Энергозатраты на производство сжатого воздуха: основные причины

Энергозатраты на производство сжатого воздуха зависят от давления в системе, производительности компрессоров, их фактической электрической мощности и режима управления. Дополнительный расход возникает при работе агрегатов в разгрузке, наличии утечек и несоответствии подачи реальной потребности предприятия. На результат также влияют состояние фильтров, охлаждение и распределение нагрузки между компрессорами.

Для оценки энергоэффективности компрессорной необходимо определить, сколько электроэнергии расходуется на производство измеренного объёма сжатого воздуха при заданном давлении. Один из основных показателей — удельное энергопотребление в кВт·ч/м³. Однако сравнивать его можно только при одинаковых условиях определения объёма, сопоставимом давлении и корректно установленных границах измерения.

Высокая мощность компрессора не всегда свидетельствует о неисправности. Она может соответствовать фактическому спросу производственных потребителей, возникать из-за повышенного сопротивления фильтров или поддержания завышенной уставки давления. Если ночью потребление воздуха резко снижается, но компрессор продолжает работать, необходимо проверить базовый расход системы, возможные утечки и алгоритм управления агрегатами.

Какие данные необходимы для оценки компрессорной

Для построения энергетического профиля используют измеренную электрическую мощность и потребление электроэнергии компрессоров, фактическую подачу воздуха, давление, сведения о разгрузке, холостом ходе, утечках, охлаждении и графиках потребления.

Эти показатели должны относиться к одной измерительной границе и согласованным периодам. Измерительная граница определяет, какое оборудование и какие потоки входят в расчёт: отдельный компрессор, группу агрегатов или всю компрессорную станцию.

Если электрический счётчик учитывает несколько компрессоров и вспомогательное оборудование, его показания характеризуют общий расход выбранной системы. Для оценки отдельного агрегата необходимо установить его собственное потребление либо использовать обоснованное распределение.

Подача компрессоров необходима для определения количества произведённого воздуха. При этом следует указать, к каким условиям приведён объём. Объём на всасывании, объём при фактическом давлении в ресивере и объём, приведённый к установленным опорным условиям, нельзя непосредственно считать одинаковыми величинами.

Давление необходимо для оценки условий производства и подачи воздуха. Электрическая мощность показывает интенсивность энергопотребления, а продолжительность соответствующего режима позволяет определить израсходованную энергию.

Сведения о разгрузке и холостом ходе помогают установить периоды, когда компрессор потребляет электричество, но его полезная подача уменьшается или отсутствует. Графики потребления воздуха позволяют сопоставить работу агрегатов с фактической производственной потребностью.

Как рассчитать удельное энергопотребление сжатого воздуха

Удельное энергопотребление показывает количество электрической энергии, затрачиваемой на производство определённого объёма сжатого воздуха.

Для согласованных измерений используется зависимость:

e = E_эл / V_возд, где e — удельное энергопотребление, кВт·ч/м³; E_эл — активная электрическая энергия, потреблённая в выбранной границе, кВт·ч; V_возд — произведённый объём воздуха, м³, приведённый к явно указанным условиям.

Например, если за определённый период электрический счётчик зарегистрировал 600 кВт·ч, а измеренный объём произведённого воздуха составил 5 000 м³ в согласованных условиях, удельное потребление равно 0,12 кВт·ч/м³. Это условный пример расчёта, а не норматив или показатель обследуемого предприятия.

Такой показатель необходимо сопровождать сведениями о давлении и условиях измерения объёма. Компрессоры, работающие при разном конечном давлении, выполняют неодинаковую задачу сжатия, поэтому сравнение только по кВт·ч/м³ может оказаться некорректным.

Если компрессорная работает с переменной подачей, удельное потребление определяют по суммарной энергии и суммарному произведённому объёму за один и тот же период. Усреднение отдельных удельных показателей без учёта объёмов может исказить результат.

Если известна только электроэнергия, но отсутствует измеренная подача, достоверно рассчитать удельное потребление невозможно.

Почему давление влияет на расход электроэнергии

Компрессор затрачивает механическую работу на повышение давления воздуха. Требуемая работа зависит от начального и конечного состояния газа и фактического процесса сжатия.

При сопоставимой подаче увеличение конечного давления обычно повышает необходимую работу сжатия. Поэтому завышенная уставка давления может приводить к дополнительному потреблению электроэнергии.

Однако количественно оценить этот эффект только по разнице показаний манометра нельзя. Необходимо учитывать характеристики компрессора, подачу и фактические режимы работы.

Особенно важно установить, какое давление действительно требуется потребителям и какое давление поддерживается компрессорной.

Если компрессор работает при повышенной уставке из-за сопротивления элементов системы, необходимо различать потребность технологического оборудования и дополнительные перепады давления.

При этом уменьшение уставки не является безусловно допустимым мероприятием. Давление в точках использования должно оставаться достаточным для предусмотренной работы оборудования.

В энергетическом анализе давление рассматривают совместно с подачей и электрической мощностью. Только такое сопоставление позволяет оценить влияние соответствующего режима на удельные затраты.

Как отличить высокую производственную потребность от завышенной уставки

Повышенная электрическая мощность компрессора может объясняться значительным фактическим расходом воздуха на производстве. В этом случае оборудование выполняет необходимую технологическую задачу.

Другой вариант — компрессор обеспечивает сопоставимый расход, но поддерживает давление выше реально необходимого потребителям.

Для разграничения сопоставляют производственный график, подачу компрессора, давление и электрическую мощность.

Если увеличение мощности совпадает с ростом подачи при изменении производственной загрузки, необходимо проверить связь с фактическим спросом.

Если подача остаётся приблизительно сопоставимой, но компрессор поддерживает более высокое давление, следует определить, как изменяется энергия производства воздуха в соответствующем режиме.

При этом нельзя считать любую разницу давления избыточной. Необходимо установить требуемое давление в точках потребления и ограничения распределительной системы.

Результат проверки должен показывать, какую часть изменения энергопотребления объясняет производственный спрос, а какую — условия создания и поддержания давления.

Как загрязнённые фильтры могут увеличивать энергетические затраты

Фильтры создают сопротивление движению воздуха. При загрязнении фильтрующих элементов перепад давления может увеличиваться.

Если для обеспечения необходимого давления после фильтра требуется поддерживать более высокое давление до него, компрессорная система может работать в более энергозатратном режиме.

Для проверки необходимо измерить перепад давления на соответствующем фильтре и установить фактическую подачу воздуха.

Сам факт наличия фильтра не доказывает перерасход: определённое сопротивление является частью нормальной работы фильтрующего оборудования.

Причину дополнительного расхода подтверждают сопоставлением фактического перепада давления с допустимым состоянием элемента и условиями работы системы.

Если одновременно меняется расход воздуха, необходимо учитывать его влияние на сопротивление. Сравнение перепадов давления при существенно различной подаче без соответствующей поправки может привести к неправильному выводу.

Таким образом, загрязнение фильтров рассматривают как возможную причину повышенных затрат, но не устанавливают её по одному показанию общей электрической мощности компрессорной.

Почему работа в разгрузке сопровождается потреблением энергии

При работе компрессора в разгрузке полезная подача воздуха может уменьшаться или временно прекращаться, однако электрическое потребление агрегата обычно не становится равным нулю.

Энергия продолжает расходоваться на работу двигателя и внутренних механизмов в соответствующем режиме.

Поэтому компрессор, длительно находящийся в разгрузке, может потреблять значительное количество электроэнергии без пропорционального производства воздуха.

Для оценки необходимо знать мощность в режиме разгрузки и его продолжительность.

При приблизительно постоянной активной мощности расход за соответствующий период определяется формулой:

E_разгр = P_разгр × t_разгр.

Если мощность изменяется, энергию следует определять по интервальным измерениям.

При этом вся энергия разгрузки не обязательно является устранимой потерей. Режим может быть предусмотрен алгоритмом управления и обеспечивать готовность компрессора к изменению потребности.

Чтобы определить возможный перерасход, необходимо установить, соответствует ли продолжительность разгрузки фактическому спросу и допускает ли система иной режим эксплуатации.

Чем разгрузка отличается от остановленного компрессора

Разгруженный компрессор и остановленный компрессор имеют различное энергетическое состояние.

В разгрузке агрегат может продолжать потреблять электрическую энергию. При остановке основного двигателя соответствующая нагрузка прекращается, хотя в принятой границе могут оставаться другие потребители.

Поэтому расчёт возможного эффекта от изменения режима должен основываться на фактической разнице электрических мощностей.

Нельзя считать экономию равной всей паспортной мощности компрессора за время разгрузки. Для расчёта используют именно измеренную мощность разгруженного состояния и параметры альтернативного режима.

Кроме того, допустимость остановок определяется характеристиками агрегата и требованиями системы к обеспечению воздуха.

Если компрессор часто переходит между нагрузкой и разгрузкой, необходимо учитывать длительность этих состояний и порядок работы управляющей системы.

По результатам устанавливают энергетическую составляющую разгрузки, не приравнивая её автоматически к гарантированной экономии.

Как холостой ход влияет на общий баланс компрессорной

Холостой ход означает состояние оборудования, при котором его работа не сопровождается соответствующей полезной подачей воздуха потребителям.

Такой режим необходимо отличать от фактической работы компрессора под нагрузкой и от полной остановки.

Для анализа регистрируют активную электрическую мощность и время нахождения агрегата в соответствующем состоянии.

Если компрессорная включает несколько агрегатов, расход холостого хода определяют по каждому оборудованию либо по согласованным измерениям всей группы.

При этом необходимо избегать повторного учёта. Если холостой ход конкретного компрессора уже включён в его общий электрический расход, эту энергию не прибавляют к суммарному показателю ещё раз.

Результат должен показывать долю энергии, израсходованной без соответствующей полезной подачи, и условия возникновения такого режима.

Само обнаружение холостого хода является основанием для проверки управления, но не подтверждает автоматически, что его можно исключить без последствий для технологического процесса.

Как утечки влияют на стоимость производства воздуха

Утечки создают расход воздуха, который компрессорная должна компенсировать, но который не выполняет предусмотренную производственную функцию.

Если утечки увеличиваются, требуемая подача компрессоров может возрастать даже при неизменном объёме полезных технологических операций.

В результате возрастает энергетическая нагрузка производства сжатого воздуха либо увеличивается продолжительность работы агрегатов под нагрузкой.

Однако общий расход компрессорной не позволяет самостоятельно определить количество воздуха, теряемого через утечки.

Для разграничения необходимо сопоставить произведённый объём воздуха с потреблением технологических систем в одной измерительной границе.

Если известно только электрическое потребление компрессоров, вычислять величину утечек нельзя. Необходимо определить фактическую подачу, давление и характер потребления воздуха.

При этом утечки следует рассматривать как одну из возможных причин дополнительной нагрузки наряду с давлением, разгрузкой и режимом агрегатов.

Задача энергетического анализа компрессорной — определить их вклад в общий профиль потребления, а не заменить отдельное обследование распределительной сети и локализацию каждого негерметичного участка.

Почему ночное потребление является важным диагностическим признаком

Если ночью производственная потребность в сжатом воздухе существенно снижается, а компрессор продолжает работать, возникает основание для проверки базового расхода и режима управления.

Причиной может быть продолжающееся потребление отдельных систем, утечки или работа компрессора в разгрузке.

Для анализа необходимо установить, какие потребители действительно остаются подключёнными ночью, какой объём воздуха подаётся и сколько электроэнергии расходует компрессорная.

Если технологические потребители остановлены, но измеренная подача сохраняется, требуется установить назначение соответствующего расхода.

Если подача невелика, однако электрическое потребление остаётся существенным, необходимо проверить, не работает ли агрегат длительное время в разгрузке или в другом режиме с низкой эффективной загрузкой.

Таким образом, низкая ночная производственная потребность при продолжающейся работе компрессора может указывать на базовые потери или неподходящий алгоритм управления.

Однако по одному ночному показанию нельзя достоверно разделить эти причины. Для вывода необходимы одновременные данные о подаче, давлении, электрической мощности и фактическом состоянии потребителей.

Как распределение нагрузки между компрессорами влияет на расход

На предприятии могут работать несколько компрессоров с различными характеристиками и режимами управления.

Суммарная энергетическая эффективность станции зависит не только от общей подачи, но и от того, какие агрегаты обеспечивают эту подачу.

Например, одна комбинация работающих компрессоров может сопровождаться длительной разгрузкой части оборудования. Другая — обеспечивать сопоставимую потребность с меньшей продолжительностью таких режимов.

Для оценки необходимо знать фактическую подачу и электрическую мощность каждого агрегата либо иметь достоверные данные по всей станции и режимам её состава.

Важна также последовательность включения и отключения компрессоров при изменении спроса.

Если один агрегат продолжает работать при снижении потребления воздуха, необходимо установить, почему система управления не изменяет состав работающего оборудования.

Однако предположение о более выгодном сочетании компрессоров должно подтверждаться фактическими характеристиками и допустимыми условиями эксплуатации.

Нельзя считать, что уменьшение количества включённых компрессоров всегда обеспечивает экономию: оставшиеся агрегаты должны поддерживать требуемую подачу и давление.

Как охлаждение компрессоров связано с энергобалансом

При сжатии воздуха часть поступающей электрической энергии преобразуется в тепло. Для поддержания допустимого режима компрессора применяется соответствующее охлаждение.

При анализе необходимо различать энергию, выделяемую в процессе сжатия, и электрические затраты оборудования системы охлаждения, если они входят в измерительную границу.

Количество отводимого тепла не равно автоматически дополнительному потреблению электроэнергии охлаждающего оборудования.

Если электрический счётчик компрессорной охватывает и основные двигатели, и вспомогательные системы, их расход уже включён в общую энергию станции.

Если требуется определить вклад охлаждения отдельно, необходимы соответствующие измерения.

Состояние охлаждения также относится к условиям работы агрегатов. Поэтому при сопоставлении разных режимов важно учитывать, не изменились ли условия эксплуатации компрессоров.

При этом один только показатель температуры не позволяет определить причину повышенного удельного энергопотребления.

Необходимо сопоставить его с подачей, давлением и электрической мощностью.

Как построить энергетический баланс компрессорной

Энергобаланс составляют для установленной границы компрессорной станции за определённый период.

В электрической части определяют общее потребление агрегатов и учитываемого вспомогательного оборудования.

При наличии раздельных измерений расход можно представить следующим образом:

E_общ = ΣE_{компрессоры} + E_вспом, где E_общ — общее электрическое потребление выбранной системы; ΣE_{компрессоры} — сумма независимых измерений компрессорных агрегатов; E_вспом — потребление вспомогательного оборудования, входящего в ту же границу.

Такое суммирование допустимо только при отсутствии перекрытия измерений.

В воздушной части баланса определяют общий произведённый объём и его распределение между фактическим использованием и неразделённой составляющей.

При согласованных условиях приведения объёма и отсутствии существенного изменения запаса воздуха в системе за период можно использовать соотношение:

V_произв = V_потреб + V_неразд.

Неразделённая составляющая не равна автоматически утечкам. Она может включать неучтённых потребителей и неопределённость измерений.

Если давление в ресиверах и сети изменялось, необходимо учитывать изменение количества воздуха, накопленного в системе.

Для интерпретации баланса также фиксируют режимы нагрузки, разгрузки, холостого хода и остановки компрессоров.

Полученная схема позволяет сопоставить электрический расход с произведённым объёмом воздуха и установить, какие составляющие требуют дополнительной проверки.

Как отделить влияние давления, разгрузки и потерь

Причины повышенного расхода могут действовать одновременно. Например, компрессорная может поддерживать избыточное давление, часть агрегатов — длительно работать в разгрузке, а дополнительная подача — компенсировать утечки.

Поэтому нельзя определять общий потенциал экономии простым сложением независимых предварительных оценок, если они относятся к одним и тем же режимам работы.

Сначала устанавливают базовый энергетический профиль станции при фактическом давлении, подаче и составе работающих агрегатов.

Затем оценивают влияние каждого подтверждённого фактора на изменение общего потребления.

Если рассматривается снижение давления, необходимо учитывать, как при этом изменятся характеристики компрессоров и расход воздуха.

Если предполагается сокращение разгрузки, необходимо определить, какой режим работы заменит разгрузку и обеспечит необходимую подачу.

Если анализируется устранение потерь воздуха, требуется учитывать, как уменьшение спроса повлияет на загрузку и управление компрессорами.

Таким образом, вклад отдельных факторов определяют относительно согласованного исходного состояния. Только это позволяет избежать повторного учёта одного и того же энергетического эффекта.

Как интерпретировать высокий удельный расход

Повышенное значение кВт·ч/м³ показывает, что на единицу произведённого воздуха затрачивается больше электроэнергии по сравнению с выбранной сопоставимой базой.

Однако показатель сам по себе не устанавливает причину.

Различие может быть связано с уровнем давления, продолжительностью разгрузки, составом работающих компрессоров или условиями их эксплуатации.

Поэтому сначала проверяют сопоставимость измерений: одинаковые условия определения объёма, одинаковый временной интервал и установленную границу электрического потребления.

Затем сравнивают давление и режимы подачи.

Если показатели получены при разных давлениях, прямое сравнение может быть некорректным.

Если давление сопоставимо, но один период характеризуется значительной разгрузкой, изменение удельного расхода может объясняться увеличением времени потребления электроэнергии при низкой полезной подаче.

Если вырос произведённый объём воздуха без соответствующего увеличения производственной потребности, необходимо проверить причины дополнительного расхода.

Для подтверждения технического отклонения требуется установить механизм изменения потребления, а не только зафиксировать различие удельных показателей.

Почему электрического счётчика недостаточно для оценки эффективности

Электрический счётчик показывает количество потреблённой электроэнергии. Он не определяет самостоятельно объём произведённого воздуха или условия его сжатия.

Например, одинаковый расход электроэнергии за смену может соответствовать различной подаче при разных давлениях и режимах работы агрегатов.

Поэтому без измерений воздуха невозможно определить, сколько электрической энергии приходится на единицу произведённого объёма.

Без данных о давлении нельзя полноценно сопоставить условия, при которых компрессорная выполняла задачу.

Также невозможно достоверно установить, связано ли повышенное электрическое потребление с увеличением полезной производственной нагрузки, потерями воздуха или продолжительной разгрузкой.

Данные только об электричестве не позволяют вычислить эффективность производства сжатого воздуха без сведений о потоке и давлении.

Если таких данных нет, необходимо определить дополнительные измерения и явно обозначить неопределённость расчётов.

Какие дополнительные измерения необходимы для технического вывода

Недостающие измерения выбирают по конкретной причине, которую необходимо проверить.

Если требуется определить удельное энергопотребление, необходимы согласованные данные об электрической энергии, произведённом объёме и давлении.

Если предполагается избыточное давление, необходимо установить давление, поддерживаемое компрессорной, и параметры, фактически необходимые потребителям.

Если подозрение связано с разгрузкой, необходимы сведения о мощности и продолжительности соответствующего режима.

Если требуется объяснить ночное потребление, сопоставляют фактическую подачу, давление, работу компрессоров и состояние производственных потребителей в ночные часы.

Если рассматривается влияние фильтров, необходимо определить перепады давления при соответствующей подаче.

Если несколько компрессоров работают совместно, следует установить, какие агрегаты включены и как распределяется их нагрузка.

Каждое дополнительное измерение должно устранять конкретную неопределённость. Сбор общего объёма данных без связи с измерительной задачей не обеспечивает достоверного вывода о причине перерасхода.

Что должно быть результатом анализа компрессорной

Результатом становится схема энергобаланса компрессорной с фактическим расходом электроэнергии, произведённым объёмом сжатого воздуха, давлением и распределением режимов работы агрегатов.

На её основе определяют удельное энергопотребление в кВт·ч/м³ при указанных условиях определения объёма и давления.

Отдельно оценивают влияние поддерживаемого давления, разгрузки, холостого хода, возможных потерь воздуха, охлаждения и распределения нагрузки между компрессорами.

При анализе необходимо различать подтверждённые причины и технические предположения. Например, высокая электрическая мощность может объясняться необходимым производственным спросом, повышенным сопротивлением фильтров или завышенной уставкой давления. Окончательное заключение требует сопоставимых измерений.

Ночная работа компрессора при низкой производственной потребности является основанием для проверки базового расхода и системы управления, но не доказывает сама по себе определённую величину утечек.

Главное ограничение: без достоверных данных о подаче воздуха и давлении нельзя определить фактическую эффективность производства сжатого воздуха только по электрическому потреблению. В таком случае результат должен содержать перечень необходимых измерений и описание неопределённости.

Энергетический анализ компрессорной показывает общий профиль производства сжатого воздуха и позволяет выбрать направления проверки основных причин повышенных затрат. Его задача — определить связь между электрической энергией, произведённым объёмом и режимами оборудования, а не подменить отдельную процедуру поиска конкретных мест утечек.

Состав обследуемых систем представлен на странице «Компрессорное оборудование и системы сжатого воздуха». Задачи уменьшения электрических затрат рассмотрены на странице «Снижение потребления электроэнергии». Другие инженерные материалы доступны в разделе «Материалы».