Пневматика таит в себе огромные резервы энергосбережения. Как их использовать?

Сжатый воздух находит широкое применение в решении самых разных задач, среди которых промышленная автоматизация занимает важнейшее место. Основная доля сжатого воздуха (до 60%) используется для приведения в действие исполнительных механизмов. Весьма затратными по потреблению воздуха являются операции обдува, на которые затрачивается около 10% всего произведенного сжатого воздуха. Наряду с полезными затратами имеют место потери сжатого воздуха, достигающие, по некоторым оценкам, 30%. Количество сжатого воздуха, потребляемого современным промышленным предприятием, настолько велико, что затраты электроэнергии на его производство могут достигать 20% от общего энергопотребления. В русле общей борьбы за энергосбережение сокращение этих затрат становится весьма актуальной задачей.

Энергосбережение в использовании сжатого воздуха может осуществляться следующими путями:

– сокращение прямых затрат электроэнергии на работу пневмооборудования,
– сокращение потребления сжатого воздуха и, соответственно, затрат электроэнергии на его производство,
– повышение эффективности использования энергии, затрачиваемой на производство сжатого воздуха, в том числе ограничение уровня давления в пневмосистеме и снижение потерь давления.

В последнее время многие предприятия проявляют заинтересованность в выявлении путей энергосбережения в своих конкретных условиях. Для этого проводятся специальные исследования пневмосистем предприятий (пневмоаудиты). У SMC в России уже накоплен определенный опыт таких исследований.

Ключом к оценке величины неиспользованных резервов и эффективности предлагаемых мер по энергосбережению является определение стоимости одного кубометра сжатого воздуха на предприятии. Для этого сумму годовых затрат, связанных с производством сжатого воздуха, делят на его количество, произведенное за год. Затраты складываются из следующего:

– стоимости электроэнергии, потребленной за год (компрессором, охладителем, осушителем и другим оборудованием, относящимся к системе производства сжатого воздуха),
– суммы расходов на техническое обслуживание оборудования за год,
– суммы текущих эксплуатационных расходов (содержание помещения, трубопроводов и т. п.),
– годовой суммы амортизационных отчислений (нормативный срок полезного использования компрессоров составляет 5 – 7 лет).

Структура затрат определяется конкретными условиями. Ее примерный вид показан на рис. 1.

Самую большую долю затрат составляет оплата электроэнергии, потребленной компрессором. Эта сумма определяется двумя основными факторами:

– энергией, вкладываемой в сжатие 1 м3 воздуха, зависящей от давления нагнетания (рис. 2),
– стоимостью киловатт-часа электроэнергии.

Так, при стоимости киловатт-часа 3 руб. и давлении нагнетания 7 бар затраты на электроэнергию, необходимую для производства 1 м3 сжатого воздуха, составляют 0,3 руб. Это нижняя граница диапазона стоимости кубометра воздуха, когда не учитываются стоимость оборудования и затраты на эксплуатацию. В действительности с учетом остальных статей затрат суммарная стоимость 1 м3 сжатого воздуха превышает "электрическую" составляющую в 1,5 – 2 раза. Таким образом, стоимость сжатого воздуха составляет в среднем 0,5 руб./м3. Конечно, возможны существенные отклонения от этой оценки, связанные с условиями на конкретном предприятии – стоимостью киловатт-часа, стоимостью оборудования, затратами на техобслуживание и т. п.

Вооружившись этими данными, можно оценить масштабы убытков, связанных с утечками воздуха. Рассмотрим конкретный пример из практики пневмоаудитов – линию упаковки косметической продукции, состоящую из шести машин. На рис. 3 показана запись расхода сжатого воздуха, поступающего в линию.

На диаграмме четко видны два режима работы линии:

1. Линия работает, при этом пиковые значения расхода воздуха достигают 6 – 7 м3/мин.
2. Линия стоит, при этом она потребляет около 1 м3/мин.

Согласно документации, потребление воздуха машинами в режиме останова должно равняться нулю. В действительности даже остановленная линия непрерывно потребляет сжатый воздух, что объясняется утечками. Потери воздуха происходят в соединениях, в клапанах отвода конденсата, в изношенных пневмораспределителях и исполнительных механизмах. Так, среднее измеренное потребление одной из машин этой линии оказалось в 2,4 раза выше, чем указанное в документации. В отключенном состоянии машина потребляет воздух в количестве 170% от проектного рабочего потребления. Годовые убытки, обусловленные утечками в данной упаковочной линии, достигают 260 тысяч рублей, а на крупном предприятии могут работать десятки подобных линий. Идеальным решением проблемы является полное устранение утечек, к чему, конечно, следует стремиться. Однако достичь этой цели не всегда удается, поэтому можно частично сократить объем утечек, отсекая подачу воздуха во временно неработающие ветви пневмосети. Так, при установке отсечных клапанов на входах машин упаковочной линии срок их окупаемости составил всего 2,5 месяца.

Наряду с сокращением потребления важным путем энергосбережения является повышение эффективности использования энергии сжатого воздуха. Обычно требуемое давление воздуха на выходе компрессора определяется как максимальное из давлений, необходимых потребителям, плюс потери давления в пневмолиниях. Вспомним, что стоимость сжатого воздуха зависит от давления нагнетания (см. рис. 2). Так, снижение давления с 7 до 6 бар сокращает расход электроэнергии на 10%. С точки зрения энергосбережения, давление, создаваемое компрессором, должно быть минимально необходимым. Нередки случаи, когда общему снижению давления в пневмосети препятствует небольшое число потребителей, работающих на более высоком давлении. Если доля потребляемого ими воздуха невелика, давление в пневмосети можно снизить, снабдив этих потребителей локальными усилителями давления VBA.

В примере, показанном на рисунке, давление в сети снижено с 6 до 3 бар, что сократило затраты электроэнергии на сжатие воздуха на 30%. Единственный потребитель, которому необходимо давление 6 бар, получает его от усилителя. Этот путь энергосбережения требует расчетного обоснования. Дело в том, что снижение давления, с одной стороны, уменьшает удельные энергозатраты на сжатие воздуха, с другой – увеличивает потребление сжатого воздуха, т. к. часть расхода используется на собственные нужды усилителя. Для поиска оптимального решения, обеспечивающего максимальную эффективность, можно применить, например, компьютерную программу SMC Energy Saving.

Минимизация давления в пневмосети подразумевает также сведение к минимуму потерь давления в пневмолиниях. Размеру трубопровода соответствует определенная максимально допустимая расходная нагрузка, и ее превышение приводит к неоправданным потерям. Так, одна из машин вышеупомянутой упаковочной линии соединялась с общей пневмомагистралью трубой ½”. При рабочем расходе, составляющем 1,9 м3/мин, потери давления в этой трубе достигали 1,1 бар.

Такие значительные потери давления не позволяют снизить давление в магистрали и ограничивают возможности энергосбережения. Переход на трубу ¾” сократил потери давления в 8 раз. Следует отметить, что диаметр трубопровода d является наиболее мощным фактором, влияющим на потери давления Δp: Δp ~ 1/d5

Существенным фактором энергосбережения является подготовка сжатого воздуха. Загрязнения, содержащиеся в сжатом воздухе, негативно воздействуют на оборудование: ускоряется износ уплотнений, отложения твердых частиц препятствуют полному закрытию клапанов, в том числе в устройствах отвода конденсата, скопившийся в трубах конденсат вынуждает персонал открывать дренажные клапаны для его сброса либо держать их постоянно приоткрытыми – все это сопровождается утечками сжатого воздуха. Быстрое загрязнение фильтров приводит к повышенным потерям давления, что снижает эффективность использования энергии. Неисправность осушителей способствует не только появлению конденсата в пневмосети, но и неоправданному расходу энергии на их кажущуюся работу. Так, по данным, накопленным в ходе выполненных на разных предприятиях пневмоаудитов, 7 (семь!) из 10 работающих рефрижераторных осушителей в действительности не снижают точку росы, в то время как персонал считает их исправными. Качественная и рациональная подготовка сжатого воздуха является обязательным и важнейшим пунктом в списке мер по энергосбережению.

Промышленная пневматика таит в себе огромные неиспользованные резервы энергосбережения. Выше рассмотрена лишь часть из них. Суммируя сказанное, можно сформулировать меры, направленные на существенное сокращение энергозатрат в пневмосистемах:

- Снижение давления в пневмосети до необходимого минимума.
- Фильтрация и осушка воздуха.
- Отсечка неработающих участков пневмосетей.
- Использование только качественных и исправных пневмокомпонентов.
- Выключение обдува, когда он не нужен.
- Периодические проверки потребления сжатого воздуха.
- Снижение утечек, вплоть до их устранения.

Использование резервов энергосбережения способно сохранить предприятию миллионы рублей в год.

Андрей Трофимович, к. т. н., ведущий специалист учебного центра ООО "ЭС ЭМ СИ Пневматик"