Kuva 1. Kompressorien keskitetty ohjausjärjestelmä paperitehtaassa. Tämä kuva esittää teollisen paineilmajärjestelmän keskitettyä ohjausjärjestelmää, jolla optimoidaan useiden kompressorien toimintaa ja energiatehokkuutta vaihtelevan ilmantarpeen mukaan.

Teknologian kehitys paineilman hallinnassa

Teknologia kehittyy erittäin nopeasti paineilman käytön ohjauksessa ja valvonnassa. Monet tuntevat jo kehityksen paineilman tuotantopuolella, kuten:

• keskitetyt kompressorien ohjausjärjestelmät, jotka optimoivat useiden kompressorien toimintaa vaihtelevan tarpeen mukaan
• taajuusmuuttajakäytöt (VSD)
• magneettilaakeroidut keskipako- ja ruuvikompressorit
• tehokkaampi ja luotettavampi laitteisto modernin valmistusteknologian ansiosta

Nämä teknologiat mahdollistavat merkittäviä energiansäästöjä ja ovat laitevalmistajien vahvasti markkinoimia. Sama kehityssuunta näkyy myös tuotantoprosesseissa. Näille ratkaisuille on tyypillistä:

• matala investointikustannus
• selkeät säästöt
• usein nopea takaisinmaksuaika

Silti niitä ei usein myydä aktiivisesti tai hyödynnetä täysimääräisesti. Syynä tähän saattaa olla kokonaistietämyksen puuttuminen sekä paineilmajärjestelmien tuotto- että kulutuspuolella ja niiden syvä osaaminen.

Voiko paineilman kulutuksen pienentäminen vähentää energiankulutusta?

Paineilma on usein tehtaan kallein energiamuoto.

Ennen kulutuksen vähentämistä on varmistettava, että paineilmajärjestelmä pystyy muuttamaan pienemmän ilmantarpeen myös pienemmäksi energiankulutukseksi.

Tuotantopuolen merkitys paineilman optimoinnissa

Kokemus osoittaa, että tuotantopuolen optimointi tuottaa usein suuremmat säästöt kuin pelkät kompressorimuutokset. Näitä ovat muun muassa:

• tuotannon muutokset
• linjojen lisäykset
• piilevät häviöt

Paineilman seuraaminen tuotannon eli paineilmaverkoston puolella tarvitsee avukseen luotettavat ja tarkoituksenmukaiset mittaroinnit KPI-arvojen* seurantaan. Hyvin kehitetty ja järjestetty mittarointi itsessään ei ole riittävä, mikäli sen säännöllinen ja järjestelmällinen seuranta on puutteellista. Esimerkkitapauksissa tieto siirtyy seurannasta tuotannon johtoon ja sieltä käytännön tasolle kentälle oikeisiin ja täsmällisiin toimiin.

*KPI (Key Performance Indicator) on suomeksi keskeinen suorituskykymittari, avainmittari tai suorituskyvyn mittari.

Kuva 2. Paineilman virtausmittaus määrän, virtauksen ja paineen hallintaan.

Mittarointi (KPI:t) on kriittinen:

• virtaus
• paine
• kulutus
• kastepiste

Ilman jatkuvaa seurantaa säästöt jäävät saavuttamatta.

Paineilmajärjestelmän tasapaino: tuotanto vs. kulutus

Paineilmajärjestelmän energiatehokkuus syntyy tuotannon ja kulutuksen tasapainosta.

Järjestelmän kokonaisuuden merkitys

Tämä artikkeli ei mahdollista kaikkien syöttöpuolen tekijöiden yksityiskohtaista käsittelyä. Näitä ovat esimerkiksi:

• kapasiteetin ohjaus
• paineilman varastointi
• putkisto
• kondenssiveden käsittely

Kaikki nämä vaikuttavat siihen, kuinka tehokkaasti pienempi ilmankulutus tuotantopuolella voidaan muuntaa pienemmäksi energiankulutukseksi.

Yleisin ongelma: paineilmaputkiston virtausrajoitukset

Virheellinen putkistosuunnittelu aiheuttaa:

• liian korkeat virtausnopeudet
• risteävät T-haarat
• dead head-rakenteet

Kuva 3. Esimerkkejä paineilmaputkiston virheellisestä suunnittelusta. Kuva havainnollistaa paineilmaputkiston virheellistä suunnittelua, kuten risteäviä T-haaroja ja virtausrajoituksia, jotka aiheuttavat painehäviöitä.

Seuraukset:

• painehäviöt
• virtausvastus
• kompressorien osakuormakäynti

Nämä yhdessä aiheuttavat virtausvastuksia, jotka voivat johtaa siihen, että useat - tai jopa kaikki - kompressorit käyvät osakuormalla. Tällöin kompressorit eivät pysty saavuttamaan täyttä kuormaa normaalin ja hyväksyttävän käyttöalueen puitteissa.

Esimerkkitapaus: 5 kompressorin paineilma-asema

Tarkastellaan käytännön esimerkkiä teollisuuden paineilmajärjestelmästä. Kuvassa 4. esitetty järjestelmä koostui useista keskipakokompressoreista, jotka oli liitetty yhteiseen runkoputkeen (kokoomaputki / jakotukki).

Laitoksen henkilöstön näkemyksen mukaan suurin osa kompressoreista toimi täydellä kuormalla, koska keskitetty ohjausjärjestelmä (master controller) antoi tällaisen kuvan.

Kuva 4. Epätarkka paineilman putkistosuunnittelu, jossa esiintyy painehäviöitä. Tämä kuva näyttää paineilmaputkiston painehäviöitä ja virtausvastuksia, jotka syntyvät epäoptimaalisesta putkistosuunnittelusta ja vaikuttavat suoraan kompressorien toimintaan ja energiankulutukseen.

Todellinen tilanne oli kuitenkin toinen

Putkistossa esiintyi merkittäviä virtausrajoituksia:

• risteävät T-haarat
• ns. dead head-rakenteet
• paikalliset virtausvastukset

Nämä aiheuttivat vastapainetta (back-pressure), johon keskipakokompressorit reagoivat lisäämällä massavirtaa.

Miksi tämä on haaste? Keskipakokompressorin toimintaperiaate

Paineilma-aseman kompressorit ovat massavirtaan perustuvia keskipakokompressoreita. Tämä tarkoittaa, että kompressori pyrkii ylläpitämään tiettyä massavirtaa (kg/s) ja se reagoi herkästi:

• vastapaineeseen (back-pressure)
• virtausvastuksiin

Kun vastus kasvaa: massavirta kasvaa, mutta tilavuusvirta pienenee. Järjestelmä kuluttaa enemmän energiaa ilman lisähyötyä. Tämä on paineilmajärjestelmien yksi yleisimmistä mutta huomaamattomista tehottomuuksista.

Kuva 5. Kompressorien tehontarpeet ja ilmavirrat paineilmajärjestelmässä. Kuvassa esitetään kompressorien tehon ja ilmavirran välinen suhde paineilmajärjestelmässä sekä kuinka virtausrajoitukset voivat pienentää toimitettua ilmamäärää.

Kuten kuvassa 5 esitetään, kuvan 4. esitettyjen viiden kompressorin mitatut käyttöarvot osoittavat, että ne toimivat yhdessä viiden muun yksikön kanssa, jotka syöttivät ilmaa samaan triple dead head -rakenteeseen. Yhteensä kymmenen kompressoria oli kuormitettuna, ja niiden käytettävissä oleva kokonaisilmavirta oli 53 100 Nm³/h (31 241 scfm), josta järjestelmään toimitettiin 36 900 Nm³/h (21 706 scfm) paineessa 4.14 bar,g (60 psig), kokonaistehon ollessa 3 319 kW.

Huomio (tärkeä tulkinta)

Tämä konkretisoi hyvin: putkiston virtausrajoitukset → massavirta vs. tilavuusvirta -ongelman energiatehottomuuden. Tämä on äärimmäinen esimerkki. Se havainnollistaa, että vaikka tuotantopuolen paineilman kulutusta vähennetään, kokonaisenergiankulutus ei välttämättä vähene lainkaan tai vähenee vain vähän.

Osa kompressoreista toimii osakuormalla (turndown), kun taas toiset käyvät ulospuhalluksella (blow-off), eikä järjestelmällä ollut kokonaishallintaa. Tuotannon ilmantarpeen pienentyminen johtaa tällaisessa tilanteessa todennäköisesti ulospuhalluksen lisääntymiseen, jolloin sähkön kokonaiskulutus pysyy lähes ennallaan.

Kuva 6. Öljyvapaa keskipakokompressori teollisuuden paineilmajärjestelmässä.

Toteutetut muutokset ja tulokset

Kaksi vanhaa 522 kW kompressoria korvattiin uusilla, korkeamman hyötysuhteen 932 kW:n kompressoreilla (joilla tehokkaampi säätöalue).

• 20" (DN500) runkoputki kasvatettiin 30" (DN750) ruostumattomaksi (Schedule 10).
• Kaikki liitännät toteutettiin kulmaliitoksina virtaussuunnan mukaisesti → risteävien T-haarojen aiheuttama turbulenssi poistettiin.
• Triple dead head poistettiin.

Muutosten jälkeiset tehotarpeet ja kuormitukset

Kuva 7. Optimoitu paineilmaputkiston suunnittelu ilman virtausrajoituksia, mikä parantaa koko järjestelmän energiatehokkuutta.

Tärkeä johtopäätös

Uudet, suuremmat ja tehokkaammat keskipakokompressorit paransivat täyden kuorman ominaistehoa arviolta noin 10 %. Loppuosa säästöstä syntyi putkiston korjauksista ja järjestelmän paremmasta suunnittelusta.

Loppuyhteenveto

Samankaltainen ilmiö esiintyy ohjaustavasta riippumatta, kun kompressorien paikalliset kapasiteetinsäätimet reagoivat putkistossa havaittuihin muutoksiin, jotka eivät johdu tuotantoprosessista, vaan syntyvät kompressorihuoneen puolella olevista olosuhteista tai paineilmaverkoston suunnittelun ja toteutuksen puutteista.

Kun kaikki tällaiset ongelmat on ratkaistu ja koko paineilmajärjestelmän tuotanto- ja kulutuspuolet on kytketty toimimaan oikein yhteen, kaikki ilmankulutuksen vähennykset voidaan muuntaa suoraan pienemmäksi energiankulutukseksi.

Tiesitkö? Tilavuusvirta vs. massavirta paineilmajärjestelmässä (FAQ)