Jak zaplanować instalację sprężonego powietrza w hali produkcyjnej?

Źle zaplanowana instalacja sprężonego powietrza daje o sobie znać dopiero po uruchomieniu produkcji. Narzędzia tracą moc, siłowniki pracują nierówno, na końcu hali brakuje ciśnienia, a sprężarka działa niemal bez przerwy. Wtedy poprawki są już drogie, bo wymagają zatrzymania maszyn, montażu dodatkowych przewodów albo wymiany głównej magistrali.

Projektowanie trzeba więc zacząć nie od wyboru średnicy rur ani marki sprężarki, lecz od ustalenia rzeczywistego zapotrzebowania na powietrze, wymaganej jakości medium oraz dopuszczalnych spadków ciśnienia. Dopiero na tej podstawie można dobrać układ sprężarkowni, osuszanie, zbiorniki, średnice przewodów i rozmieszczenie punktów odbioru.

Najpierw policz zużycie, ciśnienie i przyszłą rozbudowę

Najczęstszy błąd polega na zsumowaniu wydajności wszystkich odbiorników i dobraniu sprężarki dokładnie do otrzymanej wartości. Taki wynik zwykle jest niewiarygodny. Część maszyn pracuje cyklicznie, niektóre narzędzia są używane jedynie przez kilka minut, a inne pobierają powietrze krótkimi, ale bardzo intensywnymi impulsami.

Dla każdego odbiornika należy zebrać przynajmniej:

• wymagane ciśnienie robocze,
• średnie i maksymalne zużycie powietrza w l/min albo m³/min,
• czas pracy w ciągu zmiany,
• częstotliwość załączeń,
• współczynnik jednoczesności,
• dopuszczalny spadek ciśnienia,
• wymagania dotyczące czystości i osuszenia powietrza.

Dane z tabliczki znamionowej nie zawsze wystarczą. Szlifierka pneumatyczna może według katalogu zużywać 500–700 l/min, ale w praktyce pobór zależy od nacisku, stanu narzędzia i średnicy przewodu zasilającego. Siłownik pneumatyczny nie pobiera natomiast powietrza w sposób ciągły. Zużycie wynika z jego średnicy, skoku, ciśnienia oraz liczby pełnych cykli na minutę.

Przy modernizacji działającej hali najlepiej wykonać pomiar przepływu przez co najmniej pełny tydzień produkcyjny. Rejestrator powinien zapisywać przepływ, ciśnienie i pobór energii sprężarek. Pomiar obejmujący tylko jedną spokojną zmianę może zaniżyć wynik, szczególnie gdy największe odbiory pojawiają się podczas przedmuchów, czyszczenia, pakowania albo jednoczesnego rozruchu kilku linii.

Do zapotrzebowania produkcyjnego trzeba dodać:

• straty wynikające z nieszczelności,
• zużycie urządzeń pomocniczych,
• rezerwę na wzrost produkcji,
• margines na pogorszenie parametrów filtrów,
• dodatkowy pobór podczas regeneracji niektórych typów osuszaczy.

W dobrze utrzymanej instalacji straty z nieszczelności powinny pozostawać poniżej około 10% wydajności systemu. W zaniedbanych zakładach osiągają 20–30%. Nie należy jednak kupować większej sprężarki tylko po to, aby zasilić przecieki. Najpierw usuwa się nieszczelności, a dopiero później dobiera źródło powietrza.

Rozsądna rezerwa projektowa wynosi zwykle 15–25% ponad przewidywany maksymalny pobór. Większy zapas ma uzasadnienie, gdy w ciągu dwóch lub trzech lat planowane są kolejne linie produkcyjne. Przewymiarowanie bez konkretnego planu jest kosztowne. Sprężarka pracująca przez większość czasu z niewielkim obciążeniem może mieć gorszą sprawność, częściej przechodzić w bieg jałowy i zużywać więcej energii niż mniejsza jednostka współpracująca ze zbiornikiem buforowym.

Trzeba również rozdzielić odbiorniki według wymaganego ciśnienia. Jeżeli większość hali pracuje przy 6 bar, a jedna maszyna potrzebuje 8 bar, podnoszenie ciśnienia w całej sieci do 8 bar jest złym rozwiązaniem. Każde niepotrzebne zwiększenie ciśnienia podnosi zużycie energii oraz nasila wycieki. Dla pojedynczego odbiornika wysokociśnieniowego lepiej przewidzieć osobny układ, lokalny booster albo wydzieloną sieć.

Jako punkt odniesienia można przyjąć, że ciśnienie na wyjściu ze sprężarkowni powinno być tylko tak wysokie, jak wymaga tego najbardziej oddalony odbiornik po uwzględnieniu spadków na osuszaczu, filtrach i rurociągach. Utrzymywanie „na wszelki wypadek” 9–10 bar w instalacji, której maszyny potrzebują 6 bar, to stały i niepotrzebny koszt.

Układ sieci, średnice rur i przygotowanie powietrza

W średniej lub dużej hali główną magistralę najlepiej wykonać jako pierścień. Powietrze może wtedy docierać do odbiornika z dwóch stron, co ogranicza spadki ciśnienia i ułatwia późniejszą rozbudowę. Magistrala zakończona ślepo jest tańsza na etapie montażu, ale przy większych przepływach ostatnie punkty odbioru zwykle pracują na gorszych parametrach.

Dobrą praktyką jest ograniczenie całkowitego spadku ciśnienia między sprężarką a odbiornikiem do około 0,3–0,5 bar. W tej wartości trzeba zmieścić:

• straty na osuszaczu,
• straty na filtrach,
• opory zaworów i kształtek,
• spadek w magistrali,
• spadek w przewodzie przyłączeniowym,
• opory zespołu przygotowania powietrza przy maszynie.

Sam rurociąg główny powinien odpowiadać za możliwie małą część tej wartości, często nie więcej niż 0,1–0,2 bar przy maksymalnym przepływie. Jeżeli projekt wykorzystuje cały dopuszczalny spadek już w nowej instalacji, po zabrudzeniu filtrów albo dołączeniu kolejnej maszyny ciśnienie na odbiorach spadnie poniżej wymaganego poziomu.

Średnicy nie dobiera się wyłącznie do króćca sprężarki. Znaczenie mają jednocześnie przepływ, długość przewodu, liczba kolan, ciśnienie robocze oraz dopuszczalna prędkość powietrza. W magistralach głównych zwykle dąży się do prędkości około 5–8 m/s, a w krótkich odgałęzieniach można dopuścić wartości rzędu 10–15 m/s. Zbyt duża prędkość zwiększa hałas, straty ciśnienia i ryzyko porywania kondensatu.

Przykładowo magistrala o średnicy wewnętrznej 25 mm może wystarczyć dla niewielkiego warsztatu, lecz przy długiej hali i przepływie przekraczającym około 1 m³/min szybko stanie się wąskim gardłem. Przy przepływach kilku metrów sześciennych na minutę często potrzebne są średnice 50, 63, 80 mm lub większe. Ostatecznego wyboru nie powinno się wykonywać z uproszczonej tabeli bez uwzględnienia długości sieci i liczby elementów miejscowych.

W nowych halach dobrze sprawdzają się modułowe systemy aluminiowe. Są lekkie, mają gładką powierzchnię wewnętrzną, nie korodują od środka i można je stosunkowo łatwo rozbudować. Ich wadą jest wysoki koszt złączek, trójników i zaworów. Przy rozbudowanej sieci elementy połączeniowe potrafią stanowić znaczną część ceny całej instalacji.

Stal ocynkowana jest zwykle tańsza materiałowo, ale montaż trwa dłużej, rury są ciężkie, a po latach wewnętrzna korozja i osady mogą pogarszać jakość powietrza. Stal nierdzewna ma sens w przemyśle spożywczym, farmaceutycznym i w instalacjach o wysokich wymaganiach higienicznych, lecz jej cena oraz koszt montażu są wyraźnie wyższe. Zwykłe rury wodociągowe z tworzywa nie mogą być stosowane bez potwierdzenia, że producent dopuścił je do sprężonego powietrza przy konkretnym ciśnieniu i temperaturze. Pęknięcie nieprzystosowanej rury pod ciśnieniem ma gwałtowny charakter i może spowodować ciężki wypadek.

Odgałęzienia do stanowisk należy wyprowadzać z góry albo z boku magistrali, a nie bezpośrednio z jej dna. Dzięki temu wykroplona woda pozostaje w głównym przewodzie i trafia do zaplanowanych punktów spustowych zamiast do narzędzia. Magistralę warto prowadzić z niewielkim spadkiem, zwykle około 0,5–1%, w kierunku odwodnień.

Jakość powietrza należy określić zgodnie z klasami czystości ISO 8573-1, osobno dla cząstek stałych, wody i oleju. Nie każda hala potrzebuje powietrza bezolejowego. Do prostych siłowników i narzędzi warsztatowych często wystarcza standardowa filtracja. Lakiernia, laser, elektronika, produkcja żywności lub bezpośredni kontakt powietrza z produktem mogą wymagać znacznie dokładniejszego oczyszczania.

Popularny osuszacz ziębniczy zapewnia zazwyczaj ciśnieniowy punkt rosy około +3°C. Jest wystarczający dla instalacji prowadzonej w ogrzewanej hali, pod warunkiem że rurociąg nie przechodzi przez miejsca chłodniejsze niż osiągany punkt rosy. Na zewnętrznych odcinkach zimą woda może się ponownie wykroplić, a nawet zamarznąć.

Osuszacz adsorpcyjny może osiągać punkt rosy rzędu –20°C, –40°C lub –70°C, ale jest droższy i w wersjach regenerowanych sprężonym powietrzem zużywa część wyprodukowanego medium. Instalowanie go dla całej hali tylko dlatego, że jeden odbiornik potrzebuje bardzo suchego powietrza, często nie ma ekonomicznego sensu. Lepszy jest wtedy lokalny układ doczyszczający.

Odbiór instalacji, koszty eksploatacji i błędy ujawniające się po uruchomieniu

Przed zamówieniem materiałów projekt trzeba skoordynować z konstrukcją hali, instalacją elektryczną, wentylacją, tryskaczami, suwnicami i planowanymi trasami kablowymi. Rurociąg poprowadzony nad maszyną może wyglądać dobrze na rzucie, ale później blokować podnoszenie urządzeń albo dostęp serwisowy.

Sprężarkownia wymaga osobnej analizy cieplnej. Ponad 80% energii pobieranej przez sprężarkę ostatecznie zamienia się w ciepło. Sprężarka o mocy 75 kW działa więc praktycznie jak źródło ciepła o podobnej mocy. Bez sprawnej wentylacji temperatura pomieszczenia rośnie, co pogarsza warunki pracy urządzenia, obniża jego wydajność i przyspiesza starzenie oleju.

Ciepło warto odzyskiwać do ogrzewania hali, powietrza wentylacyjnego albo wody technologicznej, ale tylko wtedy, gdy istnieje stabilny odbiornik. Budowa rozbudowanego systemu odzysku, który działa wyłącznie przez kilka zimowych miesięcy, może mieć długi okres zwrotu.

Koszt instalacji zależy głównie od średnic, długości tras, wysokości montażu, liczby odejść i materiału. Przy wstępnym budżetowaniu prostej sieci aluminiowej można przyjmować orientacyjnie:

• 150–300 zł netto za metr dla mniejszych średnic i łatwego montażu,
• 300–600 zł netto za metr przy większych średnicach, licznych odejściach lub pracy na podnośnikach,
• od kilkuset do ponad 1500 zł netto za rozbudowany punkt poboru z zaworem, filtrem, reduktorem, manometrem i przyłączem.

Nie są to ceny katalogowe samych rur. W realnym kosztorysie trzeba uwzględnić złączki, podpory, zawory sekcyjne, spusty kondensatu, przejścia przez ściany, zabezpieczenia przeciwpożarowe, oznakowanie oraz robociznę. Najbardziej mylą kosztorysy oparte wyłącznie na liczbie metrów magistrali. W instalacji z wieloma stanowiskami to odejścia i armatura potrafią pochłonąć dużą część budżetu.

Przed odbiorem należy wykonać:

• próbę szczelności zgodnie z procedurą odpowiednią dla zastosowanego systemu,
• kontrolę wszystkich połączeń,
• pomiar ciśnienia przy maksymalnym poborze,
• pomiar spadków na filtrach i osuszaczu,
• sprawdzenie działania spustów kondensatu,
• kontrolę kierunku przepływu przez filtry,
• weryfikację nastaw reduktorów,
• oznakowanie zaworów odcinających,
• przygotowanie dokumentacji powykonawczej.

Nie wolno wykonywać próby w sposób przypadkowy. Instalacja sprężonego powietrza jest urządzeniem ciśnieniowym, a jej elementy muszą być przeznaczone do pracy przy zakładanym ciśnieniu, temperaturze i rodzaju medium. Zakres wymaganej oceny zgodności zależy między innymi od średnicy, ciśnienia i kategorii rurociągu.

Po uruchomieniu warto wykonać pomiar ciśnienia jednocześnie w sprężarkowni i przy najdalszych odbiornikach. Test przeprowadzony bez pracujących maszyn niewiele mówi. Sieć trzeba sprawdzić w warunkach maksymalnego, rzeczywistego zapotrzebowania.

Drugim testem jest pomiar zużycia poza godzinami produkcji. Jeżeli przy wyłączonych maszynach sprężarka nadal regularnie się załącza, instalacja ma nieszczelności albo odbiorniki pozostawione pod ciśnieniem. Wycieki najczęściej pojawiają się na szybkozłączach, przewodach spiralnych, zaworach ręcznych, zespołach przygotowania powietrza oraz starych siłownikach. Sam rurociąg główny rzadko jest największym problemem.

Dodatkowe informacje na: walterpolska.pl.

FAQ

Czy instalację lepiej wykonać w układzie pierścieniowym czy liniowym?
Pierścień jest lepszy dla hal z wieloma odbiornikami, dużymi przepływami albo planowaną rozbudową. Układ liniowy wystarcza przy krótkiej trasie i kilku niewielkich odbiorach, lecz trudniej utrzymać w nim stabilne ciśnienie na końcu przewodu.

Jaką rezerwę wydajności przewidzieć dla sprężarki?
Zwykle 15–25% ponad wiarygodnie zmierzony lub policzony maksymalny pobór. Rezerwa nie powinna obejmować nieszczelności, które można usunąć. Przy dużych zmianach obciążenia lepszy efekt daje układ kilku sprężarek ze sterownikiem nadrzędnym niż jedna przewymiarowana maszyna.

Jaki spadek ciśnienia w instalacji jest dopuszczalny?
Między sprężarką a odbiornikiem należy dążyć do wartości nieprzekraczającej około 0,3–0,5 bar przy maksymalnym przepływie. Jeżeli sam rurociąg traci ponad 0,2 bar, trzeba sprawdzić średnicę, długość, kształtki i lokalne zwężenia.

Czy warto stosować zbiornik przy każdym dużym odbiorniku?
Tak, gdy odbiornik pobiera krótkie impulsy powietrza o przepływie znacznie wyższym niż średnie zużycie. Lokalny zbiornik ogranicza chwilowe spadki ciśnienia. Nie naprawi jednak zbyt małej magistrali ani źle dobranej sprężarki.

Czy można prowadzić instalację na zewnątrz hali?
Można, ale trzeba uwzględnić minimalną temperaturę, punkt rosy, promieniowanie UV, rozszerzalność cieplną i zabezpieczenie przed zamarzaniem kondensatu. Osuszacz ziębniczy z punktem rosy +3°C nie chroni instalacji pracującej zimą przy temperaturach ujemnych.

Czy wyższe ciśnienie poprawi pracę maszyn?
Tylko wtedy, gdy maszyna rzeczywiście otrzymuje za małe ciśnienie. Podnoszenie nastawy sprężarki w celu skompensowania za małej rury, zabrudzonego filtra albo nieszczelnego przyłącza zwiększa koszty i nie usuwa źródła problemu.

Co trzeba zrobić jako pierwsze przed zamówieniem instalacji?
Najpierw przygotować tabelę wszystkich odbiorników i wykonać profil zużycia: przepływ, wymagane ciśnienie, czas pracy, jednoczesność oraz planowane rozszerzenia produkcji. Jeżeli hala już działa, priorytetem jest tygodniowy pomiar przepływu i ciśnienia oraz test nieszczelności po zatrzymaniu maszyn. Dopiero po tych pomiarach należy ustalać moc sprężarek i średnicę magistrali. Kupowanie urządzeń na podstawie samej powierzchni hali jest pierwszym błędem, który trzeba wyeliminować.