra consumului de energie.

Din acest motiv, economicitatea folosirii aerului comprimat in industrie depinde de rentabilitatea producerii si distribuirii sale.

Specialistii in eficienta energetica au tot timpul in vedere faptul ca eliminarea unei surse de pierderi duce in mod automat la reducerea consumului de energie, urmarind in acelasi timp ca instalatiile de aer comprimat sa asigure, printr-o utilizare redusa a energiei, aerul in parametrii necesari atat din punct de vedere al cantitatii si presiunii, cat si prin prisma calitatii.

In prezent, aerul comprimat este unul dintre sistemele de deservire cele mai raspandite si cu aplicatii dintre cele mai diverse.

Domeniile de utilizare pentru aerul comprimat

• Industry: actionarea instalatiilor pneumatice
• Siderurgie
• Industria miniera: actionarea unor masini miniere
• Petrochimie: rafinarea de titei si gaze naturale
• Industrie navala
• Gaze industriale

Avantaje si dezavantaje

Principalele avantaje ale utilizarii aerului comprimat in procesele de productie se numara:

• Disponibilitatea in cantitati nelimitate
• Nu condenseaza, este neinflamabil, nu este exploziv, nu este toxic, nepoluant
• Usor de produs si de transportat prin retele
• Stocat in cantitati apreciabile
• Pericol de accidentare redus
• Intretinerea instalatiilor pneumatice usoara

Cu toate acestea, folosirea de aer comprimat vine cu o serie de dezavantaje, dintre care amintim:

• Energia acumulata este de 5 pana la 8 ori mai scumpa decat energia electrica
• Aerul nu poate fi complet purificat la costuri rezonabile, fapt ce duce la uzura unor piese prin eroziune si abraziune, precum si la coroziunea componentelor
• In anumite conditii de mediu si functionare, exista pericol de inghet

Pentru a reduce efectul acestor dezavantaje, este necesara efectuarea periodica a unui audit energetic industrial pentru instalatii de aer comprimat.

Tipuri de instalatii de aer comprimat

Sistemele de alimentare cu aer comprimat sunt impartite in 2 categorii principale:

• producere aer comprimat
• utilizare aer comprimat

Instalatiile de producere aer comprimat

Acestea includ:

• compresoare
• tratarea aerului
• rezervoare tampon

Producerea aerului comprimat gestionata corespunzator va duce la un aer curat, uscat si stabil, livrat la presiunea corespunzatoare, in conditii de stabilitate si la costuri reduse.

Subsistemele includ, de obicei, partea de admisie a aerului, compresorul de aer (viteza fixa si/sau viteza variabila), racitorul, motor, controlere, echipamente de tratare si accesorii.

Controlerele pot servi la reglarea cantitatii de aer comprimat, fiind produse pentru a mentine o presiune constanta si de a gestiona sistemul de interactiune dintre componentele sistemului.

Filtrele si uscatoarele de aer elimina umezeala, uleiul si contaminantii din aerul comprimat.

Rezervoarele tampon pentru aer comprimat pot fi, de asemenea, utilizate pentru a imbunatati stabilitatea si eficienta sistemului.

Acumularea de apa este evacuata manual sau automat prin intermediul sistemelor de drenaj sau canalelor de scurgere.

Optional, sunt folosite controlere de presiune pentru a mentine o presiune constanta la un dispozitiv de utilizare finala.

Instalatiile de utilizare aer comprimat

Acestea includ:

• conducte de distributie
• rezervoare secundar de aer
• aparatura de utilizare

Aceasta parte gestionata corespunzator minimizeaza diferentele de presiune, reduce pierderea de aer si scurgerile de drenaj si utilizeaza aerul comprimat pentru aplicatii adecvate.

Pentru transport si distributie aer comprimat sunt folosite sisteme de conducte pentru a fi asigurata in conditii eficiente utilizarea aerului comprimat.

Rezervoarele tampon pentru aer comprimat aflate pe aceasta parte pot fi, de asemenea, utilizate pentru a imbunatati presiunea si stabilitatea sistemului.

Etapele auditului energetic pentru aer comprimat

Evaluarea sistemului de aer comprimat

Evaluarea sistemului de aer comprimat prin realizarea de industrial energy audit este primul pas in imbunatatirea performantelor de eficienta energetica.

Evaluarea initiala presupune un control la punctele de consum prin examinarea echipamentelor si a modului in care acestea interactioneaza.

Imbunatatirea sistemului de aer comprimat trebuie sa se concentreze pe deficientele identificate initial si corelarea acestora impreuna cu monitorizarea continua a pierderilor de aer, de presiune, debite, temperaturi, calitatii aerului si consumului de energie.

Etape plan de eficientizare a instalatiei de aer comprimat

Odata ce parametrii importanti ai sistemului au fost masurati, se intocmeste un plan de eficientizare a instalatiei de aer comprimat, care cuprinde urmatoarele etape:

• Colectarea datelor de pe echipamentele actuale (caracteristici, trasee, debite, lungimi etc.) si intocmirea unui plan al sistemului
• Stabilirea unei linii de baza prin masurarea performantei nivelului actual de aer comprimat
• Stabilirea nivelurilor de performanta necesare pentru presiunea din sistem, calitatea aerului si consumul de energie
• Analizand datele de performanta si modul de operare al sistemului, se colecteaza si se calculeaza costurile de exploatare pentru a identifica zonele care necesita imbunatatiri
• Evaluarea configuratiei de sistem alternativ si a altor masuri de imbunatatire pentru a determina cele mai bune masuri tehnico-economice
• Determinarea celor mai bune masuri tehnico-economice pentru a optimiza subcomponentele sistemului
• Elaborarea unui plan pentru punerea in aplicare a eficientizarii sistemului de aer comprimat
• Examinarea practicilor de intretinere si exploatare

Studiu de eficientizare energetica a instalatiei de aer comprimat pentru un consumator din industria producerii cimentului, realizat de Quartz Matrix

Analizandu-se datele obtinute in urma masuratorilor si a calculelor efectuate pentru auditul instalatiei de aer comprimat, s-au putut identifica parametri functionali calitativi si cantitativi in ceea ce priveste zona de generare, distributie si a consumului de aer comprimat.

Totodata, auditul a permis calculul indicatorilor de performanta ai instalatiei: consum de energie (kWh/m³), pierderi volumetrice pe contur si cererea volumetrica a consumatorilor.

Analiza auditului aer comprimat instrumental

Aerul comprimat instrumental necesar procesului de productie din cadrul consumatorului este asigurat de 4 statii echipate cu compresoare avand puteri intre 30-75 kW si debite cuprinse intre 5.8 – 9.2 m³/min.

Prima statie dispune de 3 compresoare care au un regim de functionare de tip master-slave, astfel incat un grup de compresoare functioneaza in sarcina si o parte sunt slave, pentru preluarea varfurilor de sarcina.

Randamentele de functionare calculate pentru aceste compresoare sunt cuprinse intre 47-68.62% si reprezinta valori relativ bune pentru controlul existent in treapta de presiune.

Avandu-se in vedere consumul specific de energie optim al acestor compresoare (cca. 0.097 kW/m³ la functionarea in sarcina de lunga durata si presiunea de 7 bar), rezulta ca valorile calculate ale consumurilor specifice au valori optim bune pentru compresoarele ce au un regim de functionare in sarcina (C1 – 0.112 kWh/m³ si C3 – 0.110 kWh/m³) si respectiv valori usor ridicate pentru compresorul ce functioneaza la varf de sarcina (C2 – cca. 0.162 kWh/m³)

Statia 3 beneficiaza de 4 compresoare, regimul de functionare fiind identic cu cel de la prima statie.

Randamentele de functionare calculate pentru aceste compresoare sunt cuprinse intre 44.62% pentru compresorul ce functioneaza la varf de sarcina si 68.40% in cazul celor ce functioneaza la baza sarcinii.

De asemenea, in cazul compresoarelor ce functioneaza la baza sarcinii consumurile specifice sunt cu valori corespunzatoare (cca.0.111kWh/m3) iar in cazul compresorului ce functioneaza la varf de sarcina consumul specific de energie este de cca. 0.169kWh/m3, valoare ridicata ca urmare a regimul de functionare in gol dupa atingerea presiunii in instalatie.

Analiza pierderilor volumetrice

Pentru inceput, trebuie mentionat faptul ca eficienta in exploatarea retelei este atinsa prin faptul ca tratarea aerului comprimat se face corespunzator.

In acest sens, aerul uscat a permis reducerea costurilor de intretinere a elementelor de filtrare din retea, a echipamentelor de actionare, a conductelor etc.

De asemenea, pierderile de volum aer comprimat au fost limitate ca urmare a implementarii unor sisteme eficiente de purjare a condesului la nivelul vaselor tampon si la nivelul zonelor de colectare condens.

Totodata, in urma auditului si a masuratorilor facute, s-au identificat zone ce implica pierderi volumetrice de aer comprimat si respectiv zonele unde este oportun sa se realizeze o imbunatatire a instalatiei.

Analiza pragurilor de presiune din instalatia de aer comprimat

Cel mai important parametru este presiunea in sistem (la generare si pe toata zona de distributie si consum), deoarece este direct legata de energia consumata.

In acest sens, se prezinta valorile consumurilor de energie pentru diferite valori ale pragurilor de presiune impuse in parametrizarea compresoarelor.

Tips

1. Controlul compresoarelor in cascada (prag de presiune 7.1 – 7.5 bar maxim)

Trebuie realizata parametrizarea compresoarelor in cascada astfel incat nivelul maxim de presiune la producere sa nu depaseasca 7.5 bar (presiunea actuala impusa la compresoare fiind de 7.9 – 8 bar).

Masura va permite reducerea consumului de energie electrica cu cca. 3.22% din consumul de energie la nivelul statiilor de compresoare.

Astfel, economiile orare de energie electrica la nivelul statiilor de compresoare vor fi de cca. 10.10 kWh.

2. Controlul inteligent al compresoarelor in banda de presiune (cu banda de presiune 6.6 – 6.8 bar)

Avand in vedere complexitatea retelei de aer comprimat si profilul diferit de consum impus de gradul de incarcare al fabricii, pentru realizarea unor coordonarii cat mai bune intre functionarea compresoarelor si functionarea utilajelor deservite, trebuie realizata oportunitatea structurala de optimizare si monitorizare a punctelor critice prin implementarea unui sistem de management al instalatiei de aer comprimat.

Scopul final il constituie eficientizarea regimului de functionare al compresoarelor si reducerea consumurilor energetice asociate intregii instalatii de generare, distributie si consum a aerului comprimat, in conditiile mentinerii parametrilor operationali optimi pentru functionarea sistemului.

Optimizarea zonei de producere aer comprimat

Optimizarea instalatiei de aer comprimat trebuie realizata prin utilizarea unor compresoare cu turatie fixa (cele existente) ce vor functiona la baza sarcinii, iar pentru preluarea varfurilor de sarcina se va utiliza un compresor cu turatie variabila.

In momentul actual, pentru controlul compresoarelor se utilizeaza presostate cu contact pentru controlul in cascada al compresoarelor, diferenta de cuplare si decuplare fixata fiind de cca. 0.5 bar pentru fiecare compresor in parte.

Astfel, numarul maxim ce poate fi comandat prin acest procedeu este de maxim 4 compresoare, ceea ce determina o variatie totala a presiunii mare (de cca. 1.4 bar intre cele 4 compresoare).

Controlul in banda de presiune cu recunoasterea tendintei este modern si mult mai eficient din punct de vedere energetic deoarece variatia presiuni din retea este de cca. 0.2 bar (cea mai ingusta banda de presiune cunoscuta in tehnica aerului comprimat).

Recunoasterea tendintei nu se bazeaza pe cresterea si scaderea de presiune pe termen scurt intr-o perioada stabilita, ci se urmareste profilul consumului din sistem dupa cuplarea unui compresor si apoi se trag concluziile corespunzatoare pentru selectionarea urmatorului compresor.

Mentinerea nivelului de presiune in banda de presiune cu variatie intre 6.6 – 6.8 bar poate fi realizat numai printr-un control inteligent al compresoarelor cu recunoasterea tendintei, astfel incat debitul de aer furnizat sa fie adaptat la cererea variabila de aer comprimat si cu impact maxim in ceea ce priveste eficienta energetica.

Recunoasterea tendintei, care functioneaza cu o acuratete intre 0.01 si 0.03 bar, este actualizata continuu, permitand controlerului sa coordoneze compresoarele (pana la 16 compresoare in acelasi timp) cu diferente de presiune minime intre cuplare si decuplare, chiar si in conditiile unei cereri extrem de fluctuante.

Optimizarea retelei de distributie aer comprimat

Urmarindu-se schemele instalatiilor de aer comprimat, se pot identifica consumatorii finali de aer comprimat, precum si numarul acestora pentru dimensionarea optima a retelei de distributie aer comprimat.

Se impune urmarirea fiselor tehnice ale consumatorilor finali pentru determinarea presiunii optime de functionare, astfel incat nivelul presiunii din reteaua de aer comprimat sa fie coborat la valoarea minima necesara.

Masura va conduce la reducerea consumului de energie electrica ca urmare a reducerii presiunii de operare.

De asemenea, exista situatii cand o parte din consumatori utilizeaza nivele diferite de presiune.

Functie de ponderea numarului de consumatori ce utilizeaza un anumit prag al presiunii, solutia cea mai avantajoasa este sa se utilizeze un nivel redus al presiunii la producere (cca 6.7 bar), iar acolo unde este nevoie (la big-blastere), trebuie sa se aiba in vedere obtinerea aerului comprimat la presiune ridicata din cel aflat la presiune joasa cu un compresor ridicator local (booster).

Astfel, pentru aplicarea acestei masuri este necesar sa se instaleze un booster cu puterea de 2.2 kW dupa rezervorul tampon, acesta avand posibilitarea de a ridica presiunea de la 6.7 bari la maxim 15 bari, capacitatea fiind de cca. 560 litri/minut (parametri ce satisfac consumul de aer la nivelul big-blasterelor).

Aceste masuri de optimizare a retelei de distributie vor conduce la scaderea pierderilor de presiune din retea, de la 1 – 1.2 bar (cadere existenta) la cca. 0.2 – 0.3 bar.

Masura, in situatia actuala a pragului de presiune, presupune reducerea nivelului de presiune de la 7.5 – 7.9 bar din retea la 6.7 bar printr-un control inteligent in banda de presiune cu recunoasterea tendintei de consum aer comprimat.

Reducerea consumului de energie electrica va fi cu cca. 10.68% din consumul de energie la nivelul statiilor de compresoare (Statia 1 si 3), iar economiile orare de energie electrica vor fi de cca. 33.53 kWh.

Totodata, implementarea acestui control inteligent al compresoarelor va determina si reducerea pierderilor ca urmare a functionarii in gol a compresoarelor ce functioneaza la varf de sarcina.

Alte recomandari

Intrucat in cadrul statiilor de compresoare nu exista un sistem de monitorizare si urmarire continua a consumurilor de energie electrica, la nivelul compresoarelor de aer trebuie sa se implementeze bucle de masura.

Astfel, adoptarea unui sistem de telegestiune va permite stabilirea unei strategii de abordare a problematicii energetice si functionale la nivel global, in ceea ce priveste reducerea consumurilor energetice asociate intregii instalatii de generare, distributie si consum a aerului comprimat, in conditiile mentinerii parametrilor operationali optimi pentru functionarea sistemului.

Desigur, pe termen lung, procesul devine o componenta esentiala in monitorizarea si controlul costurilor si in evaluarea tehnologiilor si proceselor desfasurate.

Alte avantaje oferite prin implementarea solutiei de monitorizare sunt urmatoarele:

• • Urmarirea parametrilor de consum si distributie, calitatea agentului si a distributiei;

• • Eliminarea pierderilor interne de distributie si a utilizarii ineficiente;

• • Determinarea rapida a disfunctionalitatilor de distributie energetica (masuri in timp real, evitare pierderi);

• • Prevenirea avariilor si analiza incidentelor;

• Cresterea calitatii mentenantei (filtre, lagare etc.). Monitorizarea in timp real a profilelor de presiune permite determinarea presiunii optime de generare si detectia timpurie a pierderilor.

Concluzii

Gestionarea adecvata a unui sistem de aer comprimat nu numai ca reduce semnificativ consumul de energie electrica, dar favorizeaza cresterea productivitatii prin reducerea timpilor morti datorati intretinerii.