Als weit verbreitete Energiequelle im Industriebereich deckt Druckluft 10–35 % des gesamten Energieverbrauchs in der industriellen Produktion ab. 96 % des Energieverbrauchs von Druckluftsystemen entfallen auf den Stromverbrauch von Industriekompressoren, deren jährlicher Stromverbrauch in China über 6 % des gesamten nationalen Stromverbrauchs ausmacht. Die Betriebskosten von Druckluftkompressoren setzen sich aus Anschaffungs-, Wartungs- und Energiekosten zusammen. Betrachtet man den gesamten Lebenszyklus, so machen die Anschaffungskosten nur etwa 10 % aus, während die Energiekosten ganze 77 % betragen. Dies verdeutlicht, dass China im Zuge der industriellen und wirtschaftlichen Umstrukturierung die Energieeffizienz von Druckluftsystemen deutlich verbessern muss.
Mit dem wachsenden Verständnis für Druckluft, Energieeinsparung und Emissionsreduzierung in Unternehmen ist es dringend erforderlich, die geeignete Technologie für die bestehende Energiewende auszuwählen, um optimale Energieeinsparungsergebnisse zu erzielen. Untersuchungen in chinesischen Industrieunternehmen der letzten zwei Jahre haben gezeigt, dass der Bedarf an energetischer Modernisierung hauptsächlich auf drei Aspekte zurückzuführen ist:
Der Energieverbrauch von Luftkompressoren machte einen zu hohen Anteil des Gesamtenergieverbrauchs des Unternehmens aus. Instabilitäten in der Druckluftversorgung, Druckschwankungen und andere Beeinträchtigungen störten den reibungslosen Betrieb der Anlagen. Mit der Produktionsausweitung musste das Unternehmen sein bestehendes Druckluftsystem optimieren, um dem steigenden Bedarf gerecht zu werden. Da sich die Eigenschaften des Druckluftsystems und die anwendbaren Energiespartechnologien unterscheiden, darf die Energiesparmaßnahmenumstellung nicht unreflektiert erfolgen, um die Erfolgsquote zu erhöhen. Es ist besonders wichtig, geeignete Energiesparmaßnahmen auf Basis einer umfassenden Analyse, Prüfung und Bewertung des Gesamtsystems auszuwählen. Die Autoren haben die Eigenschaften und Anwendungsbereiche einiger bestehender und neuer Energiespartechnologien anhand der Druckluftnutzung in zahlreichen Industrieunternehmen analysiert und erforscht.
Energiesparstrategie des Systems
Auf der Grundlage der Theorie der Bewertung des Energieverbrauchs pneumatischer Systeme und der Analyse von Energieverlusten werden, ausgehend von den verschiedenen Aspekten der Systemzusammensetzung, die folgenden Gesamtenergiesparmaßnahmen ergriffen:
Drucklufterzeugung. Sinnvolle Konfiguration und Wartung verschiedener Kompressortypen, Optimierung des Betriebsmodus, tägliche Wartung der Luftreinigungsanlagen. Drucklufttransport. Optimierung des Rohrleitungsnetzes, Trennung von Hoch- und Niederdruckleitungen; Echtzeitüberwachung der Druckluftverteilung, tägliche Leckagekontrolle und -minimierung, Reduzierung des Druckverlusts an Verbindungsstellen. Druckluftnutzung. Verbesserung des Zylinderantriebs, Einsatz energiesparender Produkte für diese Branche, wie z. B. spezielle Druckluftventile für die Zylinderbeschichtung in der elektrolytischen Aluminiumindustrie sowie energiesparende Druckluftpistolen und -düsen. Abwärmenutzung des Kompressors. Die bei der Druckluftkompression entstehende Wärme wird mittels Wärmetauscher etc. zurückgewonnen und für Zusatz- und Prozessheizung etc. genutzt.
Erzeugung von Druckluft
1 Einzelner Luftkompressor energiesparend
Die derzeit in der Industrie am häufigsten eingesetzten Luftkompressoren lassen sich hauptsächlich in Kolben-, Zentrifugal- und Schraubenkompressoren unterteilen. Kolbenkompressoren werden in einigen älteren Betrieben noch immer in großer Zahl verwendet; Zentrifugalkompressoren sind in Textilunternehmen aufgrund ihres stabilen Betriebs und ihrer hohen Effizienz weit verbreitet, neigen jedoch bei plötzlichen Druckänderungen im System zu Druckstößen. Zu den wichtigsten Energiesparmaßnahmen gehören: Sicherstellung der Reinheit der zugeführten Druckluft, insbesondere in Textilunternehmen durch eine gründliche Grobfiltration, um eine große Anzahl kurzer Fasern aus der Luft zu filtern; Senkung der Kompressoreintrittstemperatur zur Effizienzsteigerung; Beachtung des Schmieröldrucks und der damit verbundenen Rotorvibrationen; Wahl eines Schmieröls mit Entschäumern und Oxidationsstabilisatoren; Sicherstellung der Kühlwasserqualität, angemessene Kühlwasserabfuhr und regelmäßiges Nachfüllen; regelmäßige Entleerung der Kondensatabführungsstellen von Kompressor, Trockner, Vorratsbehälter und Rohrleitungsnetz. Um durch rasche Änderungen des Luftbedarfs verursachte Leistungsstörungen zu vermeiden, achten Sie auf die korrekte Einstellung des Proportionalbereichs und der Integrationszeit des Geräts und vermeiden Sie abrupte Reduzierungen des Luftverbrauchs. Wählen Sie dreistufige Zentrifugen mit hoher Energieeffizienz und setzen Sie nach Möglichkeit Hochdruckmotoren ein, um Leitungsverluste zu minimieren und den Temperaturanstieg in der Druckluftstation gering zu halten.
Schraubenkompressoren sind weit verbreitet. Im Folgenden werden die verschiedenen Regelungsmodi für Schraubenkompressoren verglichen. Die Analyse der aktuellen Probleme bei der Last-/Entlastung und der Konstantdruckregelung von Kompressoren zeigt, dass die Luftzufuhr bei rein mechanischer Regelung des Einlassventils nicht schnell und kontinuierlich angepasst werden kann. Bei ständig wechselnder Gasmenge schwankt der Versorgungsdruck zwangsläufig stark. Die reine Frequenzregelung gleicht die Schwankungen des Luftverbrauchs im Betrieb durch einen Frequenzumrichter aus. Dieses System eignet sich jedoch nur für Betriebe mit geringen Schwankungen des Luftverbrauchs (40–70 % der Luftproduktionsmenge einer einzelnen Maschine), wobei die Energieeinsparung am größten ist.
2 Luftkompressorgruppen-Expertensteuerungssystem
Das Expertensystem zur Steuerung von Luftkompressorgruppen hat sich als neue Technologie für die Steuerung und Energieeinsparung von Luftkompressorgruppen etabliert. Das Steuerungssystem passt die Anzahl und Leistung der einzelnen Luftkompressoren an die sich ändernden Druckanforderungen an und regelt deren Start- und Stoppvorgänge sowie die Be- und Entlastung, um stets die optimale Anzahl und Leistung der im Betrieb befindlichen Kompressoren zu gewährleisten.
Das Heimsteuerungssystem regelt die Drehzahl eines einzelnen Luftkompressors im Niederdruck-Gasversorgungssystem des Werks mittels eines Frequenzumrichters. Dadurch wird die Gasproduktionszeit der Kompressoreinheit gesteuert und die geringen Gasmengenschwankungen im Niederdruck-Gasversorgungssystem ausgeglichen. Die Auswahl des geeigneten Frequenzumrichters für die Kompressorumwandlung erfordert in der Regel umfassende Tests und Berechnungen durch einen Systemexperten. Die obige Analyse und der Vergleich zeigen, dass die Energieeffizienz vieler Druckluftsysteme deutlich verbessert werden kann. Die Frequenzumwandlung von Kompressoren erzielt nur in Kombination mit dem Betrieb des betriebseigenen Druckluftsystems einen Energiespareffekt und muss daher vor der Anwendung von Fachleuten gründlich getestet und bewertet werden. Ein Expertensystem zur Steuerung mehrerer Luftkompressoren, das sich besonders für den gleichzeitigen Betrieb mehrerer Kompressoren eignet, kann durch die Implementierung einer Stufenkombinationskonfiguration die Anforderungen von Unternehmen optimal erfüllen.
3. Verbesserung des Drucklufttrocknungsprozesses
Derzeit werden in Unternehmen am häufigsten Drucklufttrocknungs- und -aufbereitungsanlagen vom Kältetyp, vom Typ ohne Wärmerückgewinnung und vom Verbundtyp mit Mikro-Wärmerückgewinnung eingesetzt. Der Vergleich der wichtigsten Leistungsmerkmale ist in der folgenden Tabelle dargestellt.
Die Energieeinsparung durch Umgestaltung der Verteidigungslinie erfolgt nach folgenden Prinzipien: Bei zu hoher Luftreinheit im bestehenden System ist auf eine niedrigere Reinheit umzustellen. Der Trocknungsprozess wird optimiert, der Druckverlust im Trocknungsstrang reduziert (bei manchen Systemen bis zu 0,05–0,1 MPa), wodurch der Energieverbrauch gesenkt wird.
Transport von Druckluft
1. Das Rohrleitungssystem sollte 1,5 % des Betriebsdrucks nicht überschreiten. Derzeit verfügen viele Druckluftstationen über keine primären und sekundären Rohrleitungen, zu viele unnötige Krümmer und Biegungen, häufige Druckpulsationen und erhebliche Druckverluste. Einige der pneumatischen Rohrleitungen verlaufen in Gräben und können nicht auf Leckagen überwacht werden. Um den Systemdruck in jedem Fall zu gewährleisten, erhöht das Betriebspersonal den Betriebsdruck des Gesamtsystems um 0,1–0,2 MPa, wodurch künstlicher Druckverlust entsteht. Mit jeder Erhöhung des Auslassdrucks des Luftkompressors um 0,1 MPa steigt dessen Stromverbrauch um 7–10 %. Gleichzeitig erhöht die Erhöhung des Systemdrucks die Luftleckage. Energiesparende Sanierungsmaßnahmen: Umwandlung der verzweigten Rohrleitungsanordnung in eine Ringanordnung, Trennung der Hoch- und Niederdruck-Luftversorgung und Installation von Hoch- und Niederdruck-Präzisionsüberlaufeinheiten. Bei der energetischen Sanierung werden Rohrleitungen mit hohem lokalem Widerstand ausgetauscht, der Rohrleitungswiderstand verringert und die Innenwand der Rohrleitung durch Säurewäsche, Entrostung usw. gereinigt, um eine glatte Rohrwand zu gewährleisten.
2. Leckage, Leckageerkennung und Abdichtung
Die meisten Leckagen im Werk sind gravierend und erreichen 20–35 %. Sie treten hauptsächlich an Ventilen, Verbindungsstücken, Dreifachverbindern, Magnetventilen, Gewindeverbindungen und den Frontdeckeln der Gasflaschen der einzelnen gasbetriebenen Geräte auf. Einige Geräte arbeiten unter Überdruck, entlasten sich automatisch und geben häufig Gas ab. Die durch die Leckagen verursachten Schäden sind immens. Beispielsweise verursacht ein nur 1 mm großes Loch in der Gasleitung einer Punktschweißanlage für Kraftfahrzeuge einen jährlichen Stromverlust von bis zu 355 kWh, was fast dem Jahresverbrauch zweier Dreipersonenhaushalte entspricht. Energiesparmaßnahmen: Installation eines Durchflussmesssystems für die Gaszuleitung der Hauptproduktionsstätte zur Bestimmung der Prozessnutzungsgrenzen. Anpassung des Prozessgasverbrauchs, Minimierung der Anzahl von Ventilen und Verbindungsstücken sowie Reduzierung potenzieller Leckagestellen. Verstärkung des Managements und Einsatz professioneller Werkzeuge für regelmäßige Inspektionen. Kurz gesagt, können Unternehmen mithilfe professioneller Prüfgeräte wie intelligenter Gaslecksuchgeräte mit Parallelzugriff, Leckagepunkt-Scanpistolen usw. Maßnahmen ergreifen, um zu verhindern, dass das Druckluftsystem in Betrieb geht, Risiken birgt, tropft oder ausläuft, und entsprechend Wartungsarbeiten und Komponentenaustauscharbeiten durchführen.
Verwendung von Druckluft
Druckluftpistolen finden breite Anwendung in der Fertigungstechnik, insbesondere bei der Oberflächenbearbeitung und anderen Prozessen. Ihr Luftverbrauch erreicht in manchen Industriegebieten bis zu 50 % der gesamten Druckluftversorgung. Dabei treten häufig Probleme wie zu lange Druckluftleitungen, zu hoher Versorgungsdruck, die Verwendung gerader Kupferrohre als Düsen und eine unbefugte Erhöhung des Arbeitsdrucks durch die Bediener auf, was zu enormer Luftverschwendung führt.
Unsachgemäße Gasnutzung in pneumatischen Anlagen tritt vermehrt auf, beispielsweise bei der Überprüfung des Werkstückverschlusses mittels Gegendruckmessung, der Gaszufuhr von Vakuumgeneratoren usw. Auch das Phänomen der ununterbrochenen Gaszufuhr im Stillstand ist ein Problem. Diese Probleme treten insbesondere bei Chemikalientanks und anderen Mischgasen sowie in der Reifenherstellung auf, etwa bei ungleichmäßiger Befüllung. Energiesparmaßnahmen umfassen den Einsatz neuer pneumatischer Düsen mit Energiesparfunktion und Impuls-Luftpistolen. In bestimmten Branchen, wie beispielsweise der Aluminiumindustrie, wird der Einsatz spezialisierter pneumatischer Anlagen gefördert, etwa durch die Verwendung spezieller Luftsparventile an Presszylindern.
Abwärmenutzung von Luftkompressoren
Laut einer Lebenszyklusanalyse werden 80–90 % der von Luftkompressoren verbrauchten elektrischen Energie in Wärme umgewandelt und abgeführt. Die Verteilung des elektrischen Wärmeverbrauchs von Luftkompressoren ist in der untenstehenden Abbildung dargestellt. Abgesehen von der an die Umgebung abgegebenen und in der Druckluft selbst gespeicherten Wärme können die verbleibenden 94 % der Energie durch Abwärmenutzung verwendet werden.
Die Abwärmenutzung erfolgt mittels Wärmetauscher und anderer geeigneter Verfahren zur Rückgewinnung der Prozesswärme aus der Luftkompression, beispielsweise zur Erwärmung von Luft oder Wasser. Typische Anwendungsbereiche sind Zusatzheizung, Prozessheizung und die Vorwärmung von Kesselspeisewasser. Mit entsprechenden Verbesserungen lassen sich 50 % bis 90 % der Wärmeenergie zurückgewinnen und nutzen. Der Einbau von Wärmerückgewinnungsanlagen ermöglicht eine effektive Regelung der Betriebstemperatur des Luftkompressors auf dem optimalen Niveau, wodurch die Schmierölqualität verbessert und das Abgasvolumen des Kompressors um 2 % bis 6 % erhöht wird. Bei luftgekühlten Luftkompressoren kann der Lüfter abgeschaltet und die Wärme über die Umwälzpumpe zurückgewonnen werden. Wassergekühlte Luftkompressoren können zur Kaltwassererwärmung oder Raumheizung genutzt werden, wobei die Rückgewinnungsrate 50 % bis 60 % beträgt. Im Vergleich zu elektrischen Heizgeräten ist der Energieverbrauch bei der Abwärmenutzung nahezu null; im Vergleich zu gasbetriebenen Geräten entstehen keine Emissionen. Sie stellt somit eine saubere und umweltfreundliche Methode der Energieeinsparung dar. Auf Grundlage der Theorie der Energieverlustanalyse von Druckluftsystemen werden bestehende ineffiziente Gasnutzungsmuster und Energiesparmaßnahmen des Unternehmens analysiert und zusammengefasst. Im Rahmen der Energiewende des Unternehmens werden zunächst verschiedene Systeme detailliert geprüft und bewertet. Darauf aufbauend können geeignete Optimierungsmaßnahmen zur Erreichung der Energiesparziele angewendet werden, wodurch die Betriebseffizienz des gesamten Druckluftsystems verbessert wird.
Veröffentlichungsdatum: 02.03.2024