Для заводів, які щодня споживають кисень, різниця у вартості між доставленими балонами та виробництвом кисню на місці залежить не лише від ціни на газ. Система на основі балонів переміщує виробництво, стиснення, зберігання та транспортування кисню за межі заводу, тоді як система PSA на місці переміщує більшість цих функцій на виробниче підприємство. Отримана в результаті структура витрат змінюється з моделі закупівлі та доставки на модель електроенергії, компресора, технічного обслуговування та використання обладнання.
Кисневий балон: як працює звичайний ланцюг поставок
Промисловий кисень у балонах зазвичай потрапляє до користувача через послідовність виробництва, стиснення, наповнення, транспортування, зберігання та зниження тиску. Кисень виробляють на центральній газовій установці та стискають у сталеві або алюмінієві балони. Залежно від конструкції балона та місцевих норм, промислові балони можуть бути наповнені приблизно до 150–200 бар на заправній станції.
На заводі циліндри підключаються окремо або через колекторний колектор, який об’єднує кілька циліндрів у банки, щоб оператори могли перемикатися з порожньої банки на заповнену, не перериваючи негайно процесу. Потім регулятори тиску знижують тиск у балоні до робочого тиску, необхідного для пальників, ріжучого обладнання, систем аерації або іншого обладнання, що споживає кисень.
Кількість придатного кисню не визначається лише номінальним тиском у балоні. Об’єм води в балоні, тиск наповнення, температура газу та залишковий тиск під час заміни балона впливають на фактичне використання. Якщо балони замінені, а всередині залишається значна кількість газу, фабрика заплатила за газ, який не надійшов у виробничий процес.
Виробництво кисню PSA на місці: структура системи
На місціКиснева система PSAвиробляє кисень зі стисненого атмосферного повітря. Типова установка містить повітряний компресор, повітряний ресивер, фільтри твердих часток і коалесцуючий фільтри, адсорбційні ємності, перемикаючі клапани, ресивер кисню, аналізатор кисню, систему керування PLC, регулятор тиску та труби розподілу кисню.
Адсорбційні посудини містять матеріал молекулярного сита, як правило, цеоліт. Матеріал по-різному взаємодіє з азотом і киснем під тиском. Під час стадії адсорбції стиснене повітря надходить в одну посудину, азот переважно утримується молекулярним ситом, а збагачений киснем потік газу виходить у напрямку до приймача кисню.
У системі зазвичай використовуються дві або більше адсорбційних ємностей. Поки одна посудина виробляє кисень, інша посудина піддається розгерметизації та регенерації. Перемикаючі клапани контролюють шлях газу відповідно до запрограмованого циклу. Таке розташування дозволяє одній посудині адсорбувати азот, тоді як інша вивільняє раніше утримуваний азот.
Ресивер кисню відокремлює виробництво від миттєвої потреби процесу. Він може поглинати короткочасні коливання потоку та стабілізувати тиск за течією замість того, щоб адсорбційні шари слідкували за кожною зміною споживання кисню.
ThePSAцикл складається в основному зі стадій підвищення тиску, адсорбції, зниження тиску та регенерації. Стиснене повітря спочатку проходить через секцію обробки повітря, де видаляються вода, масляні аерозолі та тверді частинки, перш ніж повітря досягне молекулярного сита.
Під час адсорбції робоча ємність залишається під тиском, тоді як переважно адсорбується азот. Кисень і аргон проходять через шар і утворюють газоподібний продукт. Коли адсорбційна здатність наближається до своєї робочої межі, система керування змінює шлях газу та відправляє посудину на регенерацію.
Під час регенерації тиск у посудині знижується, і адсорбований азот залишає молекулярне сито. Деякі конфігурації PSA використовують частину кисню продукту для продувки або вирівнювання, тоді як інші конфігурації використовують вирівнювання тиску між судинами для зменшення втрат газу. Точний цикл залежить від розміру посудини, характеристик молекулярного сита, цільової чистоти, відновлення та необхідного потоку кисню.
Тому для цілей закупівлі чистоту кисню слід оцінювати разом із відновленням кисню та питомим енергоспоживанням. Підвищення необхідної чистоти кисню може збільшити кількість стисненого повітря, необхідного на одиницю продукту кисню, що може збільшити енергоспоживання компресора.
Структура витрат: наповнення циліндрів проти виробництва PSA
Кисневий балон створює кілька постійних компонентів витрат. Завод може оплачувати сам кисень, оренду балонів або плату за обслуговування, транспортування, завантаження та розвантаження, зберігання та роботу оператора для заміни балона. Ці витрати збільшуються з частотою пологів і споживанням кисню.
Виробництво PSA зміщує поточні витрати на електроенергію та обслуговування обладнання. Компресор зазвичай становить основну частину споживання електроенергії, оскільки атмосферне повітря має бути стиснене перед тим, як потрапити в адсорбційні ємності. Фільтри, клапани, аналізатори кисню, ущільнювачі та матеріал молекулярних сит також сприяють вартості життєвого циклу.
| Складова витрат | Подача циліндра | PSA на місці |
|---|---|---|
| Придбання кисню | Періодичний заряд газу | Не потрібно для нормального виробництва |
| Транспорт | Обов'язковий | Зазвичай видаляється |
| Робота з циліндрами | Обов'язковий | Видалено |
| Електрика компресора | З боку постачальника | Заводська сторона |
| Інвестиції в обладнання | Низький на заводі | Обов'язковий |
| Обробка повітрям | З боку постачальника | Необхідно на місці |
| Зберігання | Інвентаризація циліндрів | Приймач кисню |
| Технічне обслуговування | Регулятори, вентилі, колектори | Компресор, клапана, фільтри, аналізатор |
| Резервне постачання | Додаткові циліндри | Циліндр або інше резервне джерело |
Для порівняння слід використовувати однакову кількість кисню, чистоту, тиск і період роботи. Порівняння ціни на балони в доларах за балон з електроенергією PSA в доларах/кВт-год без конвертації обох систем у вартість Нм³ придатного для використання кисню може призвести до неправильного висновку.
Чому швидкість споживання кисню змінює рівняння витрат
Споживання кисню є однією з найсильніших змінних в економічному порівнянні. Фабрика, яка використовує 10 Нм³/год протягом короткої виробничої зміни, має дуже відмінний режим роботи від підприємства, яке споживає 100 Нм³/год безперервно протягом 24 годин.
Що стосується постачання балонів, більш високе споживання безпосередньо збільшує кількість балонів, які необхідно доставити, зберігати, підключити та замінити. Якщо щоденне споживання перевищує потужність існуючого колектора, можуть знадобитися додаткові блоки циліндрів або більш часті поставки.
Для виробництва PSA більш постійне навантаження може збільшити використання обладнання та розподілити постійні капітальні витрати на більший об’єм кисню. Однак розміри компресора та адсорбційних ємностей повинні відповідати необхідному потоку, а робота поблизу максимальної потужності може змінити питоме споживання енергії та відновлення кисню.
Таким чином, практичне порівняння має розрахувати споживання кисню як:
Річна потреба в кисні=Потік кисню × години роботи × робочі дні
Отриманий річний показник в Нм³ забезпечує загальну основу для порівняння поставленого кисню з виробництвом на місці.
Споживання електроенергії та стисненого повітря
У локальній системі на споживання електроенергії сильно впливають тиск компресора, температура повітря на вході, ефективність компресора, падіння тиску в обробці повітря, конфігурація циклу адсорбції та відновлення кисню.
Наприклад, якщо система споживає 0,8 кВт-год/Нм³ кисню, а промислова електроенергія коштує 0,10 дол. США/кВт-год, компонент електроенергії становить приблизно 0,08 дол. США/Нм³. Ця цифра не включає технічне обслуговування компресора, фільтрів, заміну клапанів, аналіз кисню або відновлення капіталу.
Якість стисненого повітря також впливає на експлуатаційні витрати. Вода, що потрапляє в адсорбційні шари, може змінити продуктивність молекулярного сита, тоді як масляне забруднення може пошкодити поверхню адсорбенту. Таким чином, повітряні фільтри роблять більше, ніж захищають наступні компоненти; вони також контролюють стан адсорбційного матеріалу.
Інженери із закупівель повинні вимагати від постачальника питоме споживання електроенергії за вказаного потоку та чистоти кисню, а не використовувати номінальну потужність двигуна компресора в кВт як вартість виробництва кисню.
Вимоги до тиску, чистоти та витрати
Чистота кисню та тиск подачі повинні вказуватися разом, оскільки вони впливають на конструкцію системи. Процес, який вимагає приблизно 90–93% кисню, може використовувати конфігурацію PSA, відмінну від процесу, який вимагає кисню понад 95%.
Циліндровий кисень забезпечує велику кількість накопиченого газу під високим тиском, у той час як системи PSA зазвичай виробляють кисень під нижчим тиском, придатним для безпосереднього використання в процесі або підвищення тиску за потоком. Якщо для процесу потрібен значно вищий тиск, може знадобитися додатковий кисневий компресор.
Стабільність потоку є ще однією міркою. Пальник або машина для різання можуть відчувати швидкі зміни потреби в кисні, тоді як аерація стічної води може підтримувати відносно стабільний потік протягом тривалих періодів. Ресивер кисню може буферизувати короткочасні зміни попиту, але його об’єм повинен відповідати різниці між виходом PSA та споживанням у процесі.
Потреба в кисні та коливання навантаження
Не кожна фабрика споживає кисень з постійною швидкістю. Виробнича лінія може працювати з високим попитом на кисень під час різання або спалювання та знизитися до нижчого під час завантаження, технічного обслуговування або зміни зміни.
Для балонів потужність подачі визначається кількістю підключених балонів і залишковим тиском у них. Коли споживання несподівано зростає, оператору може знадобитися підключити інший ряд циліндрів.
При виробництві PSA адсорбційна установка зазвичай працює відповідно до запрограмованого циклу, тоді як приймач кисню поглинає короткочасні відмінності між виробництвом і споживанням. Якщо попит залишається вищим за номінальну виробничу потужність протягом тривалого періоду, тиск у ресивері зрештою впаде. Таким чином, системі потрібна визначена пікова пропускна здатність, а не лише розрахунок середнього потоку.
Для закупівель важливими показниками є не лише середній Нм³/год, але й мінімальний потік, нормальний потік, піковий потік, тривалість піку та щоденний профіль навантаження.
Безперервність зберігання та постачання
Системи балонів зберігають кисень безпосередньо всередині посудин під тиском. Завод може підтримувати запаси протягом кількох днів, якщо на місці зберігається достатня кількість балонів, але це збільшує необхідну площу для зберігання та навантаження на обробку. Запаси балонів також повинні чергуватися відповідно до процедур постачальника та відповідних вимог до резервуарів під тиском.
Анна місці PSAСистема зазвичай зберігає кисень у ресивері, а не підтримує великий запас наповнених балонів. Ресивер забезпечує газовий буфер між циклом адсорбції та технологічною лінією.
Для безперервного виробництва резервне джерело кисню залишається важливим. Якщо компресор PSA зупиняється через збій електрики, перегрів, технічне обслуговування або помилку керування, накопичений кисень може підтримувати процес лише протягом обмеженого періоду. Таким чином, резервний колектор циліндра може бути підключений нижче за потоком, щоб виробництво могло продовжуватися під час перевірки обладнання PSA.
Встановлення та системна інтеграція
Заміна балонів на виробництво PSA потребує змін у газовій інфраструктурі заводу. Встановлення має передбачати простір для компресора, ресивера повітря, вузла фільтрації, адсорбційних ємностей, ресивера кисню, шафи керування та відповідних трубопроводів.
Перед тим, як потрапити в адсорбційні ємності, стиснене повітря має пройти через визначені ступені фільтрації. Для запобігання потрапляння рідкої води на молекулярне сито необхідно злити конденсат з ресивера повітря та фільтрів. Потім кисневі труби з’єднують ресивер із системою регулювання тиску та розподілу процесу.
Електрична система повинна забезпечувати компресор і контрольне обладнання відповідно до номінальної напруги та струму виробника. Вентиляція також повинна бути розглянута, оскільки компресори виробляють тепло під час безперервної роботи, тоді як вихлопні гази PSA вивільняють багатий азотом газ під час регенерації.
Перед введенням в експлуатацію інженери зазвичай перевіряють чистоту трубопроводів, цілісність тиску, роботу клапана, чистоту кисню, вихідний тиск, пропускну здатність і функції сигналізації. Аналізатор кисню повинен підтвердити, що утворений газ відповідає заданій чистоті до того, як технологічне обладнання отримає газ.
Режими обслуговування та відмови
Системи балонів в основному потребують перевірки клапанів балонів, регуляторів, гнучких шлангів, з’єднань колекторів і ущільнень. Витік на клапані або з'єднанні може постійно вивільняти кисень і збільшувати споживання без збільшення продуктивності.
Системи PSA мають ширший діапазон механічних і пов’язаних з процесом режимів відмови. Перегрів компресора може зменшити подачу повітря, засмічені фільтри можуть збільшити падіння тиску, знос перемикаючого клапана може порушити послідовність адсорбції, а забруднення молекулярними ситами може зменшити здатність адсорбції азоту.
Зниження чистоти кисню може свідчити про проблеми з циклом адсорбції, станом подачі повітря, газорозподілом клапана, станом молекулярного сита або надмірним попитом на продукт. Падіння тиску на фільтрах може свідчити про забруднення, тоді як аномальна температура нагнітання компресора може свідчити про охолодження або механічні проблеми.
Тому технічне обслуговування має включати перевірку компресора, заміну фільтра, видалення конденсату, моніторинг циклу клапанів, калібрування аналізатора кисню, вимірювання падіння тиску та перевірку адсорбційної системи відповідно до робочих годин і вимог виробника.
