Rosnąca świadomość przedsiębiorstw w obszarze efektywności energetycznej przekłada się na coraz rozsądniejsze gospodarowanie energią na każdym etapie procesu produkcyjnego. Dlatego też, jak podkreśla Wojciech Halkiewicz z firmy 7bar, należy mieć świadomość, że sprężone powietrze jest bardzo drogim nośnikiem energii, a w systemach sprężonego powietrza mamy do czynienia, podobnie jak w wielu innych, z problemem nieefektywności, w rezultacie którego przedsiębiorstwa muszą się liczyć ze stratami.

Typowe wycieki powietrza

Układy sprężonego powietrza, gazu i podciśnienia we współczesnych fabrykach wykorzystywane są do obsługi maszyn, narzędzi, robotów, laserów, systemów obróbki i wielu innych elementów. Jak tłumaczy Krzysztof Stoma, Marketing Manager CEE w firmie Fluke, są one podatne na zużycie i często poddawane niewłaściwym praktykom konserwacyjnym, które przyczyniają się do powstania największych strat w całym okresie użytkowania – tj. stale obecnych nieszczelności. Mogą być one ukryte za maszynami, w punktach przyłączeniowych, w rurach, pękniętych przewodach lub zużytych wężach. Straty szybko się nawarstwiają i mogą doprowadzić nawet do przestojów.

Najczęstszymi ogniskami nieszczelności w instalacjach sprężonego powietrza są wszelkiego rodzaju złącza, szybkozłącza i połączenia gwintowane. – Każde szybkozłącze po latach eksploatacji wyrabia się i traci na szczelności – mówi Paweł Broda, starszy inżynier wsparcia technicznego w firmie SMC. – Połączenia gwintowane z kolei oprócz zużycia mogą paść ofiarą pośpiechu/nieuwagi przy montażu; zwykle pół dodatkowego obrotu kluczem rozwiązuje problem nieszczelności.

Kolejna znacząca grupa nieszczelności związana jest z uszczelnieniami siłowników – głównie po stronie tłoczyska. Uszkodzenia te wynikają przeważnie z żywotności danego elementu, ale jeśli pojawią się przedwcześnie, to podejrzewać można nieprawidłowy dobór jakiegoś z podzespołów. – Z doświadczenia podzieliłbym te nieszczelności w stosunku 60/20/20, gdzie ostatnie 20% stanowią nieszczelności wynikające z mechanicznego uszkodzenia jednego z elementów, np. manometru bądź cewki zaworów – dodaje Paweł Broda. 

Również według Jacka Paradowskiego, Head of Service Department w firmie Festo, za nieszczelności najczęściej odpowiedzialne są niskiej jakości złączki wtykowe, szybkozłącza oraz narażone na drgania lub intensywne zmiany temperatury połączenia gwintowane. – Bardzo istotnym czynnikiem jest również staranność wykonania połączenia. Krzywo przycięte przewody, zbyt krótkie (prowadzące do naprężeń), nadmiarowo lub nierówno ułożone materiały uszczelniające mogą powodować, że nawet bardzo wysokiej jakości komponenty nie zachowują właściwej szczelności, a ich stan techniczny szybko ulega pogorszeniu – wylicza Jacek Paradowski. 

Nie tylko nieszczelności

Cały układ sprężonego powietrza można podzielić na trzy oddzielne obszary bilansowe, w których mogą wystąpić straty: produkcja sprężonego powietrza, jego przesył, a także finalna konsumpcja. Na pierwszym etapie występują dwa główne problemy – dotyczą pracy sprężarki na biegu jałowym oraz odpadów ciepła. Ponieważ sprawność sprężarki rzadko przekracza 15%, aż 85% tracone jest na energię cieplną. – Staramy się eliminować pracę na biegu jałowym przez odpowiedni dobór sprężarek i systemów sterowania układu wielosprężarkowego – wyjaśnia Wojciech Halkiewicz. – Aplikujemy także klientom systemy odzysku ciepła, pod warunkiem że mają co z nim zrobić, np. ogrzać za pomocą odzyskanego ciepła wodę, halę czy może jakieś konkretne pomieszczenie.

Typowe są również straty związane z dużymi spadkami ciśnienia w sieci, zbyt wysokim ciśnieniem zasilania, małą pojemnością sieci, nieodpowiednią jakością powietrza oraz zasilaniem maszyn w czasie nieprodukcyjnym. – Każde z tych zagadnień powinno być poddane fachowej analizie, ponieważ każde z nich może stanowić znaczące źródło aktualnych strat w zakładzie – dodaje Jacek Paradowski. Częstym problemem jest po prostu zły projekt instalacji, nierzadko wystarczy więc drobna przeróbka, by system okazał się sprawniejszy, bez zbędnych spadków ciśnienia np. na końcu linii.

Na różne miejsca występowania problemów w układach sprężonego powietrza uwagę zwraca także Bogusław Sinicki, Country Leader CTS w Ingersoll-Rand Industrial. Miejsce zainstalowania sprężarek i urządzeń do uzdatniania sprężonego powietrza w połączeniu z wadliwym systemem odprowadzania kondensatu może prowadzić do strat w postaci np. ciągle otwartych zaworów, które odprowadzają kondensat z instalacji wraz ze sprężonym powietrzem. Kolejne źródło nieszczelności, a w konsekwencji strat, mogą stanowić linie przesyłowe w złej kondycji – często skorodowane, w których nie sprawdza się szczelności ani stanu połączeń. – Przeprowadzając audyt, bardzo często spotykamy się z różnymi zjawiskami, które mogą prowadzić do strat – wyjaśnia Bogusław Sinicki. – Typowe jest wykorzystywanie sprężonego powietrza do czyszczenia stanowiska pracy, chłodzenia lub zdmuchiwania zanieczyszczeń – tego typu dodatkowe odbiorniki wykonane są bardzo często przez operatora stanowiska bez uzgodnienia.

Straty idą w miliony

W zależności od kosztu wyprodukowania 1 m3 sprężonego powietrza, który zależy m.in. od kosztu 1 MWh energii elektrycznej czy długości/kształtu instalacji, potencjalna nieszczelność o średnicy 2 mm przy ciśnieniu 0,6 MPa będzie generować w skali roku ok. 6 tys. zł strat. – Można w ten sposób mniej więcej oszacować łączny poziom strat, ale generalizując: w zależności od wielkości instalacji poziom ten sięga bardzo często setek tysięcy złotych w skali roku – wylicza Paweł Broda.

Bogusław Sinicki przytacza przykład pewnego projektu wdrożonego w minionym roku przez firmę Ingersoll Rand, w ramach którego uzyskane oszczędności po wdrożeniu rozwiązania wyniosły w skali roku kilka milionów złotych. – Często stykamy się z tym, że dla kupującego istotny jest wybór dostawcy oferującego sprzedaż kompresorów z najniższym współczynnikiem energetycznym, a całkowicie pomijany jest układ uzdatniania i przesyłu sprężonego powietrza – mówi Bogusław Sinicki. – A wielkość strat, jakie mogą powstawać w takim wypadku, generowana jest przez spadek ciśnienia wszystkich elementów instalacji oraz logikę ich pracy.

Jak wylicza z kolei Jacek Paradowski z Festo, przy założeniu, że wykorzystanie sprężarek wynosi 60%, roczna strata kształtuje się na poziomie 1,5 zł za każdy Wat mocy sprężarki, czyli przy 100 kW mocy wykorzystywanej w sprężarkowni roczna strata wyniesie około 150 tys. zł. Przy prawidłowym zarządzaniu sprężonym powietrzem możliwe jest zaoszczędzenie ok. 60% tej wartości, czyli ok. 100 tys. zł w skali roku.

Krzysztof Stoma z Fluke przywołuje natomiast przykłady Stanów Zjednoczonych oraz Nowej Zelandii. Według Departamentu Energii USA jedna nieszczelność na długości 3 mm może kosztować ponad 2 tys. euro rocznie, a przeciętny zakład, który nie jest odpowiednio konserwowany, może w wyniku nieszczelności obniżyć o 20% swoją łączną wydajność wytwarzania sprężonego powietrza. Z kolei rząd Nowej Zelandii ocenia, że nieszczelności układów mogą stanowić od 30 do 50% wydajności układu sprężonego powietrza.

Sposoby na oszczędności

Istnieje wiele sposobów przeprowadzenia modernizacji układów sprężonego powietrza, które pozwolą zredukować generowane straty. Podstawowym dążeniem firmy, która chce zmniejszyć koszty związane ze sprężonym powietrzem, powinno być stworzenie indywidualnego profilu uzyskanego w wyniku przeprowadzenia profesjonalnego audytu ISO 11011. – Celem takiego audytu jest nie tylko znalezienie wszystkich możliwych potencjałów oszczędności, ale również uszeregowanie przyszłych działań według klucza, że pierwsze aktywności nie wymagają dużych inwestycji, a uzyskane w wyniku ich wdrożenia oszczędności sfinansują kolejne modernizacje – wyjaśnia Jacek Paradowski.

Według Pawła Brody z SMC konieczna jest ciągła praca nad poprawą szczelności układu. – Działaniami wspierającymi może być wypracowanie u operatorów zdrowych nawyków, takich jak np. ręczny zrzut powietrza z maszyny podczas postoju i na przerwach. Prostym i dobrym pomysłem jest też połączenie zasilania zaworu głównego maszyny z wyłącznikiem światła, aby operator podczas gaszenia światła na stanowisku pracy jednocześnie odcinał dopływ powietrza.

Długofalowo należy rozważyć obniżenie wartości ciśnienia w instalacji. Niższe ciśnienie oznacza niższe zużycie energii przez kompresor, a także większą żywotność elementów pneumatyki. – Dopiero kolejnym krokiem jest zastosowanie produktów zaprojektowanych specjalnie do oszczędzania powietrza, takich jak specjalne zawory obniżające zużycie na cykl ASR/ASQ, siłowniki o podwójnej sile MGZ czy dysze eżektorowe serii KNH – dodaje Paweł Broda.

Najpopularniejszym obecnie przyrządem służącym do wykrywania wycieków ze sprężarki jest według Krzysztofa Stomy ultradźwiękowy czujnik akustyczny – przenośne urządzenie elektroniczne, które rozpoznaje dźwięki o wysokiej częstotliwości związane z wyciekami powietrza. – Typowe czujniki ultradźwiękowe ułatwiają wykrywanie wycieków, ale ich obsługa jest czasochłonna, a personel serwisowy może z nich korzystać tylko w czasie planowanych przestojów – mówi Krzysztof Stoma. – Nasza firma opracowała akustyczną kamerę przemysłową ii900, która pozwala na wykrywanie wycieków z odległości do 50 m i nie wymaga zatrzymywania pracy maszyn. Ponadto wykrywa szerszy zakres częstotliwości niż tradycyjne urządzenia ultradźwiękowe.

Nieszczelności mogą być ukryte za maszynami, w punktach przyłączeniowych, w rurach, pękniętych przewodach lub zużytych wężach (źródło: Fluke)

Firma 7bar proponuje swoim klientom detekcję ultradźwiękową wycieków, oznaczanie ich specjalnymi zawieszkami i naprawę wycieków z raportowaniem całego systemu, łącznie z przejęciem odpowiedzialności za cały system. W przypadku odmuchów można je ograniczyć, stosując specjalne dysze, które będą zmniejszały ilość pobieranego powietrza, albo intensyfikować odmuch, czyszczenie lub osuszanie czy też chłodzenie. – Aby pobór powietrza nie był ciągły, stosujemy przerywacze ciągu niepogarszające efektu wydmuchu, a zmniejszające pobór powietrza nawet o do 50% – mówi Wojciech Halkiewicz.

W przypadku redukcji wycieków sprężonego powietrza oraz wydmuchów i odmuchów czas zwrotu inwestycji w niezbędną modernizację wynosi ą od 4 do 6 miesięcy. W przypadku inwestycji w system przesyłu z reguły jest on dużo dłuższy – od 2 do 7 lat – ale żywotność instalacji to przeciętnie 25 lat. Natomiast w sprężarkowni przy właściwym doborze sprężarek, systemów nadrzędnego sterowania czy modernizacjach inwestycje spłacają się w okresie poniżej 2 lat. – Inwestując w odzysk ciepła, musimy liczyć, że projekty spłacają się od 6 do 24 miesięcy – dodaje Wojciech Halkiewicz.

Czas zwrotu inwestycji określany jest indywidualnie. – Czasami spotykamy się z oczekiwaniem, że będzie to mniej niż 12 miesięcy, czasami ze względu na poziom skomplikowania jest to okres powyżej 3 lat – wyjaśnia Bogusław Sinicki. – Maksymalny efekt można osiągnąć, mając wdrożone procedury pozwalające na regularne kontrole nieszczelności w sieci. Jest to jednak proces ciągły i praktycznie nieskończony – trzeba mieć świadomość, że po kilku tygodniach od ostatniego audytu nieszczelności pojawią się ponownie.