Энергозатраты на производство сжатого воздуха: основные причины
Производство сжатого воздуха требует значительного количества электроэнергии из-за работы компрессоров, поддержания необходимого давления, потребления оборудования подготовки воздуха и особенностей распределительной сети. Дополнительные затраты могут возникать при длительной работе компрессоров на холостом ходу, нерациональном управлении загрузкой и потерях воздуха между компрессорной станцией и потребителями.
Чтобы определить причину высокого энергопотребления, необходимо рассчитать удельные затраты электроэнергии на производство единицы объёма сжатого воздуха при заданном давлении. Для этого используют архивы электропотребления компрессорной, данные о выработке воздуха, фактическое давление и режимы загрузки оборудования.
Высокий расход электроэнергии не всегда указывает на утечки. Он может быть обусловлен необходимым технологическим давлением или фактической потребностью производства. Поэтому анализ должен разделять затраты на компрессию, холостой ход, подготовку воздуха и возможные потери в распределительной сети.
Из чего складываются энергозатраты системы сжатого воздуха
Компрессорная система обеспечивает подачу воздуха с давлением, необходимым для работы технологических потребителей. При этом электрическая энергия расходуется не только непосредственно на сжатие.
Для анализа выделяют четыре составляющие:
- Компрессия. Электроэнергия, необходимая для сжатия воздуха до рабочего давления и обеспечения требуемой производительности.
- Холостой ход. Энергопотребление компрессора в режиме, когда он продолжает работать, но не обеспечивает соответствующую полезную выработку воздуха.
- Подготовка воздуха. Затраты на осушку и другое оборудование, обеспечивающее требуемое состояние сжатого воздуха.
- Распределение. Влияние потерь воздуха и условий его подачи от компрессорной станции к конечным потребителям.
Эти составляющие необходимо различать, поскольку они имеют разные причины и требуют разных технических проверок.
Например, повышенное потребление компрессорной может быть связано с необходимостью поддерживать высокое давление. В другой ситуации компрессор расходует электроэнергию во время низкой производственной нагрузки, оставаясь в режиме холостого хода. Одинаковые суммарные показания счётчика не позволяют разграничить эти причины без дополнительных данных.
Как рассчитать удельное энергопотребление компрессорной
Основной показатель для оценки — количество электрической энергии, затраченной на производство определённого объёма сжатого воздуха.
Удельное энергопотребление рассчитывают по формуле:
e = E / V,
где:
- e — удельные затраты электроэнергии, кВт·ч/м³;
- E — потребление электроэнергии компрессорной за рассматриваемый период, кВт·ч;
- V — объём произведённого сжатого воздуха за тот же период, м³, приведённый к установленным условиям измерения.
При сравнении необходимо указывать давление, при котором обеспечена выработка. Удельные затраты при различных рабочих давлениях нельзя напрямую использовать для оценки эффективности без соответствующего учёта условий.
Условный пример. За сутки компрессорная израсходовала 2 400 кВт·ч электроэнергии и произвела 12 000 м³ воздуха в установленной базе объёмного учёта.
Удельный расход составит:
e = 2 400 / 12 000 = 0,20 кВт·ч/м³.
Полученное значение характеризует рассматриваемую систему в конкретном режиме. Оно не показывает автоматически, какая часть электроэнергии затрачена избыточно.
Для интерпретации необходимо знать рабочее давление, загрузку компрессоров и состав оборудования, потребление которого включено в показатель E.
Какие исходные данные необходимы для анализа
Главные источники — архивы электропотребления компрессорной и выработки воздуха. Их сопоставляют с фактическим давлением, режимами загрузки, схемой подготовки и перечнем потребителей сжатого воздуха.
| Исходные данные | Что позволяют установить |
|---|---|
| Архив электропотребления | Количество электроэнергии, израсходованной системой за выбранный период |
| Архив выработки воздуха | Объём воздуха, произведённого за тот же период |
| Рабочее давление | Условия, при которых компрессоры обеспечивают требуемую подачу |
| Загрузка и режимы компрессоров | Соотношение работы под нагрузкой, разгрузки и холостого хода |
| Схема подготовки воздуха | Состав оборудования осушки и других узлов обработки |
| Схема распределения и потребители | Границы подачи воздуха и технологическую потребность |
Принципиально важно согласовать временные интервалы. Если электрическая энергия зарегистрирована за полные сутки, а объём воздуха — только за рабочую смену, рассчитанный удельный показатель будет завышен.
Кроме того, необходимо установить, какое оборудование охватывает электрический счётчик. Если он учитывает компрессоры вместе с осушителями, результат характеризует более широкую систему, чем показатель, рассчитанный только по электрической энергии компрессорных агрегатов.
Почему рабочее давление влияет на расход электроэнергии
Для сжатия воздуха необходимо затратить механическую работу. При прочих сопоставимых условиях увеличение требуемого давления повышает энергетическую нагрузку процесса компрессии.
Поэтому компрессорная, обеспечивающая более высокое давление, может расходовать больше электроэнергии на единицу произведённого воздуха.
Но из этого не следует, что давление необходимо уменьшить. Его величина может определяться технологическими требованиями оборудования-потребителя.
Например, если производственный процесс требует определённого минимального давления, уменьшение уставки ниже этого уровня способно нарушить работу оборудования. Формально снизившееся потребление компрессоров в таком случае не является допустимой экономией.
Для технического решения сопоставляют фактическое давление компрессорной и требования потребителей. Если давление выше необходимого, можно проверить возможность его корректировки. Если оно соответствует подтверждённой технологической потребности, высокий расход следует объяснять с учётом этой нагрузки.
Высокое давление и утечки — разные возможные причины энергетических затрат. Нельзя объявлять повышенный расход доказательством негерметичности без проверки давления, объёма воздуха и режимов компрессоров.
Как холостой ход увеличивает удельные затраты
Некоторые компрессоры после разгрузки продолжают работать, потребляя электрическую энергию без соответствующей выработки сжатого воздуха.
Такой режим может быть предусмотрен алгоритмом управления. Однако его продолжительность влияет на удельное энергопотребление всей компрессорной.
Особенно заметно влияние холостого хода при низкой нагрузке. Например, ночью потребители используют меньше сжатого воздуха, но компрессор продолжает работать с чередованием коротких периодов загрузки и более продолжительных периодов разгрузки.
В результате суммарное электропотребление уменьшается не пропорционально снижению выработки. Расход электроэнергии на один кубометр воздуха может увеличиться.
Для проверки сопоставляют:
- объём выработки воздуха в дневные и ночные периоды;
- электропотребление за соответствующие интервалы;
- продолжительность работы компрессоров под нагрузкой и на холостом ходу.
Если удельный расход ночью существенно возрастает, необходимо установить, связано ли это с увеличением доли холостого хода. Один график электрической мощности без сведений о выработке и режимах не позволяет подтвердить такую причину.
После подтверждения можно рассмотреть допустимую корректировку алгоритма управления. При этом необходимо сохранять требуемое давление и надёжность снабжения потребителей.
Как осушка воздуха влияет на общий энергетический баланс
Многие технологические потребители требуют сжатый воздух определённого качества. Для обеспечения этих условий в систему могут входить осушители и другое оборудование подготовки воздуха.
Работа таких устройств связана с дополнительными энергетическими затратами. Поэтому суммарный расход компрессорной станции может быть выше потребления собственно компрессоров.
При расчёте важно выбрать понятную границу:
Если оценивается производство сжатого воздуха компрессорами, учитывают электроэнергию соответствующих агрегатов.
Если оценивается готовый воздух после подготовки, в баланс включают затраты оборудования, необходимого для получения воздуха с требуемыми параметрами.
Эти показатели нельзя напрямую сравнивать как одинаковые, если состав учитываемого оборудования различается.
Например, две станции могут иметь сопоставимую компрессорную часть, но разные требования к осушке. Более высокий суммарный расход одной станции не обязательно указывает на неэффективную компрессию.
Для обоснованного вывода необходимо установить, какие затраты связаны с обязательной подготовкой воздуха, и сопоставить их с требованиями потребителей.
Как потери в распределительной сети влияют на энергопотребление
Система распределения доставляет сжатый воздух от компрессорной к производственному оборудованию. При наличии утечек часть произведённого воздуха не используется по назначению.
Компрессорам может потребоваться дополнительная выработка для компенсации такого расхода. Это увеличивает затраты на производство воздуха по сравнению с системой, в которой аналогичные потери отсутствуют.
Но для количественного вывода недостаточно знать только электропотребление компрессорной.
Например, увеличение выработки может быть вызвано как утечками, так и ростом потребления производственного оборудования. Эти причины различаются по фактическому использованию воздуха, хотя обе способны повышать нагрузку на компрессоры.
Для проверки необходимо сопоставить выработку с потребностью технологических потребителей, режимами загрузки и схемой распределения.
Если расход воздуха измеряется до узлов подготовки или перед протяжённой распределительной сетью, он не обязательно равен объёму, фактически полученному потребителями. Местоположение измерительной точки необходимо учитывать при составлении баланса.
Утечки нельзя рассчитывать как произвольную долю всей потреблённой электроэнергии. Сначала требуется определить связанный с ними расход воздуха и условия работы компрессоров.
Почему расположение расходомера может искажать удельный показатель
Для правильного расчёта удельного энергопотребления необходимо установить, какой именно воздушный поток измеряется.
Например, расходомер может находиться на выходе компрессоров до оборудования подготовки воздуха либо после соответствующих узлов. В зависимости от схемы эти точки могут характеризовать разные границы системы.
Если электропотребление включает компрессоры и осушители, а измеренный объём относится к другой границе, рассчитанный показатель необходимо интерпретировать с учётом этого различия.
Отдельно проверяют условия, к которым приведён объём воздуха. Сравнение значений в кубических метрах без согласованной базы давления и температуры может привести к неправильным выводам.
Поэтому перед расчётом уточняют:
- расположение точки измерения объёма воздуха;
- условия приведения объёмных показателей;
- состав оборудования в границе электрического учёта;
- совпадение временных интервалов выработки и энергопотребления.
Если эти условия не согласованы, разница удельных показателей между периодами или компрессорными станциями может отражать особенности измерений, а не действительное изменение энергетической эффективности.
Как составить баланс затрат на сжатый воздух
Для практического анализа необходимо объединить энергетические показатели и сведения о воздушных потоках в одной расчётной структуре.
Вначале определяют общий расход электроэнергии компрессорной и выработку воздуха за сопоставимый период. Затем устанавливают, какую часть затрат формируют компрессоры в рабочих режимах и на холостом ходу, а какую — оборудование подготовки воздуха.
По схеме распределения отдельно проверяют, соответствует ли выработка фактической потребности производственных участков и имеются ли основания предполагать дополнительные потери.
| Узел баланса | Проверяемые показатели | Следующее действие при отклонении |
|---|---|---|
| Компрессия | Электропотребление, выработка воздуха и рабочее давление | Проверить соответствие давления и производительности технологической потребности |
| Холостой ход | Время разгрузки, электропотребление и выработка при малой нагрузке | Оценить возможность изменения алгоритма управления |
| Подготовка воздуха | Состав оборудования и связанные с ним энергозатраты | Проверить соответствие режима осушки требованиям потребителей |
| Распределительная сеть | Выработка, потребление воздуха и границы измерений | Уточнить возможные потери и необходимость дополнительного расходомера |
Важная особенность такого баланса заключается в различии физических величин. Компрессия, холостой ход и осушка могут быть представлены отдельными составляющими электрического потребления при наличии соответствующих измерений.
Потери распределения характеризуются прежде всего количеством воздуха, не дошедшего до полезных потребителей. Их энергетический эквивалент оценивают отдельно по обоснованным режимам компрессоров. Нельзя без проверки прибавлять к электрическому балансу условную «энергию утечек», если часть соответствующих затрат уже входит в измеренное потребление компрессорной.
Какие проверки позволяют выбрать энергосберегающее решение
Если удельное электропотребление повышено, дальнейшее действие выбирают по подтверждённой причине.
При высоком рабочем давлении сначала уточняют требования технологических потребителей. При значительной доле холостого хода проверяют график нагрузки и работу системы управления. Если существенную часть потребления формирует подготовка воздуха, анализируют её необходимость и фактические режимы.
Когда предполагаются потери распределения, определяют, какие измерения необходимы для разграничения производственного потребления и дополнительного расхода воздуха.
Одновременно необходимо проверить качество исходных архивов. Например, несинхронные показатели электропотребления и выработки способны дать завышенное значение удельных затрат и ошибочно указать на неэффективность компрессорной.
Поэтому любое предлагаемое изменение должно опираться на согласованные измерения и сохранять необходимое давление, производительность и качество воздуха у потребителей.
Какой результат анализа можно считать обоснованным
Для определения причин высокого энергопотребления системы сжатого воздуха необходимо рассчитывать удельный расход электроэнергии на объём воздуха при заданном давлении и сопоставлять его с фактическими режимами компрессоров.
Главный результат — баланс затрат на сжатый воздух с указанием узлов дополнительной проверки. Он позволяет разграничить энергозатраты компрессии, холостого хода, осушки и возможное влияние потерь распределения.
При низкой ночной нагрузке существенным фактором может стать увеличение доли холостого хода. При высоком рабочем давлении необходимо проверить, требуется ли оно технологическому процессу. Если выработка воздуха выглядит избыточной, следует установить, связано ли это с производственным потреблением или потерями в сети.
Граница вывода: нельзя считать электрическую энергию потерями из-за утечек без подтверждённых расходов воздуха и режимов компрессоров. При отсутствии согласованных измерительных границ, полных архивов и проверенных эксплуатационных показателей оценка остаётся предварительной.
Результаты используют для выбора следующего замера, допустимой настройки компрессорной или расчётного сравнения технических решений. Фактическую экономию подтверждают отдельно после внедрения соответствующих изменений.
Устройство и состав обследуемых систем рассмотрены на странице «Компрессорное оборудование и системы сжатого воздуха». Вопросы снижения электрических нагрузок представлены на странице «Снижение потребления электроэнергии».
Другие технические материалы представлены в разделе «Материалы».