Поиск по сайту
Авторизация
Логин:
Пароль:
Забыли свой пароль?

Повышение энергоэффективности в системах сжатого воздуха

Increasing the Energy Efficiency in Compressed Air Systems

Dragan Šešlija, Ivana Ignjatović and Slobodan Dudić

1. Введение

Повышение энергоэффективности является общей тенденцией во всемирном отношении. Согласно Киотскому протоколу с 1997 года, ЕС должен сократить выбросы парниковых газов на 8% ниже уровня 1990 года к периоду 2008-2012 годов. Для достижения этих сокращений необходимо предпринять значительные усилия во всех отраслях человеческого хозяйства.
Одной из важных отраслей промышленности, которые должны быть охвачены этой энергетической политикой, являются системы сжатого воздуха (CAS). Применение сжатого воздуха имеет тенденцию к росту благодаря своей простой и безопасной генерации, манипулированию и использованию. В предыдущие годы исследования в этой области были сосредоточены на разработке и применении CAS, направленных на повышение производительности независимо от потребления энергии. С повышением осведомленности об энергетических затратах, а также о воздействии выбросов парниковых газов внимание недавно было сосредоточено на энергоэффективном использовании сжатого воздуха.
Опыт, накопленный в многочисленных проектах оптимизации CAS, а также мнения экспертов в этой области, показал, что многие промышленные системы не имеют возможности улучшить энергосбережение при относительно низких затратах проектов на повышение энергоэффективности. Меры энергосбережения в CAS, которые были идентифицированы в ходе энергетических аудитов на малых и средних промышленных предприятиях, могут обеспечить среднюю экономию энергии почти на 15% с окупаемостью в два года, потенциал энергосбережения в некоторых из них составляет от 30% до 60% (USDOE, 2001). Основой для всех решений, касающихся энергоэффективности существующих CAS, является понимание способа их функционирования и наличия соответствующих данных. В этом смысле необходимо будет произвести измерения потребляемой электроэнергии компрессоров, воздушного потока, утечки системы и падения давления в системе.
Помимо экономии энергии, повышение энергоэффективности CAS может обеспечить другие значительные преимущества для предприятия. Меры энергосбережения предполагают высокий уровень мониторинга CAS и соответствующее обслуживание. Это приводит к уменьшению сбоев в производстве оборудования, предотвращению потери сырья или других материалов, увеличению срока службы пневматических устройств и повышению надежности CAS. Сокращение потребления энергии также снизит выбросы опасных и загрязняющих веществ, что уменьшит влияние на окружающую среду. Часто эти преимущества более ценны, чем экономия энергии.
Настоящая работа посвящена определению текущего состояния энергоэффективности в производстве и использовании сжатого воздуха и возможностям усовершенствований, которые позволили бы обеспечить соответствующее энергосбережение.

2. Текущее состояние энергоэффективности систем сжатого воздуха

Часто возникает заблуждение о том, что затраты на сжатый воздух настолько низки, что они не оправдывают расходы на дорогостоящее время управления для оптимизации всех параметров, включенных в эту проблему. Однако воздух является бесплатным только перед сжатием. Но после сжатия он имеет значительную цену, поэтому оправданно вкладывать средства в повышение энергоэффективности CAS (далее могут быть проблемы, например, с запчастями на компрессор 4ву или т.п.). Во-первых, необходимо определить текущее состояние CAS с точки зрения энергоэффективности. В этом смысле был дан краткий обзор состояния CAS в США, Европейском союзе, Китае и Сербии. США были взяты из-за своего лидирующего положения в отрасли; Из-за его общего значения; Китай как пример быстрорастущей промышленности, а Сербия - типичный пример небольшой развивающейся страны.

2.1. Состояние энергоэффективности в США

Ключевой вывод опроса, проведенного в рамках «Программы моторов» (MCP), запущенного в 1993 году, состоял в том, что 20% всей электроэнергии в США использовалось для управления промышленными моторными системами, большая часть которых связана с насосами, вентиляторами и воздуходувками, а также системы воздушного компрессора. Сообщаемая потенциальная экономия составила более 1 ТВт-ч электроэнергии или 3 млрд. Долл. США в год, при этом существующая и новая технология к 2010 году (или 10% от общей стоимости энергии промышленных моторных систем). Возможности улучшения системы были признаны при определении размеров двигателя и правильном согласовании с нагрузкой, улучшении компоновки системы, обновлении и улучшении контроля, улучшении работы и обслуживания, а также использовании устройств с регулируемой скоростью (McKane et al., 1997).

За MCP последовал проект «Проблемы сжатого воздуха» Министерства энергетики США (USDOE, 2001). Одним из наиболее важных результатов этого проекта было то, что потребление электроэнергии CAS в типичном производственном объекте может быть уменьшено на 17% с помощью соответствующих мер с окупаемостью в 3 года или менее. Помимо экономии энергии, повышение энергоэффективности CAS может также дать некоторые другие важные преимущества конечным пользователям, такие как надежное производство, меньшее количество отказов, более высокое качество и т. д.

2.2. Состояние энергоэффективности в Европейском Союзе

Европейская комиссия запустила «Программу автомобильных вызовов» с целью преодоления барьеров для повышения энергоэффективности. Из общего потребления электроэнергии в ЕС-15 в 2000 году из общей стоимости в 2 574 млрд кВтч было использовано 951 млрд кВтч. , 614 млрд кВтч или 65%, было потреблено моторными системами. Было подсчитано, что потенциальная экономия может составить 181 млрд кВтч (29%) или семь процентов от общего потребления электроэнергии (De Keulenaer et al., 2004).

Согласно исследованию «Системы сжатого воздуха в Европейском союзе» (Radgen and Blaustein, 2001), ЕС-15 тратил 10% общей электроэнергии, потребляемой в промышленности для производства сжатого воздуха. Наиболее важная потенциальная экономия энергии связана с установкой и обновлением системы (общая конструкция системы, усовершенствование приводов, использование сложных систем управления, восстановление теплоотдачи, улучшение охлаждения, сушка и фильтрация, снижение потерь на трение и т. Д.) И Эксплуатация и техническое обслуживание системы (снижение утечек воздуха, более частая замена фильтра и т. Д.). Соотношение потенциальной экономии варьировалось от страны к стране. Например, Германия потратила семь процентов, Соединенное Королевство - 10%, Италию, Францию ​​и остальную часть ЕС - 11% (Radgen and Blaustein, 2001). Подробные сведения о потенциальной экономии энергии можно найти в соответствующих ссылках: для Германии в (Radgen, 2003; Radgen, 2004) для Швейцарии в (Gloor, 2000) для Швеции в (Henning, 2005) и для Австрии в (Kulterer И Weberstorfer, 2007).

2.3. Состояние энергоэффективности в Китае

Расход электроэнергии на CAS на китайских предприятиях составляет от 10% до 40% (Li et al., 2008) от общей потребляемой промышленной электроэнергии. Согласно (Li et al., 2008), наиболее широко используемыми компрессорами в Китае являются поршневые компрессоры, часто несколько десятилетий назад. Чтобы удовлетворить повышенные требования к сжатому воздуху, многие предприятия провели модернизацию своих CAS, обеспечив повышенную мощность компрессора, улучшенные системные трубопроводы и т. Д. Наиболее часто реализуемые меры по экономии энергии: покупка роторных винтовых компрессоров, применение приводов с переменной скоростью и изменения Трубопроводная система для централизованного производства сжатого воздуха и т. Д.

2.4. Состояние энергоэффективности в Сербии

По данным электроэнергетики Сербии (EPS, 2009a), объем электроэнергии, потребляемой в Сербии в 2008 году, составил 27 639 ГВтч. Промышленные CAS, установленные в Сербии, потребляют около 8% электроэнергии, используемой в промышленности (Šešlija et al., 2011). Хотя этот процент невысок по сравнению со значениями, данными для некоторых других стран (Radgen and Blaustein, 2001; Radgen, 2003; Radgen, 2004), это не означает, что CAS в Сербии более эффективны. Этот низкий процент потребления является следствием неэффективного использования электроэнергии в промышленности, значение энергоемкости в три раза выше, чем в развитых европейских странах (USEIA, 2006). Кроме того, цена на электроэнергию в Сербии относительно низка, и в ней нет надлежащего внимания к ее экономическому использованию.

Существует высокий потенциал повышения энергоэффективности CAS в Сербии. Одним из возможных способов повышения энергоэффективности CAS является замена поршневых компрессоров с вращающимися винтовыми компрессорами, что снизит потребление энергии CAS примерно на 2,8%. С другой стороны, введение частотного регулирования приведет к экономии 10% (Wissink, 2007). Если это сочетается с потенциальной экономией, которая может быть достигнута путем устранения утечки воздуха в CAS, которая составляет в среднем 30%, и если этот способ экономии применим примерно в 80% компаний (Radgen and Blaustein, 2001), дополнительный сокращение составит 24%. Это приведет к потенциальной экономии 36,8% от общей энергии, потребляемой CAS. При нынешней цене, которая регулируется правительством, примерно 0,04 € / кВт-ч (EPS, 2009b), Сербия может сэкономить не менее 8,07 млн. Евро в год.

Меры энергосбережения должны применяться во всех развивающихся странах, как и в развитых странах, поскольку процесс повышения энергоэффективности является непрерывным и никогда не заканчивается.

Использованные источники

Aspragathos, NA. & Foussias, S. (2002). Optimal Location of a Robot Path when Considering Velocity Performance. Robotica, Vol.20, No.2, pp.139-147, ISSN 0263-5747

Barth, J., Zhang, J. & Goldfarb, M. (2003). Control Design for Relative Stability in a PWM- Controlled Pneumatic System. ASME Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, Vol.125, No.3, pp. 504-508, ISSN: 0022-0434

Blagojević, V., Šešlija, D. & Stojiljković, M. (2011). Cost Effectiveness of Restoring Energy in Execution Part of Pneumatic System, Journal of Scientific & Industrial Research, Vol.70, No.2, , pp. 170-176, ISSN (Online) 0975-1084

Čajetinac, S., Šešlija, D., Aleksandrov, S. & Todorović, M. (2012). PLC Controller used for PWM Control and for Identification of Frequency Characteristics of a Pneumatic Actuator, Elektronika Ir Elektrotechnika, (Article in press), ISSN 1392 – 1215

De Keulenaer, H., Belmans, R., Blaustein, E., Chapman, D., De Almeida, A., De Wachter, B.

& Radgen, P. (2004). Energy Efficient Motor Driven Systems. European Copper Institute, Retrieved from <copperinfo.co.uk/motors/downloads/pub-176-energy-efficient-motor- driven-systems.pdf>

Dissanayake, M. & Gal, J. (1994). Workstation Planning for Redundant Manipulators.

International Journal of Production Research, Vol.32, No.5, pp. 1105-1018, ISSN 0020-7543 Dudić, S., Ignjatovic, I., Šešlija, D., Blagojević, V. & Stojiljković, M. (2012). Leakage

Quantification of Compressed Air Using Ultrasound and Infrared Thermography.

Measurement, (Article in Press), ISSN 0263-2241

EPS-Electric Power Industry of Serbia (2009a). Technical annual report, Available from <eps.rs/GodisnjiIzvestaji/SRB%202009%20web1.pdf > EPS-Electric Power Industry of Serbia (2009b). Prices

Festo. (2011). VADM/VADMI product datasheet, Festo AG&Co.KG, Retrieved from <xdki.festo.com/xdki/data/doc_ENUS/PDF/US/VADM_ENUS.PDF>  

Lau, L. (2006). Energy Saving, P.BE-FESS-01-EN. Festo AG&Co.KG

Gloor, R. (2000). Energy Savings in Compressed Air Systems in Switzerland, Electricity Research Program (project number 33 564), Swiss Federal Office of Energy

Golubović, Z., Šešlija, D., Milovanović, B., Majstorović, B. & Vidovic, M. (2007). The Challenges in Sterile Pressurised Air Preparation, Proceedings of PAMM – Conference, pp. C152-153/2007, Balatonalmadi, Hungary, 31 May-3 June 2007

Guilbert, M., Joly, L. & Wieber, PB. (2008). Optimisation of Complex Robot Applications under Real Physical Limitations. The International Journal of Robotics Research, Vol.27, No.5, pp. 629-644. ISSN 0278-3649

Henning, D. (2005). Electricity - What and How Much in Swedish Industry. A Project of Energy Authority's Research Program, Swedish Energy Agency

Ignjatović, I., Šešlija, D., Tarjan, L. & Dudić, S. (2012). Wireless Sensor System for Monitoring of Compressed Air Filters, Journal of Scientific & Industrial Research, Vol. 71, No.5, pp. 334-340, ISSN (Online): 0975-1084

Ignjatović, I., Šešlija, D. & Dudić, S. (2011). Increasing energy efficiency of compressed air usage for sustainable production of food and beverage. Acta Technica Corviniensis, Faculty of Engineering Hunedoara, Vol.4, No.2, pp. 61-65, ISSN: 2067-3809

Jocanović, M., Šević, D., Karanović, V., Beker, I. & Dudić, S. (2012). Increased Efficiency of Hydraulic Systems through Reliability Theory and Monitoring of System Operating Parameters, Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering, (Article in press), ISSN 0039-2480

Kamrani, B., Berbyuk, V., Wäppling, D., Feng, X. & Andersson, H. (2010). Optimal Usage of Robot Manipulators. in Robot Manipulators Trends and Development, Jimenez A, Al Hadithi BM. pp. 1- 26, INTECH, Retrieved from <intechopen.com/books/robot-manipulators-trends- and-development/optimal-usage-of-robot-manipulators>

Kulterer, K. & Weberstorfer, C. (2007). Motor Challenge Programme in Austria–Improving industrial energy efficiency, Proceedings of eceee 2007. Summer study. Saving energy – just do it!, pp. 1509-1517, ISBN 978-91-633-0899-4, La Colle sur Loup, France, June 4–9, 2007

Lai, JY., Menq, CH. & Singh, R. (1990). Accurate Position Control of a Pneumatic Actuator, Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, Vol.112., No.4, pp. 734-739, ISSN 0022-0434

Li, L., Yuqi, L., McKane, A. & Taranto, T. (2008). Energy efficiency improvements in Chinese compressed air systems, Lawrence Berkeley National Library, University of California eScholarship Repository 2008; Paper LBNL-63415, Available from <escholarship.org/uc/item/0v72z2q0>

Liu, S. & Bobrow, JE. (1988). An Analysis of a Pneumatic Servo System and Its Application to a Computer-Controlled Robot, ASME Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, Vol.110, No.3, pp. 228-235, ISSN 0022-0434

Mališa, V., Komenda, T. & Ignjatović, I. (2011). Energy Efficient Automation on an Example of a Demo Robot Cell, Proceedings of International Scientific Conference on Industrial Systems, pp. 97-100, ISBN 978-86-7892-341-8, Novi Sad, Serbia, September 14-16, 2011

McKane, A., Scheihing, P., Cockrill, C. & Tutterow, V. (1997). US Department of Energy’s Motor Challenge: Developed with Industry for Industry, Lawrence Berkeley National Library, University of California, Industrial energy analysis, Paper LBNL-43887, Available from < industrial-energy.lbl.gov/files/industrial-energy/active/0/LBNL-43887.pdf>

Mitrović, Č., Golubović, Z. & Šešlija, D. (2006). Implementation, Significance and Effects of Filtration in Industry, Research and Design for Industry, Vol.12, No.4, pp. 13-20, ISSN 1451-4117

Norgren. (2011). Energy Saving, The Norgren guide to saving energy and cutting costs in compressed air systems, Norgren Engineering Advantage, USA

Radgen, P. (2004). Compressed Air System Audits and Benchmarking. Results from the German Compressed Air Campaign "Druckluft effizient". Proceedings of ECEMEI, Third European Congress on the Economics and Management of Energy in Industry, Rio Tinto, Portugal, April 6-9, 2004

Radgen, P. (2003). The “Efficient Compressed Air” Campaign in Germany - Market Transformation To Activate Cost Reductions And Emissions Savings. Proceedings ACEEE Summer Study on Energy Efficiency in Industry, pp. 3-194-205, Rye Brook, New York, July 29 - August 1, 2003

Radgen, P. & Blaustein, E. (2001). Compressed Air Systems in the European Union, Energy, Emissions, Saving Potentials and Policy Actions. LOG-X Verlag GmbH, ISBN 3-932298-16- 0, Stuttgart, Germany

Shen, X., Zhang, J., Barth, EJ. & Goldfarb, M. (2004). Nonlinear Averaging Applied to the Control of Pulse Width Modulated (PWM) Pneumatic Systems, Proceeding of the 2004 American Control Conference, pp. 4444 – 4448, Boston, Massachusetts, USA, June 30-July 2, 2010

Šešlija, D. (2003). The System Approach to the Pneumatic System Energy Efficiency, Procesna Tehnika, Vol.19, No.1, pp. 237-240, ISSN 0352-678X

Šešlija, D. (2002a). Production, Preparation and Distribution of Compressed Air, IKOS, Novi Sad Šešlija, D. (2002b). Quality of Compressed Air in Advanced Automated Systems, Proceedings

of International Scientific Conference on Industrial Systems, pp. 158-163, Vrnjačka Banja, Serbia, October 22-23, 2002

Šešlija, D. (1988). Industrial Robot Programming in Assembly Using GT Approach.

Strojarstvo, Vol.30, No.5/6, pp. 243-247, ISSN 0562-1887

Šešlija, D., Ignjatović, I., Dudić, S. & Lagod, B. (2011). Potential Energy Savings in Compressed Air Systems in Serbia, African Journal of Business Management, Vol.5, No.14, pp. 5637-5645, ISSN 1993-8233

Šešlija, D., Stojiljković, M., Golubović, Z., Blagojević, V. & Dudić, S. (2009). Identification of the Possibilities for Increasing Energy Efficiency in the Compressed Air Systems. Facta Universitatis, Series Mechanical Engineering, Vol.7, No.1, 2009 pp. 37-60, ISSN 0354 – 2025

Šešlija, D., Stojiljković, M. & Golubović, Z. (2008). Increase of Energy Efficiency in HIPNEF Systems, Proceedings of Congress with International Participation HIPNEF, ISBN 978-86- 80587-87-5, pp. 3-15, Vrnjačka Banja, Serbia, October 15-17, 2008

Šitum, Ž.; Žilić, T. & Essert, M. (2007). High Speed Solenoid Valves in Pneumatic Servo Applications, Proceedings of the Mediterranean Conference on Control & Automation, pp. T06-001, Athens, Greece, July 27-29, 2007