Articles, Featured on homepage, News & articles, Uk

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%.

De in de nieuwe Kaeser ASD compressoren gebruikte Sinamics laagspannings- converters en Simotics syn- chrone reluctantiemotoren zijn voor deze toepassing in nauwe samenwerking ont- wikkeld door Siemens. Mede dankzij de nieuwe aandrij- ving, de schroefblokken met Sigma-profiel, maar ook door het geïntegreerde warmte- terugwinsysteem voldoen Kaeser’s ASD compressoren ruimschoots aan de IES2 systeem efficiencyklasse.

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.

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 persluchtbehoeftes. De direct gekoppelde schroefblokken worden elk door hun eigen gelijkstroommotor aangedreven (dus geen mecha- nische tandwielkasten), waarbij het toerental van beide schroefblokken wordt geoptimaliseerd op basis van toerental/drukverhouding. Maar liefst 98% van de gegenereerde warmte wordt afgevoerd via het koelwater, waardoor een optimale warmteterugwinning mogelijk is.

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

De VPFlowScope M meet van perslucht en industriële gassen de (bi- directionele) flow, druk, temperatuur en totaal flow en is er in verschillende uitvoeringen. Standaard outputs zijn: 4..20 mA en RS485 (Modbus RTU). Ook is de nieuwste uitvoering van dit veelzijdige meetinstrument Industry 4.0 Ready wat te danken is aan 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 wordt het traditionele kalibreren overbodig wat downtime nagenoeg elimineert.

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.

Efficiënter drogen

Afhankelijk van de toepassing mag de toe- gepaste perslucht meer of minder restvocht bevatten. Om perslucht droger te maken is het noodzakelijk om het zogeheten drukdauwpunt te verlagen. Hoe lager het drukdauwpunt, des te droger de lucht. Voor niet al te kritische situaties kunnen hiervoor zogeheten koeldrogers worden toegepast. Deze lijken qua werking op een gewone huis-tuin-en-keuken koelkast en kunnen een drukdauwpunt tot zo’n 3 °C realiseren. Daar- naast zijn er membraan luchtdrogers die een deel van het restvocht op een energievrien- delijke manier uit de perslucht verwijderen en dauwpunten tot globaal -40 °C kunnen realiseren. Voor nog lagere dauwpunten zijn er adsorptiedrogers, waarmee drukdauw- punten tot –70 °C kunnen worden bereikt. Deze lucht is kurkdroog en ideaal voor kriti- sche toepassingen in bijvoorbeeld de food-, farma- en semiconductor industrie. Globaal kan worden gesteld dat des te lager het drukdauwpunt, des te hoger zijn de energie- kosten om dit te realiseren. Daarnaast zijn er andere factoren die de (energie)kosten ver- der beïnvloeden.

Efficiency van perslucht3

Typische opbouw van een eigentijds compressorstation met meerdere stationaire en/of toerengeregelde compressoren of een combinatie daarvan. Door de compressoren aan te sturen via een centrale regeling, wordt een stabiele systeemdruk gecombineerd met een zo hoog mogelijk energetisch rendement.

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.

Lekkagemanagement

We kunnen het niet genoeg benadrukken, maar in vrijwel alle productiebedrijven waar perslucht wordt gebruikt is sprake van lek- kages. Soms hoor je het gewoon ergens sissen als je door een fabriek loopt en merk- waardigerwijs wordt daar zelden direct iets aan gedaan. Vreemd, want lekkages zijn kostbaar en kunnen er de reden van zijn dat men er toch maar een compressor bij 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 gesme- ten. 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 lunch- pauze of in het weekend, een kijkje te ne- men 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 ultraso- ne 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 kun- nen met gerichte flow- en drukmetingen opgespoord worden.

De door VPInstruments ontwikkelde 3 Phase Power Meter is een zeer nauwkeurige driefasen 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 accuraat beeld van het verbruik. Het brede meetbereik bedraagt 100 tot 600 Vac bij 50 of 60 Hz.

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.

De MDG450 adsorptiedroger van Atlas Copco staat hier pal naast een VSD persluchtcompressor (toerengeregeld), van welke combinatie er twee staan opgesteld bij Trinseo in de Zeeuwse plaats 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’.

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.

VPVision energy monitoring system

Via een webbrowser wordt met VPVision het complete persluchtsysteem van compressorinstallatie tot eindgebruikers in beeld gebracht. Het systeem toont onder meer waar, wanneer en hoeveel perslucht er wordt gebruikt, waaruit concrete besparingsmogelijkheden kunnen worden gedestilleerd. Recent is de VPRouter toegevoegd waarmee via internet (WiFi/4G) de VPVision software kan worden geupload en realtime mee- gekeken kan worden naar wat er in een installatie, waar ter wereld dan ook, gebeurt.

Monitoring

De beste manier om precies te weten hoe het ervoor staat en welke mogelijkheden er zijn voor verdere optimalisatie is de pers- luchtinstallatie continu te bewaken. Hier- voor zijn er verschillende monitoringsyste- men op de markt waarmee exact in beeld gebracht kan worden wat de conditie is van de installatie en hoe deze wordt gebruikt. Via internet kunnen experts bovendien meekijken wat er precies in de perslucht- installatie gebeurt. Op basis van de uit mo- nitoringsystemen gedestilleerde gegevens kunnen de betrouwbaarheid van de instal- latie worden verhoogd en de energiekosten worden verlaagd. Monitoringsystemen be- waken bijvoorbeeld het opgenomen ver- mogen (kWh) van de compressoren en de dynamische druk en flow in het leidingnet. Dit niet alleen gedurende de normale pro- ductietijden, maar ook tijdens rustperiodes waardoor kan worden geconstateerd 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 ont- dekken 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, komt men vaak tot verrassende resultaten. Monitoringsys- temen zijn uitgerust met speciale software, waarmee bijvoorbeeld ook automatisch rap- porten kunnen worden gegenereerd over de belasting en het energiegebruik 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.

Article written by Frank Senteur on Process Control 2 – 2021

Car manufacturer optimized compressors controls significantly

From West US, an automatic car manufacturer has a savings potential of $600,000 USD on their compressed air system. Want to know how? Contact us today to learn more.