Autohersteller spart jährlich 600.000 Dollar an Energiekosten und verbessert die Zuverlässigkeit seines Druckluftsystems
Ein modernes Automobilwerk im Westen der USA erfüllt sein Ziel einer grüneren Zukunft dank einer umfassenden Überprüfung des Druckluftsystems, gefolgt von der Implementierung fortschrittlicher Steuerungstechnologie und Luftstrommessgeräten zur laufenden Überwachung und Messung, um eine kontinuierliche Systemeffizienz sicherzustellen.
Das Projekt, das auch die Installation eines zusätzlichen Druckluftkompressors und eines Druckluftbehälters sowie eines wichtigen Druckregelventils umfasste, ermöglicht es dem Automobilhersteller, während der Spitzenproduktion weniger Zentrifugal-Luftkompressoren zu betreiben. Auf diese Weise spart das Werk fast 6,1 Millionen kWh ein und mehr als $ 600.000 pro Jahr an Energiekosten. Das Projekt qualifizierte sich außerdem für einen Rabatt in Höhe von $ 369.374 vom örtlichen Energieversorger, wodurch sich die Investition innerhalb von 6 Monaten amortisierte – und das bei gleichzeitiger Verbesserung der Systemzuverlässigkeit.
Zentrifugalkompressoren sorgen bei einem Automobilhersteller für die Energieversorgung
Druckluft ist das Herzstück der Produktion in dem 115 Hektar großen Fertigungswerk. Druckluft treibt neben Förderbändern und Verpackungsanlagen auch die Pneumatik an, die zur Steuerung von Robotern verwendet wird. Außerdem kommt sie in großem Umfang beim Lackieren, Stanzen und Kunststoffformen zum Einsatz.
Vor der Modernisierung des Druckluftsystems betrieb das Automobilwerk sieben Zentrifugal-Luftkompressoren, die sich in einem zentralen Kraftwerk befanden. Zu diesen Luftkompressoren gehörten sechs Zentrifugal-Luftkompressoren mit einer Leistung von 1.250 Pferdestärke (PS) und eine Maschine mit einer Leistung von 700 PS. Das Druckluftsystem umfasste außerdem acht Kältetrockner sowie vier 2.500-Gallonen-Auffangbehälter und einen 5.000-Gallonen-Behälter.
Die Modelle und Leistungsdaten der Luftkompressoren lauten wie folgt:
| Modell | Maximaler Druck | Kapazität | Stückzahl | PS |
| Modell 1 | 143 psig | 3,723 CFM | 3 | 1250 |
| Modell 2 | 4,523 CFM | 1 | 1250 | |
| Modell 3 | 2,612 CFM | 1 | 700 | |
| Modell 4 | 4,546 CFM | 2 | 1250 |
Insgesamt sieben Ingersoll Rand-Zentrifugalkompressoren sorgen in dem 115 Hektar großen Werk dieses Automobilherstellers für den Antrieb der Produktion.
Der Automobilhersteller startete 2016 eine interne Initiative, um Energieeinsparungen zu erzielen und die Effizienz seiner Druckluftsysteme zu steigern, deren Betrieb damals jährlich 1,6 Millionen Dollar kostete. Die Komplexität der Zentrifugal-Luftkompressoren sowie deren Steuerungsmethode veranlassten das Unternehmen, die Unterstützung von Experten für Druckluftsysteme in Anspruch zu nehmen.
Prüfung ergibt erheblichen Luftverlust bei Zentrifugalkompressoren
Der erste Schritt zur Erreichung der Werksziele bestand in einer umfassenden Überprüfung des Druckluftsystems durch iZ Systems in Zusammenarbeit mit ALD, Inc.
Zur Durchführung der Prüfung exportierte das Team Daten aus dem SCADA-Überwachungssystem der Anlage, darunter Motorstromstärke, Auslassdruck, Einlassventil und Abblasposition jedes Luftkompressors, um verschiedene Betriebsprofile des Systems zu ermitteln. Darüber hinaus wurden Drucklogger hinter den Luftkompressoren und auf dem gesamten Campus platziert, um Druckschwankungen zu überwachen und zu beobachten, wie die Druckluftsysteme auf Veränderungen im Bedarf reagierten.
Das Audit ergab, dass die sieben 1.250-PS-Luftkompressoren mit einem einfachen lokalen Druckregelsystem betrieben wurden. Die Steuerungen waren nicht in der Lage, die Einlassventile und Abblaseventile diskret zu steuern, was zu einem Hunt-Effekt des Proportional-Integral-Derivativ (PID) Reglers führte. Infolgedessen bliesen die Maschinen unter allen Betriebsbedingungen eine erhebliche Menge Druckluft ab, um sich vor Druckstößen zu schützen, was zu einer Entlastung und einem Druckverlust in der Anlage führte. Im Laufe der Prüfung wurden außerdem zwei besondere Bedarfsperioden festgestellt:
- Normaler Bedarf: Drei Luftkompressoren sind in Betrieb und sorgen für die Aufrechterhaltung des Produktionsdrucks für etwa 5.200 Stunden pro Jahr.
- Geringe Nachfrage/Wochenenden: Drei Luftkompressoren bleiben in Betrieb, obwohl sie während Zeiten geringer Nachfrage für etwa 1.688 Stunden pro Jahr nicht benötigt werden – zusätzlich zur Bewältigung einer Wochenendlast von 1.872 Stunden pro Jahr.
Auf Grundlage der während eines zweiwöchigen Auditzeitraums gesammelten Daten empfahl das Team die Installation einer automatisierten Steuerungs- und Überwachungslösung für das Druckluftsystem, die den Betrieb der Luftkompressoren entsprechend dem tatsächlichen Bedarf anpasst.
Das Audit ergab außerdem, dass der Automobilhersteller den Spitzenbedarf durch eine Aufrüstung der Anlagen senken könnte, die in erster Linie aus einem Druckluftkompressor und einem größeren Speichertank bestand. Das Team empfahl außerdem die Installation von VPFlowScope DP-Durchflussmessern von VPInstruments in der Auslassleitung jedes Luftkompressors, um eine genaue Messung des Luftstroms und eine kontinuierliche Überwachung zu ermöglichen.
Verbesserung der Reaktionsfähigkeit von Druckluftsystemen
Ein weiteres wichtiges Problem, das in dem Werk angegangen wurde, war die Unfähigkeit des bestehenden Druckluftsystems, Spitzenlasten effektiv zu bewältigen. Konkret führte ein Anstieg des Luftbedarfs zu einem Druckabfall, da die Zentrifugal-Luftkompressoren zu spät hochfuhren. Dies geschah, weil die Spitzenlasten zu kurz waren, als dass die Maschinen schnell auf den erhöhten Bedarf reagieren konnten. Darüber hinaus führte diese Situation zu einem Druckanstieg, gefolgt von einem Abblasen der Luftkompressoren.
Um die Reaktionszeit des Druckluftsystems zu erhöhen, installierte das Team einen Druckluftkompressor zusammen mit einem 17.500-Gallonen-Speichertank, der Druckluft bei 250 psi speichern kann. Angesichts der Tatsache, dass der Anlagendruck bei etwa 100 psi und der Tankdruck bei 250 psi liegt – und dass die Luft offline gespeichert wird –, unterscheidet sich der Speichertank von einem normalen Speichertank, der mit dem Hauptverteiler bei Anlagendruck verbunden ist.
Durch die Erhöhung des Drucks im Speichertank wird die Kapazität des Druckluftspeichersystems mehr als verdoppelt. Das aufgerüstete System umfasst auch den Einsatz eines Crossover-Druckstromregelventils, das über die Automatisierungsplattform von iZ Systems gesteuert wird. Das Ventil leitet bei Spitzenbedarf Luft aus dem Speichertank in die Hauptversorgungsleitung. Auf diese Weise muss die Anlage nur zwei oder drei Luftkompressoren statt vier Einheiten betreiben, um den Spitzenbedarf an Luft zu decken.
Dieses verbesserte System eliminiert außerdem nahezu vollständig das Abblasen der Zentrifugal-Luftkompressoren. Bei einem Ausfall eines Luftkompressors liefert das offline geschaltete Druckbeaufschlagungssystem über 10 Minuten lang den Spitzenbedarf, wodurch die Automatisierungsplattform genügend Zeit hat, um automatisch eine Reserveeinheit ohne Unterbrechung der Anlagenproduktion in Betrieb zu nehmen.
Differenzdruck-Luftdurchflussmesser erfassen die Maschineneffizienz
Ein weiterer wichtiger Aspekt des modernisierten Druckluftsystems ist die Möglichkeit, das System kontinuierlich zu überwachen und anzupassen, wenn sich der Luftbedarf aus verschiedenen Gründen ändert, beispielsweise wenn das Wartungspersonal Luftlecks repariert. Durch die kontinuierliche Überwachung des Luftbedarfs können auch Entscheidungen hinsichtlich Änderungen am Steuerungsalgorithmus des Luftkompressors zur Systemoptimierung getroffen werden.
In der Anlage ist jeder Luftkompressor mit Differenzdruck-Durchflussmessern, VPFlowScope DP, ausgestattet, um den bidirektionalen Luftstrom, den Druck und die Temperatur zu messen. Die Anlage, die die einfache Installation der neuen Durchflussmessern zu schätzen wusste, kann nun die Effizienz jeder Maschine verfolgen. Wenn Probleme wie verstopfte Einlassfilter oder Rückfluss festgestellt werden, kann das Anlagenpersonal sofort Maßnahmen ergreifen und Energieverschwendung und damit verbundene Kosten vermeiden. Das Werk kann auch erkennen, wenn ein Rückschlagventil im Luftkompressor undicht ist, um einen Rückfluss zu verhindern.
Darüber hinaus überprüft das Wartungsteam regelmäßig die Kühlwasserversorgung jedes Luftkompressors mit einem Ultraschall-Durchflussmesser mit Laufzeitmessung und Klemmbefestigung. Eine unzureichende Kühlung kann die Effizienz des Druckluftsystems erheblich beeinträchtigen.
Ein VPInstruments' VPFlowScope DP Durchflussmesser, der an jedem Zentrifugalkompressor installiert ist, gibt dem Werk die Möglichkeit, jede Einheit zu überwachen, was wiederum den Entscheidungsträgern erlaubt, die Effizienz des Systems und die Wartung zu verbessern.
Energieeinsparungen und Zuverlässigkeit sind ein Gewinn
Der Automobilhersteller startete sein Projekt zur Modernisierung des Druckluftsystems kurz nach der Genehmigung des Audits im November 2018. Durch die Implementierung der Druckluft-Automatisierungs- und Datenerfassungsplattform in Kombination mit den Modernisierungen des Systems wird der jährliche Energieverbrauch der Anlage um 6.098.619 kWh pro Jahr gesenkt, was zu jährlichen Einsparungen von 600.000 US-Dollar führt. Mit dem Versorgungsleistungzuschuss in Höhe von 369.374 US-Dollar erzielte das Projekt eine einfache Amortisationszeit von sechs Monaten.
Neben der Erreichung des Ziels der Energieeffizienz verbesserte das Projekt auch die Zuverlässigkeit des Druckluftsystems, da die Anlage einen Zentrifugal-Luftkompressor weniger betreiben muss, um den Spitzenbedarf zu decken, was bedeutet, dass derselbe Luftkompressor als Reserveeinheit zur Verfügung steht. Das offline geschaltete Druckspeichersystem erhöht die Zuverlässigkeit des Systems zusätzlich, da es so ausgelegt ist, dass es genügend Luft liefert, um den Bedarf der Anlage zu decken, bis der Reserve-Luftkompressor anspringt und einen ausgefallenen Luftkompressor ersetzt.
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