JELLEGZETES ÜZEMFENNTARTÁSI OBJEKTUMOK ÉS SZAKTERÜLETEK 5.08 Nagynyomású levegőellátó-rendszerek karbantartása Tárgyszavak: kompresszor; karbantartás; sűrítettlevegő-ellátás. Speciális igények kielégítése A víz, a villany és a gáz mellett sokan a nagynyomású levegőt tekintik a negyedik közműnek az iparban. A legtöbb nagynyomású levegőellátó rendszer hasonló paraméterekkel jellemezhető, vannak azonban speciális alkalmazások és iparágak, ahol jobb műszaki paraméterekkel jellemzett levegőre van szükség. A speciális jelleg jelentheti azt, hogy pl. a levegő teljesen olajmentes, szűrt vagy nagy megbízhatóságú. Ez túlmegy azon az egyszerű követelményen, hogy az adott kimeneten adott nyomású levegő jelenjen meg. A megbízhatóság érdekében a következő szempontokat kell figyelembe venni: a rendszer redundanciája, hozzáférhetőség és karbantarthatóság, fejlett szabályozás és monitorozás. Redundancia A redundanciákat tartalmazó rendszerben nagyrészt kiküszöbölhető a meghibásodás lehetősége. A redundáns rendszer két, teljes kapacitású, teljes nyomást biztosítani képes szivattyút tartalmaz: egy motorral hajtott segédszivattyút és egy tengellyel hajtott főszivattyút (ld. az 1. ábrát). A szabályos működés során a tengellyel hajtott szivattyú működik, a motorhajtású pedig állandó készenlétben áll rendkívüli események elhárítására. Az ilyen rendszer a teljes kapacitásra garanciát nyújt, nélküle viszont, ha az olajrendszer meghibásodik, az egész kompresszort el kell zárni. Hozzáférhetőség és karbantarthatóság A rendszer komponenseit rendszerint úgy tervezik, hogy jól hozzáférhetők és karbantarthatók legyenek. Az áramló levegő közbenső hűté-
sére használnak ugyan U alakú és egyenes hűtőcsöveket is, de az utóbbiak karbantartása, tisztítása könnyebb. Az egyenes csövek eltávolítása, majd visszahelyezése is sokkal egyszerűbb. Azokat a hűtőcsöveket egyszerűbb tisztítani, amelyek belsejében víz van, mint amelyekben levegő, mert az utóbbiak tisztításához drótkefe vagy vegyszeres eljárás kell. Minél tovább tart a közbenső hűtő tisztítása, annál tovább kell leállni a különleges minőségű levegőt szolgáltató rendszerrel. A kompresszor másik olyan része, amely rendszeres karbantartást igényel, a tengelyvégcsap csapágyazása. A megfelelően karbantartott csapágyazás szinte súrlódásmentes viszonyokat biztosít a forgó tengely számára. Ha megfelelő az üzembe helyezés és a karbantartás, a csapágyak élettartama igen hosszú. A horizontálisan osztott csapágyakat könnyű üzembe helyezni, tisztítani, cserélni és karbantartani, ui. csak a felső csapágyfelet kell eltávolítani a tisztításhoz, nincs szükség teljes szétszerelésre. Más gyártók egy darabban gyártott csapágyakat használnak, itt teljesen szét kell szerelni a kompresszort a tisztításhoz és karbantartáshoz. termikus szelep 2. vezérlőszelep 3. vezérlőszelep szűrő hűtő olajköd eltávolítása olajhőmérő olajnyomásmérő panel kompresszor hajtás fő olajszivattyú leeresztőszelep 1. vezérlőszelep olajtartály kisegítő olajszivattyú 1. ábra Két kompresszort alkalmazó, ún. redundáns nagynyomású levegőellátó rendszer vázlata
A karbantarthatóságnak kedvez a cserélhetőség, mert ez idő- és pénzmegtakarítást eredményez. A többfokozatú kompresszorokban fogaskerék-áttéttel hajtják a járókereket minden sűrítési fázisban. A fő fogaskerekek minőségi szintje határozza meg a felcserélhetőséget. Az Amerikai Fogaskerékgyártók Szövetsége (AGMA) 3 és 15 közötti számmal jellemzi a fogaskerekek minőségét. A 13-as minőségi szint vagy repülőgép-ipari minőség nagy pontosságúnak minősül. Ezeknek kisebb a zajszintje és normál használati körülmények között általában hosszabb az élettartamuk. A legfontosabb azonban az, hogy cserélhetők egymással. Ha a minőség 12-nél kisebb, kopás alakul ki a fogaskerekeken, és ezeket ki kell cserélni. Szabályozás és monitorozás A nagyobb termelőüzemekben több kompresszor is táplálja a nagynyomású levegőellátó rendszert. A több kompresszor egyidejű működtetéséhez azok működését koordinálni és felügyelni kell, és hozzá kell igazítani az adott terheléshez. A korszerű szabályozási pl. PLC (programozható logikai szabályzó) alkalmazásával akár nyolc kompresszoregység öszszekapcsolása is megoldható. A több kompresszort rendszerint egymás után kapcsolják be egy előre meghatározott menetrend szerint. A PLC alapú szabályozók követik az aktuális terhelést és levegőigényt, és ahhoz igazítják a kompresszorok teljesítményét. Kiválasztják, hogy az adott pillanatban melyik kompresszort kell működtetni, elzárják azokat a kompresszorokat, amelyek működésére az adott pillanatban nincs szükség. A szabályzóegység segítségével a több kompresszorból álló rendszer lényegében eggyé tehető, biztosítva az állandó nyomást és a leghatékonyabb működést. A PLC alapú moduláris szabályzó és ellenőrző rendszer lehetővé teszi, hogy a kezelőszemélyzet folyamatosan ellenőrizze a rendszer működését, és távolról is diagnosztikai vizsgálatokat hajtson végre a rendszer egyes elemein. Ezzel csökken a javításra és cserére fordított összeg, valamint az elvesztegetett leállásból eredő kiesés. A rendszer könnyű kezelhetősége miatt csökken a betanításra fordított idő is. Sűrítettlevegő-ellátás centralizált vagy decentralizált? A hagyományos vállalati kompresszorközpontokat ésszerűen fel lehet váltani a sűrített levegővel való decentralizált ellátással. A kompreszszorállomásokat ugyanis mindig a legigényesebb fogyasztók számára tervezik, így a többiek fölöslegesen részesülnek ebben a mind nyomás,
mind levegőminőség tekintetében első osztályú ellátásban, a sérülékeny szállítóvezeték-hálózat gondjával is súlyosbítva. Munkahelyi kompresszorok A takarékosabb megoldást szolgálják az Atlas Copco ún. munkahelyi kompresszorai, amelyekből bővítés esetén bárhova be lehet állítani a szükséges egységeket. Kielégíthetők velük a több és jobb minőségű sűrített levegő iránti igények is: csupán egy kevés helyre és a villamos hálózathoz való csatlakozásra van szükség. Sűrített levegőből lehetőleg éppen a kívánt mennyiséget kell az adott célra rendelkezésre bocsátani, a többlettermelés bar-onként 6%- kal nagyobb áramfogyasztást is jelent. Az 5 90 kw névleges teljesítményű munkahelyi kompresszorok 10-től 253,5 l/s-ig terjedő, 7,5; 8; 10 vagy 13 bar nyomású levegőt szolgáltatnak. A leghatékonyabban teljes kihasználtsággal működnek. Az üresjárattal együtt járó nagyfokú hatékonyságcsökkenést, különösen erősen ingadozó levegőszükségletnél, fordulatszámmal szabályozott kompresszorok használatával lehet elkerülni. A munkahelyi kompresszorok az ISO 8573-1 szerinti levegőminőségi osztályok kritériumainak is eleget tesznek: a termékskála az olajbefecskendezéses csavarkompresszortól az olajmentesen sűrítő, adszorpciós szárítással és többszörös szűréssel kiegészített, fogaskerékkompresszorig terjed. A szárítók és szűrők okozta elkerülhetetlen nyomásveszteséget az újabb konstrukciók a csővezetékek megrövidítésével minimálisra csökkentik, ezáltal helyigényük ugyanazon teljesítmény mellett kb. a fele a hagyományos kompresszoregységekének. Összehasonlító példa A munkahelyi kompresszorállomások alkalmazásának hasznát jól szemléltetik két fiktív élelmiszerüzem sűrített levegővel való ellátásának valósághűen számított költségei és azok összehasonlítása. A két készételeket gyártó Hagyományos, ill. Innovatív elnevezésű cég az 1. esztendőben egyenlő alapokról indul, telephelyük területe 60x20 m, két műszakban napi 16 órát dolgoznak és évi 50 héten át. Az első évben központi kompresszorállomásaik is azonosan két normális szabályozású, 55 kw teljesítményű és 145 l/s ellátókapacitású, felváltva működő berendezésből állnak. A levegőszükséglet a gyártósoron 32 és 38, a csomagolósoron 43 és 69 l/s között változik, 6 bar túlnyomással.
Mivel a sűrített levegő élelmiszerekkel érintkezik, az említett szabvány 1. osztályának megfelelően olaj- és pormentesnek, ezenkívül száraznak is kell lennie, a 2. osztály előírása szerint. Ugyanez a csomagolósorra is érvényes, de itt elegendő a 4. ISO-osztályú légnedvesség is. A sűrített levegő szigorú tisztasági követelményeinek teljesítéséről, azaz a levegő-előkészítésről a nem olajmentesen működő kompresszorokhoz csatlakoztatott aktív szenes adszorpciós szárító gondoskodik. A szárító regenerálásához szükséges 27 l/s térfogatáram a csúcsigényt sűrített levegőből 134 l/s-re növeli. Ahhoz, hogy megbízhatóan rendelkezésre álljon a szükséges 6 bar nyomású levegő, a 37 l/s térfogatáramot a kompresszoroknak 8,8 bar-ra kell sűríteniük, pótlandó 1,55 bar szárítási, 0,4 bar szűrési, továbbá 0,12 bar vezetékes, azaz összesen 1,67 bar nyomáscsökkenést. A 7-ről 8 bar-ra megnövelt üzemi nyomás következtében 25%-kal nagyobb mértékű szivárgásra is kell számítani. A 2. esztendőben a fokozódó keresletet mindkét vállalat csak üzembővítéssel tudja kielégíteni, ezáltal a termelés minden területén megkétszereződik a sűrítettlevegő-szükséglet. Ebben az új helyzetben mutatkozik meg a Hagyományosnál és az Innovatívnál bevezetett átalakítások közti nagy gazdasági különbség. Üzembővítés a Hagyományos üzemben A bővítéshez itt három 55 kw-os kompresszort kell beszerezni, kettőt a sűrített levegővel való kellő ellátáshoz, egyet tartalékként. Ezek azonban nem férnek el a kompresszorállomáson, amelyet így a gyártócsarnokból egy másik épületbe kell áthelyezni, a vezetékhálózat jelentős meghosszabbodásával. Az új kompresszorokhoz csatlakozva, a levegőelőkészítő kapacitást is bővíteni kell 150-ről 300 l/s-re. A megkétszereződött termelési és csomagolási sűrítettlevegőfelhasználással az összes igény 204 és 268 l/s között változik, de mivel az üzemi nyomás 5 6 bar maradt, a nyomáscsökkenés pedig a meghosszabbított vezetékben sem több 0,15 bar-nál, továbbra is megfelel a kompresszorállomás nyomástartományának 7,8 8,8 bar. Megnövekedett termelés az Innovatív gyárban Ez a vállalat a 2. évben áttért munkahelyi kompresszorok használatára, mivel az 5 bar hálózati nyomással működő csomagolósornak egyál-
talán nem volt szüksége 8 bar nyomásszintre. Így nem kellett az új kompresszorok központi elhelyezéséről sem gondoskodni. Az új koncepció szerint biztonság okából két-két fordulatszám-szabályozású munkahelyi kompresszort kapott mind a gyártósor, amelynek olajmentes sűrítői 37 kw teljesítménnyel, 87 l/s kapacitással szolgáltatnak szűrt és adszorpciósan szárított sűrített levegőt, mind a csomagolósor, amelyben olajbefúvásos, 50 kw teljesítményű, 149 l/s ellátókapacitású csavarkompresszorok működnek beépített szárítóval. A 7,5 bar túlnyomásra tervezett száraz üzemű fogaskerékkompresszorok után a csomagolásnál (de csak ott!) nincs szükség szűrésre, így többletsűrítésre sem. A levegőtisztítás és szárítás összes kiegyenlítendő nyomásvesztesége a Hagyományosnál szükséges 1,55-tel szemben csupán 0,9 bar. Az Innovatívnál ugyanis, a beépített szárítók, s velük a külső vezetékek elmaradása következtében a nyomáscsökkenés is megfeleződik 0,2 bar-ra. Az összesített eredmény: a Hagyományos gyárban betáplált 8,8 bar nyomás helyett az Innovatív csomagolósoron 5,3 5,4 bar, a gyártósoron 7,0 7,1 bar hálózati nyomásra van szükség. A különbség a csomagolás sűrítettlevegő-ellátásában 20%-os, a termelésben 10%-os energiamegtakarítást eredményez. Ugyanazon sűrítettlevegő-igény kielégítéséhez az Innovatívnál elég a beépített 87 kw, a Hagyományosnál 110 kw kompresszorteljesítményre van szükség. Ehhez járul az energiatakarékos fordulatszám-szabályozás, amellyel a kompresszor éppen csak a kívánt mennyiségű sűrített levegőt állítja elő. Az Atlas Copco kimutatása szerint az itt ismertetett példában az Innovatív gyár részlegei 44%-kal olcsóbban jutnak a szükséges sűrített levegőhöz. Az üzemelés 3. éve Hagyományos A termelékenység növelése érdekében mindkét vállalat új csomagolóautomatákat szerel fel, amelyek már nem 5, hanem 7 bar túlnyo-
mással dolgoznak és 60 125 l/s térfogatáramban igényelnek sűrített levegőt. Ennek a Hagyományos 10 bar-t nyújtó kompresszorai megfelelnek, de tartalékképzés és csúcsfogyasztások lefedése céljából a vállalatnak be kell szereznie egy negyedik, 55 kw-os, 145 l/s ellátókapacitású kompresszort. Ezzel együtt 400 l/s-re kell megnövelni a regeneráló levegőszárítók kapacitását. A rendszerben így bekövetkezett 0,2 bar nyomásveszteség pótlására 9 bar-ig kell emelni az üzemi nyomást. Végeredményben tehát megnőtt mind az üzemköltség, mind az energiaigény, mivel csúcsfogyasztások idején 165 kw kompresszorteljesítmény van a hálózatra kötve. Innovatív Ezzel szemben az Innovatív cég új területi koncepciója szerint a sűrített levegőnek mind mennyisége, mind nyomása iránti igénynövekedésre elég egyszerűen két 10 bar túlnyomást előállító, 50 kw teljesítményű, beépített szárítóval ellátott, szabályozott kompresszor megrendelésével reagálni. Mindkettőt (az egyiket tartalékként) az új csomagolóautomata mellett lehet felállítani. Mindkettőhöz utánkapcsolva, egy-egy részecske- és olajszűrő tartozik. Az egész levegőtisztító és -szárító rendszer mindöszsze 0,9 bar nyomásesést idéz elő, így a maximális üzemi nyomást, 8,1 barra, azaz a Hagyományos gyárénál 1 bar-ral kisebbre lehet beállítani. Az Atlas Copco számítása szerint az üzemelés 3. esztendejében vásárolt két kompresszor energiaköltsége ha nem is a 2. év 44%-ával de még mindig 31%-kal több a Hagyományosnál, mint az ésszerűen takarékos Innovatívnál. Irodalom Összeállította: Bánhegyiné Dr. Tóth Ágnes és Dr. Boros Tiborné Kelley. A.: Maintaining reliable engineered air. = Hydrocarbon Processing, 2005. máj. p. 59 60. Sparen durch plug and play. = Instandhaltung, 2005. 7. sz. okt. p. 28 30. Shelley, S.: Air compressors: Driving efficiency. = Turbomachinery International, 47. k. 1. sz. 2006. p. 16 18. Carducci, G.; Giannoccarro, N. I. stb.: Identification of viscous friction coefficients for a pneumatic system model using optimization methods. = Mathematics and Computers in Simulation, 71. k. 4 6. sz. 2006. jún. 19. p. 385 394.