Generator azotu do lasera 20kW, jego dobór i jak jedno założenie zmieniło cały projekt instalacji.
Klient przygotowywał inwestycję w nową halę produkcyjną i zakup lasera światłowodowego o mocy 20 kW. Maszyna miała poszerzyć zakres wykonywanych zleceń, między innymi o cięcie grubszych blach ze stali nierdzewnej i aluminium.
Zakup lasera był częścią większego projektu objętego wnioskiem o dofinansowanie ze środków europejskich. Dlatego klient potrzebował nie tylko ceny urządzeń. Musiał wcześniej opisać planowaną technologię, parametry instalacji oraz zakres kompletnej linii do produkcji azotu.
Pierwsza specyfikacja wyglądała konkretnie.
Generator PSA o wydajności co najmniej 146 Nm³/h. Czystość azotu 99,9%. Ciśnienie na wyjściu minimum 7 bar. Sprężarka zmiennoobrotowa z wbudowanym osuszaczem. Konstrukcja generatora oparta na dwóch dużych zbiornikach wypełnionych sitem molekularnym. Do tego zbiorniki, filtry, rurociągi, montaż, uruchomienie oraz pomoc przy odbiorze UDT.
Na papierze specyfikacja sprawiała wrażenie kompletnej.
Problem polegał na tym, że zawierała dokładne wymagania wobec urządzeń, ale nie odpowiadała na najważniejsze pytanie.
Jak laser będzie zużywał azot podczas rzeczywistej produkcji?
Generator azotu do lasera 20 kW
146 Nm³/h nie musi oznaczać generatora 146 Nm³/h.
Wartość 146 Nm³/h pochodziła z testów cięcia blachy. Firma wykonująca próby podała klientowi przepływ gazu wymagany przy określonym materiale, grubości, dyszy i parametrach cięcia.
Klient potraktował tę wartość jako wymaganą wydajność generatora.
To częsty sposób myślenia. Jeżeli laser w danym momencie pobiera 146 Nm³/h, generator azotu do lasera 20 kW również powinien produkować 146 Nm³/h.
Nie zawsze.
Laser pobiera gaz podczas cięcia. Generator może produkować azot przez większą część dnia, także podczas przygotowania materiału, przezbrajania maszyny, załadunku arkuszy oraz przerw pomiędzy zleceniami.
Jeżeli maksymalny przepływ występuje tylko przy wybranym materiale, budowanie całej instalacji pod ten jeden punkt pracy prowadzi do znacznego przewymiarowania urządzeń.
Przy wydajności 146 Nm³/h generator wymagałby dużej ilości sprężonego powietrza. Wstępne obliczenia wskazywały sprężarkę o mocy rzędu kilkudziesięciu kilowatów, zależnie od czystości azotu, ciśnienia zasilania i konstrukcji generatora. Sam generator byłby tylko jednym elementem kosztownego układu.
Do tego dochodziłyby większy osuszacz, większe filtry, większe zbiorniki i wyższe zużycie energii.
Takie rozwiązanie dałoby wymagany przepływ. Pytanie brzmiało, czy klient potrzebowałby go przez dziesięć godzin dziennie, czy przez kilkanaście minut podczas wybranych operacji.
Drugim problemem była czystość
W pierwszym zapytaniu pojawiła się czystość 99,9%.
Dla wielu procesów przemysłowych jest to wysoka wartość. Przy cięciu laserowym stali nierdzewnej lub aluminium może jednak okazać się zbyt niska.
Nawet niewielka ilość tlenu w azocie wpływa na krawędź cięcia. Przy niektórych detalach różnica będzie trudna do zauważenia. Przy innych pojawi się przebarwienie, utlenienie lub konieczność dodatkowej obróbki.
Klient chciał samodzielnie określić parametry generatora, ponieważ dysponował wynikami testów. W trakcie rozmów okazało się, że tabela cięcia nie zastępuje pełnego profilu produkcji.
Trzeba było ustalić:
jakie materiały będą cięte najczęściej,
jakie grubości będą stanowiły podstawę produkcji,
ile czasu laser będzie wykonywał cięcie z azotem,
jak długo będą trwały przerwy pomiędzy detalami,
jaki poziom jakości krawędzi zaakceptują odbiorcy,
które zlecenia wymagają najwyższego ciśnienia,
oraz czy część prac będzie wykonywana tlenem lub sprężonym powietrzem.
Dopiero takie dane pozwalają dobrać system, a nie pojedynczy generator.
Ciśnienie 7 bar również okazało się mylące
W początkowej specyfikacji klient wpisał ciśnienie azotu na poziomie minimum 7 bar.
Po otrzymaniu tabel od dostawcy lasera pojawiła się nowa informacja. Przy cięciu jednego z planowanych materiałów wymagane ciśnienie miało sięgać 35 bar.
To zmieniło cały układ.
Generator PSA nie dostarcza azotu bezpośrednio do lasera przy takim ciśnieniu. Potrzebny jest doprężacz, który spręży wyprodukowany azot do wymaganego poziomu.
Sam doprężacz też nie zamyka tematu.
Trzeba dobrać jego wydajność, ciśnienie wlotowe, dopuszczalny czas pracy oraz magazyn azotu. Ważne jest również, czy urządzenie ma pokrywać pełny przepływ lasera w czasie rzeczywistym, czy stopniowo napełniać zbiorniki wysokociśnieniowe.
W drugim wariancie generator i doprężacz pracują dłużej, ale z mniejszą wydajnością. Azot trafia do magazynu, a laser pobiera go w krótkich okresach wysokiego zapotrzebowania.
Takie podejście pozwala ograniczyć wielkość generatora. Wymaga jednak dobrego policzenia bilansu.
Za mały magazyn spowoduje spadek ciśnienia w trakcie cięcia. Za mały doprężacz nie zdąży odbudować zapasu pomiędzy kolejnymi detalami. Zbyt mały generator sprawi, że produkcja będzie musiała czekać na azot.
Jakość sprężonego powietrza nie była dodatkiem
W pierwszej specyfikacji pojawił się osuszacz ziębniczy wbudowany w sprężarkę.
Rozwiązanie jest zwarte, ale nie zawsze najlepiej pasuje do generatora azotu.
Sito molekularne PSA wymaga suchego i czystego sprężonego powietrza. Woda, olej oraz zanieczyszczenia stałe stopniowo pogarszają jego pracę. Skutkiem może być spadek wydajności, pogorszenie czystości azotu i skrócenie żywotności materiału adsorpcyjnego.
Dlatego w analizowanym projekcie rozważono osobny osuszacz. Klient dopuścił zarówno wolnostojący osuszacz ziębniczy, jak i adsorpcyjny. Nowa hala nie narzucała jeszcze ograniczeń związanych z miejscem lub układem urządzeń.
To dawało możliwość zaprojektowania instalacji pod warunki pracy, a nie pod najmniejsze wymiary zestawu.
Osuszacz adsorpcyjny podnosi koszt zakupu i zużywa część sprężonego powietrza. Zapewnia jednak niski punkt rosy i lepszą ochronę generatora. Osuszacz ziębniczy jest prostszy i tańszy w eksploatacji, lecz wymaga kontroli temperatury otoczenia, jakości filtracji i warunków w sprężarkowni.
Nie istnieje jeden poprawny wybór dla każdego lasera. O zastosowaniu azotu w cięciu laserowym możesz przeczytać we wpisie o takim zastosowaniu
Wniosek był już złożony, ale system nadal dało się poprawić
Po otrzymaniu tabel cięcia przygotowano kilka wariantów instalacji. Nie ograniczały się one do spełnienia pierwotnej specyfikacji. Pokazywały też, jaki zakres materiałów da się ciąć przy danym generatorze, magazynie azotu i doprężaczu.
Pierwszy wariant odpowiadał początkowym wymaganiom.
Kolejne zakładały mniejszy generator pracujący przez dłuższy czas oraz magazynowanie azotu. Klient sam wrócił z pytaniem, czy system da się lepiej dopasować do rzeczywistego zużycia przy pracy około dziesięciu godzin dziennie. Dopuścił mniejszą wydajność generatora, o ile cały układ zapewni gaz potrzebny do planowanej produkcji.
Nie oznaczało to prostego cięcia kosztów.
Celem było przesunięcie budżetu z urządzeń przewymiarowanych do elementów potrzebnych w rzeczywistym procesie. W tym przypadku ważniejszy stał się poprawnie dobrany doprężacz, odpowiedni magazyn wysokociśnieniowy, kontrola czystości azotu oraz przygotowanie sprężonego powietrza.
Ostateczny dobór wymaga jeszcze potwierdzenia planu produkcji, udziału poszczególnych materiałów oraz czasu cięcia. Inaczej system wygląda dla zakładu, który sporadycznie tnie materiał wymagający 35 bar, a inaczej dla firmy wykonującej takie zlecenia przez większość zmiany.
Ta historia nie zakończyła się jeszcze uruchomieniem urządzeń.
Zakończył się za to pierwszy, ważny etap. Klient przestał szukać generatora o parametrach przepisanych z jednej próby cięcia. Zaczął projektować kompletny system produkcji, doprężania i magazynowania azotu pod sposób pracy przyszłego zakładu.
Przy laserze różnica pomiędzy tymi podejściami wpływa nie tylko na koszt zakupu.
Wpływa również na zużycie energii, dostępność gazu, jakość krawędzi, ryzyko przestojów i zakres zleceń, które firma będzie w stanie przyjąć.
Generator azotu nie powinien być dobierany do największej liczby znalezionej w tabeli.
Powinien być dobierany do całego dnia pracy lasera.