Efficiency van perslucht- installaties kan fors omhoog

Bij conventionele persluchtcompressoren gaat doorgaans 85 tot 95% van de opgenomen energie verloren als warmte. Als er in het systeem erachter dan ook nog eens sprake is van lekkages, weerstand verhogende filters en drogers die met perslucht geregenereerd moeten worden, dan komt het totale energetische rendement van de installatie amper boven de 5% uit. Maar dat kan tegenwoordig een stuk beter. Want allereerst springen nieuwe compressor- en drogergeneraties veel efficiënter om met de opgenomen energie. Vervolgens kunnen met energie terugwintechnieken, gerichte meetmethoden en monitoring verdere stappen worden gezet om uiteindelijk besparingen op het totale energiegebruik te realiseren van 10 tot zelfs 50%.

Vraag productiebedrijven wat de opwek- king en distributie van perslucht hen precies kost en u zult verbaast staan naar het meest gegeven antwoord: “We hebben geen idee. Als het maar werkt.” Vreemd uiteraard, want perslucht is een peperdure energiedrager die maar liefst 10% van het totale industriële elektriciteits- verbruik voor haar rekening neemt. Bij dit soort cijfers zou je verwachten dat men de kosten van perslucht- installaties 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 energiegebruik en de CO₂ uitstoot van fabrieken terug te dringen toeneemt. Dit wordt zelfs in toenemende mate via nieuwe (inter)nationale wetgeving afgeraag productiebedrijven wat de opwek- king en distributie van perslucht hen precies kost en u zult verbaast staan naar het meest gegeven antwoord: “We hebben geen idee. Als het maar werkt.”

Vreemd uiteraard, want perslucht is een peperdure energiedrager die maar liefst 10% van het totale industriële elektriciteits- verbruik voor haar rekening neemt. Bij dit soort cijfers zou je verwachten dat men de kosten van perslucht- installaties 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 dwongen. Persluchtbesparing past goed in dit kader en is in veel gevallen zelfs heel makkelijk en tegen relatief lage kosten te realiseren. Zoals het vervangen van lekkende slangen en koppelingen en/of drukver- laging. Maar ook investeringen in nieuwe, rendabeler compressoren met energiezuiniger aandrijvingen en geïntegreerde warmteterugwinsystemen, worden doorgaans binnen enkele jaren volledig terugver- diend. Hoog tijd dus dat bedrijven hun persluchtvoor- ziening kritisch onder de loep nemen en gaan starten met besparen. Want dat kan in bijna alle gevallen en levert al snel vele (tien)duizenden euro’s per jaar aan kostenreductie op.

Stationair of toerengeregeld?

Omdat de capaciteit van persluchtinstal- laties in de regel wordt afgestemd op de piekvraag, betekent dit dat veel installaties overbemeten zijn. Ook wordt vaak een te hoge systeemdruk ingesteld om er zeker van te zijn dat tot achterin de fabriek alles goed blijft functioneren. Vanuit energetisch oogpunt bezien 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 toerenge- regeld? Voordat men hiermee de slag gaat is het slim om, als sprake is van vervanging, eerst een airaudit of airscan uit te voeren.

De stationaire compressoren zorgen dan voor de basis persluchtbehoefte, terwijl de toerengeregelde compressor de fluctuaties in de persluchtbehoefte boven de nominale vraag opvangt…

Hierbij wordt door middel van gerichte metingen over meerdere dagen het actuele persluchtgebruik van de productie nauw- keurig vastgelegd. Dit levert een goed beeld op van de benodigde capaciteit en de fluc- tuaties van 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 toerengeregelde 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 opgeno- men energie in dat geval het meest effectief wordt omgezet in perslucht. Bij gebruik an stationaire compressoren betekent dit echter wel dat de persluchtvraag nagenoeg constant moet zijn, anders worden de com- pressoren te vaak aan- en uitgeschakeld.

In veel situaties is van een constante vraag echter geen sprake. Teneinde fluctuaties in de persluchtafname rendabel te kunnen opvangen, kan de totale gevraagde capa- citeit worden verdeeld over meerdere (kleinere) stationaire compressoren. Via een intelligente regeling worden deze dan afhankelijk van de vraag aan/uit geschakeld. Ook kunnen een of meerdere stationaire compressoren worden gecombineerd met een toerengeregelde compressor. De stationaire compressoren zorgen dan voor de basis persluchtbehoefte, terwijl de toe- rengeregelde compressor de fluctuaties in de persluchtbehoefte boven de nominale vraag opvangt. De huidige toerengeregelde machines draaien in een breed capaciteits- gebied vanaf circa 20% tot 100% optimaal rendabel. En is in een deel van de fabriek toch een (veel) hogere druk nodig, over- weeg dan om alleen voor dat deel boosters in te zetten.

Compressor innovatie

De aandrijving van compressorblokken geschiedt in het algemeen door elektro- motoren. Waren dat aanvankelijk standaard draaistroommotoren (al dan niet frequentie- geregeld), de laatste jaren zijn er nieuwe typen elektromotoren geïntroduceerd, waaronder zuiniger (IE3/IE4) draaistroom- motoren en permanent magneet en syn- chrone reluctantie motoren waarvan het toerental nauwkeurig gestuurd kan worden. Hiermee kunnen de schroeven van een compressor direct, dus zonder tussenkomst van een tandwielkast, worden aangedreven, wat al een aardige rendementswinst ople- vert. Omdat bij tweetraps (olievrije) schroef- compressoren daardoor de compres- sorblokken ook op verschillende toerentallen kunnen draaien, werd de compressor als ge- heel nog veel rendabel

Uitgerust met toerengeregelde direct drives zijn de nieuwe compressoren ten opzichte van een conventionele stationaire compres- sor met vast toerental en draaistroommotor wel tot 50% energiezuiniger. Past men bo- vendien warmteterugwinning toe, dan kan afhankelijk van het systeem ook nog eens zo’n 95% van de warmte uit koellucht en circa 76% van de warmte uit het olie-circuit worden teruggewonnen en worden benut voor ruimteverwarming (via het CV-circuit) of het opwarmen van processen in de fabriek.

Zo moeten bijvoorbeeld adsorptiedrogers met bepaalde intervals geregenereerd worden, wat extra energie kost. Een uitzondering hierop vormen de nieuwste ‘energieloze’ heat of compression drogers die compressorwarmte gebruiken voor het regenereren van het droogmiddel. Ook zijn er inmiddels zogeheten tandem drogers, waarbij een koeldroger in één ap- paraat is gecombineerd met een adsorptie- droger, waardoor deze combidrogers een aanzienlijk hoger rendement hebben dan dat van oudere generaties koel- of adsorp- tiedrogers.

Meten en monitoren

Om de gedragingen en de kosten van pers- luchtinstallaties goed in beeld te kunnen brengen zal er op verschillende plekken gemeten moeten worden. Dat kan men periodiek (laten) doen, maar wil men het systeem echt optimaliseren, dan zal men gebruik moeten maken van permanent geïnstalleerde meetinstrumenten inclusief monitoringsysteem met bijbehorende soft- ware. 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 perslucht flow. Daarbij moet men zich realiseren dat druk, om- gevingstemperatuur, koelwatertempera- tuur, conditie van inlaatfilters, etc. 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 driefase vermogensmeters. Deze meten niet alleen continu de stroom sterkte (A), maar ook de actuele spanning (V) bij alle drie de fasen van de voedingska- bel. Met dergelijke vermogensmeters kun- nen 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 the Total Harmonic Distortion (THD) te hoog, zal de waarde van de power factor afnemen.

Flow/druk/temperatuurmeters

De meest gebruikte instrumenten voor het meten van persluchtflow zijn thermische massaflowmeters, vortexmeters, verschil- drukmeters, Coriolis meters, mechanische flowmeters (roterend) en (clamp-on) ultra- soon meters. Verschildrukmeters meten de doorstroming aan de hand van de drukval over een meetflens. Deze meters worden vaak gebruikt voor capaciteitsmetingen volgens ISO 1217. Wil men super nauwkeu- rig meten, dan zijn Coriolis meters de juiste keuze, echter deze zijn wel tot tien keer duurder dan massaflowmeters. Voor het meten van perslucht zijn thermische massa- flowmeters dus het meest geschikt. Ze hebben een groot dynamisch bereik, meten doorstroming op basis van warmteverlies en hebben een aantrekkelijke prijs/prestatie verhouding. Ze zijn echter gevoelig voor water en olie en dus niet inzetbaar voor me- tingen 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 (bi-directionele) flow, druk, temperatuur en totaal flow.

Article written by Frank Senteur on Process Control 2 – 2021