Ultradźwiękowa detekcja wycieków sprężonego powietrza szansą na obniżenie kosztów

Artykuł przedstawia jakie potencjalnie koszty mogą być związane z nieszczelnościami w układzie sprężonego powietrza oraz jak metoda ultradźwiękowa pomaga w detekcji miejsc nieszczelności. Dodatkowo prezentuje możliwości produktu Sonel TUD-1, który pomaga służbom utrzymania ruchu oraz diagnostom i firmom usługowym w odnajdowaniu miejsc wycieków gazu z systemów pneumatycznych i sprężonego powietrza.

WSTĘP

Zakłady przemysłowe dążą do ciągłego podwyższania wydajności co ma przynieść przewagę konkurencyjną i jednocześnie ograniczać koszty jakie powstają we wszelkich procesach zachodzących w przedsiębiorstwie. Jednym z takich kosztów są opłaty związane z występującym w prawie każdym przedsiębiorstwie medium jakim jest sprężone powietrze. Analiza opinii pracowników sektora przemysłowego pokazuje, że ciągle istnieje przeświadczenie, że powietrze to darmowe medium. Badania firm zajmujących się audytem energetycznym prezentują odmienne wyniki w tej kwestii. Okazuje się bowiem, że bagatelizowanie kosztów utrzymania systemu sprężonego powietrza, brak analizy zużycia energii potrzebnej na jego funkcjonowanie czy nieodpowiednie zaplanowanie samego systemu może w przeciągu kilku lat przynieść ogromne straty.

SYSTEM SPRĘŻONEGO POWIETRZA I KOSZTY Z NIM ZWIĄZANE

Instalacja sprężonego powietrza to zespół urządzeń, które służą do wytworzenia, magazynowania i dystrybucji tego medium. W skład tego systemu wchodzą również elementy transportowe służące do przesyłu powietrza, ze źródła jego czerpania do odbiorników. W celu podniesienia ciśnienia powietrza tak jak każdego innego gazu używa się sprężarek zasilanych energią elektryczną. Ze względu na budowę, sprężarki dzielimy na wyporowe oraz przepływowe. W standardowym układzie pneumatycznym w przedsiębiorstwach występują również zbiorniki ciśnieniowe, filtry, chłodnice,  osuszacze oraz rury i przewody rozprowadzające wraz z elementami połączeniowymi. Ostatnim elementem są odbiorniki, czyli maszyny, urządzenia wykorzystywane w procesach produkcyjnych. Na każdym etapie planowania systemu sprężonego powietrza może dojść do nieprawidłowego doboru sprzętu, spełniającego wymagania danego przedsiębiorstwa. Sprawność tego systemu zależy w dużej mierze od elementów odpowiadających za transport powietrza. Czym więcej jest elementów łączeniowych tym większe staje się prawdopodobieństwo wystąpienia usterek i kosztów z tym związanych.

Koszty systemu sprężonego powietrza można podzielić na:

1. koszty energii elektrycznej potrzebnej do sprężenia powietrza,
2. koszty związane z utrzymaniem i serwisem,
3. koszty związane z inwestycją i amortyzacją systemu.

Rysunek 1. Struktura kosztów systemu sprężonego powietrza w okresie 10 lat [1]

Rysunek 2. Struktura oszczędności energii potrzebnej do wytworzenia sprężonego powietrza [2]

Analizując koszty związane z energią elektryczną, jaką wykorzystuje się do zasilenia systemu sprężonego powietrza, okazuje się, że wyeliminowanie nieszczelności i wycieków powietrza z elementów systemu wpływa na ograniczenie kosztów o średnio 40%, lecz w niektórych przypadkach ta wartość może wynieść nawet 60%.

Jako przykład, który może uwidocznić realne koszty związane z nieszczelnością weźmy pod uwagę otwory o średnicy 0,8 mm, 1,6 mm oraz 6,4 mm. W poniższym wyliczeniu można zobaczyć zależność między średnicą otworu, a kosztem energii elektrycznej związanym z zasileniem sprężarki dla utrzymania średniego ciśnienia w instalacji na poziomie 6 barów.

Dane:

• koszt energii potrzebnej na wytworzenie 1 Nm³ (normalny metr sześcienny) to ok. 0,10 zł, przy czym koszt jest uzależniony od rodzaju i stanu sprężarek, generowanego ciśnienia i stawki za kWh energii elektrycznej),
• czas pracy systemu to około 7 000 godzin rocznie,
• ciśnienie sprężonego powietrza w układzie 6,2 bar.

Przyjmując powyższe dane otrzymujemy następującą informację:

1. dla otworu o średnicy 0,8 mm strata powietrza wynosi ok. 0,04 Nm³/min
2. dla otworu o średnicy 1,6 mm strata powietrza wynosi ok. 0,15 Nm³/min
3. dla otworu o średnicy 6,4 mm strata powietrza wynosi ok. 2,44 Nm³/min

 

Wzór na oszczędność z tytułu naprawy nieszczelności jest następujący:

Zatem koszt roczny z tytułu nieszczelności wynosi odpowiednio:
a)    100 x 0,04 Nm³/min x 0,61 x 0,1 kW / Nm³/min x 7000 h x 0,55zł/kWh = 939 zł / rok
b)    50 x 0,15 Nm³/min x 0,61 x 0,1 kW / Nm³/min x 7000 h x 0,55zł/kWh = 1761,5 zł / rok
c)    10 x 2,44 Nm³/min x 0,61 x 0,1 kW / Nm³/min x 7000 h x 0,55zł/kWh = 5730,3 zł / rok

Jak widać na powyższych wyliczeniach, roczne koszty związane z wyciekiem powietrza mogą wynieść prawie 10 000 zł, a są to tylko przykładowe dane dla niewielkiego systemu. Wielkość tych kosztów zależy dodatkowo od rozległości tego systemu i awarii powstałych na skutek ciągłej pracy sprężarek. Biorąc pod uwagę, że rozważane były pojedyncze uszkodzenia, gdzie w rozległym układzie sprężonego powietrza może być ich znacznie więcej, koszty również mogą ulec zwielokrotnieniu. 

JAK REDUKOWAĆ KOSZTY NIESZCZELNOŚCI?

W celu dokonania redukcji kosztów sprężonego powietrza, oprócz optymalnego zaprojektowania całego systemu dostosowanego do potrzeb danego przedsiębiorstwa, odpowiedniego sterowania sprężarkami czy używania urządzeń które w jak najmniejszym stopniu wpływają na opór przepływu i zmniejszenie ciśnienia należy jak najczęściej podejmować działania kontrolne nieszczelności układu rozprowadzania powietrza. Nieszczelności mogą występować na liniach zasilających (złącza, węże, rury, kolanka, rozdzielacze) oraz w urządzeniach systemu (sprężarki, zbiorniki ciśnienia, filtry, osuszacze, zawory). Najczęstszą przyczyną ich powstawania jest zużycie materiału, uszkodzenia mechaniczne, wpływ warunków środowiskowych i atmosferycznych. Szybkie zdiagnozowanie nieszczelności i wycieków pozwala na redukcję czasu pracy sprężarki, a przez to ograniczenie kosztów energii elektrycznej. Najważniejszym czynnikiem jest zmiana kultury pracy służb utrzymania ruchu i konserwatorów sieci sprężonego powietrza. Bagatelizując problem związany z nieszczelnościami, naraża się przedsiębiorstwo na ponoszenie dodatkowych kosztów energii elektrycznej potrzebnej na pokrycie zapotrzebowania systemu sprężonego powietrza.
Wychodząc naprzeciw potrzebie lokalizacji nieszczelności w układzie sprężonego powietrza firma Sonel S.A. dodała do oferty urządzenie Sonel TUD-1 - Ultradźwiękowy detektor wycieków i wyładowań elektrycznych. Jest to kompaktowe urządzenie, które odbiera przenoszone drogą powietrzną fale ultradźwiękowe, a następnie przekształca je w fale akustyczne w zakresie słyszalnym przez ludzkie ucho. Urządzenie dodatkowo wzmacnia je i wyświetla jako sygnał na linijce diodowej oraz w postaci akustycznej przez zestaw słuchawkowy.

Dzięki niemu możliwe jest m.in.:

• wyszukiwanie nieszczelności w układach pneumatycznych i hydraulicznych,
• kontrola szczelności instalacji dostarczających wodę i gaz takich jak rurociągi, kurki i zawory, elementy wyposażenia hydraulicznego, pompy, sprężarki,
• przeprowadzenie diagnostyki stanu elementów układu mechanicznego m.in. łożysk, przekładni, wałów napędowych, pomp, sprężarek, generatorów,
• lokalizowanie źródeł wyładowań elektrycznych takich jak linie elektroenergetyczne, izolatory, generatory, transformatory.

Rysunek 3. Pomiar szczelności zaworów zbiornika sprężonego azotu przy pomocy Sonel TUD-1.

Używając urządzenia Sonel TUD-1 możliwa jest znaczna redukcja kosztów wynikająca z nieszczelnego systemu sprężonego powietrza. 

Źródła:
[1] “Determine the Cost of Compressed Air for Your Plant”, Compressed Air Tip Sheet #1, U.S. Department of Energy, August 2004
[2] K. Tomczyk „Koszty sprężonego powietrza”, Sprężone powietrze – Dodatek do Inżynierii i Utrzymania Ruchu Zakładów Przemysłowych, Październik 2011.
[3] “Minimize Compressed Air Leaks”, Compressed Air Tip Sheet #3, U.S. Department of Energy, August 2004

Autor:
Adam Szczepanik
SONEL S.A.