Ниже приводится краткое описание возможных подходов к оптимизации энергоэффективности систем сжатого воздуха (см. разделы 3.7.1–3.7.10). Необходимыми предпосылками для проектирования новой или оптимизации существующей системы сжатого воздуха являются наличие экспертов, обладающих необходимой квалификацией, а также анализ имеющихся потребностей в сжатом воздухе.

Как отмечено в главе 2, методы оптимизации сложных систем должны подбираться и оцениваться для каждого случая исходя из конкретных условий.

Экономические аспекты

Стоимость сжатого воздуха существенно варьирует от одной европейской компании к другой в диапазоне от 0,006 до 0,097 евро/Нм3 (для сравнения, в 2006 г. цены на электроэнергию составляли 0,052 евро/кВт·ч в Финляндии и 0,1714 евро/кВт·ч в Дании: исследование тарифов, выполненное компанией NUS Consulting). Согласно оценкам, 75% себестоимости сжатого воздуха приходится на энергопотребление, тогда как на капитальные затраты приходится лишь 13% себестоимости, а на техническое обслуживание – 12 % (оценка выполнена в предположении времени работы 6000 ч/год на протяжении пяти лет). Столь большая разница в стоимости сжатого воздуха отражает, главным образом, различие между оптимизированными и неоптимизированными системами. Важно принимать во внимание значение этого ключевого фактора при проектировании новых и эксплуатации существующих систем.

Затраты энергии на производство сжатого воздуха выражаются в форме удельного энергопотребления (УЭП), которое в данном случае имеет размерность Вт/Нм3. Для качественно спроектированной в соответствии с потребностями и хорошо эксплуатируемой системы, работающей при номинальной производительности и давлении сжатого воздуха 7 бар, в качестве ориентира может использоваться следующий диапазон (учитывающий различие между различными типами компрессоров):

85 Вт/Нм3 < УЭП < 130 Вт/Нм3 [194, ADEME, 2007]

Величина удельного энергопотребления для конкретной системы сжатого воздуха отражает качество ее проектирования и эксплуатации. Важно знать эту величину и осуществлять ее регулярный мониторинг (см. информацию о сравнительном анализе в разделе 2.16), поскольку она может быстро ухудшиться, приведя к значительному росту затрат на производство сжатого воздуха.

Инициативы по оптимизации энергоэффективности систем сжатого воздуха уже предпринимались странами ЕС и производителями оборудования. Опыт этих инициатив показывает, что продуманное осуществление мероприятий, описываемых в настоящем разделе, приводит к хорошей окупаемости вложений.

Мотивы внедрения

Повышение энергоэффективности в сочетании с коротким периодом окупаемости является значимым мотивом для внедрения методов, обсуждаемых в настоящем разделе (обычные рыночные силы).

Примеры

Широко применяется.

Справочная информация

[190, Druckluft, 191, Druckluft, 193, Druckluft] [168, PNEUROP, 2007, 169, EC, 1993, 194, ADEME, 2007] [189, Radgen&Blaustein, 2001, 196, Wikipedia]

3.7.1. Оптимизация общего устройства системы

Общая характеристика

В настоящее время общее устройство многих действующих систем сжатого воздуха не отвечает существующим условиям работы предприятия. Поэтапное добавление к системе новых компрессоров и потребителей сжатого воздуха без параллельного пересмотра исходного

235

устройства системы в целом часто приводит к тому, что системы работают в условиях, далеких от оптимума.

Одной из важнейших характеристик системы сжатого воздуха является давление, конкретная величина которого определяется рядом требований, зависящих от применения сжатого воздуха. Как правило, эта величина представляет собой компромисс между доводами в пользу низкого давления (более высокая энергоэффективность) и высокого давления (возможность использования меньших и более дешевых устройств). В большинстве случаев потребители используют давление 6 бар (м), однако требования к давлению могут достигать 13 бар (м). Часто давление системы выбирается исходя из максимального давления, необходимого потребителям.

Важно иметь в виду, что слишком низкое давление может привести к нарушению работы некоторых устройств, тогда как слишком высокое давление не вызывает негативных эффектов такого рода, но приводит к снижению эффективности (КПД) системы. Во многих случаях система функционирует при давлении 8 или 10 бар (м), однако при этом большая часть воздуха, подаваемого потребителям, дросселируется до уровня 6 бар (м).

Прогрессивной практикой является выбор давления в системе, удовлетворяющего требованиям потребителей 95% всего воздуха, и установка небольших устройств, повышающих давление, для остальных потребителей. Компания-оператор может попытаться устранить (заменить) устройства, требующие давления выше 6 бар (м), или установить две системы – одну с давлением 6,5 бар (м) и другую, рассчитанную на более высокое давление.

Еще одной важной характеристикой системы является объем резервуаров для хранения сжатого воздуха. Поскольку в большинстве случаев потребителями сжатого воздуха является множество устройств, лишь немногие из которых работают постоянно, потребность в сжатом воздухе подвержена значительным колебаниям. Достаточный объем резервуаров позволяет сглаживать колебания требований к производительности системы и удовлетворять краткосрочные пики спроса (см. раздел 3.7.10).

Сглаживание колебаний потребностей создает условия для более равномерной эксплуатации компрессоров меньшей мощности, что позволяет сократить время простоев и общее потребление электроэнергии. В системе может быть установлено несколько резервуаров. Продуктивным может быть и размещение резервуаров вблизи устройств, отличающихся краткосрочным интенсивным потреблением сжатого воздуха, что позволяет удовлетворять пиковые потребности и эксплуатировать систему при меньшем давлении.

Третьим фундаментальным вопросом, который должен быть решен при проектировании системы, является выбор диаметра трубопроводов и мест расположения компрессоров. Любые затруднения или препятствия для движения воздуха, так же, как и необходимость преодолевать длинные участки труб, приведет к падению давления. Как правило, в распределительных системах наибольшее падение давления имеет место у конечных устройств, где часто встречаются элементы недостаточного размера, включая рукава, трубы, соединения, фильтры, регуляторы и маслораспылители. Снижению фрикционных потерь может способствовать, в частности, использование сварных трубопроводов.

Внекоторых случаях потребление сжатого воздуха на каком-либо участке предприятия постепенно растет по мере развития производства, в результате чего диаметр соответствующего ответвления оказывается недостаточным для возросшего расхода воздуха, что приводит к падению давления. Иногда некоторые устройства, потреблявшие сжатый воздух, выводятся из эксплуатации. В этом случае необходимо отключить максимальный участок трубопровода, ведущий к этому оборудованию, который можно перекрыть, не нанося ущерба действующим потребителям.

Всистеме, спроектированной надлежащим образом, падение давления между компрессором и конечным потребителем составляет менее 10% давления на выходе компрессора. Это может быть достигнуто при помощи: регулярного мониторинга падения давления, выбора осушителей, фильтров, шлангов и соединений, характеризующихся низким падением давления при проектных условиях, сокращения пути, проходимого воздухом в распределительной системе, а также пересчета необходимого диаметра трубопроводов в случае увеличения потребления сжатого воздуха.

236

Часто в категории «общее устройство системы» учитывается и то, как организовано использование воздуха на уровне конечного потребителя. В некоторых случаях такое использование может быть неэффективным – так, воздух может сначала сжиматься до избыточного давления, а потом расширяться, чтобы довести его давление до необходимого. Однако в настоящее время такие ситуации встречаются редко, поскольку в промышленности распространено понимание того, что сжатый воздух представляет собой значительный фактор затрат.

Экологические преимущества

Поддержание общего устройства системы сжатого воздуха на современном уровне позволяет снизить потребление электроэнергии.

Воздействие на различные компоненты окружающей среды

Данных не предоставлено.

Производственная информация

Повышение энергоэффективности может требовать большего количества оборудования более высокого качества (больше труб и фильтров большего размера и т.п.).

Применимость

Энергоэффективность значительной части систем сжатого воздуха, составляющей, согласно оценкам, 50% всех систем, может быть улучшена посредством пересмотра общего устройства системы. При этом за счет снижения давления и подбора оптимальной емкости резервуаров может быть достигнуто среднее энергосбережение в размере 9% общего энергопотребления (в 50% систем), а за счет снижения падения давления в трубопроводах может быть достигнуто энергосбережение в размере 3% от общего потребления (в 50% систем). Таким образом, средний потенциал энергосбережения за счет мер подобного характера составляет 6% = 0,5 · (0,09 + 0,03).

Усовершенствование общего устройства системы может включать также оптимизацию некоторых конечных устройств. Согласно оценкам, за счет этих мер в 5% всех систем можно снизить потребление сжатого воздуха примерно на 40 %. Таким образом, средний потенциал энергосбережения за счет таких мер составляет 2% (т.е. 0,05 · 0,4).

Экономические аспекты и мотивы внедрения

Затраты на пересмотр общего устройства системы сжатого воздуха с последующей корректировкой давления и модернизацией части трубопроводов с трудом поддаются оценке и существенным образом зависят от условий конкретного предприятия. Возможный экономический эффект для системы средней производительности с потребляемой электрической мощностью 50 кВт может составлять:

50 кВт · 3000 ч/год · 0,08 евро/кВт · 10% = 1200 евро/год

При этом затраты на существенную модификацию системы, включая добавление резервуара емкостью 90 л у критически важного потребителя и отсечного клапана на редко используемом ответвлении, замену 20 м труб, а также 10 рукавов и разъединителей составляют около 2000 евро, так что период окупаемости составляет 1,7 года, что является привлекательной величиной. Часто затраты оказываются ниже, поскольку возможно обойтись одной лишь корректировкой давления в системе. Однако в любом случае необходим тщательный анализ системы с целью определения минимально возможного давления, отвечающего требованиям потребителей.

Экономические факторы являются основной движущей силой модернизации систем сжатого воздуха. Вместе с тем, значительным препятствием для этого является недостаток информации и/или квалифицированного персонала, ответственного за работу систем сжатого воздуха. Технический персонал может осознавать, что сжатый воздух является важным фактором затрат, но причины неэффективности могут быть неочевидны, а в распоряжении компании-оператора может не оказаться персонала с достаточной квалификацией и практическим опытом.

Предпринятые в ряде стран ЕС инициативы по распространению информации об энергоэффективности систем сжатого воздуха способствовали принятию соответствующих мер и формированию ситуации, выгодной для всех заинтересованных сторон: компания,

237

эксплуатирующая систему сжатого воздуха, получает возможность снизить затраты, поставщик компрессоров и другого оборудования получает дополнительные доходы от продажи более качественной продукции, а сокращение выбросов, связанных с производством электроэнергии, оказывается благоприятным для окружающей среды.

Примеры

Данных не предоставлено.

Справочная информация

[168, PNEUROP, 2007, 194, ADEME, 2007]

3.7.2. Использование приводов с переменной скоростью

Общая характеристика

Компрессоры оборудуются приводами с переменной скоростью (см. раздел 3.6.3), главным образом, в условиях, когда потребности в сжатом воздухе существенно варьируют в течение дня и от одного дня к другому. Для управления работой компрессоров могут использоваться такие традиционные подходы, как включение/отключение, модуляция, регулирование производительности и т.п. Однако если использование подобных методов приводит к частым включениям и отключениям, а также длительным периодам холостого хода, результатом может быть снижение энергоэффективности. При использовании привода с переменной скоростью частота вращения электропривода компрессора плавно регулируется в зависимости от изменения потребности в сжатом воздухе, обеспечивая высокий уровень энергоэффективности.

По данным исследований, большинство систем сжатого воздуха характеризуется средними или значительными вариациями потребления. Поэтому существует значительный потенциал энергосбережения за счет оснащения компрессоров приводами переменной скорости.

Экологические преимущества

Энергосбережение.

Воздействие на различные компоненты окружающей среды.

Отсутствует.

Производственная информация

Испытания, проведенные в независимой лаборатории, продемонстрировали высокий уровень энергосбережения в условиях, моделирующих типичные колебания потребления сжатого воздуха на производстве. Оснащение компрессоров приводами с переменной скоростью может обеспечить и ряд других положительных эффектов, помимо энергосбережения:

•достигается высокая стабильность давления воздуха, что является существенным для некоторых технологических процессов, чувствительных к этому параметру;

•коэффициент мощности значительно выше, чем при использовании традиционных приводов, что способствует снижению реактивной мощности;

•пусковой ток двигателя никогда не превышает ток его полной нагрузки. Как следствие, в электрических цепях можно использовать элементы, рассчитанные на меньший номинальный ток. Кроме того, пользователи могут избежать штрафов за пиковые уровни тока во время запуска двигателей, если такие штрафы взимаются энергетической компанией. Наконец, отсутствие резких пиков тока при пуске двигателя автоматически ведет к снижению потребления энергии;

•плавный пуск на низких скоростях, обеспечиваемый приводом с переменной скоростью, позволяет избежать пиков тока и крутящего момента, что ведет к снижению механического износа оборудования и электрической нагрузки, способствуя продлению срока службы компрессора;

•снижаются уровни шума, поскольку компрессор работает лишь тогда, когда это необходимо, с необходимой производительностью.

238