Проектирование систем воздухоснабжения с учетом энергосбережения

Проектирование систем воздухоснабжения для предприятий — вопрос на сегодняшний день сложный, но при помощи экспертов компании «ЯКомпрессор» — решаемый. Причем решаемый эффективно, а если быть точным — энергоэффективно. Что это значит? Объясним по порядку.

Введение

Производство сжатого воздуха — это весьма энергоемкий процесс. Энергопотребление для производства сжатого воздуха на промышленных предприятиях может составлять 25–35% и более. По этой причине учитывать энергосбережение при подборе компрессоров и проектировании компрессорных станций обязательно.

Цель энергосберегающего проектирования

Снижение удельного расхода электроэнергии на 1 м³/мин сжатого воздуха;
снижение потерь в трубопроводах и на утечках;
поддержание стабильного давления при минимальном расходе энергии;
повышение общей надежности системы за счет выбора определенных компонентов в составе компрессора.

Подход, опирающийся на эти принципы, позволяет выбрать лучшее решение и минимизировать расходы как электроэнергии, так и других ресурсов при покупке и проектировании.

Основные этапы проектирования

Анализ потребления воздуха

Перед тем как подойти к вопросу выбора оборудования, необходимо сначала определить требования потребителей. Для этого:

определяем пиковые и средние расходы по участкам;
определяем пиковое и среднее рабочее давление;
определяем возможные утечки и спонтанные потери (на обдув и прочие непрогнозируемые расходы).

Все это позволит правильно оценить ситуацию и подобрать компрессорный парк как по мощностям, так и по компоновке техники.

Выбор топологии

Снабжение предприятия сжатым воздухом можно организовать одним из двух способов: централизованная система или децентрализованная.

Централизованная система

Один компрессор, несколько потребителей, магистраль, подходящая к каждому потребителю.

Плюсы:

один компрессор (не забываем, что обязателен резерв);
одна единица, требующая обслуживания;
единое управление.

Минусы:

большие потери при прохождении длинной магистрали;
большой расход электроэнергии в периоды минимального потребления;
сложность регулировки производительности;
зависимость всего предприятия от одной единицы оборудования;
сложность поддержания давления на дальних участках, отсюда — сложная и дорогостоящая геометрия магистрали.

Децентрализованная система

Каждый потребитель или группа потребителей (например, на одном участке предприятия) имеет свой отдельный компрессор в непосредственной близости.

Плюсы:

короткие магистрали, что обеспечивает малые потери производительности и давления;
возможность более точной регулировки параметров компрессора для участка;
в ряде случаев — меньшие затраты на обслуживание и содержание;
при выходе из строя компрессора на участке страдает только этот участок, а не всё предприятие.

Минусы:

большой парк зачастую разных по мощности и даже марке компрессоров, что усложняет их обслуживание, а также закуп и подбор расходников и запасных частей;
чем больше единиц оборудования для обслуживания, тем дороже содержание за счет разных расходных элементов.

Расчет пневмотрассы

Потери в пневмосети могут занимать внушительную долю производительности компрессорной техники. В отдельных случаях такие потери могут достигать 10%, а иногда 20% и более от производительности машин. А это значит, что фраза «деньги на ветер» в такой ситуации обретает живое воплощение.

На что необходимо обратить внимание:

Правильно определить диаметры магистрали. Диаметр определяется по скорости движения потока и по перепаду давления. Необходимо учесть диаметры так, чтобы не страдали потребители, находящиеся на конечной точке магистрали, а также важно обеспечить отсутствие участков, создающих дополнительное сопротивление за счет меньшего сечения трубы, чем требует конкретный компрессор или группа компрессоров.
Минимизировать количество поворотов на 90° и более, а также минимизировать использование тройников. Чем меньше поворотов (особенно на коротких участках), тем меньше сопротивление, а значит — меньше потери.
Предусмотреть естественные уклоны магистрали как для избежания гидрозатворов, так и для упрощения дренирования конденсата.
Использовать кольцевые схемы вместо тупиковых. Это позволит улучшить стабильность давления в трассе и снизит перепады.

Автоматизация компрессорной

Автоматизация компрессорной напрямую влияет на энергопотребление, потому что убирает самые «дорогие» режимы работы: лишние пуски, работу на завышенном давлении, неравномерную нагрузку между агрегатами и простои с бесполезным расходом энергии. На практике это значит, что система начинает подавать ровно столько сжатого воздуха, сколько реально нужно потребителям, и делает это более стабильно.

Как именно возникает экономия

Главный источник потерь в компрессорной — не сам компрессор, а неудачный режим его работы. Если оборудование включают и выключают вручную или управляют им по простым уставкам, давление в сети «гуляет», а компрессоры часто работают не в оптимальной зоне.

Автоматизированный контроллер распределяет нагрузку между машинами так, чтобы один агрегат не «перетягивал» на себя всю работу, а остальные подключались только тогда, когда это действительно нужно.

Еще один важный эффект — снижение давления до минимально достаточного уровня. Даже небольшое завышение давления увеличивает энергозатраты всей системы, потому что компрессор тратит больше энергии на сжатие, а утечки и потери в сети становятся заметнее. Автоматика удерживает давление ближе к целевому значению и не допускает избыточного запаса «на всякий случай».

Что меняет автоматика

Автоматизация компрессорной обычно влияет на энергопотребление через несколько механизмов:

оптимизирует включение и выключение агрегатов;
управляет частотными приводами;
выравнивает наработку между компрессорами;
снижает количество переходных режимов.

Это особенно важно там, где расход воздуха меняется в течение смены или суток: без автоматики компрессоры часто работают либо с недогрузкой, либо с лишними переключениями.

В хорошо настроенной системе центральный контроллер понимает текущий расход, заранее подстраивает производительность и поддерживает стабильное давление в сети. В результате уменьшаются пусковые потери, снижается износ оборудования и становится проще удерживать систему в энергоэффективном режиме.

Что дает это на практике

Для предприятий это выражается не только в экономии электроэнергии, но и в снижении эксплуатационных затрат. По данным поставщиков и отраслевых материалов, автоматизация компрессорной может дать заметную экономию энергии, а в отдельных решениях — до 5–8% и выше, в зависимости от исходного состояния системы. В более развитых схемах диспетчеризации и централизованного управления эффект может быть существенно больше, если раньше компрессорная работала без единой логики управления.

Отдельно стоит учитывать надежность. Когда автоматика удерживает параметры в стабильных пределах, оборудование меньше перегревается, реже уходит в аварийные режимы и дольше сохраняет паспортную эффективность. Для промышленного предприятия это означает не только меньший счет за электричество, но и меньше простоев, меньше внеплановых ремонтов и более предсказуемую работу пневмосети.

Почему это особенно важно в России

Для российских предприятий автоматизация особенно актуальна из-за высокой доли изношенного оборудования, неравномерной загрузки производств и большого разброса условий эксплуатации от региона к региону. На практике многие компрессорные до сих пор проектируются или эксплуатируются с запасом по мощности, но без полноценной оптимизации режимов, и именно здесь автоматизация дает быстрый эффект. Это делает ее одним из самых понятных шагов для снижения энергопотребления без полной перестройки всей системы.

Электродвигатель

Правильный выбор электрического двигателя также позволяет значительно экономить на энергопотреблении, а чем более технологичен двигатель, тем он более надежен.

Стоит обратить внимание на стандарт IE — International Energy-efficiency Class (Международный класс энергоэффективности). Чем выше показатель энергоэффективности двигателя, тем меньше он потребляет электроэнергии. Конечно, такой двигатель дороже стоит, но, как правило, является более надежным.

Какие классы бывают

Существует несколько уровней энергоэффективности двигателя:

IE1 — стандартный класс. У таких двигателей относительно высокие потери энергии, сейчас их уже не рекомендуют для новых установок.
IE2 — высокий класс. Примерно эквивалентен европейскому EFF1 и американскому EPAct (для 60 Гц).
IE3 — премиум-класс. Потери заметно ниже: требования к IE3 устанавливают так, чтобы они были на 15–20% ниже, чем у IE2.
IE4 — повышенный премиум-класс. Технология изготовления и используемые материалы делают такой двигатель еще более экономичным, чем любой из классов ниже.
IE5 — самый высокий класс на сегодняшний день. Это перспективный уровень с еще более низкими потерями, но пока он детально не прописан в стандартах.

Важно при покупке двигателя обратить внимание на то, что если компрессор с частотным преобразователем, то двигатель должен быть предназначен для работы с ним.

Для работы с частотным преобразователем лучше применять двигатели с модификациями (улучшенная изоляция, подшипники, принудительная вентиляция).

Основные требования и почему они важны

Тип двигателя: предпочтительно трехфазный асинхронный (общепромышленный) — он наиболее совместим с ПЧ и широко применяется в приводах.
Класс и состояние изоляции: выход ПЧ дает высокочастотные импульсы и перенапряжения, которые ускоряют старение изоляции; поэтому лучше выбирать двигатели с изоляцией, рассчитанной на работу с ПЧ, или с пропиткой/компаундом для обмоток.
Охлаждение при низких скоростях: при длительной работе на невысокой частоте поток охлаждающего воздуха снижается — требуется принудительная вентиляция или двигатель, рассчитанный на работу при пониженных скоростях.
Подшипники и ЭМС: ПЧ создает импульсные напряжения, которые могут вызывать токи скольжения через ротор/подшипники («гуляющие токи») — рассмотрите защиту подшипников (изоляционные кольца, заземление корпуса) и фильтры ЭМС при необходимости.

Тип сжатия

В винтовых компрессорах на сегодняшний день присутствуют два основных типа сжатия: одноступенчатое и двухступенчатое.

Подробно мы раскрывали этот вопрос в нашей статье «Двухступенчатый винтовой компрессор — особенности, плюсы и минусы». Но коротко затронем его и сейчас.

Одноступенчатое сжатие — это стандартный тип сжатия воздуха в винтовых компрессорах, где используется один винтовой блок (два винта: ведущий и ведомый). Как правило, такие блоки работают в диапазоне от 7 до 16 бар, а сегодня встречаются даже модели с давлением до 30 бар. Этот тип сжатия имеет самое широкое распространение: прост, понятен и относительно стабилен.

Но если перед предприятием стоит задача быть максимально энергоэффективным (а с каждым годом это становится все актуальнее), то здесь вступает в силу двухступенчатый винтовой блок (компрессор винтовой двухступенчатый).

Основное отличие такого блока в том, что он разделен на две отдельные камеры и имеет уже четыре винта. Что это дает потребителю?

В первой камере происходит «первичное» сжатие воздуха до определенного давления;
затем сжатый воздух поступает во вторую камеру сжатия, проходя при этом промежуточную камеру, где охлаждается;
во второй камере воздух «дожимается» до нужного потребителю давления.

За счет чего происходит повышение эффективности? Факторов несколько:

Больший объем камер сжатия при меньшем крутящем моменте. Благодаря распределению нагрузки становится возможным получать больший объем сжатого воздуха, чем при классической системе сжатия.
Промежуточное охлаждение. Известно, что при сжатии воздух нагревается, а чем более холодный воздух поступает на сжатие, тем больший объем горячего воздуха можно получить в итоге. Промежуточное охлаждение добавляет производительности такому блоку. Кроме того, за счет разделения камер сжатия воздух в каждой из них менее горячий, чем в блоке, сжимающем воздух с нуля до, например, 10 бар.

Таким образом, двухступенчатое сжатие позволяет при одинаковой электрической мощности двигателя получить больший объем сжатого воздуха — как минимум на 15%. Это позволяет зачастую использовать для получения нужного объема воздуха двухступенчатый компрессор с двигателем на одну ступень меньше, чем потребовался бы в одноступенчатом компрессоре.

Итоги

Энергоэффективность на сегодняшний день — важнейший параметр для любого производства и даже для любой страны. От того, насколько энергоэффективно производство, зависит себестоимость продукта, а следовательно, и конкурентоспособность вашего товара на рынке.

Поэтому для правильного подбора и проектирования системы воздухоснабжения вашего бизнеса изучайте данную статью и обращайтесь к специалистам «ЯКомпрессор» за детальным подбором. Мы подберем нужный продукт индивидуально под ваши параметры, учитывая условия эксплуатации, пожелания по надежности, энергоэффективности и, конечно, стоимости продукта.