Gamykloms, kurios suvartoja deguonį kiekvieną dieną, kainos skirtumas tarp pristatytų balionų ir deguonies gamybos vietoje priklauso nuo daugiau nei nurodytos dujų kainos. Balionų sistema perkelia deguonies gamybą, suspaudimą, saugojimą ir transportavimą už gamyklos ribų, o vietoje įdiegta PSA sistema daugumą šių funkcijų perkelia į gamybos įrenginį. Gauta sąnaudų struktūra keičiasi iš pirkimo ir pristatymo modelio į elektros, kompresoriaus, priežiūros ir įrangos panaudojimo modelį.
Cilindro deguonis: kaip veikia įprastinė tiekimo grandinė
Pramoninio cilindro deguonis paprastai pasiekia vartotoją gamybos, suspaudimo, užpildymo, transportavimo, saugojimo ir slėgio mažinimo metu. Deguonis gaminamas centrinėje dujų gamykloje ir suspaudžiamas į plieninius arba aliuminio balionus. Priklausomai nuo baliono konstrukcijos ir vietinių taisyklių, pramoniniai balionai gali būti pripildyti iki maždaug 150–200 barų degalinėje.
Gamykloje balionai sujungiami atskirai arba per kolektorių sugrupuoja kelis cilindrus į bankus, kad operatoriai galėtų perjungti iš tuščio banko į užpildytą, iš karto nenutraukdami proceso. Tada slėgio reguliatoriai sumažina baliono slėgį iki darbinio slėgio, reikalingo degikliams, pjovimo įrangai, aeracijos sistemoms ar kitai deguonį vartojančiai įrangai.
Naudojamo deguonies kiekį lemia ne tik nominalus cilindro slėgis. Baliono vandens tūris, pripildymo slėgis, dujų temperatūra ir liekamasis slėgis keičiant balioną turi įtakos faktiniam panaudojimui. Jei balionai keičiami, o viduje liko nemažas kiekis dujų, gamykla sumokėjo už dujas, kurios nepateko į gamybos procesą.
PSA deguonies gamyba vietoje: sistemos struktūra
VietaPSA deguonies sistemagamina deguonį iš suspausto atmosferos oro. Įprastą įrenginį sudaro oro kompresorius, oro imtuvas, kietųjų dalelių ir koalesciniai filtrai, adsorbcijos indai, perjungimo vožtuvai, deguonies imtuvas, deguonies analizatorius, PLC valdymo sistema, slėgio reguliatorius ir deguonies paskirstymo vamzdynai.
Adsorbcijos induose yra molekulinio sieto medžiagos, dažniausiai ceolito. Esant slėgiui, medžiaga skirtingai sąveikauja su azotu ir deguonimi. Adsorbcijos etape suslėgtas oras patenka į vieną indą, azotą pirmiausia sulaiko molekulinis sietas, o deguonies prisodrintas dujų srautas išeina link deguonies imtuvo.
Sistema paprastai naudoja du ar daugiau adsorbcijos indų. Kol vienas indas gamina deguonį, kitame inde slėgis mažinamas ir regeneruojamas. Perjungimo vožtuvai kontroliuoja dujų kelią pagal užprogramuotą ciklą. Šis išdėstymas leidžia vienam indui adsorbuoti azotą, o kitame išleidžia anksčiau sulaikytą azotą.
Deguonies imtuvas atskiria gamybą nuo momentinio proceso poreikio. Jis gali sugerti trumpalaikius srauto svyravimus ir stabilizuoti slėgį pasroviui, o ne reikalauti, kad adsorbcijos sluoksniai sektų kiekvieną deguonies suvartojimo pasikeitimą.
ThePSACiklas daugiausia susideda iš slėgio padidinimo, adsorbcijos, slėgio mažinimo ir regeneravimo etapų. Suslėgtas oras pirmiausia praeina per oro apdorojimo sekciją, kur vanduo, naftos aerozoliai ir kietosios dalelės pašalinamos prieš orui pasiekiant molekulinį sietą.
Adsorbcijos metu eksploataciniame inde išlieka slėgis, o pirmiausia adsorbuojamas azotas. Deguonis ir argonas praeina per sluoksnį ir sudaro produkto dujas. Kai adsorbcijos pajėgumas artėja prie veikimo ribos, valdymo sistema pakeičia dujų kelią ir siunčia indą į regeneraciją.
Regeneracijos metu sumažinamas indo slėgis, o adsorbuotas azotas palieka molekulinį sietą. Kai kurios PSA konfigūracijos naudoja dalį produkto deguonies išvalymui arba išlyginimui, o kitose konfigūracijose naudojamas slėgio išlyginimas tarp indų, kad sumažintų dujų nuostolius. Tikslus ciklas priklauso nuo indo dydžio, molekulinio sieto charakteristikų, tikslinio grynumo, regeneravimo ir reikalingo deguonies srauto.
Todėl pirkimo tikslais deguonies grynumas turėtų būti vertinamas kartu su deguonies regeneravimu ir specifiniu energijos suvartojimu. Padidinus reikiamą deguonies grynumą, gali padidėti suspausto oro kiekis, reikalingas produkto deguonies vienetui, o tai gali padidinti kompresoriaus energijos sąnaudas.
Sąnaudų struktūra: cilindrų užpildymas ir PSA gamyba
Cilindro deguonis sukuria keletą pasikartojančių išlaidų komponentų. Gamykla gali apmokėti pati deguonį, balionų nuomos ar aptarnavimo mokesčius, transportavimo, pakrovimo ir iškrovimo, sandėliavimo ir operatoriaus darbo už balionų keitimą išlaidas. Šios išlaidos didėja didėjant pristatymo dažnumui ir sunaudojant deguonies.
PSA gamyba perkelia pasikartojančias išlaidas elektros energijos ir įrangos priežiūrai. Kompresorius paprastai sudaro didžiąją elektros suvartojimo dalį, nes atmosferos oras turi būti suspaustas prieš patenkant į adsorbcijos indus. Filtrai, vožtuvai, deguonies analizatoriai, sandarikliai ir molekulinio sieto medžiaga taip pat prisideda prie gyvavimo ciklo sąnaudų.
| Kainos komponentas | Cilindro tiekimas | PSA vietoje |
|---|---|---|
| Deguonies pirkimas | Pasikartojantis dujų įkrovimas | Įprastai gamybai nereikia |
| Transportas | Privaloma | Paprastai pašalinamas |
| Cilindrų valdymas | Privaloma | Pašalinta |
| Kompresoriaus elektra | Tiekėjo pusė | Gamyklos pusė |
| Įrangos investicijos | Žemas gamykloje | Privaloma |
| Oro apdorojimas | Tiekėjo pusė | Reikalingas vietoje |
| Sandėliavimas | Cilindrų inventorius | Deguonies imtuvas |
| Priežiūra | Reguliatoriai, vožtuvai, kolektorius | Kompresorius, vožtuvai, filtrai, analizatorius |
| Atsarginis tiekimas | Papildomi cilindrai | Cilindras ar kitas atsarginis šaltinis |
Palyginimui turėtų būti naudojamas tas pats deguonies kiekis, grynumas, slėgis ir veikimo laikotarpis. Palyginus baliono kainą USD/cilindras su PSA elektros kaina USD/kWh neperskaičiavus abiejų sistemų į Nm³ naudojamo deguonies kainą, galima padaryti neteisingą išvadą.
Kodėl deguonies suvartojimo norma keičia sąnaudų lygtį
Deguonies suvartojimas yra vienas stipriausių kintamųjų ekonominiame palyginime. Gamyklos, naudojanti 10 Nm³/h trumpą gamybos pamainą, veikimo profilis labai skiriasi nuo gamyklos, kuri nuolat 24 valandas sunaudoja 100 Nm³/h.
Balionų tiekimo atveju didesnis suvartojimas tiesiogiai padidina balionų, kuriuos reikia pristatyti, saugoti, prijungti ir pakeisti, skaičių. Jei kasdienis suvartojimas viršija esamo kolektoriaus pajėgumą, gali prireikti papildomų balionų blokų arba dažniau tiekti.
PSA gamybai didesnė nuolatinė apkrova gali padidinti įrangos panaudojimą ir paskirstyti pagrindinio kapitalo sąnaudas didesniam deguonies kiekiui. Tačiau kompresorius ir adsorbcijos indai turi būti tokio dydžio, kad atitiktų reikiamą srautą, o veikimas beveik maksimaliai gali pakeisti specifinį energijos suvartojimą ir deguonies atgavimą.
Todėl praktiškai palyginus deguonies suvartojimą reikėtų apskaičiuoti taip:
Metinis deguonies poreikis=deguonies srautas × darbo valandos × darbo dienos
Gautas metinis Nm³ skaičius yra bendras pagrindas tiekiamą deguonį palyginti su gamyba vietoje.
Elektros ir suspausto oro suvartojimas
Vietos sistemoje elektros suvartojimui didelę įtaką daro kompresoriaus slėgis, įeinančio oro temperatūra, kompresoriaus efektyvumas, oro apdorojimo slėgio kritimas, adsorbcijos ciklo konfigūracija ir deguonies atgavimas.
Pavyzdžiui, jei sistema sunaudoja 0,8 kWh/Nm³ deguonies, o pramoninė elektra kainuoja 0,10 USD/kWh, elektros komponentas yra maždaug 0,08 USD/Nm³. Į šį skaičių neįeina kompresoriaus priežiūra, filtrai, vožtuvų keitimas, deguonies analizė ar kapitalo atkūrimas.
Suspausto oro kokybė taip pat turi įtakos eksploatavimo išlaidoms. Vanduo, patekęs į adsorbcijos sluoksnius, gali pakeisti molekulinio sieto veikimą, o užteršimas alyva gali pažeisti adsorbento paviršių. Todėl oro filtrai ne tik apsaugo paskesnius komponentus; jie taip pat kontroliuoja adsorbcinės medžiagos būklę.
Pirkimo inžinieriai turėtų prašyti tiekėjo specifinio energijos suvartojimo esant nurodytam deguonies srautui ir grynumui, o ne naudoti kompresoriaus variklio nominalią kW deguonies gamybos sąnaudas.
Slėgio, grynumo ir srauto reikalavimai
Deguonies grynumas ir tiekimo slėgis turi būti nurodyti kartu, nes jie turi įtakos sistemos konstrukcijai. Procesui, kuriam reikia maždaug 90–93 % deguonies, gali būti naudojama kitokia PSA konfigūracija nei procesui, kuriam reikia daugiau kaip 95 % deguonies.
Balione esantis deguonis suteikia didelį kiekį saugomų dujų esant aukštam slėgiui, o PSA sistemos paprastai generuoja deguonį žemesniu slėgiu, tinkančiu tiesioginiam naudojimui procese arba slėgio didinimui. Jei procesui reikalingas žymiai didesnis slėgis, gali prireikti papildomo deguonies kompresoriaus.
Kitas aspektas yra srauto stabilumas. Degiklis arba pjovimo mašina gali greitai keisti deguonies poreikį, o nuotekų aeracija gali išlaikyti santykinai stabilų srautą ilgą laiką. Deguonies imtuvas gali saugoti trumpalaikius poreikio pokyčius, tačiau jo tūris turi būti suderintas su skirtumu tarp PSA išėjimo ir proceso suvartojimo.
Deguonies poreikis ir apkrovos svyravimai
Ne kiekviena gamykla sunaudoja deguonį pastoviu greičiu. Gamybos linija gali veikti esant dideliam deguonies poreikiui pjovimo ar degimo metu, o pakrovimo, priežiūros ar pamainų keitimo metu jos poreikis gali būti mažesnis.
Su balionais tiekimo talpa nustatoma pagal prijungtų balionų skaičių ir jų likusį slėgį. Kai suvartojimas netikėtai padidėja, operatoriui gali tekti prijungti kitą cilindrų bloką.
Gaminant PSA, adsorbcijos įrenginys paprastai veikia pagal užprogramuotą ciklą, o deguonies imtuvas sugeria trumpalaikius gamybos ir vartojimo skirtumus. Jei paklausa ilgesnį laiką viršys vardinius gamybos pajėgumus, imtuvo slėgis ilgainiui sumažės. Todėl sistemai reikia apibrėžto didžiausio srauto pajėgumo, o ne tik vidutinio srauto skaičiavimo.
Pirkimui svarbūs skaičiai yra ne tik vidutinis Nm³/h, bet ir minimalus srautas, normalus srautas, didžiausias srautas, piko trukmė ir dienos apkrovos profilis.
Sandėliavimo ir tiekimo tęstinumas
Cilindro sistemos deguonį kaupia tiesiai slėginiuose induose. Gamykla gali išlaikyti tiekimą keletą dienų, jei vietoje yra pakankamai balionų, tačiau tai padidina reikalingą sandėliavimo plotą ir darbo krūvį. Balionų atsargos taip pat turi būti keičiamos pagal tiekėjo procedūras ir taikomus slėginių indų reikalavimus.
Anvietoje PSAsistema paprastai kaupia deguonį imtuve, o ne palaiko didelį užpildytų balionų atsargą. Imtuvas suteikia dujų buferį tarp adsorbcijos ciklo ir proceso linijos.
Nepertraukiamai gamybai atsarginis deguonies šaltinis išlieka svarbus. Jei PSA kompresorius sustoja dėl elektros gedimo, perkaitimo, priežiūros ar valdymo gedimo, saugomas deguonis gali palaikyti procesą tik ribotą laikotarpį. Todėl pasroviui galima prijungti atsarginį cilindro kolektorius, kad būtų galima tęsti gamybą, kol bus tikrinama PSA įranga.
Diegimas ir sistemos integravimas
Pakeitus balionus į PSA gamybą, reikia keisti gamyklos dujų infrastruktūrą. Įrenginyje turi būti vietos kompresoriui, oro imtuvui, filtravimo mazgui, adsorbcijos indams, deguonies imtuvui, valdymo spintai ir susijusiems vamzdynams.
Prieš patekdamas į adsorbcijos indus, suslėgtas oras turi praeiti nurodytus filtravimo etapus. Kondensatas turi būti išleistas iš oro imtuvo ir filtrų, kad skystas vanduo nepatektų į molekulinį sietą. Tada deguonies vamzdynas prijungia imtuvą prie slėgio reguliavimo ir proceso paskirstymo sistemos.
Elektros sistema kompresorių ir valdymo įrangą turi maitinti pagal gamintojo vardinę įtampą ir srovę. Taip pat reikėtų pagalvoti apie vėdinimą, nes nuolatinio veikimo metu kompresoriai generuoja šilumą, o PSA išmetamosios dujos regeneracijos metu išskiria azoto turtingas dujas.
Prieš pradedant eksploatuoti, inžinieriai paprastai patikrina vamzdynų švarumą, slėgio vientisumą, vožtuvo veikimą, deguonies grynumą, išėjimo slėgį, srauto talpą ir aliarmo funkcijas. Deguonies analizatorius turi patvirtinti, kad susidariusios dujos atitinka nurodytą grynumą prieš proceso įrangai priimant dujas.
Priežiūra ir gedimų režimai
Balionų sistemoms dažniausiai reikia patikrinti cilindrų vožtuvus, reguliatorius, lanksčias žarnas, kolektoriaus jungtis ir sandariklius. Dėl vožtuvo ar jungties nuotėkio gali nuolat išsiskirti deguonis ir padidėti suvartojimas, nepadidinant gamybos našumo.
PSA sistemos turi platesnį mechaninių ir su procesu susijusių gedimų režimų asortimentą. Kompresoriaus perkaitimas gali sumažinti oro tiekimą, užsikimšę filtrai gali padidinti slėgio kritimą, perjungimo vožtuvo susidėvėjimas gali sutrikdyti adsorbcijos seką, o užteršimas molekuliniu sietu gali sumažinti azoto adsorbcijos pajėgumą.
Deguonies grynumo sumažėjimas gali reikšti problemas, susijusias su adsorbcijos ciklu, oro tiekimo būkle, vožtuvo laiku, molekulinio sieto būkle arba per dideliu produkto poreikiu. Slėgio kritimas filtruose gali rodyti užteršimą, o nenormali kompresoriaus išleidimo temperatūra gali rodyti aušinimo ar mechanines problemas.
Todėl techninė priežiūra turėtų apimti kompresoriaus patikrinimą, filtro keitimą, kondensato pašalinimą, vožtuvo ciklo stebėjimą, deguonies analizatoriaus kalibravimą, slėgio kritimo matavimą ir adsorbcijos sistemos patikrinimą pagal darbo valandas ir gamintojo reikalavimus.
