De efficiëntie van persluchtinstallaties kan aanzienlijk worden verbeterd
Bij conventionele persluchtcompressoren gaat doorgaans 85 tot 95% van de opgenomen energie verloren in de vorm van warmte. Als er in het aansluitende systeem bovendien sprake is van lekkages, weerstandverhogende filters en drogers die met perslucht moeten worden geregenereerd, komt het totale energetische rendement van de installatie nauwelijks boven de 5% uit. Maar dat kan tegenwoordig een stuk beter. Want allereerst gaan nieuwe generaties compressoren en drogers veel efficiënter om met de opgenomen energie. Vervolgens kunnen met energieterugwinningstechnieken, gerichte meetmethoden en monitoring stappen worden gezet om uiteindelijk besparingen op het totale energieverbruik te realiseren van 10 tot zelfs 50%.
De Sinamics-laagspanningsomvormers en Simotics-synchrone reluctantiemotoren die in de nieuwe Kaeser ASD-compressoren worden gebruikt, zijn voor deze toepassing in nauwe samenwerking door Siemens ontwikkeld. Mede dankzij de nieuwe aandrijving, de schroefblokken met Sigma-profiel, maar ook door het geïntegreerde warmteterugwinningssysteem voldoen Kaeser’s ASD-compressoren ruimschoots aan de IES2-systeemefficiëntieklasse.
Vraag productiebedrijven wat de opwekking en distributie van perslucht hen precies kost en u zult versteld staan van het meest gegeven antwoord: “We hebben geen idee. Als het maar werkt.” Vreemd natuurlijk, want perslucht is een peperdure energiedrager die maar liefst 10% van het totale industriële elektriciteitsverbruik voor haar rekening neemt. Bij dit soort cijfers zou je verwachten dat men de kosten van persluchtinstallaties nauwgezet in de gaten houdt en er alles aan doet om het rendement te verhogen. Maar niets is minder waar en dat is des te opmerkelijker omdat, los van de kosten, ook de maatschappelijke druk om het energieverbruik en deCO2-uitstoot van fabrieken terug te dringen toeneemt. Dit wordt zelfs in toenemende mate via nieuwe (inter)nationale wetgeving afgedwongen. Vraag productiebedrijven wat de opwekking en distributie van perslucht hen precies kost en u zult verbaasd staan over het meest gegeven antwoord: “We hebben geen idee. Als het maar werkt.”
Vreemd natuurlijk, want perslucht is een peperdure energiedrager die maar liefst 10% van het totale industriële elektriciteitsverbruik voor zijn rekening neemt. Bij dit soort cijfers zou je verwachten dat men de kosten van persluchtinstallaties nauwlettend in de gaten houdt en er alles aan doet om het rendement te verhogen. Maar niets is minder waar en dat is des te opmerkelijker omdat, los van de kosten, ook de maatschappelijke druk daartoe dwingt. Persluchtbesparing past goed in dit kader en is in veel gevallen zelfs heel eenvoudig en tegen relatief lage kosten te realiseren. Zoals het vervangen van lekkende slangen en koppelingen en/of drukverlaging. Maar ook investeringen in nieuwe, rendabelere compressoren met energiezuinigere aandrijvingen en geïntegreerde warmteterugwinningssystemen, worden doorgaans binnen enkele jaren volledig terugverdiend. Hoog tijd dus dat bedrijven hun persluchtvoorziening kritisch onder de loep nemen en gaan besparen. Want dat is in bijna alle gevallen mogelijk en levert al snel vele (tien)duizenden euro’s per jaar aan kostenbesparing op.
Stationair of toerentalgeregeld?
Omdat de capaciteit van persluchtinstallaties doorgaans wordt afgestemd op de piekvraag, betekent dit dat veel installaties overgedimensioneerd zijn. Ook wordt vaak een te hoge systeemdruk ingesteld om ervoor te zorgen dat alles tot in de verste uithoeken van de fabriek goed blijft functioneren. Vanuit energetisch oogpunt is dat niet ideaal, want elke bar boven de nominale druk betekent 7% hogere energiekosten. De uitdaging om het ‘ideale systeem’ met de laagste Total Cost of Ownership (TCO) te realiseren begint bij de inrichting van de compressorruimte. In de meeste gevallen zal gekozen worden voor schroefcompressoren, waarbij de vraag is: hoeveel, hoe groot en wel of niet toerentalgeregeld? Voordat men hiermee aan de slag gaat, is het verstandig om, als er sprake is van vervanging, eerst een airaudit of airscan uit te voeren.
De stationaire compressoren voorzien dan in de basisbehoefte aan perslucht, terwijl de toerentalgeregelde compressor de schommelingen in de persluchtbehoefte boven de nominale vraag opvangt…
Hierbij wordt door middel van gerichte metingen gedurende meerdere dagen het actuele persluchtverbruik van de productie nauwkeurig vastgelegd. Dit geeft een goed beeld van de benodigde capaciteit en de schommelingen in de vraag in de tijd, waarop vervolgens de ideale compressoropstelling kan worden gebaseerd. Daarbij is er de keuze uit stationaire compressoren die nullast/vollast worden geschakeld, zeg maar aan/uit, en toerentalgeregelde compressoren, waarbij de output wordt afgestemd op de actuele vraag. Belangrijk daarbij is de wetenschap dat voor compressoren vollastbedrijf de meest ideale situatie is, omdat de opgenomen energie in dat geval het meest effectief wordt omgezet in perslucht. Bij gebruik van stationaire compressoren betekent dit echter wel dat de persluchtvraag nagenoeg constant moet zijn, anders worden de compressoren te vaak in- en uitgeschakeld.
De Ultima’s van Geveke zijn een goed voorbeeld van een nieuwe generatie olievrije schroefcompressoren voor vermogens van 75 tot 160 kW. Alle compressoren hebben dezelfde hardware (schroefblokken, koelers en motoren), waardoor de compressor kan meegroeien met toenemende persluchtbehoeften. De direct gekoppelde schroefblokken worden elk aangedreven door hun eigen gelijkstroommotor (dus geen mechanische tandwielkasten), waarbij het toerental van beide schroefblokken wordt geoptimaliseerd op basis van de toerental/drukverhouding. Maar liefst 98% van de gegenereerde warmte wordt afgevoerd via het koelwater, waardoor een optimale warmteterugwinning mogelijk is.
In veel situaties is er echter geen sprake van een constante vraag. Om schommelingen in het persluchtverbruik op een rendabele manier op te vangen, kan de totale benodigde capaciteit worden verdeeld over meerdere (kleinere) stationaire compressoren. Via een intelligente regeling worden deze vervolgens, afhankelijk van de vraag, in- en uitgeschakeld. Ook kunnen een of meerdere stationaire compressoren worden gecombineerd met een toerentalgeregelde compressor. De stationaire compressoren zorgen dan voor de basispersluchtbehoefte, terwijl de toerentalgeregelde compressor de schommelingen in de persluchtbehoefte boven de nominale vraag opvangt. De huidige toerentalgeregelde machines draaien in een breed capaciteitsbereik van circa 20% tot 100% optimaal rendabel. En als er in een deel van de fabriek toch een (veel) hogere druk nodig is, overweeg dan om alleen voor dat deel boosters in te zetten.
Innovatie op het gebied van compressoren
De aandrijving van compressorblokken gebeurt doorgaans door middel van elektromotoren. Waren dat aanvankelijk standaard draaistroommotoren (al dan niet frequentiegeregeld), de laatste jaren zijn er nieuwe typen elektromotoren geïntroduceerd, waaronder zuinigere (IE3/IE4) draaistroommotoren en permanente-magneet- en synchrone reluctantiemotoren waarvan het toerental nauwkeurig kan worden geregeld. Hiermee kunnen de schroeven van een compressor direct, dus zonder tussenkomst van een tandwielkast, worden aangedreven, wat al een aardige rendementswinst oplevert. Omdat bij tweetraps (olievrije) schroefcompressoren daardoor de compressorblokken ook op verschillende toerentallen kunnen draaien, werd de compressor als geheel nog veel rendabeler
De VPFlowScope M meet voor perslucht en industriële gassen de (bi- directionele) stroming, druk, temperatuur en totale stroming en is verkrijgbaar in verschillende uitvoeringen. Standaarduitgangen zijn: 4..20 mA en RS485 (Modbus RTU). Ook is de nieuwste uitvoering van dit veelzijdige meetinstrument Industry 4.0 Ready dankzij de geïntegreerde Ethernet-interface : Modbus/TCP. Tevens zijn er USB-uitgangen voor configuratie en uitlezing van data via de VPStudio-software. Door de gepatenteerde verwisselbare VPSensorCartridge is traditioneel kalibreren overbodig, wat stilstand vrijwel elimineert.
Dankzij de toerentalgeregelde directe aandrijvingen zijn de nieuwe compressoren tot wel 50% energiezuiniger dan een conventionele stationaire compressor met vast toerental en draaistroommotor. Als men bovendien warmteterugwinning toepast, kan, afhankelijk van het systeem, ook nog eens zo’n 95% van de warmte uit koellucht en circa 76% van de warmte uit het oliecircuit worden teruggewonnen en worden benut voor ruimteverwarming (via het CV-circuit) of het opwarmen van processen in de fabriek.
Efficiënter drogen
Afhankelijk van de toepassing mag de gebruikte perslucht meer of minder restvocht bevatten. Om perslucht droger te maken, is het noodzakelijk om het zogenaamde drukdauwpunt te verlagen. Hoe lager het drukdauwpunt, hoe droger de lucht. Voor niet al te kritieke situaties kunnen hiervoor zogenaamde koeldrogers worden gebruikt. Deze lijken qua werking op een gewone huishoudelijke koelkast en kunnen een drukdauwpunt tot zo’n 3 °C realiseren. Daarnaast zijn er membraanluchtdrogers die een deel van het restvocht op een energiezuinige manier uit de perslucht verwijderen en dauwpunten tot ongeveer -40 °C kunnen realiseren. Voor nog lagere dauwpunten zijn er adsorptiedrogers, waarmee drukdauwpunten tot –70 °C kunnen worden bereikt. Deze lucht is kurkdroog en ideaal voor kritische toepassingen in bijvoorbeeld de voedingsmiddelen-, farmaceutische en halfgeleiderindustrie. Globaal kan worden gesteld dat hoe lager het drukdauwpunt, hoe hoger de energiekosten zijn om dit te realiseren. Daarnaast zijn er andere factoren die de (energie)kosten verder beïnvloeden.
Typische opbouw van een modern compressorstation met meerdere stationaire en/of toerentalgeregelde compressoren of een combinatie daarvan. Door de compressoren via een centrale regeling aan te sturen, wordt een stabiele systeemdruk gecombineerd met een zo hoog mogelijk energierendement.
Zo moeten bijvoorbeeld adsorptiedrogers met bepaalde tussenpozen worden geregenereerd, wat extra energie kost. Een uitzondering hierop vormen de nieuwste ‘energieloze’ compressiewarmtedrogers, die de warmte van de compressor gebruiken voor het regenereren van het droogmiddel. Ook zijn er inmiddels zogenaamde tandemdrogers, waarbij een koeldroger in één apparaat is gecombineerd met een adsorptiedroger, waardoor deze combidrogers een aanzienlijk hoger rendement hebben dan dat van oudere generaties koel- of adsorptiedrogers.
Lekbeheer
We kunnen het niet genoeg benadrukken, maar in vrijwel alle productiebedrijven waar perslucht wordt gebruikt, zijn er lekken. Soms hoor je het gewoon ergens sissen als je door een fabriek loopt en merkwaardig genoeg wordt daar zelden direct iets aan gedaan. Vreemd, want lekkages zijn kostbaar en kunnen de reden zijn dat men toch maar een compressor erbij zet om de capaciteit veilig te stellen of dat men de druk verhoogt om er zeker van te zijn dat alles blijft werken. In veel bedrijven wordt op die manier veel geld over de balk gesmeten. Een eenvoudige en snelle manier om erachter te komen of het systeem lekt, los van goed luisteren, is om op het moment dat de fabriek stil ligt, dus tijdens de lunchpauze of in het weekend, een kijkje te nemen in de compressorruimte. Als het goed is staan alle compressoren dan stil. Is dit niet het geval, dan is er vrijwel zeker sprake van lekkage(s). Er zijn persluchtleveranciers en gespecialiseerde bedrijven die met ultrasone meetapparatuur lekkages in een fabriek snel en effectief kunnen opsporen. Ook kan een Technische Dienst uiteraard zelf zo’n apparaatje aanschaffen. Hiermee breng je heel eenvoudig lekkende koppelingen en slangen in beeld en die mankementen zijn eenvoudig en tegen overzichtelijke kosten te verhelpen. Naast de ‘zichtbare’ lekkages zijn er echter ook onzichtbare. Bijvoorbeeld in het inwendige van machines. Deze kunnen met gerichte flow- en drukmetingen worden opgespoord.
De door VPInstruments 3 Phase Power Meter is een uiterst nauwkeurige driefasige vermogensmeter voor persluchtcompressoren of andere industriële apparaten. De Power Meter meet op alle drie de fasen tegelijkertijd vermogen, stroom, amperage, Cos φ en meer elektrische parameters en geeft daarmee een volledig en nauwkeurig beeld van het verbruik. Het brede meetbereik bedraagt 100 tot 600 Vac bij 50 of 60 Hz.
Meten en monitoren
Om een goed beeld te krijgen van het gedrag en de kosten van persluchtinstallaties, moeten er op verschillende plaatsen metingen worden verricht. Dat kan periodiek (laten) gebeuren, maar wil men het systeem echt optimaliseren, dan zal men gebruik moeten maken van permanent geïnstalleerde meetinstrumenten, inclusief een monitoringsysteem met bijbehorende software. Men kan uiteraard allerlei scenario’s bedenken en tot op machine-detailniveau druk-, flow- en vochtigheidsmetingen gaan verrichten, maar dat is vaak niet nodig. Wat in ieder geval belangrijk is om te meten zijn het opgenomen compressorvermogen, de systeemdruk en de persluchtflow. Daarbij moet men zich realiseren dat druk, omgevingstemperatuur, koelwatertemperatuur, conditie van inlaatfilters, enz. ook van invloed zijn op het opgenomen vermogen van een compressor. Om dit betrouwbaar te kunnen meten is het belangrijk om gebruik te maken van driefasige vermogensmeters. Deze meten niet alleen continu de stroomsterkte (A), maar ook de actuele spanning (V) bij alle drie de fasen van de voedingskabel. Met dergelijke vermogensmeters kunnen de Power Factor (PF), spanning, stroom, Cos φ en vele andere elektrische parameters automatisch worden gemeten en berekend. Bij het bepalen van de Power Factor wordt daarbij rekening gehouden met zowel de verschuiving van de stroom ten opzichte van de spanning (Cos φ), als de vervorming van de stroom, vergeleken met een perfecte sinus. In het ideale geval is de Power Factor 1, maar als de Cos φ te laag is, of de Total Harmonic Distortion (THD) te hoog, zal de waarde van de power factor afnemen.
De MDG450-adsorptiedroger van Atlas Copco staat hier vlak naast een VSD-persluchtcompressor (met toerentalregeling); van deze combinatie staan er twee opgesteld bij Trinseo in het Zeeuwse Hoek bij Terneuzen. Door het ontwerp van de roterende trommeldrogers is geen spoellucht nodig, waardoor er geen sprake is van persluchtverspilling wat vaak voorkomt bij drogers met dubbele toren. Omdat deze drogers bovendien compressorwarmte gebruiken voor de regeneratie van het droogmiddel is de MDG450 een ‘nagenoeg energieloze droger’.
Debiet-/druk-/temperatuurmeters
De meest gebruikte instrumenten voor het meten van de persluchtstroom zijn thermische massastroommeters, vortexmeters, verschildrukmeters, Coriolis-meters, mechanische (roterende) flowmeters en (clamp-on) ultrasone meters. Verschildrukmeters meten de doorstroming aan de hand van het drukverschil over een meetflens. Deze meters worden vaak gebruikt voor capaciteitsmetingen volgens ISO 1217. Wil men supernauwkeurig meten, dan zijn Coriolis-meters de juiste keuze, maar deze zijn wel tot tien keer duurder dan massadebietmeters. Voor het meten van perslucht zijn thermische massadebietmeters dus het meest geschikt. Ze hebben een groot dynamisch bereik, meten het debiet op basis van warmteverlies en hebben een aantrekkelijke prijs-kwaliteitverhouding. Ze zijn echter gevoelig voor water en olie en dus niet inzetbaar voor metingen vóór de droger. Voor deze toepassing zijn er insteekflowmeters op basis van verschildruk. De nieuwste meters zijn in staat om meerdere waarden te meten, waaronder (bidirectionele) flow, druk, temperatuur en totale flow.
Via een webbrowser brengt VPVision volledige persluchtsysteem, van compressorinstallatie tot eindgebruikers, in beeld. Het systeem toont onder meer waar, wanneer en hoeveel perslucht er wordt gebruikt, waaruit concrete besparingsmogelijkheden kunnen worden afgeleid. Onlangs is de VPRouter toegevoegd, waarmee via internet (WiFi/4G) de VPVision kan worden geüpload en er in realtime kan worden meegekeken naar wat er in een installatie, waar ook ter wereld, gebeurt.
Bewaking
De beste manier om precies te weten hoe de stand van zaken is en welke mogelijkheden er zijn voor verdere optimalisatie, is de persluchtinstallatie continu te monitoren. Hiervoor zijn er verschillende monitoringsystemen op de markt waarmee exact in beeld kan worden gebracht wat de conditie is van de installatie en hoe deze wordt gebruikt. Via internet kunnen experts bovendien meekijken wat er precies in de persluchtinstallatie gebeurt. Op basis van de uit monitoringsystemen gedestilleerde gegevens kunnen de betrouwbaarheid van de installatie worden verhoogd en de energiekosten worden verlaagd. Monitoringsystemen bewaken bijvoorbeeld het opgenomen vermogen (kWh) van de compressoren en de dynamische druk en flow in het leidingnet. Dit niet alleen tijdens de normale productietijden, maar ook tijdens rustperiodes, waardoor kan worden vastgesteld of er sprake is van lekkages. Door deze op te sporen en te verhelpen kunnen direct interessante besparingen worden gerealiseerd.
Een andere belangrijke, maar moeilijker te ontdekken besparingsbron is drukverlaging. Door de druk in kleine stapjes te verlagen, het systeem vervolgens een tijdje op die lagere druk te laten draaien en dit goed te monitoren en te evalueren, bereikt men vaak verrassende resultaten. Monitoringsystemen zijn uitgerust met speciale software, waarmee bijvoorbeeld ook automatisch rapporten kunnen worden gegenereerd over de belasting en het energieverbruik van de installatie. Op basis hiervan kan het systeem in overleg met deskundigen vervolgens verder worden geoptimaliseerd, waardoor men uiteindelijk een persluchtsysteem krijgt met de laagst mogelijke TCO.
Artikel geschreven door Frank Senteur in Process Control 2 – 2021
De autofabrikant heeft de besturing van de compressoren aanzienlijk geoptimaliseerd
Een fabrikant van automatische auto’s in het westen van de VS kan 600.000 dollar besparen op zijn persluchtsysteem. Wilt u weten hoe? Neem vandaag nog contact met ons op voor meer informatie.
China (Vereenvoudigd Chinees)
VK (Engels)
