Instalacja sprężonego powietrza może działać pozornie prawidłowo, a jednocześnie generować znacznie większe koszty niż powinna. Sprężarki pracujące podczas przestojów, nieszczelności, zbyt wysokie ciśnienie, nadmierne spadki ciśnienia czy niewłaściwe sterowanie często pozostają niezauważone, ponieważ nie powodują natychmiastowego zatrzymania produkcji. Dopiero pomiary pokazują, ile powietrza zakład rzeczywiście potrzebuje i jaka część energii jest tracona.
Audyt sprężonego powietrza polega na analizie produkcji, dystrybucji i zużycia powietrza w całym zakładzie. Jego celem jest wskazanie miejsc generujących straty oraz określenie działań, które pozwolą obniżyć zużycie energii bez pogorszenia parametrów wymaganych przez proces produkcyjny.
Dlaczego warto wykonać audyt sprężonego powietrza?
Sprężone powietrze jest wygodnym i powszechnie stosowanym medium przemysłowym, ale jego wytwarzanie wymaga dużej ilości energii elektrycznej. U.S. Department of Energy wskazuje, że ponad 80% energii dostarczanej do sprężarki ostatecznie jest tracone w postaci ciepła. Z tego względu optymalizacja systemu może przynieść przedsiębiorstwu wymierne korzyści energetyczne i finansowe.
Problem polega na tym, że koszt sprężonego powietrza nie jest widoczny równie łatwo jak zużycie paliwa czy zakup materiałów produkcyjnych. Sprężarka pracuje w tle, a energia elektryczna pojawia się na zbiorczej fakturze zakładu. Trudno więc bez dodatkowych pomiarów odpowiedzieć na pytanie, ile kosztuje dostarczenie konkretnej ilości powietrza do produkcji.
Audyt pozwala przejść od przypuszczeń do danych. Można dzięki niemu sprawdzić zarówno stronę podażową, czyli wytwarzanie sprężonego powietrza, jak i stronę popytową, czyli sposób, w jaki powietrze jest wykorzystywane przez maszyny i procesy. Takie systemowe podejście jest wskazywane również w opracowaniach DOE dotyczących analizy instalacji sprężonego powietrza.
Jakie sygnały mogą wskazywać, że instalacja wymaga audytu?
Nie trzeba czekać na awarię sprężarki, aby zainteresować się efektywnością systemu. Często wcześniej pojawiają się symptomy świadczące o tym, że instalacja nie pracuje optymalnie.
Powodem do przeprowadzenia szczegółowej analizy mogą być między innymi:
- rosnące zużycie energii bez proporcjonalnego wzrostu produkcji,
- częste uruchamianie sprężarek podczas przerw i po zakończeniu zmian,
- spadki ciśnienia przy uruchamianiu określonych maszyn,
- konieczność ciągłego podnoszenia ciśnienia w sprężarkowni,
- częste przechodzenie sprężarek między stanem obciążenia i biegu jałowego,
- planowana rozbudowa zakładu lub zakup kolejnej sprężarki,
- problemy z jakością sprężonego powietrza.
Szczególnie interesująca jest sytuacja, w której pracownicy zgłaszają „brak powietrza”, mimo że łączna wydajność sprężarek teoretycznie powinna być wystarczająca. Przyczyną nie musi być zbyt mała moc urządzeń. Problem może leżeć w sieci przesyłowej, spadkach ciśnienia, chwilowych szczytach poboru lub dużych nieszczelnościach.
W takiej sytuacji zakup większej sprężarki bez wcześniejszych pomiarów może jedynie zwiększyć koszty funkcjonowania systemu.
Od czego zaczyna się audyt instalacji sprężonego powietrza?
Pierwszym etapem powinno być poznanie sposobu działania zakładu. Trzeba ustalić, jakie urządzenia wytwarzają powietrze, jak wygląda sieć dystrybucyjna oraz gdzie znajdują się najważniejsze odbiorniki.
Istotny jest również harmonogram produkcji. Instalacja może zachowywać się zupełnie inaczej podczas pierwszej i drugiej zmiany, w weekend albo w okresie maksymalnego obciążenia linii.
Dlatego już na początku warto zebrać informacje dotyczące:
sprężarek → zbiorników → osuszaczy → filtrów → magistrali → odbiorników → godzin pracy → zmian produkcyjnych.
Dopiero zestawienie tych informacji z rzeczywistymi pomiarami daje pełny obraz instalacji.
Według opracowania DOE kompleksowa analiza powinna obejmować zarówno produkcję i zużycie sprężonego powietrza, jak i zależności pomiędzy stroną podażową oraz popytową systemu.
Pomiar przepływu pokazuje rzeczywiste zapotrzebowanie zakładu
Jednym z najważniejszych parametrów jest przepływ sprężonego powietrza. Informuje on, jak dużo powietrza zakład zużywa w określonym czasie.
Pojedynczy odczyt nie zawsze jest jednak wystarczający. Znacznie większą wartość daje rejestrowanie parametrów przez dłuższy okres, obejmujący różne zmiany produkcyjne, postoje i szczyty zapotrzebowania.
Na podstawie takich danych można stworzyć profil zużycia i odpowiedzieć na pytania:
- jakie jest średnie zapotrzebowanie zakładu,
- jak wysokie są chwilowe szczyty poboru,
- jak długo utrzymuje się maksymalne zapotrzebowanie,
- ile powietrza zużywane jest poza godzinami produkcji,
- czy obecne sprężarki odpowiadają rzeczywistemu profilowi pracy.
Ma to duże znaczenie przy planowaniu modernizacji. Sprężarka dobrana wyłącznie pod maksymalne chwilowe zapotrzebowanie może przez większość czasu pracować w niekorzystnych warunkach częściowego obciążenia.
Pomiary ciśnienia pozwalają znaleźć problemy w instalacji
Sam pomiar ciśnienia przy sprężarce mówi niewiele o tym, co dzieje się na końcu sieci. Dlatego podczas audytu warto analizować ciśnienie w kilku punktach instalacji.
Pozwala to określić, gdzie pojawiają się spadki ciśnienia oraz czy wynikają one z niewłaściwej średnicy przewodów, zabrudzonych filtrów, osuszaczy, armatury albo chwilowego wysokiego poboru.
Jeżeli sprężarka pracuje przykładowo z wyższym ciśnieniem tylko po to, aby na najdalszym stanowisku utrzymać wymagane minimum, warto znaleźć źródło strat zamiast jeszcze bardziej zwiększać ciśnienie całego systemu.
Obniżanie niepotrzebnie wysokiego ciśnienia jest jednym z podstawowych działań zalecanych przy poprawie efektywności instalacji. DOE wymienia je wśród pięciu najważniejszych sposobów ograniczania zużycia energii w systemach sprężonego powietrza.
Audyt nieszczelności może ujawnić dużą część strat
Wycieki są jednym z najbardziej oczywistych, ale jednocześnie często lekceważonych problemów instalacji pneumatycznych. Powietrze może uciekać przez złączki, przewody, szybkozłącza, zawory, uszczelnienia oraz elementy samych maszyn.
W dużym zakładzie ręczne wyszukiwanie wycieków „na słuch” jest niewystarczające. Dlatego wykorzystuje się między innymi detekcję ultradźwiękową, pozwalającą lokalizować przecieki także w głośnym otoczeniu przemysłowym.
Dobry program ograniczania nieszczelności nie powinien kończyć się na wykryciu miejsca wycieku. Warto określić jego skalę, koszt oraz priorytet naprawy.
Przykładowo trzy małe przecieki w rzadko używanej części instalacji mogą mieć mniejsze znaczenie ekonomiczne niż jeden duży wyciek znajdujący się w magistrali pozostającej pod ciśnieniem przez całą dobę.
DOE wskazuje redukcję nieszczelności jako jedno z podstawowych działań pozwalających poprawić efektywność systemu sprężonego powietrza.
Co mówi pobór powietrza podczas postoju produkcji?
Bardzo cennych informacji może dostarczyć pomiar wykonany wtedy, gdy zakład nie produkuje.
Jeżeli maszyny są zatrzymane, a sprężarka nadal regularnie przechodzi w stan obciążenia, oznacza to, że gdzieś w instalacji występuje pobór powietrza. Jego źródłem mogą być nieszczelności albo odbiorniki, które nie zostały odcięte od sieci.
Porównanie zużycia:
podczas normalnej produkcji
z
zużyciem podczas nocy lub weekendu
pozwala oszacować, jaka część wytwarzanego powietrza nie jest bezpośrednio związana z procesem produkcyjnym.
W niektórych przedsiębiorstwach już samo zastosowanie automatycznych zaworów odcinających wybrane sekcje instalacji poza godzinami pracy może ograniczyć niepotrzebny pobór.
Audyt powinien obejmować również sposób pracy sprężarek
Nie wystarczy sprawdzić, czy zainstalowane kompresory mają odpowiednią moc. Trzeba również zobaczyć, jak rzeczywiście pracują.
W układzie z kilkoma sprężarkami może dochodzić do sytuacji, w której urządzenia nie są właściwie zsynchronizowane. Jedna sprężarka zwiększa wydajność, druga przechodzi na bieg jałowy, a kolejna uruchamia się mimo niewielkiego wzrostu zapotrzebowania.
Dlatego podczas audytu analizuje się m.in.:
czas pracy → obciążenie → bieg jałowy → liczbę uruchomień → pobór energii → zmiany ciśnienia.
Na tej podstawie można ocenić możliwość poprawy sterowania, wykorzystania regulatora nadrzędnego, zmiany konfiguracji urządzeń albo zastosowania sprężarki o regulowanej wydajności.
DOE zwraca uwagę, że poprawa systemu magazynowania powietrza oraz sterowania sprężarkami jest jednym z kluczowych elementów zwiększania efektywności energetycznej.
Nie każde zastosowanie sprężonego powietrza jest ekonomicznie uzasadnione
Audyt nie powinien ograniczać się do sprężarkowni. Czasami największe oszczędności znajdują się przy samych maszynach.
W zakładach sprężone powietrze może być wykorzystywane do chłodzenia, suszenia, przedmuchu, czyszczenia lub usuwania odpadów. W niektórych aplikacjach można ograniczyć jego zużycie poprzez sterowanie czasowe, czujniki obecności produktu, odpowiednie dysze albo zastosowanie alternatywnej technologii.
Przedmuch działający bez przerwy przez osiem godzin może zużywać wielokrotnie więcej powietrza niż taki sam proces uruchamiany wyłącznie wtedy, gdy przejeżdża konkretny detal.
Dlatego jednym z elementów audytu powinno być pytanie nie tylko:
„Ile powietrza zużywa ta maszyna?”
ale również:
„Czy musi zużywać je przez cały czas i czy w ogóle sprężone powietrze jest tutaj najlepszym medium?”
Eliminowanie nieuzasadnionych zastosowań sprężonego powietrza znajduje się na pierwszym miejscu listy kluczowych działań efektywnościowych publikowanej przez DOE.
Jak połączyć pomiary energii z produkcją sprężonego powietrza?
Sam pomiar przepływu nie mówi jeszcze, czy system jest ekonomiczny. Potrzebna jest również informacja o zużyciu energii elektrycznej przez sprężarki.
Zestawiając pobór energii z ilością wytwarzanego powietrza można ocenić, ile energii potrzebuje system do produkcji określonej ilości sprężonego powietrza.
To pozwala porównywać:
- poszczególne sprężarki,
- różne konfiguracje pracy,
- sytuację przed i po modernizacji,
- wydajność instalacji w różnych okresach produkcyjnych.
W praktyce nie zawsze najbardziej energooszczędne jest urządzenie o najwyższej sprawności katalogowej. Duże znaczenie ma to, w jakim zakresie obciążenia pracuje oraz jak współpracuje z pozostałymi elementami systemu.
Dlatego decyzje inwestycyjne warto podejmować na podstawie rzeczywistego profilu pracy zakładu, a nie wyłącznie parametrów katalogowych.
Dobry audyt powinien kończyć się listą działań, a nie samymi pomiarami
Zebranie dużej ilości danych nie jest jeszcze celem audytu. Najważniejszym rezultatem powinna być odpowiedź na pytanie: co należy zmienić i w jakiej kolejności?
Raport powinien rozdzielać działania według ich znaczenia ekonomicznego. Część zmian może praktycznie nie wymagać inwestycji, podczas gdy inne będą wiązały się z modernizacją infrastruktury.
Przykładowa hierarchia może wyglądać następująco:
- działania natychmiastowe – usunięcie dużych nieszczelności, korekta ustawień, odłączenie zbędnych odbiorników;
- działania organizacyjne i serwisowe – program kontroli wycieków, wymiana filtrów, zmiana harmonogramu pracy urządzeń;
- modernizacja systemu – przebudowa fragmentów rurociągu, poprawa magazynowania powietrza, zmiana sterowania;
- inwestycje w nowe urządzenia – zakup lub wymiana sprężarek dopiero wtedy, gdy wynika to z rzeczywistych danych.
Takie podejście pozwala uniknąć sytuacji, w której przedsiębiorstwo rozpoczyna optymalizację od najdroższego rozwiązania.
Audyt może pomóc również przed zakupem nowej sprężarki
Moment planowanej wymiany lub rozbudowy sprężarkowni jest jednym z najlepszych momentów na przeprowadzenie pomiarów.
Bez audytu łatwo przyjąć, że nowe urządzenie powinno mieć co najmniej taką samą lub większą wydajność niż dotychczasowa sprężarka. Tymczasem istniejący system może być przewymiarowany, nieszczelny albo pracować przy niepotrzebnie wysokim ciśnieniu.
Po usunięciu strat rzeczywiste zapotrzebowanie może okazać się znacznie niższe.
Z drugiej strony analiza może wykazać, że problemem nie jest sama wydajność sprężarki, lecz np. niewystarczająca pojemność zbiorników, zbyt mała średnica przewodu doprowadzającego powietrze do konkretnej części hali albo źle skonfigurowane sterowanie.
Dlatego audyt wykonany przed inwestycją zmniejsza ryzyko zakupu urządzenia o niewłaściwych parametrach.
Audyt jako element kompleksowej optymalizacji instalacji
W praktyce największe efekty przynosi spojrzenie na instalację jako jeden system. Sprężarka, uzdatnianie, sieć przesyłowa i maszyny końcowe wzajemnie na siebie wpływają.
Przykładem firmy oferującej takie podejście jest Arbatech, którego zakres działalności obejmuje audyty sprężonego powietrza, diagnostykę i pomiary, projektowanie układów pneumatycznych, montaż urządzeń oraz optymalizację energooszczędności. Firma zapewnia również serwis sprężarek i dostarcza kompletne rozwiązania z zakresu sprężonego powietrza oraz gazów technicznych.
Połączenie audytu z wiedzą dotyczącą całego systemu ma znaczenie, ponieważ problem wykryty podczas pomiarów nie zawsze wymaga wymiany sprężarki. Rozwiązaniem może być zmiana sposobu sterowania, przebudowa fragmentu instalacji, usunięcie spadków ciśnienia albo poprawa serwisu.
Dopiero gdy analiza wskazuje, że obecne urządzenia nie odpowiadają rzeczywistemu profilowi zapotrzebowania, można odpowiedzialnie planować modernizację sprężarkowni.
Czy audyt sprężonego powietrza może się realnie opłacić?
Korzyści zależą oczywiście od kondycji konkretnej instalacji, skali zakładu i czasu pracy sprężarek. Nie istnieje więc jeden uniwersalny procent oszczędności możliwy do osiągnięcia w każdym przedsiębiorstwie.
Przykłady przemysłowe pokazują jednak, że potencjał może być znaczący. W opisanym przez amerykański program Better Plants projekcie zakładu Waupaca Foundry przeprowadzona analiza systemu i późniejsza optymalizacja pozwoliły między innymi ograniczyć ciśnienie, poprawić zarządzanie wyciekami oraz lepiej dopasować produkcję sprężonego powietrza do harmonogramu zakładu. Projekt przyniósł redukcję zużycia energii elektrycznej o około 1,1 mln kWh rocznie i był jednym z elementów szerszej modernizacji energetycznej obiektu.
Nie należy oczywiście przenosić takich wyników bezpośrednio na każdy zakład. Pokazują one jednak, dlaczego analiza systemowa może być bardziej wartościowa niż pojedyncza wymiana urządzenia na nowszy model.
Audyt sprężonego powietrza powinien prowadzić do konkretnych decyzji
Najważniejszą wartością audytu nie jest samo znalezienie przecieków czy wykonanie wykresu ciśnienia. Jest nią poznanie rzeczywistego sposobu funkcjonowania systemu i wskazanie działań o największym potencjale ekonomicznym.
Pomiary przepływu, energii i ciśnienia pozwalają sprawdzić, kiedy instalacja pracuje efektywnie, gdzie występują straty oraz jak duże jest rzeczywiste zapotrzebowanie zakładu. Na tej podstawie można zdecydować, czy priorytetem powinno być uszczelnienie sieci, zmiana ciśnienia, modernizacja sterowania, przebudowa infrastruktury czy wymiana urządzeń.
W efekcie dobrze wykonany audyt pomaga nie tylko ograniczyć koszt produkcji sprężonego powietrza, ale również zwiększyć stabilność instalacji, lepiej przygotować zakład do przyszłej rozbudowy i podejmować decyzje inwestycyjne na podstawie danych zamiast przypuszczeń.
