Fehlerbehebung in Druckluftsystemen

Die meisten Einrichtungen priorisieren die Kosten für den Betrieb von Druckluftsystemen nicht – sie wollen einfach nur ihre Arbeit erledigen. Eine aktuelle Marktstudie ¹ fanden heraus, dass nur 17 Prozent der Druckluftbenutzer die Effizienz als Ziel des Druckluftsystemmanagements ansahen. Neun Prozent machten sich Sorgen um die Eindämmung der Energiekosten.

Einundsiebzig Prozent wollten einfach nur eine konstante, zuverlässige Luftversorgung liefern.

Druckluftexperten haben festgestellt, dass sich viele Mitarbeiter in der Werkstatt so verhalten, als ob Druckluft kostenlos wäre, indem sie überschüssiges Öl von bearbeiteten Teilen, Sägemehl von Holzbearbeitungsgeräten, Staub vom Boden usw das viel Strom verbraucht und erhebliche Wartung erfordert.

Die Anschaffungskosten für einen 100-PS-Kompressor können zwischen 30.000 und 50.000 US-Dollar betragen und er kann jährlich 50.000 US-Dollar an Strom verbrauchen. Gleichzeitig können die jährlichen Wartungskosten bis zu 10 % der Anschaffungskosten eines Systems betragen. ² Dennoch berichtet dieselbe Quelle:„Viele Einrichtungen haben keine Ahnung, wie viel ihre Druckluftsysteme jährlich kosten oder wie viel Geld sie durch die Verbesserung der Leistung dieser Systeme sparen könnten.“

Für viele Einrichtungen ist die Verbesserung der Drucklufteffizienz eine goldene, übersehene Möglichkeit, nicht nur Energiekosten zu sparen, sondern auch eine noch zuverlässigere Druckluftversorgung zu erreichen.

Abbildung 1.

Kennen Sie zuerst Ihr System
Um die Effizienz eines Druckluftsystems zu verbessern, ist es wichtig, Ihr System als System zu betrachten. Wenn Sie eine Sache im System ändern, wirkt sich diese Änderung auf alles andere aus. Zum Beispiel erhöht das Beheben eines Lecks den Druck im System, wodurch andere, kleinere Lecks größer werden. Daher ist die Reparatur von Lecks und die Beseitigung anderer Fälle von sogenannter künstlicher Nachfrage (unproduktiver Luftverbrauch) an sich keine vollständige Lösung. Die Senkung des künstlichen Bedarfs muss mit Strategien zur Verbesserung des Energieverbrauchs und zur Verbesserung Ihres Kontrollsystems verzahnt werden. Der erste Schritt besteht darin, Ihr System und seine Anforderungen zu kennen und zu wissen, wie diese Anforderungen zur Energieeinsparung angepasst werden können.

Bestimmen Sie Ihre Betriebskosten
Die Hauptkosten für den Betrieb einer Druckluftanlage sind Wartung und Strom. Die Wartungskosten können aus Ihrem Asset-Management-System oder durch die Prüfung der Zahlungen an Ihren Druckluftsystem-Servicepartner, falls Sie einen verwenden, ermittelt werden.

Möglichkeiten zur Ermittlung der Stromkosten Ihrer Anlage:

• Berechnen Sie den Volllastbetrieb anhand der Nennleistung des Kompressormotors (in PS), des Wirkungsgrads auf dem Typenschild (oder einer Schätzung), der jährlichen Betriebsstunden und der Stromkosten pro Kilowattstunde. Die jährlichen Stromkosten sind das Produkt dieser vier Variablen ³
• Bestimmen Sie den Stromverbrauch bei Volllast und anschließend die Energiekosten genauer, indem Sie mit einer Stromzange oder einem Multimeter Strom und Spannung in den Kompressor bei Volllast messen
• Verwenden Sie einen Leistungslogger, um den tatsächlichen Stromverbrauch in Kilowatt zu bestimmen und den Leistungsfaktor zu testen

Bedarfsanforderungen ermitteln
Schätzen Sie Ihr Druckluftlastprofil im Hinblick darauf ab, wie sich der Bedarf in Kubikfuß pro Minute im Laufe der Zeit ändert. Anlagen mit unterschiedlichen Lastanforderungen können oft von fortschrittlichen Steuerungsstrategien profitieren, während Anlagen mit relativ kurzen Perioden hoher Nachfrage von Luftspeicheroptionen profitieren können.

Um ein Lastprofil zu erstellen, messen Sie Durchfluss und Druck im gesamten System unter verschiedenen Bedarfsbedingungen. Beachten Sie die Auswirkungen unterschiedlicher Belastungen auf die Kompressoren. Erhebliche Abweichungen der Betriebsanforderungen können einen Tag oder mehr Überwachung erfordern. Sie können einen Datenlogger verwenden, um Bedarfsprofile und Stromverbrauchsprofile zu sammeln und zu speichern. Dies zeigt Ihnen, wann und warum Spitzen- und Minimalbedarfe auftreten.

Systemdruck aufzeichnen
Verwenden Sie Manometer, einen Druck-/Luftmengenmesser oder ein Druckmodul, das an ein digitales Multimeter angeschlossen ist, um Messungen an verschiedenen Stellen im System durchzuführen:

• Kompressoreinlässe (am Einlassfilter)
• Bei geschmierten Systemen das Differential über den Luft-/Schmierstoffabscheider
• Die Zwischenstufen bei mehrstufigen Kompressoren
• Druckunterschiede zwischen verschiedenen Komponenten (z. B. Nachkühler, Trockner, Filter usw.)

Systemablauf aufzeichnen
Verwenden Sie einen tragbaren Luftstrom-/Druckmesser oder einen Massenstrommesser, um den Gesamtdurchfluss an verschiedenen Stellen im System und während verschiedener Schichten zu messen.

• Luftverbrauch während des Betriebs ermitteln
• Richten Sie Benchmarks ein, um Verbesserungen zu messen
• Leckbelastung während der Nichtproduktion schätzen

Systemtemperaturen protokollieren
Verwenden Sie die Temperatur, um den Systemzustand zu bewerten. Im Allgemeinen funktionieren Geräte, die heißer als erwartet laufen, nicht optimal und müssen gewartet werden. Verwenden Sie für maximale Effizienz ein Infrarot-Thermometer, um die Oberflächentemperaturen der folgenden Komponenten aufzuzeichnen:

• Nachkühler-Auslasstemperaturen – Abhilfemaßnahmen können erforderlich sein, wenn die Nachkühler-Auslassluft die maximale Einlasstemperatur von 100 Grad Fahrenheit überschreitet
• Auslasslufttemperaturen von rotierenden, geschmierten Kompressoren. Normaler Betrieb erfordert Temperaturen unter 200 Grad F
• Einlasslufttemperatur an Kompressoren

Verfolgen Sie einen Systemansatz für Verbesserungen
Die drei grundlegenden Strategien zur Verbesserung der Leistung industrieller Druckluftsysteme bestehen darin, den künstlichen Bedarf zu senken, die Regelstrategien zu verbessern und den Energieverbrauch zu verbessern. Denken Sie daran, dass Fortschritte in einem Bereich wahrscheinlich die anderen beiden beeinflussen werden, was dies zu einem fortlaufenden Prozess macht.

Den künstlichen Bedarf zu senken bedeutet, Leckagen zu reparieren und verschiedene Wege zu finden, um Aufgaben durchzuführen, die Druckluft verschwenden. Beachten Sie die Praktiken in der Werkstatt und achten Sie beispielsweise auf die Verwendung von Systemluft zur Reinigung von Teilen und Geräten. Weisen Sie dann das Personal darauf hin, dass Druckluft nicht kostenlos ist.

Der erste Schritt bei der Leckkontrolle besteht darin, die Leckbelastung abzuschätzen. Eine gewisse Leckage (weniger als 10 Prozent der Kapazität und Leistung) ist zu erwarten, aber eine Leckage von 20 bis 30 Prozent ist sowohl üblich als auch unnötig verschwenderisch. Bestimmen Sie die Leckbelastung als Benchmark, um die Verbesserungen zu vergleichen.

Da die Kontrollsysteme variieren, tun dies auch die Methoden zum Schätzen der Leckbelastung. Wenn es sich bei Ihrem System um ein System mit Start/Stopp-Steuerung handelt, starten Sie Ihren Kompressor einfach, wenn das System nicht benötigt wird (zwischen den Schichten oder außerhalb der Schicht, wenn Ihr Betrieb nicht rund um die Uhr läuft). Nehmen Sie mehrere Messungen vor, um die durchschnittliche Zeit zum Entladen des geladenen Systems aufgrund von Leckagen zu bestimmen.

Leckage (%) =(T x 100) ÷ (T + t), wobei

T =Ladezeit (Minuten) und
t =Entladezeit (Minuten)

Platzieren Sie in Systemen mit komplexeren Regelstrategien ein Manometer stromabwärts des Sammlers und schätzen Sie das Systemvolumen (V, in Kubikfuß) einschließlich aller sekundären Sammler, Hauptleitungen und Rohrleitungen. Bringen Sie das System wieder auf seinen normalen Betriebsdruck (P₁ , in psig). Wählen Sie einen zweiten Druck (P₂ .) , etwa die Hälfte des Wertes von P₁ ) und messen Sie die Zeit (T, in Minuten), die das System benötigt, um auf P₂ abzusinken .

Leckage (cfm freie Luft) =[(V x (P1 – P2) ÷ (T x 14,7)] x 1,25

Der Multiplikator 1,25 korrigiert die Leckage auf den normalen Systemdruck und berücksichtigt so die reduzierte Leckage bei sinkendem Systemdruck.

Sobald Sie diesen Benchmark haben, können Sie Lecks finden und beheben, indem Sie einen Ultraschall-Lecksucher verwenden, der das mit Luftlecks verbundene Hochfrequenzzischen erkennt. Diese Erkennungsmethode ist schneller und weniger schmutzig als die alte Methode, Seifenlauge mit einem Pinsel auf verdächtige Bereiche aufzutragen.

Der häufigste Bereich für Undichtigkeiten ist der Verwendungsort. Achten Sie besonders auf Kupplungen, Schläuche, Rohre, Fittings, Rohrverschraubungen, Schnellkupplungen, FRLs (Filter-, Regler-, Schmierstoff-Kombinationen), Kondensatabscheider, Ventile, Flansche und Packungen.

Die Verbesserung der Kontrollstrategien, einschließlich des Hinzufügens von Komponenten wie Demand Expandern (Druck-/Durchflussregler), sollte in Verbindung mit der Kontrolle von Leckagen und anderen künstlichen Anforderungen erfolgen.

Ziel ist es, die Anlage mit Druckluft mit dem niedrigsten stabilen Druck zu versorgen und gleichzeitig den unerwarteten Bedarf mit ausreichender Hochdruckluftspeicherung zu unterstützen. Das Auffüllen der gespeicherten Luft sollte nur minimale Kompressorleistung verbrauchen.

Überwachen Sie die Kompressornutzung und suchen Sie nach:

• Kompressoren laufen unnötig;
• Kompressoren, ausgenommen Trimmkompressoren, die unter Volllast laufen;
• Operationen, die den relativ niedrigen Durchschnittsdruck nicht aufrechterhalten; und
• Vorgänge, die manchmal weniger als die Mindestsystemanforderungen erfüllen.

Durch Leckreparaturen und verbesserte Steuerungsstrategien können Sie möglicherweise einen oder mehrere große Kompressoren (in Systemen mit mehreren Kompressoren) eliminieren, wodurch der Energieverbrauch erheblich gesenkt wird. Sie können auch wieder hinzufügen

ein kleiner Kompressor, um das System bei geringem Bedarf aufgeladen zu halten und die Ineffizienzen großer Kompressoren zu beseitigen, die bei weniger als Volllast betrieben werden. Zur Verbesserung des Energieverbrauchs gehört die Verbesserung der Anlageneffizienz sowohl auf der Angebots- als auch auf der Nachfrageseite des Systems. Die Effizienz des gesamten Systems hängt von der richtigen Auswahl, der richtigen Installation und der rigorosen Wartung jeder Komponente ab.

Berücksichtigen Sie auf der Angebotsseite die folgenden Komponenten:

• Die Antriebsmotoren Ihrer Kompressoren
• Kompressorsteuerung
• Luftaufbereitungsanlage
• Trockner
• Filter
• Empfänger
• Vorratsgefäße

Außerdem kann man leicht übersehen, wie Lufttanks mit der Ansammlung von Kondensat umgehen. Einige lassen einfach Wasser auffüllen, wodurch die Kapazität verringert und ein Systemschaden riskiert wird. Andere haben ein altes automatisiertes System, das zeitgesteuert ein Ventil öffnet, ob dies notwendig ist oder nicht. Dies ist im Grunde ein Leck; eine bessere Lösung ist ein Ventil, das nur bei Bedarf öffnet und schließt, sobald das Wasser entnommen wird.

Dimensionieren und legen Sie schließlich das gesamte System so aus, dass der Gesamtdruckabfall vom Kompressor zu den Verbrauchsstellen deutlich weniger als 10 Prozent des Drucks am Kompressorauslass beträgt.

Achten Sie auf der Nachfrageseite auf die folgenden Komponenten:

• Kondensat-/Schmiermittelabscheider
• Luft-/Schmierstoffabscheider
• Wärmerückgewinnungssysteme
• Point-of-Use-Systeme

Systemleistung an die Produktion binden
Letztendlich ist die gesteigerte Produktivität der letzte Maßstab für den Erfolg. Korrelieren Sie mit den hier beschriebenen Strategien periodisch Ergebnisse wie die Systemleistung (Kubikfuß pro Minute bei psig) und den Energieverbrauch (Kilowattstunden) mit Produktionseinheiten. Erwarten Sie im Allgemeinen, dass Verbesserungen zu einem Rückgang des Energieverbrauchs führen, es sei denn, die Produktion steigt zusammen mit entsprechenden Anstiegen der Druckluftlasten. Wenn die Produktion bei steigendem Druck nicht ansteigt, passen Sie die Steuerung nach Bedarf an.

Weitere Informationen finden Sie auf der Website der Fluke Corporation unter www.fluke.com.

Notizen

¹ Siehe „Anhang D“ von Improving Compressed Air System Performance:a Sourcebook for Industry online unter http://www.compressedairchallenge.org/library/index.html#Sourcebook. Studie im Auftrag des US-Energieministeriums (DOE) mit technischer Unterstützung der Compressed Air Challenge (CAC).

² Verbesserung der Leistung von Druckluftsystemen:ein Quellenbuch für die Industrie:Abschnitt 12, „Wirtschaftlichkeit von Druckluftsystemen und der Verkauf von Projekten an das Management“, S. 69.

³ Siehe ebd., Abschnitt 10, „Baselining von Druckluftsystemen“, S. 61. und auch Abschnitt 11, „Ermitteln der Analyseanforderungen Ihres Druckluftsystems.“

Quantifizierung der Energiekosten
In einer typischen US-amerikanischen Industrieanlage verbraucht die Erzeugung von Druckluft etwa 10 Prozent der gesamten Stromrechnung. In einigen Fällen sind es mehr als 30 % bei geschätzten Kosten von 18 bis 30 Cent pro 1.000 Kubikfuß Luft.

Inzwischen kann der Wirkungsgrad eines Druckluftsystems bis zu 10 Prozent betragen. Zum Beispiel erfordert der Betrieb eines 1-PS-Luftmotors bei 100 psig eine Zufuhr von 7 oder 8 PS zum Luftkompressor.

So berechnen Sie die Dollarkosten für Druckluft:

Kosten = (PS x 0,746 x Betriebsstunden x $/kWh x % Laufzeit x % Volllast PS) , Motorwirkungsgrad,

wo

PS =Motorleistung bei Vollast, häufig höher als die Motorleistung auf dem Typenschild,

0,746 =der Umrechnungsfaktor zwischen PS und Kilowatt,

Prozentlaufzeit =Prozentsatz der Zeit, in der der Kompressor auf seiner Betriebsstufe läuft,

Prozent Volllast-PS =PS in Prozent der Volllast-PS auf Betriebsebene und

Motoreffizienz =Motorwirkungsgrad auf Betriebsebene

Angenommen, eine Produktionsstätte verfügt über einen 200-PS-Kompressor, der 215 PS benötigt und jährlich 6.800 Stunden arbeitet. Wenn er 85 Prozent der Zeit voll geladen ist (Motorwirkungsgrad =0,95), die restliche Zeit entladen (25 Prozent Volllast-PS und Motorwirkungsgrad =0,90) und der Gesamtstrompreis 0,05 USD/kWh beträgt, dann

Kosten bei voller Beladung =(215 PS x 0,746 x 6800 Stunden x 0,05 USD/kWh x 0,85 x 1,0), 0,95 =48.792 USD ,

Kosten beim Entladen =215 PS x 0,746 x 6800 Stunden x 0,05 $/kWh x 0,15 x 0,25), 0,90 =2.272 $ und

Jährliche Energiekosten =48.792 $ + 2.272 $ =51.064 $ .

Quelle:U.S. DOE Compressed Air Tip Sheet Nr. 1, „Bestimmen Sie die Kosten für Druckluft für Ihre Anlage“, August 2004.