Сжатый воздух часто называют «четвертым видом энергоресурса» на предприятии наряду с электричеством, водой и газом, и его производство является, безусловно, самым дорогостоящим. Тем не менее многие предприятия работают годами, не зная, сколько на самом деле стоит кубический метр воздуха, поскольку расходы на него включаются в единый ежемесячный счет за электроэнергию. В результате решения принимаются исключительно на основе цены покупки, и оборудование, которое в коммерческом предложении казалось самым дешёвым, незаметно становится самым дорогостоящим активом в компрессорном помещении.
Воздушный компрессор Стоимость электроэнергии рассчитывается путем умножения общей входной мощности агрегата в кВт на годовое количество часов работы, долю времени, затраченного в каждом режиме нагрузки, долю потребляемой в этом режиме полной мощности и местную цену на электроэнергию за кВт·ч, а затем суммирования результатов для каждого режима нагрузки. В результате получается годовой объем электроэнергии в киловатт-часах, который одним умножением преобразуется в стоимость. Деление стоимости на фактический объём подаваемого воздуха даёт стоимость за кубический метр или за 1 000 кубических футов — единственный показатель, который можно объективно сравнивать между различными агрегатами, значениями давления и объектами.
В приведенных ниже разделах поочередно рассматриваются все переменные — от считывания данных с заводской таблички двигателя до сравнения характеристик одной машины с другой.
Почему именно потребление электроэнергии, а не покупная цена, определяет реальную стоимость
Затраты на электроэнергию, как правило, составляют от 70 до 80 процентов от совокупных затрат на эксплуатацию промышленного воздушного компрессора в течение всего срока службы, в то время как стоимость приобретения составляет примерно от 10 до 18 процентов, а на техническое обслуживание приходится остальная часть. Разница в цене в 20 процентов между двумя агрегатами одинакового размера является незначительной по сравнению с разницей в удельной мощности в 15 процентов, сохраняющейся на протяжении 60 000 часов работы.
Причина кроется в термодинамике. При сжатии электрическая энергия преобразуется в давление и тепло, и большая часть этого тепла уходит через радиатор, а не поступает к месту использования. Согласно Министерство энергетики США, более 80 процентов энергии, поступающей в систему сжатого воздуха, теряется до того, как она успевает выполнить полезную работу, а оптимизация на системном уровне, как правило, позволяет сократить потребление электроэнергии на производстве для подачи сжатого воздуха на 20–50 процентов.
Это соотношение меняет подход к принятию решения о покупке. Машина мощностью 75 кВт, работающая 8 000 часов в год, потребляет около 450 000 кВт·ч, что составляет примерно 54 000 в год при цене 0,12 за кВт·ч. Если приобрести машину с надбавкой в 25 процентов, но с удельной мощностью на 12 процентов выше, то за десятилетний срок эксплуатации удастся сэкономить более 60 000. Разница в стоимости окупается в течение первых двух лет; в дальнейшем решение зависит исключительно от эксплуатационных расходов.
| Статья затрат | Доля в общем объеме за 10 лет | Динамика поведения |
| Приобретение основных средств | от 10 до 18 процентов | Устранено при вводе в эксплуатацию |
| Электроэнергия | от 70 до 80 процентов | Повторяется каждый час работы |
| Техническое обслуживание и запчасти | от 8 до 12 процентов | Зависит от времени суток и качества воздуха |
Основная формула расчета затрат на электроэнергию при работе воздушного компрессора
Годовая стоимость электроэнергии равна сумме, рассчитанной для каждого состояния нагрузки, которая включает в себя мощность оборудования в кВт, умноженную на количество часов пребывания в данном состоянии, долю от полной мощности, потребляемой в данном состоянии, и тариф за 1 кВт·ч. Достаточно четырех входных данных: мощность оборудования в кВт, годовое количество часов работы, профиль нагрузки и тариф на электроэнергию.
Проще говоря:
Годовые затраты на электроэнергию = (кВт при полной нагрузке × количество часов при полной нагрузке × 1,0) + (кВт при частичной нагрузке × количество часов при частичной нагрузке × доля мощности) + (кВт без нагрузки × количество часов без нагрузки × доля мощности), причём все эти величины умножаются на тариф за 1 кВт·ч.
Определение каждой переменной
Большинство ошибок возникает из-за неправильного прочтения входных данных, а не из-за арифметических операций.
- Мощность на входе, кВт. Общая потребляемая электрическая мощность всей установки при указанном давлении нагнетания, включая потери в двигателе, охлаждающем вентиляторе, масляном насосе и приводе. Это не номинальная мощность, указанная на паспортной табличке двигателя, и не мощность на валу компрессорного блока.
- Годовой наработ. Количество часов, в течение которых оборудование находится под напряжением. Учитываются часы работы без нагрузки и простоя, поскольку винтовой компрессор без нагрузки по-прежнему потребляет от 20 до 35 процентов мощности при полной нагрузке.
- Профиль нагрузки. Доля времени работы при полной нагрузке, при промежуточных нагрузках и без нагрузки.
- Доля мощности. Мощность, потребляемая при частичной нагрузке в каждом состоянии. При управлении с нагрузкой и без нагрузки этот показатель составляет примерно 1,0 при нагрузке и от 0,2 до 0,35 без нагрузки; при управлении с переменной скоростью он соответствует кривой частичной нагрузки.
- Тариф. Стоимость за 1 кВт·ч, в идеале с учетом платы за пиковую нагрузку и любой тарифной структуры, зависящей от времени суток, поскольку компрессоры часто работают в часы пиковой нагрузки.
Расчет с учетом режима нагрузки, а не средних значений
Расчет среднего годового нагрузки — это самый распространенный способ упростить расчет и одновременно самая частая ошибка, поскольку потребляемая мощность не уменьшается пропорционально производительности. Установка со средней нагрузкой 50 % может половину времени работать при полной нагрузке, а половину — без нагрузки, причем в режиме работы без нагрузки она потребляет значительную долю от полной мощности, не производя при этом воздуха вообще.
Рассмотрим агрегат мощностью 160 кВт, работающий 6 800 часов в год: 85 % времени он работает под нагрузкой, а остальное время — без нагрузки на 25 % от полной мощности.
| Состояние нагрузки | Часов в год | Потребляемая мощность | Потребленная энергия |
| Полная нагрузка | 5,780 | 160 кВт | 924 800 кВт·ч |
| Без груза | 1,020 | 40 кВт | 40 800 кВт·ч |
| Итого | 6,800 | 104,4 кВт (в среднем) | 965 600 кВт·ч |
При цене 0,12 за кВт·ч годовая сумма расходов составляет 115 872, из которых 4 896 приходится на 1 020 часов простоя, в течение которых производство не велось. На предприятии с нестрогой дисциплиной отключения оборудования эта статья расходов может удвоиться, поэтому именно на неё обычно в первую очередь обращают внимание при проведении энергоаудита.
Как рассчитать мощность компрессора в кВт по характеристикам двигателя
Существует три метода, перечисленные в порядке убывания надежности: взять значение входной мощности агрегата (кВт) из проверенного технического паспорта, измерить его с помощью анализатора мощности при реальной нагрузке или рассчитать на основе данных, указанных на заводской табличке двигателя. Метод, основанный на данных заводской таблички, является наименее точным, поскольку он описывает выходную мощность двигателя, а не входную мощность агрегата, и не учитывает КПД, коэффициент мощности и вспомогательные нагрузки.
С технической таблички: напряжение, сила тока и коэффициент мощности
Для трехфазного двигателя потребляемая мощность равна произведению напряжения на силу тока, умноженному на корень квадратный из трех, умноженному на коэффициент мощности и деленному на 1 000.
кВт = (вольт × ампер × коэффициент мощности × 1,732) / 1 000
Таким образом, двигатель на 400 В, потребляющий 145 А при коэффициенте мощности 0,88, потребляет 400 × 145 × 0,88 × 1,732 / 1 000 = 88,4 кВт. Коэффициент мощности — это отношение реальной мощности, совершающей работу, к кажущейся подаваемой мощности, и это важно, поскольку двигатель с небольшой нагрузкой имеет низкий коэффициент мощности, поэтому простое умножение напряжения на силу тока приводит к завышению показателя потребляемой мощности. Следует также отметить, что значение силы тока при полной нагрузке, указанное на паспортной табличке, представляет собой максимальное номинальное значение, а не рабочий ток; для расчёта необходимо использовать значение, измеренное при типичной нагрузке.
Из раздела «Лошадиные силы»: коэффициент 0,746 и КПД двигателя
Мощность на валу в кВт равна мощности в лошадиных силах, умноженной на 0,746. Потребляемая электрическая мощность равна мощности на валу, деленной на КПД двигателя, который для современных машин классов IE3 и IE4 составляет от 91 до 96 процентов в зависимости от размера.
| Номинальная мощность двигателя | Мощность на валу, кВт, с коэффициентом 0,746 | Типичный КПД | Входная мощность, кВт |
| 10 л.с. | 7.5 | 90 процентов | 8.3 |
| 30 л.с. | 22.4 | 93 процента | 24.1 |
| 75 л.с. | 55.9 | 94,5 процента | 59.2 |
| 150 л.с. | 111.9 | 95,5 процента | 117.2 |
| 200 л.с. | 149.2 | 96 процентов | 155.4 |
Преобразование величин между кВт, л.с., куб. футов в минуту и кубическими метрами в минуту постоянно ставит людей в тупик, особенно когда предложение, указанное в лошадиных силах, сравнивается с техническими характеристиками, приведёнными в кВт, поэтому пересчет единиц измерения для воздушных компрессоров их стоит выполнять осознанно, а не по памяти.
Почему номинальная мощность агрегата в кВт выше, чем мощность двигателя в кВт
Двигатель — не единственная нагрузка в корпусе. Вентиляторы охлаждения, масляный насос, приводная электроника и потери в трансмиссии — все это потребляет энергию, которую регистрирует счетчик, поэтому суммарная входная мощность агрегата на 3–8 процентов превышает входную мощность двигателя, причем этот разрыв увеличивается на машинах с воздушным охлаждением в условиях высокой температуры окружающей среды. Использование мощности двигателя в кВт в качестве приблизительного показателя приводит к незначительному занижению затрат, что несущественно при одном расчете, но имеет значение в десятилетней модели. Вместо этого следует использовать удельную мощность агрегата, указанную в техническом паспорте и испытанную в соответствии с эталонными условиями стандарта ISO 1217.
Как рассчитать расход воздуха в кубических футах в минуту (CFM) на 1 кВт и удельную мощность
При давлении 7 бар (примерно 100 фунтов на квадратный дюйм) хорошо спроектированный промышленный компрессор обеспечивает производительность около 5 кубических футов в минуту на каждый киловатт входной мощности, что равносильно утверждению, что 1 кВт обеспечивает 5 кубических футов в минуту. Классическое вычисление исходит из значения 4 куб. футов в минуту на лошадиную силу двигателя, деленного на 0,81 кВт — именно столько 1 лошадиная сила фактически потребляет из розетки с учётом КПД, что даёт 4,9 куб. футов в минуту на 1 кВт. Современные агрегаты достигают показателей от 5,5 до 6,0 кубических футов в минуту на киловатт при том же давлении, поэтому рассматривайте это округленное значение скорее как ориентир, а не как техническое требование.
Метод расчета CFM на кВт
Это соотношение определяется как расход воздуха, деленный на входную мощность агрегата: CFM на кВт = расход воздуха (CFM) / входная мощность агрегата (кВт). Агрегат мощностью 160 кВт, обеспечивающий расход 955 CFM при давлении 7 бар, дает показатель 5,97 CFM на кВт, а обратное значение составляет 0,168 кВт на CFM. Поскольку расход и мощность зависят от давления нагнетания, это соотношение имеет смысл только в том случае, если оба значения относятся к одному и тому же давлению; агрегат с номинальным давлением 7 бар всегда будет выглядеть лучше, чем идентичный агрегат с номинальным давлением 10 бар.
Удельная мощность: показатель, позволяющий реально сравнивать машины
Удельная мощность приводит эту зависимость к общему знаменателю, что позволяет сравнивать машины разных размеров.
кВт на 100 куб. футов в минуту = (мощность агрегата, кВт × 100) / расход воздуха, куб. футов в минуту
кВт·ч на кубический метр = мощность агрегата, кВт / (кубические метры в минуту × 60)
| Класс давления: 7 бар | Удельная мощность, кВт на 100 куб. футов в минуту | CFM на кВт |
| Центробежный в расчетной точке | около 16 | около 6,3 |
| Современный винтовой компрессор с масляным впрыском и регулируемой скоростью вращения | около 18 | около 5,5 |
| Небольшой поршневой | от 19,8 до 22,7 | от 4,4 до 5,1 |
| Старый винт с фиксированной скоростью при частичной нагрузке | от 25,5 до 34,0 | от 2,9 до 3,9 |
В последней строке объясняется, почему у столь многих предприятий 30–40 процентов излишних затрат приходится на компрессорное помещение, которое, казалось бы, работает нормально. Оборудование не неисправно; оно просто рассчитано на слишком большую мощность и работает с частичной нагрузкой в режиме регулирования нагрузки и разгрузки.
Такие данные заслуживают доверия только в том случае, если они получены в ходе стандартизированного тестирования. Данные Институт сжатого воздуха и газа реализует программу независимой проверки, в рамках которой случайно отобранные ротационные компрессоры тестируются независимой лабораторией на соответствие опубликованным техническим характеристикам, в которых указываются удельная мощность агрегата и производительность при полной нагрузке. Предложение, в котором отсутствует поддающийся проверке показатель удельной мощности, нельзя сравнивать с предложением, в котором он указан, а сравнение при разных номинальных давлениях полностью лишает такое сравнение смысла. Прочитать полный Таблица производительности воздушного компрессора (CFM) В сочетании с удельной мощностью это позволяет быстро проверить, правильно ли подобраны размеры и номинальные характеристики предлагаемой машины.
Сколько электроэнергии потребляет воздушный компрессор?
Небольшой портативный компрессор потребляет менее 1 кВт, мастерская установка — от 1,5 до 7,5 кВт, промышленный винтовой компрессор — от 22 до 250 кВт, а крупная центробежная установка — от нескольких сотен до нескольких тысяч кВт. Важным показателем является годовой расход, который при средней нагрузке 75 % составляет примерно 6 000 номинальных кВт при непрерывной работе.
| Номинальная мощность, кВт | Типичная область применения | кВт·ч при 4 000 часах работы | кВт·ч при 8 000 часов |
| 2.2 | Для использования в переносных и небольших мастерских | 6,600 | 13,200 |
| 7.5 | Один цех, ручные инструменты | 22,500 | 45,000 |
| 22 | Небольшая производственная линия | 66,000 | 132,000 |
| 55 | Многоточечный заводской воздухозаборник | 165,000 | 330,000 |
| 75 | Установка средней мощности, непрерывный режим работы | 225,000 | 450,000 |
| 160 | Воздух для тяжелых непрерывных технологических процессов | 480,000 | 960,000 |
| 250 | Обеспечение всего завода, несколько пользователей | 750,000 | 1,500,000 |
Одни и те же физические законы действуют для всех классов размеров, поэтому потребляемая мощность воздушного компрессора Действует одно правило, независимо от того, идет ли речь о переносном агрегате мощностью 2,2 кВт или о стационарном компрессоре мощностью 250 кВт: потребляемая мощность зависит от давления и расхода, а стоимость — от количества часов работы.
Пересчет кВт·ч в стоимость единицы воздуха
Разделите годовые расходы на электроэнергию на объем воздуха, фактически подаваемого за тот же период. Современная установка мощностью 160 кВт при давлении 7 бар потребляет около 0,10 кВт·ч на кубический метр воздуха, что при цене 0,12 за кВт·ч составляет примерно 0,012 за кубический метр, или около 20 на 1 000 кубических футов в минуту в час.
| Удельная мощность | По цене 0,08 за кВт·ч | По цене 0,12 за кВт·ч | По цене 0,18 за кВт·ч |
| 17 кВт на 100 куб. футов в минуту | 13.60 | 20.40 | 30.60 |
| 20 кВт на 100 куб. футов в минуту | 16.00 | 24.00 | 36.00 |
| 25 кВт на 100 кубических футов в минуту | 20.00 | 30.00 | 45.00 |
| 30 кВт на 100 кубических футов в минуту | 24.00 | 36.00 | 54.00 |
Стоимость за 1 000 кубических футов в минуту в час при трёх тарифах на электроэнергию.
Это единственная единица затрат, которая остается неизменной при сравнении различных типоразмеров оборудования, значений давления и тарифов, поэтому она используется для внутреннего распределения затрат между подразделениями, для калькуляции себестоимости продукции, а также для обоснования или отклонения решения о замене оборудования. Кроме того, она напрямую показывает потери на давление: повышение давления на выходе на 1 бар увеличивает потребляемую мощность примерно на 6–8 процентов, практически не обеспечивая при этом дополнительного объема воздуха, поэтому себестоимость единицы воздуха возрастает в той же пропорции.
Что приводит к росту затрат на электроэнергию при работе воздушного компрессора
Большую часть предотвратимых затрат в типичном компрессорном помещении обусловливают семь факторов: давление нагнетания, установленное выше, чем требуется для производства; утечки; работа на частичной нагрузке; перепад давления в системах очистки и трубопроводах; забитые фильтры и загрязненные охладители; высокая температура всасываемого воздуха; а также отложенное техническое обслуживание. Для устранения некоторых из них не требуется никаких затрат, а лишь внимание.
| Фактор | Влияние на потребление | Восстановимые сбережения |
| Давление на выходе на 1 бар выше требуемого | на 6–8 процентов больше мощности | от 6 до 8 процентов |
| Утечка в размере 20–30 процентов от выходной мощности | Неиспользованные генерирующие мощности | от 10 до 20 процентов |
| Управление частичной нагрузкой при загрузке и разгрузке | Часы работы без нагрузки при мощности от 20 до 35 процентов | от 10 до 25 процентов |
| Перепад давления 1 бар в осушителях и фильтрах | Компенсация путем повышения заданного значения | от 5 до 7 процентов |
| Засоренный впускной фильтр | на 1–3 процента больше мощности | от 1 до 3 процентов |
| Температура всасываемого воздуха на 10 градусов Цельсия выше расчетной | Меньший массовый расход на единицу мощности | от 2 до 3 процентов |
| Отложенное техническое обслуживание, загрязненный охладитель | Повышение температуры на выходе и потери давления | от 3 до 8 процентов |
Утечка заслуживает особого внимания, поскольку она незаметна и носит постоянный характер. Одно-единственное отверстие диаметром 3 мм может пропускать в непрерывно работающей системе столько воздуха, что в год теряются десятки тысяч киловатт-часов, причем утечка продолжается ночью и в выходные дни независимо от того, идет ли производство или нет. Обследования утечек обычно показывают, что на десять крупнейших утечек приходится большая часть потерь, поэтому целенаправленная программа более эффективна, чем общий ремонт.
Как снизить расходы на электроэнергию при эксплуатации воздушного компрессора
Начните с мер, не требующих капиталовложений: снизьте заданное значение давления до минимума, действительно необходимого для производства, устраните утечки, замените забитые фильтры и останавливайте оборудование при остановке линии. Как правило, эти меры позволяют сократить потребление на 10–20 процентов в течение нескольких месяцев. Капитальные меры, такие как регулирование скорости вращения, двухступенчатое сжатие, рекуперация тепла и централизованное управление последовательностью операций, могут обеспечить дополнительную экономию от 10 до 30 процентов.
Бесплатные и недорогие меры
- Снижайте давление на выходе с шагом 0,2 бар, одновременно контролируя объем производства, и останавливайтесь в тот момент, когда начинают возникать проблемы при наиболее требовательном конечном использовании.
- Во время остановки оборудования провести обследование и маркировку мест утечек с помощью ультразвукового детектора, устранить сначала самые крупные утечки и повторять эту процедуру ежеквартально.
- Заменяйте впускные фильтры по показателям падения давления, а не по календарному интервалу, и одновременно очищайте охладители.
- Замените таймерные конденсатоотводчики на конденсатоотводчики с нулевыми потерями, которые срабатывают только при наличии конденсата, а не выпускают сжатый воздух в каждый цикл.
- Обязательно выключайте оборудование по окончании смены, так как работа без нагрузки после остановки производства — это чистая трата ресурсов.
- Проверьте вместимость резервуара, поскольку недостаточный объём хранения приводит к частым циклам работы и колебаниям давления, что вынуждает устанавливать более высокое заданное значение.
Капиталовложения, которые окупаются
| Мера | Типичная экономия | Сфера применения |
| Привод с регулируемой скоростью | от 15 до 35 процентов | Спрос, колебания которого вокруг среднего значения превышают 20 процентов |
| Двухступенчатое сжатие | от 8 до 15 процентов | Непрерывная работа при мощности свыше 75 кВт и более высоком давлении |
| Рекуперация тепла | Компенсирует от 50 до 90 процентов нагрузки на систему отопления | Объекты с круглогодичным спросом на горячую воду |
| Центральный контроллер секвенирования | от 5 до 15 процентов | Два или более компрессоров, работающих параллельно |
| Трубопроводы большего диаметра, система с малым перепадом давления | от 3 до 8 процентов | Длинные передачи, неточные удары головой |
| Оптимизация размера заменяемого оборудования | от 10 до 30 процентов | Негабаритное оборудование или оборудование, выработавшее свой ресурс |
Именно в адаптации стратегии управления к профилю нагрузки заключается основная экономия капитала. Агрегат с фиксированной скоростью работает эффективно при постоянной полной нагрузке и неэффективно при половинной нагрузке, тогда как агрегат с регулируемой скоростью сохраняет удельную мощность практически неизменной во всём диапазоне регулирования, но теряет это преимущество при полной мощности. Выбор между Компрессоры с регулируемой скоростью вращения (VSD) и компрессоры с фиксированной скоростью вращения Принимать решение, исходя из профиля нагрузки, а не из предложения, — это наиболее выгодное решение в большинстве случаев модернизации.
Формирование базовых показателей для подтверждения экономии
Перед тем как что-либо менять, проведите измерения как на электрической, так и на воздушной стороне в течение как минимум одной полной производственной недели, а затем повторяйте измерения после каждого вмешательства. Без исходных данных экономия остаётся лишь предположением, а не конкретной цифрой, а непроверенная экономия — это первое, что сокращают в следующем бюджетном цикле.
Регистрируйте данные с интервальной периодичностью по току, напряжению, коэффициенту мощности и количеству кВт·ч на стороне питания, а также по давлению, расходу и точке росы на стороне воздуха. Сведите результаты к двум показателям: годовому количеству кВт·ч и удельному энергопотреблению в кВт·ч на кубический метр. Эти два показателя, отслеживаемые ежемесячно и нормированные с учетом объема производства, позволяют в течение нескольких недель определить, действительно ли программа устранения утечек дала результат.
Часто задаваемые вопросы
Как рассчитать расходы на электроэнергию для компрессора, работающего только в одну смену?
Используйте фактическое количество часов, а не годовые показатели, и учитывайте период нахождения системы под давлением после окончания смены. На односменном предприятии, работающем 2 000 производственных часов, система может оставаться под давлением в течение 6 000 часов, что влияет как на расчеты, так и на обоснование необходимости автоматического отключения. Умножьте номинальную мощность агрегата в кВт на каждый часовой интервал отдельно, включая ночные часы и выходные дни, а не исходите из того, что компрессор останавливается одновременно с остановкой линии.
Почему указание мощности в кВт на паспортной табличке компрессора с регулируемой скоростью вращения вводит в заблуждение?
Поскольку этот показатель характеризует мощность при максимальной скорости, которую агрегат может развивать лишь в течение небольшой доли своего рабочего времени. Решающим фактором при расчете счета является удельная мощность при частичной нагрузке, которая представляется в виде кривой, а не отдельного числа, и две машины с одинаковыми максимальными номинальными характеристиками могут различаться на 20 процентов при половине потребляемой мощности. Попросите предоставить кривую частичной нагрузки при 25, 50, 75 и 100 процентах мощности и сравните данные при давлении, при котором обе машины фактически работают.
Что дешевле: эксплуатировать один большой компрессор или два меньших?
Это зависит от того, насколько спрос ниже совокупной мощности. Две установки обеспечивают диапазон регулирования, недостижимый для одной установки с фиксированной скоростью, и позволяют проводить техническое обслуживание одной из них без остановки производства, однако потери, связанные с монтажом, техническим обслуживанием и режимом ожидания, примерно удваиваются. При нагрузке ниже примерно 40 процентов от совокупной мощности эксплуатация одной правильно подобранной по размеру установки с достаточным объемом накопителя обычно обходится дешевле; при нагрузке выше этого уровня, как правило, выгоднее использовать комбинацию агрегата базовой нагрузки и более компактного агрегата дополнительной нагрузки.
