Ultradźwiękowa diagnostyka instalacji sprężonego powietrza

Sprężone powietrze jest drugim po energii elektrycznej najczęściej stosowanym medium w przemyśle. Pomimo bezpiecznego i uniwersalnego charakteru sprężonego powietrza, należy ono do jednego z najdroższych nośników energii.

Pomimo wysokich kosztów produkcji sprężonego powietrza w wielu przedsiębiorstwach około 30% produkowanego powietrza wycieka przez nieszczelności w eksploatowanej instalacji. Wynika z tego, że warto diagnozować instalacje sprężonego powietrza w celu detekcji i lokalizacji wycieków.

Zyski i straty podczas korzystania ze sprężonego powietrza

Koszty wytwarzania, przygotowania i przesyłania sprężonego powietrza czynią go najdroższym medium energetycznym wykorzystywanym w przemyśle. Na koszty eksploatacji sprężarek napędzanych energią elektryczną (rys. 1), poza kosztami utrzymania ruchu (12%) i kosztami inwestycji (13%), składają się koszty energii elektrycznej, które stanowią dominujący odsetek (75%) całkowitych kosztów eksploatacyjnych.

Z punktu widzenia sprawności działania całego układu przygotowania i dystrybucji sprężonego powietrza można przyjąć, że tylko około 10% energii elektrycznej jest spożytkowane na energię sprężonego powietrza użytkowanego w zakładzie. Około 90% energii elektrycznej zużywanej przy produkcji sprężonego powietrza można traktować jako potencjalne straty. Związane są one z samym procesem sprężania, a także z wyciekami w instalacji. Jeśli spojrzeć na czynniki decydujące o zużyciu sprężonego powietrza w zakładzie (rys. 2), to łatwo zauważyć, że wycieki stanowią około 34% wyprodukowanego powietrza [3, 4], co pozwala stwierdzić, że jedna na trzy pracujące sprężarki produkuje powietrze, które jest tracone w nieszczelnej instalacji.

Koszty

Zakładając, że aby zapewnić w instalacji ciśnienie robocze około 6 barów, do produkcji 1 m³ powietrza normalnego potrzebne jest zużycie energii elektrycznej (przy ciśnieniu atmosferycznym 1013 hPa i temperaturze 0°C) od ok. 0,5 do ok. 0,7 kWh. Jeśli przyjąć średnią cenę energii elektrycznej 0,5 PLN/kWh, to minimalny koszt produkcji 1 m³ powietrza wynosi 0,25 PLN. Jeśli założymy, że w instalacji, w której panuje ciśnienie 5 barów, powstanie uszkodzenie o średnicy 2 mm, to straty wynikające z nieszczelności będą wynosiły 0,222 m³/min, czyli 319 m³/dobę, 9590 m³/miesiąc i 11 5084 m³/rok. Przyjmując koszt wytworzenia 1 m³ powietrza na poziomie 0,25 PLN, odpowiednio straty dobowe, miesięczne i roczne będą wynosiły: 80 PLN/dobę, 2397 PLN/miesiąc, 26 771 PLN/rok.

Powyższy przykład pokazuje więc rozmiar strat wynikających z jednego wycieku, przy założeniu, że sprężarka jest eksploatowana 24 godz. na dobę 7 dni w tygodniu. Jak pokazuje praktyka, w przedsiębiorstwach niemonitorujących stanu instalacji sprężonego powietrza występuje od kilku do kilkunastu wycieków różnej wielkości. Przekłada się to na znaczące straty finansowe.

Ultradźwięki a sprężone powietrze

Wyciek sprężonego powietrza to zjawisko wysoce niepożądane i najczęściej występuje na połączeniach elementów instalacji. Podczas wycieku powietrze przepływa z obszaru wysokiego ciśnienia do obszaru niskiego ciśnienia. Podobna sytuacja będzie zachodziła podczas nieszczelności w układzie podciśnieniowym (rys. 3). Jeśli występuje odpowiednio duża różnica ciśnień, w miejscu wycieku pojawia się przepływ turbulentny. Generuje on fale akustyczne w szerokim zakresie częstotliwości pokrywającym również zakres ultradźwiękowy.

Z reguły w warunkach przemysłowych ze względu na duży poziom hałasu trudno wykryć nieszczelności z wykorzystaniem zmysłu słuchu. Szczególnie w przypadku elementów instalacji zlokalizowanych w trudno dostępnych miejscach jest to trudne. W takich przypadkach można stosować urządzenia pozwalające wykrywać fale akustyczne w zakresie ultradźwięków. Umożliwia to wykrywanie wycieków nawet przy bardzo wysokim poziomie tła akustycznego panującego w hali przemysłowej. Z reguły w trakcie wycieków generowane są fale ultradźwiękowe o częstotliwościach około 40 kHz. Intensywność emisji ultradźwiękowej zależy od prędkości przepływu, a zatem i rozmiaru otworu, przez który następuje wyciek, oraz różnicy ciśnień [2, 3, 5]. Typowa różnica ciśnień zapewniająca dobrą wykrywalność wycieków nie powinna być niższa od 1 bara. Jednak – jak deklarują niektórzy dostawcy sprzętu pomiarowego – możliwe jest wykrywanie wycieków wydobywających się z otworu 0,1 mm z odległości 15 m przy różnicy ciśnień 0,3 bara.

Sprzęt do badań ultradźwiękowych

Do ultradźwiękowych badań instalacji sprężonego powietrza stosuje się przenośne, wygodne i proste w użyciu przyrządy pomiarowe. Na rynku dostępnych jest wiele różnych urządzeń o podstawowych i bardziej rozbudowanych funkcjonalnościach. Można spotkać urządzenia uniwersalne do wykrywania ultradźwięków w gazach i ciałach stałych, w tym takie, które mogą współpracować ze smartfonami i z tabletami. Dostępne są również przyrządy dedykowane do konkretnego rodzaju badań, w tym do detekcji wycieków sprężonego powietrza. Na rys. 4 zaprezentowano przykład takiego rozwiązania.

Przyrząd służący do detekcji wycieków wyposażony jest w tubę skupiającą fale ultradźwiękowe ze zintegrowaną kamerą wizyjną. Umożliwia to detekcję i lokalizację wycieków wydobywających się z otworów o średnicy 0,1 mm przy ciśnieniu 3 barów z odległości 20 m. Dzięki możliwości nałożenia na obraz widoczny na wyświetlaczu obrazu wskaźnika o dynamicznie zmieniającym się rozmiarze zależnym od intensywności docierających do przyrządu fal ultradźwiękowych możliwe jest precyzyjne lokalizowanie źródeł emisji wywołanych przez wyciekające powietrze. Obraz z kamery może być zapisywany w pamięci urządzenia, co pozwala na sporządzenie raportu i precyzyjne wskazanie służbom odpowiedzialnym za usuwanie wycieków miejsca naprawy. Dodatkowo oprogramowanie urządzenia pozwala szacować koszty wycieku w trybie rzeczywistym po wprowadzeniu m.in. informacji o jednostkowym koszcie produkcji metra sześciennego sprężonego powietrza.

Urządzenie idealnie nadaje się do lokalizacji wycieków na rozległych przemysłowych instalacjach nie tylko sprężonego powietrza. Można wykrywać również wycieki innych gazów technicznych, a nawet pary. Miernik może być również z powodzeniem stosowany do badania instalacji podciśnieniowych (próżniowych), a także do detekcji wyładowań niezupełnych i wyładowań koronowych w energetyce.

Metodyka poszukiwania wycieków sprężonego powietrza

Ultradźwięki cechują się dużą kierunkowością wynikającą z liniowego rozchodzenia się fal. Ich emisja słabnie wprost proporcjonalnie do kwadratu odległości, co wpływa na stosunkowo mały zasięg. Duża kierunkowość jest zaletą, ponieważ ułatwia lokalizację źródła emisji, szczególnie w przypadku ultradźwięków rozchodzących się w powietrzu. Sposób rozchodzenia się ultradźwięków w powietrzu można porównać do źródła światła latarki (kierunkowa wiązka światła). Dla porównania dźwięki słyszane przez człowieka można traktować jak światło emitowane przez żarówkę (wszechkierunkowe źródło światła).

Galeria

Zobacz więcej