Как давление в сети влияет на энергопотребление компрессоров
Избыточное давление в сети сжатого воздуха может увеличивать энергопотребление компрессоров, поскольку для сжатия воздуха до более высокого давления требуется дополнительная работа. Однако снижение уставки компрессорной станции допустимо только при условии, что у конечных потребителей сохраняется давление, необходимое для выполнения технологических операций.
Для оценки возможной экономии необходимо сопоставить электрическое потребление при разных уставках давления, фактическую подачу воздуха, потери давления в фильтрах и магистралях, а также минимальные требования производственного оборудования. Если значительная часть давления теряется на отдельных участках сети, устранение такого ограничения может позволить снизить давление на станции без замены компрессора.
Результатом анализа должны стать технически обоснованные сценарии управления давлением с подтверждением допустимых параметров у потребителей. Универсальный процент экономии на каждый бар снижения давления применять нельзя: фактический эффект зависит от компрессоров, сети и условий её эксплуатации.
Почему повышение давления увеличивает затраты на сжатие воздуха
Компрессор расходует энергию на повышение давления воздуха от состояния на входе до требуемого состояния на выходе. Чем выше конечное давление при сопоставимых начальных условиях и подаче, тем больше работа сжатия, необходимая для выполнения этой задачи.
Поэтому поддержание давления выше фактической потребности оборудования может сопровождаться дополнительным расходом электроэнергии.
Однако зависимость между давлением и электрической мощностью не является одинаковой для всех компрессоров. Она определяется характеристиками агрегата, его рабочей областью и условиями сжатия.
Для количественной оценки необходимо использовать фактическое электрическое потребление при известном давлении и подаче. Само изменение уставки ещё не показывает величину достигнутой экономии.
При этом важно различать давление, создаваемое компрессором, давление в распределительной сети и давление непосредственно у конечного потребителя. Между ними могут существовать существенные перепады.
Как определить минимальное давление у конечного потребителя
Отправной точкой для выбора давления компрессорной станции служат требования оборудования, использующего сжатый воздух.
Для каждого существенного потребителя необходимо определить минимальное давление, при котором соответствующая технологическая операция выполняется в предусмотренном режиме.
При этом давление следует оценивать непосредственно в точке использования воздуха, а не только по показаниям на выходе компрессорной.
Если оборудование требует определённого давления во время выполнения операции, необходимо проверить, сохраняется ли этот уровень при фактическом расходе воздуха.
Измерение в период отсутствия нагрузки может не показать снижение давления, возникающее при интенсивном потреблении.
Поэтому для обоснования новой уставки требуются сведения о минимально допустимом давлении и измерения при характерных рабочих режимах.
Если требования потребителя неизвестны, снижать давление на основании одной оценки энергетической экономии преждевременно.
Почему давление компрессорной выше давления у оборудования
При движении сжатого воздуха от компрессорной станции к потребителю возникают потери давления.
Они могут формироваться в фильтрах, магистралях и других элементах распределительного пути, входящих в рассматриваемую систему.
Поэтому давление, необходимое на выходе станции, должно учитывать фактические перепады между источником и конечным потребителем.
Для установленного рабочего режима соотношение можно представить следующим образом:
pстанция = pпотребитель + Δpсеть, где pстанция — давление на выходе компрессорной станции; pпотребитель — давление в точке использования; Δpсеть — суммарное падение давления между этими точками.
Это соотношение применяют для согласованных показаний давления и одного режима расхода.
Если сеть имеет высокое сопротивление, станция может поддерживать повышенное давление только для того, чтобы обеспечить необходимый уровень у удалённого оборудования.
В такой ситуации причина повышенной уставки может находиться не в компрессоре, а в распределительной сети.
Как потери давления в фильтрах влияют на уставку станции
Фильтры создают сопротивление движению воздуха. Для поддержания требуемого давления после фильтра необходимо учитывать перепад между его входом и выходом.
Если сопротивление увеличивается, компрессорной может потребоваться более высокое давление для обеспечения прежних условий у потребителя.
Для проверки измеряют давление до и после соответствующего фильтра при известном расходе воздуха.
Δpф = pдо − pпосле, где Δpф — перепад давления на фильтре.
Измерение необходимо сопоставить с фактическим состоянием элемента и допустимыми характеристиками его работы.
При этом перепад зависит от расхода. Сравнивать показания фильтра при существенно различной подаче без учёта этого обстоятельства некорректно.
Если установлено повышенное сопротивление, устранение его причины может уменьшить требуемое давление на выходе компрессорной.
Однако величину возможного снижения уставки определяют только после проверки давления у конечных потребителей.
Как падение давления в магистралях влияет на энергопотребление
Распределительные магистрали также создают сопротивление движению сжатого воздуха.
При прохождении потока давление уменьшается, поэтому для обеспечения заданного уровня у потребителя станция должна создавать давление с учётом потерь на пути подачи.
Если отдельный участок сети имеет повышенное сопротивление, он может ограничивать возможность снижения общей уставки.
Для проверки необходимо измерить давление в характерных точках магистрали при фактическом расходе воздуха.
Особенно важно определить условия, при которых падение давления становится максимальным в пределах рассматриваемых производственных режимов.
Если давление у потребителя снижается только при интенсивной работе оборудования, измерения в период небольшой нагрузки могут не выявить ограничение.
Поэтому профиль давления необходимо сопоставлять с расходом воздуха во времени.
Установленное повышенное сопротивление магистрали может служить основанием для проверки соответствующего участка сети. Однако само по себе оно ещё не определяет величину возможной экономии электроэнергии.
Почему устранение узкого места может быть эффективнее повышения давления
Если конечному потребителю требуется определённое давление, обеспечить его можно только при достаточном давлении после прохождения распределительной сети.
Когда на отдельном участке возникают чрезмерные потери, эксплуатационным решением может стать повышение уставки компрессорной станции.
При этом более высокое давление создаётся для всей соответствующей системы, хотя причина дополнительной потребности может находиться в конкретном элементе распределения.
Если устранить подтверждённое узкое место, давление у потребителя может повыситься без увеличения давления на станции.
После этого появляется возможность проверить снижение уставки компрессора с сохранением необходимых параметров оборудования.
Следовательно, технический анализ должен устанавливать причину перепада, а не ограничиваться рекомендацией повысить давление.
Такой подход может позволить улучшить энергетические показатели без замены компрессорного агрегата. Но это возможно только тогда, когда устранение сопротивления действительно уменьшает требуемое давление производства воздуха.
Как измерять профиль давления при переменном потреблении
Потребление сжатого воздуха на предприятии может изменяться в течение смены. Вместе с расходом меняются и перепады давления на элементах распределительной сети.
Поэтому для анализа желательно использовать согласованные по времени измерения давления на выходе станции и у существенных потребителей.
Одновременно регистрируют расход воздуха и уставки управления компрессорной.
Такой профиль позволяет определить, при какой производственной нагрузке возникает минимальное давление в точке использования.
Если измерения выполняются в разные моменты, разность показаний может отражать изменение производственного режима, а не только потери в сети.
Для достоверного расчёта давления до и после рассматриваемого участка должны относиться к сопоставимому состоянию системы.
Если временных данных недостаточно, необходимо провести дополнительные измерения в режимах, определяющих требования к давлению.
Как сопоставить энергию производства воздуха при разных уставках
Чтобы оценить влияние давления на энергопотребление, необходимо определить электрическую энергию, израсходованную при каждой рассматриваемой уставке, и объём произведённого воздуха.
Для одного режима удельное электрическое потребление можно определить по формуле:
e = Eэл / Vвозд, где Eэл — измеренное потребление электроэнергии за период, кВт·ч; Vвозд — объём произведённого воздуха за тот же период, приведённый к установленным условиям; e — удельное энергопотребление, кВт·ч/м³.
Затем сравнивают показатели, полученные при разных уставках давления.
Однако результаты должны относиться к сопоставимым расходам воздуха и производственным условиям.
Если при снижении давления одновременно уменьшилось потребление воздуха технологическим оборудованием, изменение суммарной электроэнергии будет отражать влияние нескольких факторов.
В таком случае необходимо разграничить изменение условий сжатия и изменение объёма производства воздуха.
Если сопоставимость не обеспечена, расчётный энергетический эффект нельзя представлять как подтверждённую экономию исключительно от снижения давления.
Как оценивать разницу электрического потребления
При наличии сопоставимых измерений для двух сценариев можно определить разницу удельного расхода:
Δe = eисх − eнов, где eисх — удельное электрическое потребление при исходной уставке; eнов — соответствующий показатель при проверяемой уставке.
Если оба значения рассчитаны при сопоставимых условиях, положительная разница показывает уменьшение электрической энергии на единицу произведённого объёма.
Для оценки эффекта за определённый период необходимо учитывать фактический объём воздуха, который будет производиться при новом режиме.
Нельзя механически умножать разницу удельных показателей на произвольный годовой объём без проверки производственного графика.
Кроме того, энергетический результат необходимо оценивать при сохранении необходимых параметров у конечных потребителей.
Если снижение давления ухудшает технологический процесс, рассчитанное уменьшение мощности компрессора само по себе не подтверждает полезную экономию.
Почему резкое снижение давления может ухудшить технологический процесс
Оборудование, использующее сжатый воздух, рассчитано на определённые рабочие условия.
Если давление в точке потребления становится ниже необходимого, технологическая операция может выполняться неправильно либо требовать большего времени.
Поэтому снижение уставки станции необходимо оценивать одновременно по двум результатам: изменению электрического потребления и сохранению предусмотренной работы оборудования.
Например, если при более низком давлении продолжительность операции увеличивается, энергетический результат нельзя оценивать только по мгновенной мощности компрессора.
Увеличение времени выполнения процесса может привести к дополнительным затратам ресурсов и изменению производственного графика.
Следовательно, при сравнении сценариев необходимо фиксировать фактические режимы потребителей и их способность выполнять требуемые операции.
Если установленное минимальное давление не обеспечивается, соответствующий сценарий снижения уставки не может считаться технически допустимым.
Как выбрать допустимый сценарий управления давлением
Обоснованный сценарий должен учитывать фактическую потребность оборудования и потери давления между компрессорной станцией и точками использования воздуха.
Сначала определяют минимально необходимое давление у существенных потребителей.
Затем устанавливают фактический перепад давления в распределительной сети при соответствующем расходе.
После этого проверяют, какую уставку должна обеспечивать компрессорная станция для сохранения требуемых условий.
Если существуют подтверждённые участки с повышенным сопротивлением, рассматривают возможность устранения причины потерь давления.
Для каждого допустимого варианта сопоставляют расход электроэнергии, произведённый объём воздуха и фактическое давление у конечных потребителей.
Сценарий не следует считать подтверждённым, если его энергетический эффект рассчитан, но выполнение технологических требований не проверено.
Результатом должно стать техническое обоснование выбора давления, а не только минимальное значение уставки, которое удалось установить на станции.
Почему нельзя использовать универсальный процент экономии на один бар
Величина энергетического эффекта при снижении давления зависит от характеристик конкретной компрессорной системы.
На неё влияют параметры сжатия, фактическая подача, характеристики компрессоров и состояние распределительной сети.
Кроме того, изменение давления может влиять на количество воздуха, которое потребляет система. Поэтому снижение уставки не обязательно сопровождается одинаковым процентным уменьшением электроэнергии на разных объектах.
Универсальный коэффициент экономии на каждый бар не учитывает этих различий.
Для достоверного расчёта необходимо использовать измерения или технически обоснованную модель конкретного компрессора и системы подачи воздуха.
Если известны только исходная и предлагаемая уставки, без данных о расходе и электрическом потреблении величину экономии нельзя считать подтверждённой.
В таком случае следует указать, какие измерения необходимы, и сохранить результат как предварительный сценарий.
Какие дополнительные измерения нужны при недостатке данных
Если неизвестны фактические требования оборудования, необходимо определить минимальное давление в точках потребления для соответствующих рабочих режимов.
Если отсутствуют данные о потерях в сети, необходимо измерить давление до и после рассматриваемых элементов при известном расходе.
Если не установлено влияние уставки на электрическое потребление, необходимы согласованные измерения энергии и произведённого объёма воздуха.
Если давление изменяется в течение смены, требуется профиль, позволяющий связать его с производственной нагрузкой и работой компрессорной.
Каждое измерение должно относиться к определённой границе системы и периоду наблюдений.
При невозможности получить необходимые данные технический вывод должен явно разграничивать измеренные показатели, расчётные предположения и неподтверждённые величины.
Что должно быть результатом анализа давления сети
Итогом становятся сценарии управления давлением с сопоставлением энергетических показателей и проверкой предельных требований потребителей.
Для каждого сценария необходимо установить уставку станции, фактическую подачу воздуха, электрическое потребление, перепады давления в сети и минимальное давление у конечного оборудования.
Если выявлены повышенные потери в фильтрах или магистралях, результат должен показывать, как они влияют на требуемое давление станции и может ли устранение ограничения уменьшить энергопотребление.
При этом необходимо различать подтверждённый результат измерений и прогнозируемый эффект технического изменения.
Главное ограничение: экономию нельзя определять по универсальному проценту на бар для любой компрессорной станции. Резкое снижение давления может нарушить работу потребителей и увеличить продолжительность технологических операций.
Если фактические данные недостаточны, необходимо предусмотреть дополнительные измерения и указать неопределённость. Снижение давления считается технически обоснованным только при сохранении требуемых условий у оборудования и подтверждённом энергетическом результате.
Предмет такого анализа — давление производства и распределения сжатого воздуха, а не оптимизация частичной загрузки компрессорных агрегатов. Основной вывод заключается в том, что уменьшение потерь давления в сети может создать условия для снижения уставки станции без замены компрессора.
Состав обследуемого оборудования представлен на странице «Компрессорное оборудование и системы сжатого воздуха». Задачи сокращения электрических затрат рассмотрены на странице «Снижение потребления электроэнергии». Другие технические материалы доступны в разделе «Материалы».