Контакты

Зависимость энергопотребления воздушных компрессоров от эффективности 3 фильтров

Воздушный фильтр, масляный фильтр и воздушно-масляный сепаратор образуют «экосистему»

Скотт Галлоуэй (Scott Galloway), менеджер по международному сбыту, Donaldson Company, Inc.

Сжатый воздух является одним из основных источников энергии на промышленных предприятиях. Его часто называют четвертым базовым ресурсом наряду с водой, электричеством и газом: он используется для приведения в действие оборудования, транспортировки материалов, нагнетания давления в гидравлических системах, а также выполняет множество других функций.

Все это требует энергии. По данным Министерства энергетики США, в среднем на производство сжатого воздуха приходится от 10 до 30 процентов затрат завода на электроэнергию.¹ Поскольку это составляет очень значительную долю в структуре затрат, руководители предприятий проявляют большой интерес к снижению энергопотребления компрессоров, а их производители в ответ на этот интерес прилагают все усилия для разработки оборудования, которое обеспечит максимальную эффективность. Кроме того, государственные органы по всему миру устанавливают более жесткие требования к эффективности оборудования для подачи сжатого воздуха (см. боковую панель).

Система фильтрации компрессора может существенным образом повлиять на эффективность системы. Для низкозатратного производства сжатого воздуха требуется согласованная работа трех отдельных фильтров, которые бы отфильтровывали твердые частицы и отделяли масляный туман от воздушного потока, не создавая чрезмерного препятствия для движения воздуха внутри системы. Эффективность одного из этих фильтров напрямую влияет на работу двух других. Применяя передовые технологии фильтрации на всех участках системы, производители компрессоров могут способствовать энергосбережению, а также экономии смазочных материалов, необходимых для работы выпускаемого ими оборудования.

Далее приведено общее описание роли каждого компрессорного фильтра и технологий, которые могут помочь оптимизировать работу системы.

Экосистема фильтров: обзор

Маслозаполненные ротационные винтовые компрессоры, чаще всего используемые в промышленности, оснащаются тремя основными фильтрующими компонентами: впускным воздушным фильтром, масляным фильтром и воздушно-масляным сепаратором (см. рис. 1). 

Рисунок 1. Схема маслозаполненного ротационного винтового воздушного компрессора

Рисунок 2. Оптимальные эксплуатационные показатели всей фильтрационной экосистемы определяются каждым из трех этих компонентов.

Впускной воздушный фильтр предназначен для максимально эффективного задержания твердых частиц. Масляный фильтр призван улавливать как можно большее количество твердых частиц, присутствующих в масле. Воздушно-масляный сепаратор должен очищать сжатый воздух от остатков масляного тумана перед подачей воздуха в систему. Вместе эти три компонента образуют фильтрационную экосистему, показанную на рис. 2.

Что представляет собой высококачественный впускной воздушный фильтр?

Воздушный фильтр — это первая линия фильтрационной защиты, которая поддерживает чистоту воздуха в компрессорной системе. Он предотвращает попадание в систему твердых частиц, переносимых воздухом, обеспечивая оптимальную эффективность и создавая минимальное препятствие для прохождения воздуха.  Обычно для этого применяется фильтрующий материал из волокон определенного типа, вставленный в картридж, как показано на рис. 3.    

Рисунок 3. Впускной воздушный фильтр, предотвращающий попадание переносимых потоком воздуха твердых частиц в компрессор.

Фильтрующие материалы для впускных воздушных фильтров традиционно изготавливались из целлюлозных волокон или смеси целлюлозных и синтетических волокон. Более современная технология, такая как Donaldson Ultra-Web®, предусматривает использование тонковолокнистого фильтрующего материала, получаемого с помощью процесса электроспиннинга и представляющего собой слой эластичных синтетических волокон диаметром 0,2–0,3 микрона. Слой материала Ultra-Web образован тонкими волокнами с мельчайшими межволоконными промежутками, благодаря которым частицы пыли задерживаются на поверхности материала, как показано на рис. 4.

Рисунок 4. Технология Ultra-Web позволяет получать образованную тончайшими волокнами сетку, которая задерживает частицы пыли на поверхности материала.
Рисунок 5. Технология Ultra-Web способна обеспечить эффективность фильтрации до 99,99 %.

Как правило, эффективность традиционных целлюлозных фильтров составляет около 99 процентов, тогда как тонковолоконная технология может обеспечить эффективность в 99,99 процента, как показано на рис. 5.

Хотя целлюлозные фильтры могут обеспечить эффективность выше 99 процентов, из-за плотности своей волокнистой структуры они могут создавать неприемлемые ограничения для компрессоров.

Что же касается тонковолоконных фильтров, то они обеспечивают высокую «начальную эффективность», которая означает эффективность фильтрующего элемента воздушного фильтра в начале его использования. Она обеспечивает задержание твердых частиц, переносимых воздушным потоком и продление срока службы фильтра за счет того, что пыль остается на поверхности фильтрующего материала, а не проникает в его толщу. Как было показано, эта технология поверхностной фильтрации обеспечивает низкий перепад рабочего давления в течение длительного времени, благодаря чему фильтр оказывается более долговечным и требует меньших энергозатрат.

Как показано на рис. 6, при потоке воздуха 5700 л/мин (200 куб. футов/мин (CFM)) фильтры Ultra-Web создавали ограничения, эквивалентные менее чем 18 см (7 дюймам) воды, по сравнению с 25 см (10 дюймами) у фильтра конкурентного производителя. 

Рисунок 6. Ultra-Web отличается меньшими ограничениями, чем фильтры конкурентных производителей.

Улучшенная фильтрация воздуха на впуске продлевает также и срок службы последующих фильтрующих компонентов — масляного фильтра и воздушно-масляного сепаратора (ВМС). Загрязнение пылью и других твердыми частицами является основным фактором, сокращающим срок службы масляного фильтра и ВМС. Благодаря задержанию твердых частиц, переносимых потоком воздуха, эти другие фильтры могут работать дольше и эффективнее. Благодаря меньшей степени загрязненности воздуха на выходе, а значит, и результирующей засоренности ВМС и масляного фильтра компрессор потребляет меньше электроэнергии для подачи заданного объема сжатого воздуха, помогая снизить общие эксплуатационные затраты.

Пример забитого фильтрующего материала ВМС показан на увеличенных изображениях на рис. 7. При чистом фильтрующем материале ВМС 100 % площади его поверхности доступны для коалесценции. В случае засорения фильтрующего материала твердыми частицами для коалесценции доступна меньшая площадь поверхности, и эффективность ВМС снижается.

Рисунок 7. Чистый (слева) и загрязненный (справа) фильтрующий материал воздушно-масляного сепаратора.
Рисунок 8. Масляные фильтры предназначены для улавливания твердых частиц, попавших в масло.
Масляные фильтры поддерживают чистоту масла

Следующим по порядку в фильтрационной экосистеме стоит масляный фильтр. Когда масло смешивается с воздухом, а воздух сжимается, в масло попадают новые загрязнители, поэтому масляный фильтр призван отфильтровать эти частицы из масла. Это помогает защитить подшипники, имеющиеся в компрессорной головке, а также предотвратить проникновение твердых частиц дальше в линию, где они могут забить воздушно-масляный сепаратор.

Конструкция масляных фильтров должна обеспечить достаточную пылеемкость и эффективность. Как правило, они устанавливаются в емкостях и по виду напоминают автомобильные масляные фильтры (см. рис. 8).

Мощность масляного фильтра можно повысить, увеличив его размер или улучшив качество фильтрующего материала. Увеличение размера фильтра часто требует дополнительного пространства и приводит к лишним затратам. Более эффективным подходом станет улучшение качества фильтрующего материала.

Рисунок 9. Фильтрующий материал Donaldson Synteq™ XP состоит из двухкомпонентных волокон, прочно связанных между собой.

Фильтрующий материал Donaldson Synteq™ XP доказал свою высокую эффективность как компонент масляных фильтров для компрессоров. Он представляет собой однородный материал, в котором больше открытых пор, чем в целлюлозном материале, благодаря чему он является более эффективным и обладает большей пропускной способностью. Его двухкомпонентные волокна собственной разработки компании прочно связаны между собой, как показано на рис. 9. 

Фильтрующий материал Synteq не содержит смол, поэтому ограничивают поток меньше, чем стандартный целлюлозный материал, как показано на рис. 10. Он также отличается более длительным сроком службы по сравнению с традиционными целлюлозными материалами, волокна которых связаны между собой смолой, и при этом максимально повышает способность задерживать загрязнения и надежнее удерживает их.

Рисунок 10. Synteq обеспечивает меньший перепад давления, чем целлюлозный фильтрующий материал.
Рисунок 11. Воздушно-масляные сепараторы — последний этап фильтрации перед выходом воздуха из компрессора.
Воздушно-масляный сепаратор: последний рубеж

Воздушно-масляный сепаратор является последним препятствием на пути выходящего из компрессора воздуха, и при оптимизации экосистемы компрессора этот компонент часто рассматривают в первую очередь. Если плохую работу воздушных или масляных фильтров можно заметить не сразу, то последствия неэффективности воздушно-масляного сепаратора оказываются более очевидными. В воздухе, выходящем из компрессора, может содержаться избыток масляного тумана.

Поскольку воздушно-масляный сепаратор призван задерживать присутствующие в воздушно-масляной смеси остатки масляного тумана, до того как воздух покинет компрессор, качество его работы имеет решающее значение для экосистемы компрессора. Как и в случае с другими фильтрующими компонентами, залогом надлежащей работы является эффективность фильтрующего материала. Многослойные воздушно-масляные сепараторы Donaldson, подобные показанному на рис. 11, идеально подходят для компрессоров большинства типов и в стандартной комплектации оснащаются фильтрующим материалом Synteq™, разработанным компанией Donaldson. Компания Donaldson предлагает также гофрированные воздушно-масляные сепараторы, которые обеспечивают дополнительную гибкость при проектировании систем благодаря увеличенной площади поверхности и большей пропускной способности. 

В высококлассных воздушно-масляных сепараторах Donaldson применяется коалесцирующий фильтрующий материал Synteq™ XP, который обеспечивает более длительный срок службы по сравнению с традиционными материалами и максимально высокие эксплуатационные показатели. Материал Synteq помогает обеспечить соответствие требованиям к выносу масла, сохраняя при этом минимально возможный перепад давления, как показано на рис. 12.  Этот не содержащий смол фильтрующий материал обеспечивает эффективный дренаж и свободно пропускает воздушный поток, результатом чего является его меньшее сопротивление воздуху и, следовательно, экономия энергии. И это не единственное его преимущество: благодаря низкому уровню выноса масла дорогая и высокотехнологичная смазка будет оставаться там, где ей и место, т. е. внутри компрессора. Это сокращает объем требуемого подпиточного масла и еще больше уменьшает количество масла, проникающего в систему подачи сжатого воздуха, где оно может вызвать технологические проблемы и стать причиной жалоб клиентов.

Рисунок 12. Фильтрующий материал Synteq помогает обеспечить соответствие воздушно-масляных сепараторов требованиям к выносу масла, сохраняя при этом низкий перепад давления.
Совместная работа компонентов экосистемы

Взаимное влияние фильтрующих компонентов друг на друга можно проследить по тому, насколько срок службы воздушно-масляного сепаратора зависит от работы воздушных фильтров. Как показано на рис. 13, при использовании воздушных фильтров Ultra-Web сопротивление воздуху в воздушно-масляных сепараторах возрастало медленнее, чем при использовании воздушных фильтров с целлюлозным фильтрующим материалом. Это позволило продлить срок службы воздушно-масляного сепаратора более чем вдвое в одном случае и примерно на 65 процентов — в другом. Эти результаты получены для двух разных компрессоров мощностью 600 л. с. на текстильной фабрике в Северной Каролине (США). Компания Donaldson провела базовое тестирование машин, только что прошедших техобслуживание и оснащенных целлюлозными фильтрующими элементами, устанавливаемыми на оригинальное оборудование (красные линии), после чего повторно провела техобслуживание компрессоров, залив новое масло и установив новый ВМС, а также заменив имевшиеся воздушные фильтры фильтрами Ultra-Web, и повторила тестирование. В результате сроки службы ВМС обоих компрессоров увеличились (синие линии). 

Рисунок 13. Воздушные фильтры Ultra-Web способствовали увеличению срока службы воздушно-масляных сепараторов в ходе двух практических исследований.

В итоге из-за роста перепада давления эффективность работы компрессоров снижается. При прежних затратах электроэнергии рост перепада давления приводит к снижению объема подаваемого сжатого воздуха. Общее базовое правило состоит в том, что при перепаде давления в 0,07 бар (1 фунт на кв. дюйм) эффективная мощность компрессора снижается на 0,5 процента, как показано на рис. 14. Например, при увеличении перепада давления на воздушно-масляном сепараторе, установленном в компрессоре мощностью 200 л. с., всего на 0,21 бар (3 фунта на кв. дюйм) рост расходов в отдельных случаях может достигать 1460 долл. США в год

Воздушно-масляная сепарация

Общее правило:

0,07 бар (1 фунт на кв. дюйм) ΔP = 0,5 % мощности (л. с.)

долл. США/год = расходы за год97 329 долл. США
BHP = эффективная мощность200
долл. США/кВт⋅ч = стоимость 1 кВт⋅ч электроэнергии0,07
m.e. = КПД двигателя0,94
ч/год = продолжительность эксплуатации компрессора в часах в год8760

Увеличение перепада давления на ВМС на 0,21 бар (3 фунта на кв. дюйм) = 1460 долл. США/год

Рисунок 14. Как падение давления может привести к дополнительным расходам.
Заключение

Применение экосистемного подхода к компрессорам позволяет понять, что надежность системы определяется надежностью ее самого слабого звена. Недостатки одного из фильтрационных компонентов могут негативно повлиять на работу других компонентов и в итоге всей системы. Поскольку компрессорные масла являются высокотехнологичными и стоят дороже стандартных смазочных материалов, у владельцев компрессорных систем есть веские причины для того, чтобы минимизировать потери и максимально повысить эффективность. Повышение эффективности позволяет операторам и владельцам предприятий сократить затраты и иметь меньше поводов для беспокойства. Благодаря технической и инженерной поддержке компании Donaldson владельцы компрессоров могут получить экосистемное решение на основе правильно подобранных фильтрующих компонентов, которое поможет им оптимизировать эффективность.

Нормы в отношении эффективности компрессоров

Повышение эффективности работы компрессора приобретает все большую важность для владельцев предприятий из-за недавних изменений в нормативных документах. В декабре 2016 г. Министерство энергетики США (DOE) утвердило стандарты энергоэффективности для ротационных воздушных компрессоров По оценкам DOE перевод компрессоров, проданных за 30 лет, на новые стандарты позволит сэкономить 0,16 квадриллиона БТЕ, или около 15,6 миллиарда киловатт-часов электроэнергии, и обеспечит чистую экономию от 200 до 400 миллионов долл. США при использовании компрессоров, приобретенных за этот период. Это сокращение энергопотребления позволит также предотвратить выброс примерно 8,2 миллиона тонн СО2 за тот же период.

Канадская ассоциация стандартов тоже выпустила документ, направленный на более точное измерение эксплуатационных показателей компрессоров (C837-16 «Мониторинг и энергетические характеристики систем подачи сжатого воздуха»; см. на сайте https://store.csagroup.org/). Этот стандарт определяет, какую информацию надлежит собирать и как следует измерять или рассчитывать параметры систем, такие как мощность, энергопотребление, поток, давление и производительность, используя единые, подтвержденные и воспроизводимые методы измерения. В нем содержатся рекомендации по выбору методик для определения показателей энергоэффективности и базовых показателей энергопотребления, которые надлежит использовать в рамках общей системы управления энергоснабжением. Для систем подачи сжатого воздуха предусмотрены особые требования, в которых изложена согласованная методология измерения, оценки и отчетности по энергоэффективности.

Европейский Союз опубликовал директивы по экологическому проектированию, требования которых ожидают утверждения. В этой Директиве заявлено следующее: «На этапе проектирования продукции, имеющей отношение к энергетике, должны приниматься надлежащие меры, поскольку объем загрязнений, производимый продуктом в течение своего жизненного цикла, по всей видимости, определяется именно на этом этапе, на который также приходится большая часть сопутствующих расходов… Смягчение последствий выбросов парниковых газов за счет повышения энергоэффективности следует считать приоритетной экологической задачей до принятия рабочего плана». — Интегрированная продуктовая политика: Основываясь на экологическом анализе жизненного цикла (Журнал Европейского Союза).

Хотите узнать как наша продукция может помочь росту вашего бизнеса?

¹ Determine the Cost of Compressed Air for Your Plant, управление промышленных технологий, Министерство энергетики США.    
Скотт Галлоуэй является менеджером по международному сбыту в подразделении компрессорных фильтров компании Donaldson.  Он имеет 25-летний опыт работы в отрасли, связанной с производством компрессоров, и специализируется на создании энергосберегающих решений и установлении долгосрочных стратегических партнерств.
Закрыть