Оптимизация воздушного потока в системах улавливания пыли, дыма и масляного тумана

Автор: Лори Лейнер (Lori Lehner), менеджер по техническому обучению, Donaldson Torit

Продление срока службы фильтров. Экономия энергии. Экономия денег.

Оптимизация управления воздушным потоком в системах улавливания пыли, дыма и масляного тумана обеспечивает важные преимущества, в том числе увеличение срока службы фильтров, повышение уровня энергосбережения и сокращение общих затрат. Кроме того, во многих случаях надлежащий поток воздуха имеет решающее значение для обеспечения качества. Слишком сильный поток воздуха при сварке нержавеющей стали может нарушать газовую защиту сварных швов, вызывая снижение их качества, а слишком слабый — подвергать операторов воздействию опасных соединений, таких как шестивалентный хром.

В тех ситуациях, когда при переработке материалов может возникать проблема с горючей пылью, надлежащий воздушный поток особенно важен, так как при слишком сильном потоке ценный продукт может быть выхвачен из зоны технологического процесса и направлен в поток отходов, а при слишком слабом — возрасти риск опасности, которую представляют утечки горючей пыли из зоны технологического процесса.

Влияние силы воздушного потока на срок службы фильтра часто упускается из виду в процессе работы, но может быть значительным, если фильтр устанавливается впервые. Технологически низкое начальное сопротивление новых фильтров давлению может привести к увеличению потока через систему, что может не составлять проблемы для работы оборудования, но способно резко сократить общий срок службы фильтров (часто более чем вдвое). Стратегия управления воздушным потоком, нацеленная на поддержание расчетного воздушного потока, продлевает общий срок службы фильтра.

Уровни сокращения энергопотребления и общих затрат варьируются в зависимости от выбранной стратегии управления воздушным потоком и обсуждаются далее в рамках данной статьи.

Традиционным способом управления воздушным потоком является ручная регулировка положения выпускной заслонки воздуховоде вентилятора пылесборника. Этот инструмент управления воздушным потоком может быть эффективным, если он используется надлежащим образом и часто регулируется по мере изменения условий в системе. К сожалению, не все операторы знают, как правильно отрегулировать положение выпускной заслонки, а предприятие в результате нередко сталкивается с проблемами сокращения срока службы фильтров, снижения качества продукции, а также повышения затрат на эксплуатацию и уборку.

Существуют также следующие альтернативные подходы к оптимизации управления воздушным потоком:

• использование впускной лопастной заслонки;
• модификация вентилятора путем замены шкивов;
• использование цифровой системы управления с частотно-регулируемым приводом (VFD).

Ниже рассматриваются аргументы за и против для каждого из них.

Впускная лопастная заслонка

Впускная лопастная заслонка может обеспечить экономию энергии за счет предварительного закручивания потока воздуха, поступающего на вентилятор, так чтобы вентилятор работал с меньшей нагрузкой. Эта опция обеспечивает некоторую экономию мощности и энергии при относительно низких капитальных затратах. Недостатком впускной лопастной заслонки является то, она по-прежнему требует ручной регулировки, так как условия в системе со временем меняются и заслонка может требовать техобслуживания. 

Модификация вентилятора путем замены шкивов на электродвигателе и (или) вентиляторе

Следующей опцией управления воздушным потоком является изменение скорости вращения вентилятора путем установки новых шкивов на электродвигатель и (или) вентилятор. При меньшей скорости вращения вентилятора снижается мощность, потребляемая электродвигателем, а значит, сокращаются эксплуатационные расходы. Такая модификация может стоить недорого, однако регулировать скорость вращения вентилятора в широком диапазоне условий непросто. Кроме того, она обычно предполагает постоянное использование заслонки для точной регулировки воздушного потока, так как со временем условия в системе меняются. 

Стратегия замены шкивов не является чем-то необычным, поскольку обычно при проектировании системы для поддержания скоростей в системе применяются консервативные факторы. Выявление и удаление консервативных проектных оценок может обеспечить некоторую экономию энергии. Проектировщики часто увеличивают статическую емкость, для которой используется вентилятор, на один-два дюйма в расчете на неожиданное сопротивление, которое может возникнуть внутри конструкции воздуховода. 

Примером консервативной практики проектирования является зерновая промышленность, в которой многие проектировщики используют минимальную скорость транспортировки 1370 м/мин (4500 футов/мин), потому что статические условия в системе меняются (из-за увеличения слоя пыли на фильтрах). Операторы могут отказаться от регулировки выпускной заслонки (если она имеется), чтобы избежать скопления пыли в воздуховоде, которое представляет собой опасность из-за риска воспламенения и увеличения веса конструкции. Проектировщики систем часто используют консервативные — выше необходимых — значения скорости, чтобы компенсировать неожиданное замедление воздушного потока.

Цифровое управление с использованием частотно-регулируемого привода (VFD)

Наиболее эффективным способом оптимизации воздушного потока в пылесборнике является применение цифрового управления с использованием частотно-регулируемого привода (VFD).¹ Этот способ предусматривает отслеживание системного параметра, такого как динамическое давление в воздуховоде или статическое давление на впуске пылесборника, каждый из которых может быть напрямую связан с требуемым рабочим параметром, например объемной скоростью потока. Система цифрового управления с приводом VFD может отслеживать статус системы и автоматически регулировать воздушный поток по мере изменения условий в системе с течением времени.

Основным преимуществом привода VFD с цифровым управлением является то, что он автоматически поддерживает расчетный воздушный поток при изменении условий в системе. Расчетный воздушный поток задан, а во время первоначального запуска технический специалист, используя цифровой контроллер, устанавливает значение управляющей переменной. Это избавляет оператора от необходимости в дальнейшем при изменении условий в системе (т. е. при росте перепада давления из-за увеличения слоя пыли на фильтрах) регулировать положение заслонки вручную. Система цифрового управления воздушным потоком с использованием привода VFD помогает поддерживать нормальный процесс задержания пыли в кожухах, что помогает сохранять высокую производительность, обеспечивать то местоположение продукта, которое предусмотрено технологическим процессом, и гарантировать надлежащее качество воздуха, которым дышат работники.  Система цифрового управления с использованием привода VFD поддерживает также постоянную скорость транспортировки, что снижает вероятность скапливания материала в воздуховодах, сводя к минимуму потребность в техобслуживании и потенциальные риски, такие как риск возгорания в воздуховодах. 

Такая система помогает также экономить энергию, подобно системе плавного пуска двигателя, снижая пиковые нагрузки. Еще одним преимуществом использования привода VFD с цифровым управлением является снижение уровня рабочего шума.  Благодаря отсутствию необходимости транспортировать избыточный объем воздуха и использовать для этого соответствующие скорости снижается уровень рабочего шума, причем значительно по сравнению с уровнем, имеющем место при использовании выпускной заслонки. Заказчик, управляющий цехом термического напыления, заявил, что после установки пылесборника с системой такого типа уровень шума снизился настолько заметно, что он планирует модернизировать все свои пылесборники, оснастив их приводами VFD с цифровым управлением.

Недостатком систем с цифровым управлением работой привода VFD является высокий уровень капитальных затрат. Подыскивая систему управления работой привода VFD, ищите скидки, предлагаемые на сайтах, таких как DSIRE™ (База данных государственных программ стимулирования по возобновляемым ресурсам и эффективности), и местными электросбытовыми и газовыми компаниями.  Предлагаемые ими стимулы часто могут быть существенными и компенсировать значительную часть капитальных затрат на приобретение системы с цифровым управлением работой привода VFD.  Важно отметить, что некоторые организации требуют подачи (и даже утверждения) заявки до того, как будет оформлен заказ на покупку оборудования.

Если статическая нагрузка на вашу систему в среднем составляет 178 мм (7 дюймов), а не 254 мм (10 дюймов) водяного столба (как требуется в конце срока службы фильтров), то средняя скорость вращения вентилятора с приводом VFD может быть снижена до 1680 об/мин.  При этом значении ежегодные эксплуатационные затраты будут только ниже.

Большую часть срока службы фильтров затраты на эксплуатацию вентилятора будут находиться на уровне 12 500 долл. США, то есть экономия составит 4500 долл. США в год. Это значит, что снижение статического давления в данной системе на 1 дюйм (2,5 см) при использовании данного вентилятора позволит сэкономить 1500 долл. США, и такая экономия будет обеспечиваться из года в год.

Аналогичный сценарий при стоимости электроэнергии 0,20 долл. США за кВт·ч дает ежегодную экономию в размере 18 000 долл. США, или 6000 долл. США на каждые 2,5 см (1 дюйм) статического давления.

Шкала статического давления на графике кривой вентилятора, даже точно соответствующей воздушному потоку пылесборника, будет увеличена на 25–51 мм (1–2 дюйма) водяного столба в расчете на неожиданные препятствия и изменения в состоянии фильтра. В системе, автоматически поддерживающей расчетный воздушный поток, риск выпадения материала из воздушного потока внутри воздуховода снижается, что позволяет выбирать менее консервативное значение скорости транспортировки.

Экономия суммируется

Система с управлением воздушным потоком с помощью привода VFD изначально стоит дороже, но период окупаемости инвестиций (ROI) за счет одного только энергосбережения обычно не превышает двух лет — и это без учета дополнительной экономии, достигаемой благодаря увеличенному сроку службы фильтров и улучшенному управлению процессом. 

Предлагаем вам способы дальнейшей оптимизации вашей системы и использования преимуществ энергосбережения.

• Используйте высококачественный фильтрующий материал, при попадании на который пыль остается на его поверхности, а не проникает в его толщу. Благодаря этому улучшается процесс очистки, снижается перепад давления и увеличивается срок службы фильтров. Помните, что каждый сантиметр статического давления стоит денег, а при использовании фильтрующего материала поверхностной фильтрации среднее статическое давление часто оказывается на 25–51 мм (1–2 дюйма) ниже, чем при использовании обычного фильтрующего материала.
   
  
• Внесите в конструкцию своей системы следующие изменения, повышающие уровень энергосбережения:
  • Удалите ненужные колена, чтобы спрямить воздуховоды.
  • Замените все колена, установленные непосредственно перед вентилятором, правильно спроектированным впускным коробом.
  • Замените все Т-образные соединения (тройники) классическими 30-градусными ответвлениями и измените конструкцию всех неэффективных и (или) поврежденных кожухов либо замените их.

Оптимизируя поток воздуха в своем пылесборнике или уловителе дыма или масляного тумана, контроллер воздушного потока с частотно-регулируемым приводом (VFD) оказывается наиболее надежной опцией, так как обеспечивает увеличенный срок службы фильтров, снижает уровень энергопотребления и в итоге помогает сэкономить деньги.