Энергозатраты на производство сжатого воздуха: основные причины

Энергозатраты на производство сжатого воздуха определяются не только мощностью компрессоров. Электроэнергия расходуется на сжатие воздуха, его подготовку и работу вспомогательного оборудования. На общую эффективность системы влияют давление нагнетания, фактическая подача, загрузка компрессоров, потери воздуха и сопротивление распределительной сети.

Чтобы установить причины повышенного энергопотребления, необходимо сопоставить количество израсходованной электроэнергии с объёмом поданного сжатого воздуха при одинаковых границах измерения и сопоставимых рабочих условиях. Дополнительно проверяют давление на выходе компрессорной станции и непосредственно у потребителей, режимы осушки и охлаждения, а также работу компрессоров при изменении потребности в воздухе.

Высокий расход электрической энергии сам по себе не доказывает неэффективность компрессорной. Он может соответствовать увеличившемуся объёму полезной подачи. Поэтому оценка начинается с энергетического баланса системы, а не с предположения о неисправности оборудования или наличии утечек.

Из чего складываются энергетические затраты системы сжатого воздуха

Для анализа необходимо установить границу, в которой рассматривается потребление электроэнергии и движение сжатого воздуха. В пределах этой границы выделяют три взаимосвязанные составляющие.

• Сжатие воздуха. Основной процесс, при котором компрессорное оборудование повышает давление воздуха до необходимого уровня. Электрическая нагрузка зависит от фактической подачи, давления и режима работы компрессоров.
• Подготовка воздуха. Осушка, охлаждение и другие предусмотренные технологией процессы, необходимые для получения воздуха с требуемыми параметрами. Их оборудование может формировать самостоятельную электрическую нагрузку.
• Распределение воздуха. Доставка сжатого воздуха к потребителям по трубопроводной сети. Потери давления и воздуха при распределении могут изменять необходимую работу компрессоров.

Эти составляющие связаны между собой. Например, повышение потерь давления в распределительной сети может потребовать более высокого давления на выходе станции, что увеличивает работу сжатия.

Поэтому оценка только электрической мощности компрессорных агрегатов без анализа подготовки и распределения воздуха не всегда отражает эффективность всей системы.

Какие данные необходимы для расчёта

Для предметной оценки энергозатрат требуются три группы исходных показателей.

Электроэнергия компрессорной по режимам

Необходимо определить, сколько электрической энергии потребляет компрессорная станция в характерных режимах работы. При этом устанавливают, какое оборудование включено в границу измерения.

Если общий электросчётчик учитывает компрессоры, осушители, охлаждение и вспомогательное оборудование, его показания характеризуют совокупные затраты станции.

Если измеряется только компрессорный агрегат, полученный показатель не включает остальные составляющие, которые могут быть существенны для оценки воздушной системы.

Также необходимо учитывать время работы оборудования под нагрузкой и в других эксплуатационных режимах.

Расход и давление воздуха на выходе и у потребителей

Расход воздуха необходим для определения фактической подачи. Давление позволяет установить условия работы компрессоров и изменение параметров воздуха при его транспортировании.

Для сопоставления объёмных расходов необходимо использовать согласованные условия их выражения. Объём сжатого воздуха при рабочем давлении нельзя непосредственно сравнивать с объёмом, приведённым к другим условиям, без соответствующего пересчёта.

Измерения на выходе станции и у потребителей позволяют оценивать условия подачи и выявлять участки, требующие проверки.

Параметры осушки, охлаждения и вспомогательного оборудования

Подготовка воздуха может включать оборудование с собственной электрической нагрузкой. Для определения общих затрат необходимо установить его состав, фактические режимы и потребление энергии.

Если такие данные отсутствуют, можно рассчитать показатель для измеренной части станции. Однако распространять его на всю систему подготовки и распределения воздуха без обоснования нельзя.

Как рассчитать удельное энергопотребление сжатого воздуха

Удельное энергопотребление показывает, сколько электрической энергии затрачивается на подачу единицы объёма сжатого воздуха в установленной границе.

Для одного периода его можно рассчитать по формуле:

e = E / V,

где:

• e — удельное потребление электрической энергии;
• E — электроэнергия, израсходованная рассматриваемой системой за период;
• V — объём поданного воздуха за тот же период, выраженный в согласованных условиях.

Например, при использовании киловатт-часов и кубических метров показатель выражается в кВт·ч/м³. Однако для правильной интерпретации необходимо обязательно указать условия, к которым приведён объём воздуха.

Также фиксируют давление подачи и состав оборудования, включённого в электрическое потребление.

Удельные показатели, рассчитанные при разных давлениях или границах учёта, нельзя считать непосредственно сопоставимыми.

Если один расчёт включает только компрессоры, а другой — компрессоры вместе с осушкой и охлаждением, разница показателей может объясняться составом учитываемого оборудования.

Поэтому перед сравнением устанавливают одинаковую методику и сопоставимые условия работы.

Почему электросчётчика без расходомера недостаточно

Электросчётчик показывает количество потреблённой электроэнергии, но не позволяет определить, какой объём сжатого воздуха произведён за соответствующий период.

Допустим, после изменения режима компрессорная стала потреблять больше электроэнергии. Без данных о подаче невозможно установить, увеличились ли удельные затраты или станция стала обеспечивать больший объём воздуха.

Возможны две принципиально разные ситуации:

• Электропотребление увеличилось вместе с полезной подачей. Рост расхода энергии может соответствовать возросшей потребности технологических потребителей.
• Электропотребление увеличилось без сопоставимого роста подачи. Возникает основание проверить давление, загрузку компрессоров, вспомогательные нагрузки и возможные потери.

Разграничить эти ситуации позволяет только совместное рассмотрение электроэнергии и расхода воздуха.

Следовательно, счётчик электроэнергии станции без расходомера не позволяет достоверно определить удельное энергопотребление сжатого воздуха.

Если измерений подачи нет, первоочередной задачей становится определение способа получения согласованного ряда расхода воздуха.

Почему высокое давление нагнетания увеличивает работу сжатия

Повышение давления воздуха требует выполнения работы сжатия. При сопоставимых исходных условиях увеличение требуемого давления нагнетания повышает энергетическую потребность процесса.

Поэтому необходимо проверять, соответствует ли давление, поддерживаемое компрессорной станцией, действительной потребности технологических потребителей.

Однако давление на выходе станции и давление в точке потребления могут различаться.

Если при транспортировании воздуха возникают значительные потери давления, на выходе компрессорной может потребоваться более высокий уровень для обеспечения необходимых параметров у оборудования.

В таком случае повышение работы сжатия связано не только с настройкой компрессора, но и с характеристиками распределительной сети.

Для проверки последовательно устанавливают:

1. Фактическое давление нагнетания на выходе станции.
2. Давление в выбранных точках потребления.
3. Необходимые рабочие параметры потребителей.
4. Расход воздуха при соответствующих условиях.
5. Режим работы компрессоров и их электрическое потребление.

Если давление на станции повышено, это ещё не доказывает наличие устранимого перерасхода. Необходимо установить, какие требования действуют у потребителей и где возникают потери давления.

Как потери давления при распределении влияют на энергозатраты

При движении сжатого воздуха по распределительной сети давление может снижаться вследствие гидравлического сопротивления элементов системы.

Для анализа сопоставляют давление на выходе компрессорной и у потребителей при известном расходе воздуха.

Разность давлений в выбранных точках можно выразить как:

Δp = p_выход − p_{потребитель}.

Эта величина характеризует изменение давления между соответствующими точками измерения при рассматриваемом режиме.

Однако она не определяет автоматически величину избыточных энергозатрат. Для такой оценки необходимо установить, насколько измеренная разность связана с работой сети, требованиями потребителей и необходимым давлением нагнетания.

Кроме того, потери давления зависят от потока воздуха. Поэтому сравнение результатов, полученных при существенно различающихся расходах, требует соответствующего учёта условий.

Повышенная разность давлений — основание для проверки распределительной системы, но не готовый расчёт энергетической экономии.

Как изменение числа потребителей влияет на расход энергии

Необходимый поток сжатого воздуха зависит от состава и режима работы подключённых потребителей.

Если на предприятии вводится дополнительное оборудование или увеличивается продолжительность работы действующих потребителей, потребность в воздухе может возрасти.

Вслед за этим может увеличиться загрузка компрессоров и суммарное электрическое потребление станции.

Поэтому сравнение разных периодов должно учитывать, какие потребители работали и какое количество воздуха им требовалось.

Особенно важно разграничить изменение полезной подачи и возможное ухудшение эффективности компрессорной.

Если расход электроэнергии вырос при одновременном увеличении подачи, необходимо рассчитать удельный показатель при сопоставимом давлении.

Если состав потребителей изменился, необходимо учитывать это изменение при интерпретации результата.

Высокое электрическое потребление может соответствовать возросшей полезной подаче воздуха. Без сведений о составе потребителей и фактическом расходе нельзя уверенно признать его перерасходом.

Как загрузка компрессоров влияет на удельный расход

Компрессорная станция может работать с переменной потребностью в воздухе. При этом меняются загрузка агрегатов, их производительность и энергопотребление.

Для проверки необходимо установить, сколько времени компрессоры работают в соответствующих режимах и какой объём воздуха подают.

Отдельное значение имеет способ регулирования производительности.

Разные типы компрессоров обладают различными характеристиками и диапазонами регулирования. Поэтому нельзя применять одинаковые предположения о частичной нагрузке ко всем компрессорным установкам.

Для корректного анализа используют фактические характеристики конкретного оборудования.

Если производительность снижается, электрическая мощность компрессора не обязательно уменьшается в той же пропорции.

Поэтому при частичной нагрузке удельный расход может отличаться от показателя номинального режима.

Практическая задача — сопоставить фактическую подачу и электрическое потребление каждого характерного режима, не подменяя измерения условным процентом загрузки.

Почему работа без полезной подачи может повышать удельный расход

В системе сжатого воздуха возможны режимы, при которых компрессорное оборудование продолжает потреблять электроэнергию, но полезная подача уменьшается либо отсутствует.

Такие режимы могут возникать в зависимости от конструкции и способа регулирования конкретной установки.

Для определения их энергетического вклада необходимо установить мощность оборудования и продолжительность соответствующих интервалов.

При условно постоянной мощности:

E_режим = P_режим × t_режим.

Но из этого расчёта нельзя автоматически получить возможную экономию.

Сначала необходимо установить, какую функцию выполняет соответствующий режим и какие ограничения действуют при изменении управления компрессорами.

Если потребление энергии сохраняется при уменьшении полезной подачи, удельный показатель может ухудшаться.

Однако величина ухудшения должна быть подтверждена синхронными данными о потреблении и объёме воздуха.

Как потери воздуха влияют на энергетический баланс

Если часть сжатого воздуха теряется до выполнения полезной технологической функции, компрессоры могут производить больший объём, чем фактически используется потребителями.

Это увеличивает потребность в подаче воздуха и может повышать энергетические затраты системы.

Однако поиск утечек — только один из элементов анализа.

Даже при отсутствии значительных утечек повышенные затраты могут быть связаны с давлением нагнетания, загрузкой компрессоров или энергопотреблением оборудования подготовки воздуха.

Кроме того, разница между объёмом воздуха на выходе станции и расходом у отдельных потребителей не всегда может быть полностью признана утечкой.

Необходимо проверить полноту охвата потребителей, согласованность измерений и фактические границы распределительной системы.

Для общей оценки энергетических затрат необходимо рассматривать производство, подготовку и распределение воздуха совместно, не сводя весь анализ к поиску утечек.

Как осушка и охлаждение влияют на общее потребление

После сжатия воздух может нуждаться в подготовке для достижения параметров, требуемых технологическими потребителями.

В состав такой подготовки могут входить осушка и охлаждение.

Соответствующее оборудование способно потреблять электрическую энергию, поэтому его необходимо учитывать при оценке всей компрессорной станции.

Если удельное потребление рассчитано только для компрессоров, оно не отражает энергетические затраты оборудования подготовки.

Для получения общего показателя необходимо согласовать электрическую границу и установить, какие агрегаты в неё включены.

При этом увеличение общего расхода электроэнергии не всегда связано с ухудшением эффективности компрессоров.

Причиной может быть изменение нагрузки оборудования подготовки воздуха или требований к его параметрам.

Для проверки необходимы сведения о режимах осушки, охлаждения и связанных вспомогательных систем.

Если эти данные отсутствуют, можно оценивать только ту часть энергопотребления, которая подтверждена измерениями.

Как правильно сравнивать компрессорные станции

Сравнение удельного расхода возможно только при согласованных условиях.

Прежде всего необходимо определить, одинаковы ли границы электрического учёта. В одном случае показатель может включать только компрессоры, в другом — всё оборудование станции.

Затем проверяют давление подачи и условия определения объёма воздуха.

Необходимо учитывать также режимы загрузки оборудования и фактические требования потребителей.

Для предметного сравнения устанавливают:

• электроэнергию в одинаковой расчётной границе;
• объём воздуха за соответствующий период;
• условия приведения объёмного расхода;
• давление нагнетания и давление у потребителей;
• состав оборудования подготовки воздуха;
• характерные режимы загрузки компрессоров.

Если эти условия различаются, необходимо объяснить их влияние до вывода о преимуществе одной станции.

Более низкий удельный показатель сам по себе не доказывает лучшую эффективность при иной границе учёта или другом давлении подачи.

Структура энергетических затрат воздушной системы

Для практического анализа полезно разделить факторы энергопотребления по соответствующим участкам системы.

Участок	Что влияет на энергозатраты	Какие данные необходимы
Сжатие	Давление нагнетания, фактическая подача, загрузка и способ регулирования компрессоров	Электроэнергия по режимам, давление и объём воздуха
Подготовка	Работа осушки, охлаждения и вспомогательного оборудования	Параметры и энергопотребление соответствующих установок
Распределение	Потери давления и воздуха между станцией и потребителями	Расход и давление на выходе и в точках потребления
Потребители	Состав работающего оборудования и необходимый поток воздуха	Расход, требуемое давление и режимы технологических потребителей

Эта структура служит основой для проверки. Она не означает, что все перечисленные причины повышенных затрат установлены на конкретном объекте.

Каждый предполагаемый механизм необходимо подтверждать измерениями в соответствующей границе.

Порядок анализа энергозатрат на сжатый воздух

1. Определить границы системы. Установить состав компрессоров, подготовки воздуха, распределительной сети и потребителей.
2. Собрать данные электроэнергии. Получить потребление станции в характерных режимах и уточнить состав оборудования, включённого в измерение.
3. Определить объём подачи. Получить расход воздуха за те же интервалы, что и данные энергопотребления.
4. Зафиксировать давление. Сопоставить параметры на выходе компрессорной и у потребителей.
5. Рассчитать удельный показатель. Определить электроэнергию на единицу поданного воздуха при фиксированной границе и согласованных условиях.
6. Проверить загрузку компрессоров. Сопоставить производительность, электрическое потребление и особенности регулирования конкретных агрегатов.
7. Оценить работу оборудования подготовки. Учесть осушку, охлаждение и вспомогательные электрические нагрузки.
8. Проверить распределение. Рассмотреть потери давления и возможные потери воздуха без предварительного назначения их величины.
9. Уточнить состав потребителей. Проверить, не объясняется ли изменение энергопотребления увеличившейся полезной подачей.
10. Разграничить возможные причины. Отделить влияние давления, загрузки, подготовки воздуха и распределительной сети.
11. Определить следующие измерения. Установить, каких данных недостаточно для подтверждения предполагаемого механизма.

Такая последовательность позволяет перейти от общего показания электросчётчика к анализу конкретных факторов энергетических затрат.

Какие ошибки искажают оценку компрессорной

Признание большого расхода электроэнергии перерасходом. Без данных об объёме полезной подачи нельзя установить, связано ли увеличение энергозатрат с изменением нагрузки.

Расчёт удельного потребления без расходомера. Электросчётчик показывает энергию, но не объём произведённого воздуха.

Сравнение показателей при разном давлении. Более высокое давление нагнетания меняет работу сжатия и условия энергетического сравнения.

Игнорирование осушки и охлаждения. Исключение оборудования подготовки может занижать оценку полного потребления станции.

Одинаковая оценка компрессоров разных типов. Их характеристики и диапазоны регулирования могут существенно различаться.

Сведение всего анализа к утечкам. Потери воздуха — возможный механизм повышенных затрат, но не единственная причина.

Смешение разных границ учёта. Нельзя сравнивать электроэнергию всей станции с объёмом воздуха, измеренным в другой несогласованной части системы.

Что делать при недостаточности измерений

Если есть только данные электросчётчика компрессорной, можно определить суммарное потребление электроэнергии, но нельзя достоверно рассчитать удельные затраты на единицу воздуха.

Если известен объём подачи, но отсутствуют сведения о давлении, невозможно корректно сопоставлять режимы сжатия и оценивать влияние давления нагнетания.

Если измеряется расход на выходе станции, но неизвестны параметры у потребителей, ограничивается возможность анализа распределительной сети.

Если отсутствуют сведения об осушке, охлаждении и вспомогательном оборудовании, нельзя достоверно разложить суммарные электрические затраты по соответствующим составляющим.

Если неизвестны режимы загрузки компрессоров, невозможно установить, как изменение подачи влияет на удельное потребление конкретных агрегатов.

В таких случаях необходимо сначала определить, какое измерение устранит основную неопределённость.

Без синхронных данных об объёме воздуха, давлении и электроэнергии нельзя утверждать, что компрессорная работает с перерасходом. Также нельзя назначать величину возможной экономии без базового ряда и сопоставимого режима.

Результат анализа и дальнейшие действия

Итогом становится структура электрических затрат системы сжатого воздуха и перечень измерений, необходимых для определения удельного расхода.

Структура показывает, какие энергетические затраты относятся к сжатию, какие — к подготовке воздуха и какие факторы распределения способны изменять необходимую работу компрессорной станции.

Отдельно фиксируют фактические давления, объёмы подачи, режимы загрузки компрессоров и состав потребителей.

На основании результата определяют следующее обоснованное действие:

• если отсутствует расход воздуха — уточнить способ его измерения;
• если неизвестно давление у потребителей — получить соответствующие данные;
• если не выделены электрические нагрузки подготовки — уточнить энергопотребление осушки и охлаждения;
• если обнаружены различия удельного расхода между режимами — проверить загрузку компрессоров и особенности их регулирования;
• если предполагаются значительные потери при распределении — сопоставить расход и давление на соответствующих участках системы.

После получения необходимых данных можно предметно оценивать настройки оборудования или выполнять расчёт предполагаемого изменения энергопотребления. До этого возможные причины остаются гипотезами.

Практический вывод: энергозатраты на производство сжатого воздуха определяются совместной работой компрессоров, оборудования подготовки и распределительной сети. Высокое давление нагнетания увеличивает работу сжатия, потери воздуха и непродуктивные режимы способны ухудшать удельное энергопотребление, а изменение состава потребителей — повышать необходимую полезную подачу. Поэтому анализируют не только электрический расход станции, но и синхронные показатели объёма и давления воздуха. Без этих данных невозможно достоверно подтвердить перерасход или рассчитать энергетический эффект изменения режима.

Связанные вопросы рассматриваются в разделах «Компрессорное оборудование и системы сжатого воздуха», «Энергоаудит инженерных систем» и «Выявление неэффективных режимов работы оборудования».