Rūpnīcām, kas katru dienu patērē skābekli, izmaksu atšķirība starp piegādātajiem baloniem un skābekļa ražošanu uz vietas ir atkarīga no vairāk nekā norādītās gāzes cenas. Uz cilindriem balstīta sistēma pārvieto skābekļa ražošanu, saspiešanu, uzglabāšanu un transportēšanu ārpus rūpnīcas, savukārt uz vietas esošā PSA sistēma pārvieto lielāko daļu šo funkciju uz ražošanas iekārtu. Iegūtā izmaksu struktūra mainās no pirkšanas un piegādes modeļa uz elektroenerģijas, kompresora, apkopes un aprīkojuma izmantošanas modeli.
Cilindra skābeklis: kā darbojas parastā piegādes ķēde
Rūpnieciskā cilindra skābeklis parasti sasniedz lietotāju, veicot ražošanas, saspiešanas, uzpildīšanas, transportēšanas, uzglabāšanas un spiediena samazināšanas secību. Skābekli ražo centrālajā gāzes rūpnīcā un saspiež tērauda vai alumīnija balonos. Atkarībā no balona konstrukcijas un vietējiem noteikumiem rūpnieciskos balonus degvielas uzpildes stacijā var uzpildīt līdz aptuveni 150–200 bāriem.
Rūpnīcā baloni tiek savienoti atsevišķi vai caur kolektora kolektoru grupē vairākus cilindrus bankās, lai operatori varētu pārslēgties no tukšas tvertnes uz piepildītu, nekavējoties nepārtraucot procesu. Pēc tam spiediena regulatori samazina cilindra spiedienu līdz darba spiedienam, kas nepieciešams degļiem, griešanas iekārtām, aerācijas sistēmām vai citām skābekli patērējošām iekārtām.
Izmantojamā skābekļa daudzumu nenosaka tikai nominālais cilindra spiediens. Balona ūdens tilpums, uzpildes spiediens, gāzes temperatūra un atlikušais spiediens balona nomaiņas laikā ietekmē faktisko izmantošanu. Ja tiek nomainīti baloni, kamēr iekšā paliek ievērojams daudzums gāzes, rūpnīca ir samaksājusi par gāzi, kas nav nonākusi ražošanas procesā.
PSA skābekļa ražošana uz vietas: sistēmas struktūra
Uz vietasPSA skābekļa sistēmarada skābekli no saspiesta atmosfēras gaisa. Tipiskā instalācija ietver gaisa kompresoru, gaisa uztvērēju, makrodaļiņu un koalescējošos filtrus, adsorbcijas tvertnes, pārslēgšanas vārstus, skābekļa uztvērēju, skābekļa analizatoru, PLC vadības sistēmu, spiediena regulatoru un skābekļa sadales cauruļvadus.
Adsorbcijas trauki satur molekulāro sietu, parasti ceolītu. Spiediena apstākļos materiāls atšķirīgi mijiedarbojas ar slāpekli un skābekli. Adsorbcijas posmā saspiests gaiss nonāk vienā traukā, slāpekli vislabāk aiztur molekulārais siets, un ar skābekli bagātināta gāzes plūsma iziet uz skābekļa uztvērēju.
Sistēma parasti izmanto divus vai vairākus adsorbcijas traukus. Kamēr viens trauks ražo skābekli, cits trauks tiek pakļauts spiediena samazināšanai un reģenerācijai. Komutācijas vārsti kontrolē gāzes ceļu saskaņā ar ieprogrammētu ciklu. Šis izkārtojums ļauj vienam traukam adsorbēt slāpekli, bet cits atbrīvo iepriekš saglabāto slāpekli.
Skābekļa uztvērējs atdala ražošanu no momentānā procesa pieprasījuma. Tas var absorbēt īslaicīgas plūsmas svārstības un stabilizēt pakārtoto spiedienu, nevis likt adsorbcijas slāņiem sekot līdzi visām skābekļa patēriņa izmaiņām.
ThePSAcikls galvenokārt sastāv no spiediena paaugstināšanas, adsorbcijas, spiediena samazināšanas un reģenerācijas posmiem. Saspiestais gaiss vispirms iziet cauri gaisa apstrādes sekcijai, kur ūdens, eļļas aerosoli un daļiņas tiek noņemtas, pirms gaiss sasniedz molekulāro sietu.
Adsorbcijas laikā darbības trauks paliek zem spiediena, kamēr slāpeklis tiek galvenokārt adsorbēts. Skābeklis un argons iziet cauri gultnei un veido produkta gāzi. Adsorbcijas spējai tuvojoties darbības robežai, vadības sistēma maina gāzes ceļu un nosūta trauku reģenerācijai.
Reģenerācijas laikā spiediens traukā tiek samazināts, un adsorbētais slāpeklis atstāj molekulāro sietu. Dažās PSA konfigurācijās attīrīšanai vai izlīdzināšanai tiek izmantota daļa no produkta skābekļa, savukārt citās konfigurācijās tiek izmantota spiediena izlīdzināšana starp traukiem, lai samazinātu gāzes zudumus. Precīzs cikls ir atkarīgs no trauka izmēra, molekulārā sieta īpašībām, mērķa tīrības, reģenerācijas un nepieciešamās skābekļa plūsmas.
Tāpēc iepirkuma nolūkos skābekļa tīrība jānovērtē kopā ar skābekļa atgūšanu un īpatnējo enerģijas patēriņu. Paaugstinot nepieciešamo skābekļa tīrību, var palielināties saspiestā gaisa daudzums, kas nepieciešams uz vienu produkta skābekļa vienību, kas var palielināt kompresora enerģijas patēriņu.
Izmaksu struktūra: cilindru pildīšana pret PSA ražošanu
Cilindra skābeklis rada vairākas periodiskas izmaksu sastāvdaļas. Rūpnīca var maksāt par pašu skābekli, balonu nomas vai apkalpošanas maksu, transportēšanu, iekraušanu un izkraušanu, uzglabāšanu un operatora darbu balona nomaiņai. Šīs izmaksas palielinās līdz ar piegādes biežumu un skābekļa patēriņu.
PSA ražošana novirza periodiskos izdevumus uz elektrību un iekārtu uzturēšanu. Kompresors parasti veido lielāko elektroenerģijas patēriņa daļu, jo atmosfēras gaiss ir jāsaspiež pirms nonākšanas adsorbcijas traukos. Filtri, vārsti, skābekļa analizatori, blīves un molekulārā sieta materiāls arī veicina dzīves cikla izmaksas.
| Izmaksu sastāvdaļa | Cilindru padeve | Uz vietas PSA |
|---|---|---|
| Skābekļa iegāde | Atkārtota gāzes uzlāde | Normālai ražošanai nav nepieciešams |
| Transports | Obligāti | Parasti noņemts |
| Cilindru apstrāde | Obligāti | Noņemts |
| Kompresora elektrība | Piegādātāja pusē | Rūpnīcas pusē |
| Iekārtu investīcijas | Zems rūpnīcā | Obligāti |
| Gaisa apstrāde | Piegādātāja pusē | Nepieciešams uz vietas |
| Uzglabāšana | Cilindru inventārs | Skābekļa uztvērējs |
| Apkope | Regulatori, vārsti, kolektors | Kompresors, vārsti, filtri, analizators |
| Rezerves piegāde | Papildu cilindri | Cilindrs vai cits rezerves avots |
Salīdzinājumam jāizmanto tāds pats skābekļa daudzums, tīrība, spiediens un darbības periods. Salīdzinot balona cenu USD/cilindrā ar PSA elektroenerģiju USD/kWh, nepārvēršot abas sistēmas izmaksās par izmantojamā skābekļa Nm³, var izdarīt nepareizu secinājumu.
Kāpēc skābekļa patēriņa ātrums maina izmaksu vienādojumu
Skābekļa patēriņš ir viens no spēcīgākajiem mainīgajiem ekonomiskajā salīdzinājumā. Rūpnīcai, kas izmanto 10 Nm³/h īsai ražošanas maiņai, darbības profils ļoti atšķiras no iekārtas, kas 24 stundas nepārtraukti patērē 100 Nm³/h.
Balonu piegādei lielāks patēriņš tieši palielina balonu skaitu, kas jāpiegādā, jāuzglabā, jāpievieno un jānomaina. Ja ikdienas patēriņš pārsniedz esošā kolektora jaudu, var būt nepieciešamas papildu cilindru rindas vai biežākas piegādes.
PSA ražošanai lielāka nepārtraukta slodze var palielināt iekārtu izmantošanu un sadalīt pamatkapitāla izmaksas lielākam skābekļa daudzumam. Tomēr kompresoru un adsorbcijas tvertņu izmēriem jābūt atbilstošiem vajadzīgajai plūsmai, un darbība pie maksimālās jaudas var mainīt īpatnējo enerģijas patēriņu un skābekļa atgūšanu.
Tāpēc praktiskā salīdzinājuma rezultātā skābekļa patēriņš jāaprēķina šādi:
Gada skābekļa pieprasījums=skābekļa plūsma × darba stundas × darba dienas
Iegūtais ikgadējais Nm³ skaitlis nodrošina vienotu pamatu piegādātā skābekļa salīdzināšanai ar ražošanu uz vietas.
Elektrības un saspiestā gaisa patēriņš
Sistēmā uz vietas elektroenerģijas patēriņu spēcīgi ietekmē kompresora spiediens, ieplūdes gaisa temperatūra, kompresora efektivitāte, gaisa apstrādes spiediena kritums, adsorbcijas cikla konfigurācija un skābekļa atgūšana.
Piemēram, ja sistēma patērē 0,8 kWh/Nm³ skābekļa un rūpnieciskā elektrība maksā 0,10 USD/kWh, elektroenerģijas komponents ir aptuveni 0,08 USD/Nm³. Šis skaitlis neietver kompresora apkopi, filtrus, vārstu nomaiņu, skābekļa analīzi vai kapitāla atgūšanu.
Saspiestā gaisa kvalitāte ietekmē arī ekspluatācijas izmaksas. Ūdens, kas nonāk adsorbcijas gultnēs, var mainīt molekulārā sieta veiktspēju, savukārt eļļas piesārņojums var sabojāt adsorbenta virsmu. Tāpēc gaisa filtri dara vairāk nekā tikai aizsargā pakārtotos komponentus; tie arī kontrolē adsorbcijas materiāla stāvokli.
Iepirkuma inženieriem ir jāpieprasa piegādātāja īpašais enerģijas patēriņš norādītajā skābekļa plūsmā un tīrībā, nevis jāizmanto kompresora motora nominālā kW kā skābekļa ražošanas izmaksas.
Spiediena, tīrības un plūsmas prasības
Skābekļa tīrība un padeves spiediens ir jānorāda kopā, jo tie ietekmē sistēmas konstrukciju. Procesam, kurā nepieciešams aptuveni 90–93% skābekļa, var izmantot atšķirīgu PSA konfigurāciju nekā procesam, kam nepieciešams skābeklis virs 95%.
Balona skābeklis nodrošina lielu daudzumu uzglabātās gāzes augstā spiedienā, savukārt PSA sistēmas parasti ģenerē skābekli ar zemāku spiedienu, kas ir piemērots tiešai procesa lietošanai vai pakārtotā spiediena palielināšanai. Ja procesam nepieciešams ievērojami lielāks spiediens, var būt nepieciešams papildu skābekļa kompresors.
Plūsmas stabilitāte ir vēl viens apsvērums. Deglis vai griešanas mašīna var piedzīvot straujas skābekļa pieprasījuma izmaiņas, savukārt notekūdeņu aerācija var ilgstoši uzturēt relatīvi stabilu plūsmu. Skābekļa uztvērējs var buferēt īstermiņa pieprasījuma izmaiņas, bet tā tilpums ir jāsaskaņo ar starpību starp PSA izvadi un procesa patēriņu.
Skābekļa pieprasījums un slodzes svārstības
Ne katra rūpnīca patērē skābekli nemainīgā ātrumā. Ražošanas līnija var darboties ar augstu skābekļa patēriņu griešanas vai sadedzināšanas laikā un samazināties līdz mazākam pieprasījumam iekraušanas, apkopes vai maiņu maiņas laikā.
Ar baloniem padeves jaudu nosaka pieslēgto cilindru skaits un to atlikušais spiediens. Ja patēriņš negaidīti palielinās, operatoram var būt nepieciešams pieslēgt citu cilindru bloku.
Ražojot PSA, adsorbcijas iekārta parasti darbojas saskaņā ar ieprogrammētu ciklu, savukārt skābekļa uztvērējs absorbē īstermiņa atšķirības starp ražošanu un patēriņu. Ja pieprasījums ilgāku laiku saglabājas virs nominālās ražošanas jaudas, uztvērēja spiediens galu galā samazināsies. Tāpēc sistēmai ir vajadzīga noteikta maksimālā plūsmas jauda, nevis tikai vidējās plūsmas aprēķins.
Iepirkšanai svarīgie skaitļi ir ne tikai vidējie Nm³/h, bet arī minimālā plūsma, normālā plūsma, maksimālā plūsma, maksimuma ilgums un dienas slodzes profils.
Uzglabāšanas un piegādes nepārtrauktība
Cilindru sistēmas uzglabā skābekli tieši spiedtvertnēs. Rūpnīca var nodrošināt piegādi vairākas dienas, ja uz vietas tiek turēts pietiekami daudz balonu, taču tas palielina nepieciešamo uzglabāšanas platību un apstrādes darba slodzi. Balonu krājumi arī jāmaina saskaņā ar piegādātāja procedūrām un piemērojamām spiedtvertņu prasībām.
Anuz vietas PSAsistēma parasti uzglabā skābekli uztvērējā, nevis uztur lielu piepildīto cilindru krājumu. Uztvērējs nodrošina gāzes buferi starp adsorbcijas ciklu un procesa līniju.
Nepārtrauktai ražošanai joprojām ir svarīgs rezerves skābekļa avots. Ja PSA kompresors apstājas elektrības kļūmes, pārkaršanas, apkopes vai vadības kļūmes dēļ, uzglabātais skābeklis var atbalstīt procesu tikai ierobežotu laiku. Tāpēc var pievienot rezerves cilindra kolektoru, lai varētu turpināt ražošanu, kamēr tiek pārbaudīts PSA aprīkojums.
Uzstādīšana un sistēmas integrācija
Balonu nomaiņa pret PSA ražošanu prasa izmaiņas rūpnīcas gāzes infrastruktūrā. Instalācijā jānodrošina vieta kompresoram, gaisa uztvērējam, filtrēšanas mezglam, adsorbcijas traukiem, skābekļa uztvērējam, vadības skapim un saistītajiem cauruļvadiem.
Saspiestajam gaisam pirms ievadīšanas adsorbcijas traukos ir jāiziet cauri norādītajiem filtrēšanas posmiem. Kondensāts ir jāiztukšo no gaisa uztvērēja un filtriem, lai novērstu šķidruma ūdens nokļūšanu molekulārajā sietā. Pēc tam skābekļa cauruļvadi savieno uztvērēju ar spiediena regulēšanas un procesa sadales sistēmu.
Elektrības sistēmai ir jābaro kompresors un vadības aprīkojums atbilstoši ražotāja nominālajam spriegumam un strāvai. Jādomā arī par ventilāciju, jo kompresori nepārtrauktas darbības laikā rada siltumu, savukārt PSA izplūdes reģenerācijas laikā izdala ar slāpekli bagātu gāzi.
Pirms nodošanas ekspluatācijā inženieri parasti pārbauda cauruļvadu tīrību, spiediena integritāti, vārstu darbību, skābekļa tīrību, izplūdes spiedienu, plūsmas jaudu un trauksmes funkcijas. Skābekļa analizatoram jāapstiprina, ka radītā gāze atbilst noteiktajai tīrībai, pirms procesa iekārta saņem gāzi.
Apkopes un atteices režīmi
Balonu sistēmām galvenokārt ir jāpārbauda cilindru vārsti, regulatori, elastīgās šļūtenes, kolektoru savienojumi un blīves. Noplūde pie vārsta vai savienojuma var nepārtraukti atbrīvot skābekli un palielināt patēriņu, nepalielinot ražošanas jaudu.
PSA sistēmām ir plašāks mehānisko un ar procesu saistīto atteices režīmu klāsts. Kompresora pārkaršana var samazināt gaisa padevi, aizsērējuši filtri var palielināt spiediena kritumu, pārslēgšanas vārsta nodilums var traucēt adsorbcijas secību, un molekulārā sieta piesārņojums var samazināt slāpekļa adsorbcijas spēju.
Skābekļa tīrības samazināšanās var norādīt uz problēmām ar adsorbcijas ciklu, padeves gaisa stāvokli, vārstu laiku, molekulārā sieta stāvokli vai pārmērīgu produkta pieprasījumu. Spiediena kritums filtros var liecināt par piesārņojumu, savukārt neparasta kompresora izplūdes temperatūra var norādīt uz dzesēšanas vai mehāniskām problēmām.
Tādēļ apkopei jāietver kompresora pārbaude, filtra nomaiņa, kondensāta noņemšana, vārsta cikla uzraudzība, skābekļa analizatora kalibrēšana, spiediena krituma mērīšana un adsorbcijas sistēmas pārbaude saskaņā ar darba stundām un ražotāja prasībām.
