Разработка и реализация политики эффективного использования сжатого воздуха

Для реализации политики повышения эффективности использования сжатого воздуха необходимо:

ь назначить менеджера, ответственного за общую координацию работы;

ь определить задачи, включая:

- роль и ответственность каждого подразделения;

- повышение уровня информированности каждого потребителя сжатого воздуха;

- определение затрат на производство сжатого воздуха;

- определение целевых показателей снижения нерационального расхода;

- реализацию программы технического обслуживания оборудования;

- определение основных направлений сервисного обслуживания оборудования при участии обученного персонала;

- разработку политики закупок.

Такой всесторонний подход к системам сжатого воздуха основан на тех же принципах, что и энергетический менеджмент в целом. Этот подход очень важен для достижения максимального снижения энергопотребления в системе. Как правило, он позволяет снизить энергетические затраты на производство сжатого воздуха на 30% и более.

Определение возможностей повышения эффективности систем сжатого воздуха

После определения величины годовых затрат и базового уровня, по отношению к которому будет измеряться экономия, метод, описанный в данном Руководстве, может использоваться для определения возможностей повышения эффективности работы системы сжатого воздуха. Начать следует с проведения энергетического обследования. Лучше всего начать с обследования конечных потребителей поскольку любое повышение энергоэффективности у них может существенным образом снизить потребность в сжатом воздухе и нагрузку на систему распределения воздуха (т.е. сократить избыточную протяженность трубопроводов и уменьшить потери давления).

Неправильное использование сжатого воздуха и потери

Потери и неправильное использование воздуха в типовой системе часто открывают самые большие возможности для достижения экономии энергии при нулевых или минимальных затратах. Начните с изучения всех областей потребления сжатого воздуха на предприятии. За время работы компании появляются новые технологические процессы и меняются производственные методы. И то и другое оказывает влияние на эксплуатацию и модернизацию системы сжатого воздуха, а также на то, каким образом используется сжатый воздух. Поэтому необходимо регулярно обследовать систему и технологические процессы. Однако во многих случаях использование сжатого воздуха является предпочтительным, поскольку он имеет уникальные преимущества перед другими источниками энергии. Подобные случаи включают:

· оборудование с пневматическим приводом для исключения электромагнитных помех;

· подачу воздуха к отдаленным местам его потребления, где воздух можно хранить в резервуарах;

· шельфовые или опасные зоны, где взрывоопасность исключает применение электроэнергии;

· очистку зон с экстремальными температурами (например, морозильники или печи) и др.

Таблица4.1. альтернативы замены сжатого воздуха.



Потери

Основные случаи потерь, заслуживающие внимания:

§ утечки;

§ падение давления;

§ работа компрессора в отсутствие потребности в сжатом воздухе.

Утечки

Утечки существуют во всех системах сжатого воздуха. Снижение утечек является самым главным энергосберегающим мероприятием. Уровень утечек в плохо управляемой системе сжатого воздуха может превышать 50% от объема производства сжатого воздуха. Утечки сжатого воздуха также ведут к дополнительным затратам вследствие:

§ колебаний давления в системе, которые могут привести к снижению эффективности работы пневматических инструментов и другого оборудования с пневматическим приводом, что потенциально может вызвать снижение объемов производства;

§ сокращения срока службы оборудования и внеплановых ремонтов

из-за ненужной циклической работы компрессора;

§ избыточной мощности компрессора.Причин утечек множество, но наиболее частыми являются:

§ оставленные открытыми вентили ручного удаления конденсата;

§ оставленные открытыми запорные вентили;

§ негерметичные гибкие шланги и сочленения;

§ негерметичные трубы и трубные соединения;

§ негерметичные регуляторы давления;

§ оставленное включенным воздухопотребляющее оборудование (когда в его работе нет необходимости).

Обнаружение и измерение утечек

Существует несколько способов обнаружения утечек. Портативные ультразвуковые течеискатели являются эффективным методом обнаружения утечек на фоне производственного шума и не требуют остановки оборудования. Другие методы обнаружения утечек включают:

§ определение утечек на слух, когда позволяет производственный шум;

§ нанесение мыльного раствора на места трубных соединений;

§ применение аэрозолей для определения мест утечек.

Во многих современных системах сжатого воздуха постоянно установлены расходомеры для целей мониторинга. Они позволяют измерять уровень производства воздуха при выключенном оборудовании, таким образом демонстрируя уровень утечек. Есть и альтернативные способы измерения, эффективно показывающие объем утечек:

§ хронометраж цикла;

§ спад давления.

Изучение утечек поможет понять масштаб проблемы. Если на предприятии нет необходимых ресурсов для изучения утечек, можно воспользоваться услугами компаний, предлагающих услуги по

проведению аудита с целью выявления утечек и ремонтных работ.

Установив масштаб утечек:

§ поставьте реалистичную цель по их сокращению (обычно как минимум 10-20% от объема производства);

§ начните реализацию программы по обнаружению и устранению утечек:

- обозначьте места утечек и нанесите их на план предприятия, ранжируя от 1 до 10 в зависимости от приоритета;

- сначала устраните самые крупные утечки;

§ Разработайте систему оповещения об утечках. Добейтесь, чтобы все обнаруженные утечки устранялись немедленно. Утечки необходимо отслеживать постоянно. Для этого следует, по меньшей мере, дважды в год проводить аудит утечек, чтобы их уровень снова не повысился. В ходе работ по сокращению утечек наступает момент, когда затраты на поиск и устранение очень малых утечек более не окупаются вследствие слишком малой экономии энергии

Падение давления

Падение давления в системе сжатого воздуха обусловлено сопротивлением воздушному потоку из-за трения в трубопроводе и различных элементах системы (например, вентили, отводы). Неправильно подобранный размер трубопровода также приводит к падению давления, о чем будет подробно рассказано в следующем разделе. Компрессор должен производить воздух с давлением, достаточным для преодоления потерь давления в системе и для обеспечения минимального рабочего давления воздухопотребляющего оборудования или технологического процесса. В результате компрессор часто вырабатывает воздух с давлением 8 бар, а в месте потребления давление составляет только 6,5 бар. Такое падение давления в системе на 1,5 бар является пустой тратой энергии и денег. В правильно спроектированной и установленной системе падение давления от компрессора до места потребления сжатого воздуха должно составлять менее 10%. Иными словами, при давлении 7 бар падение давления должно быть менее 0,7 бар. Необходимость производить сжатый воздух с давлением, значительно превышающим потребность в месте использования, обычно является индикатором наличия проблемы падения давления. Реализуя мероприятия по снижению давления, убедитесь, что технологические процессы не страдают от дефицита воздуха. Проверьте требования к давлению и чистоте подаваемого воздуха у производителя оборудования. Например, распылительные пульты должны быть отрегулированы на 2 бар для соблюдения требований охраны здоровья и безопасности людей.

Работа компрессора без нагрузки

Компрессоры часто оставляют включенными при отсутствии потребности в сжатом воздухе (например, на ночь). Это приводит к нерациональному расходу энергии, поскольку электроэнергия уходит в утечки. Даже при работе без нагрузки электропотребление компрессоров может составлять до 20--70% от уровня потребления при полной нагрузке. Кроме того, сокращение числа часов работы снижает затраты на техническое обслуживание.

-убедитесь, что компрессоры выключаются при первой же возможности и не включаются, пока в этом не возникает потребность;

-регулярно проверяйте установки автоматического запуска.

Однако необходимо убедиться в том, что при автоматическом отключении компрессоров другие производственные зоны не пострадают. Рекомендуется получить профессиональную консультацию

Снижение потребления сжатого воздуха в система распределения воздуха

Задача системы распределения воздуха -- доставлять сжатый воздух от выпускного патрубка компрессора до мест его потребления с минимальными утечками, минимальной потерей давления и минимальным изменением качества воздуха. Трение и утечки вызывают падение давления на участке от выпуска компрессора до места использования сжатого воздуха. Эти потери энергии в системе распределения воздуха в большой степени обусловливаются ее конструкцией и проектной схемой. В этом разделе будет рассказано о том, как правильный выбор воздухопровода может уменьшить падение давления в системах распределения воздуха.

Подбор диаметра воздухопровода

В структуре затрат, связанных с магистральным трубопроводом сжатого воздуха, большая часть приходится на долю начальных затрат на трубопроводы и монтаж системы сжатого воздуха. Поэтому часто указывается, что трубопровод меньшего диаметра приводит к экономии капитальных затрат. Однако это только кажущаяся экономия, поскольку сопротивление, связанное с меньшим диаметром трубы, вызывает большее падение давления в системе и приводит к росту энергопотребления. Рост энергетических затрат может вскоре превысить дополнительную стоимость трубопровода большего диаметра.

В целом, необходимый диаметр трубы должен определяться исходя из максимальной скорости воздушного потока в магистральном трубопроводе 6 м/сек. В отводах общей длиной до 15 м допустима скорость до 15 м/сек.

Схема трубопровода

Все трубопроводы сжатого воздуха должны проектироваться с учетом следующих моментов:

- подбор диаметров труб должен быть нацелен на минимизацию падения давления и допускать возможное расширение системы;

- фитинги и вентили должны подбираться по принципу создания наименьшего сопротивления воздушному потоку. Например,колено трубы большого диаметра предпочтительнее отвода с резким изменением направления воздушного потока; шаровые краны предпочтительнее задвижек;

- все трубы должны иметь надежные опоры для минимизации смещений и провесов. Это поможет минимизировать утечки, избежать отложения наносов и коррозии и продлить срок службы трубопровода.

Существует два основных вида систем распределения сжатого воздуха.

Одномагистральная разводка Является наиболее удобной для простых установок, где места использования и производства сжатого воздуха находятся относительно недалеко друг от друга. Желательно установить магистральный воздухопровод самого большого диаметра, особенно, если в будущем возможно расширение системы.

Кольцевой магистральный воздухопровод Для более крупных систем с многочисленными точками отбора кольцевая магистраль является предпочтительным вариантом. Поскольку воздух подается на любое оборудование по двум направлениям, скорость сокращается вдвое, и падение давления уменьшается. Другое преимущество заключается в том, что можно предусмотреть установку запорных клапанов, чтобы иметь возможность перекрывать различные участки системы для проведения техобслуживания, не прерывая подачу воздуха другим потребителям. Такие системы характеризуются более высоким уровнем энергоэффективности.

Материал труб

Трубы систем распределения воздуха изготавливаются, главным образом, из оцинкованной стали; однако в наше время все чаще применяются медь, алюминий и некоторые специальные виды пластика. Разные материалы имеют разные величины расчетного давления и температуры, которые необходимо уточнять у производителя. Цены на трубы, изготовленные из разных материалов, также существенно различаются, и необходимо провести финансовые расчеты для оценки затрат за все время службы трубопровода. При выборе материала трубопровода следует принимать в расчет устойчивость к коррозии. В трубопроводе из оцинкованной стали влага постепенно приведет к коррозии и загрязнению воздуха. Если не установить фильтры для загрязняющих веществ, может пострадать технологическое оборудование и/или произойти загрязнение конечного продукта. Также следует иметь в виду, что проблемы могут возникнуть в системах, использующих комбинацию разнородных металлов. У труб из оцинкованной стали обычно более шероховатая внутренняя поверхность. Альтернативные материалы отличаются меньшим трением и сопротивлением воздушному потоку; в результате при одинаковом диаметре трубы и той же скорости потока падение давления будет меньше. Это даст возможность снизить давление в системе подачи и, соответственно, приведет к экономии энергии.

Зонирование

Во многих случаях нет необходимости держать под давлением одной величины или в одно и то же время все элементы системы сжатого воздуха. Разбив систему на зоны и создавая необходимое давление в каждой изолированной зоне, можно снизить утечки и сэкономить энергию. Это особенно важно для малых расходов во внерабочее время. Неиспользуемые трубопроводы необходимо демонтировать или изолировать, чтобы они не находились под давлением.

Арматура

Чаще всего арматура используется для отключения отвода или секции системы распределения воздуха, но иногда она нужна для регулирования расхода или давления. Шаровым кранам следует отдавать предпочтение, поскольку в полностью открытом положении они практически не вызывают падения давления. Это обусловлено тем, что диаметр сечения крана равен внутреннему диаметру трубы. Легкая в применении рукояткачетко показывает, открыт или закрыт кран. Однако цена на эти краны выше, чем на некоторые другие виды запорной арматуры (например, на запорные задвижки). Запорные задвижки часто применяются благодаря своей низкой цене. Но поскольку диаметр их сечения меньше, чем внутренний диаметр трубы, они дают сужение потока и вызывают падение давления. Кроме того, если они полностью открыты, уплотняющая поверхность может со временем разрушаться, и прокладки перестают быть герметичными. Запорные задвижки часто оставляют частично открытыми, поскольку для перехода от состояния .полностью закрыто. к состоянию .полностью открыто. их необходимо повернуть несколько раз. Сальники часто являются местом утечек. Некоторые другие виды арматуры, такие как поворотная диафрагма, вызывают самое большое падение давления и не рекомендуются к применению в системах сжатого воздуха. Автоматическое изолирование отдельных частей трубопровода с помощью электронно-управляемых клапанов устраняет риск человеческой забывчивости или лени. Если при выключении агрегата одновременно закрывается определенный клапан, то тем самым устраняются все утечки воздуха, связанные с этим агрегатом и отводом трубопровода.

Компрессоры

Энергоэффективность любого компрессора зависит от его:

v конструкции;

v установки;

v эксплуатации;

v техобслуживания.

Во многих компрессорах в настоящее время установлены высокоэффективные электродвигатели. Высокоэффективные электродвигатели обеспечивают экономию энергии во всех случаях по сравнению со стандартными электродвигателями. Эффективность компрессоров выше всего при работе с полной нагрузкой. Даже на холостом ходу электропотребление компрессоров может достигать 20--70% от уровня потребления при полной нагрузке. Таким образом, для достижения максимальной эффективности работы компрессора необходимо, чтобы его выработка соответствовала потребности в сжатом воздухе.

Повышение эффективности работы компрессоров

Расположение и установка компрессора

Компрессоры должны находиться в сухом, чистом, прохладном и хорошо вентилируемом помещении. Для сжатия теплого и влажного воздуха требуется не только больше энергии, но и дополнительное осушение, чтобы влага не стала причиной коррозии труб и других проблем с оборудованием. Возможно, потребуется принудительная вентиляция в компрессорном помещении для отведения теплоты. Воздухозаборник помещения компрессорной станции должен, по возможности, располагаться на стене, ориентированной на север,или, по крайней мере, в затененном месте и иметь решетку для защиты от посторонних предметов. Необходимо отфильтровывать пыль и грязь из подаваемого воздуха, чтобы минимизировать износ и избежать повреждений системы сжатого воздуха. Следует регулярно проверять фильтры воздухозаборника и заменять их до того, как падение давления на них станет значительным.

Техобслуживание и модернизация компрессора

При нерегулярном сервисном обслуживании производство сжатого воздуха компрессором падает более чем на 10%. Поэтому в процессе сервисного обслуживания необходимо осуществлять следующие действия:

- убедитесь, что вокруг компрессора достаточно места для осуществления сервисных операций;

- по мере необходимости заменяйте фильтр воздухозаборника и регулярно проверяйте воздухозаборное отверстие, чтобы убедиться, что оно не засорилось;

- убедитесь, что охладители содержатся в чистоте;

- удостоверьтесь, что техобслуживание осуществляется только обученным персоналом в соответствии с требованиями стандартов к работе компрессоров;

- замените электродвигатели старых моделей компрессоров высокоэффективными электродвигателями для достижения значительной экономии энергии.

Анализ методов утилизации тепла СЖВ

В настоящее время очень остро стоит проблема истощения за-пасов традиционных топливных ресурсов, загрязнения окружающей среды, а следовательно, вопросам энергосбереже-ния уделяется все более пристальное внимание, все активнее изыскиваются различные возможности снижения энергоза-трат, разработки и внедрения энергосберегающих технологий, рассматриваются и реализуются, в том числе и с привле-чением значительных средств, разнообразные схемы, призванные сократить потребление энергии.

Так, например, на существующем этапе развития и модернизации теплоэнергетики Украины рассматривается необходимость разработки и внедрения эффективных схем утилизации тепла отходящих газов и разного рода охлаждающих жидкостей энергетических установок с целью его последующего использования. Конечно, разра-ботка таких схем возможна только на основе новых современных методических подходов к анализу эффективно-сти и оптимальному проектированию теплоутилизационного оборудования.

Одной из ключевых возможностей снижения затрат является использование (утилизация) .лишней. теплоты, произведенной компрессором, в полезных целях. Только 10% электроэнергии, потребляемой компрессором, трансформируется в энергию сжатого воздуха. Остальные 90% обычно превращаются в ненужную теплоту. Хорошо спроектированная теплоутилизационная установка может использовать более 80% этой теплоты на нагрев воздуха или воды. Несмотря на то, что компрессоры можно приобрести в комплекте с теплоутилизационным набором, дополнительная покупка такой системы также обычно бывает хорошим вложением средств. Наилучших сроков окупаемости можно достичь в том случае, если система сжатого воздуха и теплоутилизационная установка проектируются как составные части предприятия. Например, если теплота будет использоваться на цели отопления, оптимально будет учесть это в проекте отопительной системы.

Анализ исследований и публикаций. Эффективность систем утилизации теплоты в настоящее время оценивается целым рядом критериев, которые предполагают, главным образом, один из следующих подходов к их построению: термодинамический, эксергетический, теплотехнический, технологический, экономический.

При производстве сжатого воздуха большое количество энергии теряется при охлаждении воздуха в проме-жуточных и концевых охладителях с теплом циркуляционной воды. Количественная оценка этих потерь может быть получена проведением эксергетического анализа пневматических установок. Разработке эксергетического метода оценки совершенства тепловых процессов посвящены работы В.М. Бродянского, Г.Д. Бэра, В.А. Кирили-на, В.В. Сычева, А.Е. Шейдлина, Е.Я. Соколова [1-4].

Совершенство тепловых процессов в компрессорных установках при помощи эксергетического метода исследовалось в работах В.М. Мурзина, Ю.А. Цейтлина, В. И. Дегтярева, Ю.П. Квятковской, А.А. Нестеренко, В.Ф. Линникова [5-7].

Так, по данным В.М. Мурзина и Ю.А. Цейтлина, опубликованным в работе [5], потери эксергии в первом промежуточном воздухоохладителе составляют 4,7 %, во втором - 5,5 %, в концевом воздухоохладителе 5,0 %, что в сумме составляет 15,2 %.

По данным В.И. Дегтярева [6] суммарные потери эксергии от охлаждения воздуха в поршневых компрессорах составляют 15,4 %.

По данным Ю.П. Квятковской, А.А. Нестеренко, В.Ф. Линникова [7], полученным при производственных испытаниях турбокомпрессора К-500-61-5, потери эксергии в первом промежуточном воздухоохладителе составляют 2,5 %, во втором - 6,25 %, в концевом воздухоохладителе 10,31 %, а суммарные потери от охлаждения воздуха составляют 19,06 %.

Таким образом, в среднем, в зависимости от режима работы, с теплом охлаждающей воды теряется 15-20 % подводимой к турбокомпрессору энергии.

В статье В.Б. Скрыпникова [8] дана оценка эффективности энергосбережения с анализом коэффициентов использования теплоты и энергетических КПД. Предложен термодинамический коэффициент эффективности работы системы охлаждения компрессорной установки. По возрастанию значения величины данного коэффициента предложено выделить три группы утилизации тепла сжатого воздуха:

прямая утилизация тепла при непосредственном нагреве теплоносителя. Область применения - системы теплоснабжения (вентиляция, горячее водоснабжения) и технологические системы;

системы с трансформаторами теплоты. Основной элемент этой группы - энергетические циклы с газовой турбиной, холодильные машины, абсорбционные холодильные машины;

теплонаносные установки с системами утилизации теплоты сжатого воздуха.

Применение метода прямой утилизации тепла зависит от необходимости наличия потребителя данной тепловой энергии в непосредственной близости от компрессорной станции. Это объясняется небольшим энергетическим потенциалом данного вторичного энергоресурса и, как следствие, невозможностью его транспортировки на большие расстояния.

Изложение материала и результаты. В работе Г.П. Герасименко [14] предложено разделить секции двухсекционных промежуточных воздухоохладителей турбокомпрессора К500-61-1. Тепло от горячего воздуха, поступающего в первую секцию - использовать в бромистолитиевых абсорбционных холодильных агрегатах АБХА-2500, работающих при довольно низких температурах теплоносителя (80 оC, и более). Вторые секции воздухоохладителей охлаждаются традиционным способом. Тепловой режим турбокомпрессора практически не изменяется. Экономия мощности в системе охлаждения воздуха за счет утилизации тепла, отбираемого от сжатого воздуха в одном турбокомпрессоре, составит около 190 кВт, т.е. с учетом этого обстоятельства КПД компрессорной установки увеличится примерно на 6,5%.

Вариант применения тепловых насосов для использования низкопотенциальной теплоты оборотной воды поршневых компрессоров рассматривается в работах [15,16]. Для этого, в 1990 г. в здании компрессорной станции шахты «Ключевская» ПО «Кизелуголь» были смонтированы две холодильные установки ПХУ-50, предназначенные для работы в режиме теплового насоса. Градирня из системы охлаждения исключена. Нагретая в конденсаторе вода подавалась в систему низкотемпературного отопления для обогревания промышленных зданий и объектов социально-культурного назначения. Разность между расходом топлива, потребляемого котельной, и топлива, необходимого для выработки электроэнергии, затрачиваемой на привод теплонасосной установки составила 52-68 %.

В работе [15], наряду с применением тепловых насосов, предложено промежуточное охлаждение сжатого воздуха проводить до экономически оправданного уровня, разработана методика расчета оптимальной температуры на входе в цилиндр высокого давления поршневого компрессора, а также схема системы охлаждения с теп-ловым насосом и автоматическим поддержанием оптимальной температуры воздуха.

Схема утилизации тепла сжатого воздуха с тепловыми насосами и автоматическим регулированием разработана также в работе [17].

Теплонасосные установки (ТНУ) используют естественную возобновляемую низкопотенциальную тепловую энергию окружающей среды (воды, воздуха, грунта) и повышают потенциал основного теплоносителя до более высокого уровня, затрачивая при этом в несколько раз меньше первичной энергии или органического топлива. Теплонасосные установки работают по термодинамическому циклу Карно, в котором рабочей жидкостью служат низкотемпературные жидкости. Перенос теплоты от источника низкого потенциала на более высокий температурный уровень осуществляется подводом механической энергии в компрессоре (парокомпрессионные ТНУ) или дополнительным подводом теплоты (в абсорбционных ТНУ). В компрессионных установках отбор низкотемпературного тепла осуществляется специальным агентом, а повышение потенциала тепла - путем механического сжатия его в компрессоре. После охлаждения рабочего агента (отдачи тепла потребителю) для повторения цикла производится его расширение (дросселирование), при котором теплосодержание рабочего агента снижается ниже параметров отбираемого низкотемпературного тепла. Тепловые насосы парокомпрессорного типа в промышленных, экономически развитых странах используются достаточно широко и доказали свою энергетическую и экологическую эффективность. Это единственные устройства, которые осуществляют процесс переноса теплоты с низкотемпературного уровня на более высокий температурный уровень потребителя, вовлекая в полезный оборот неиспользуемую природную и техногенную теплоту.

Применение теплонасосной технологии утилизации тепла, отводимого от сжатого воздуха в компрессорных установках, позволяет почти в 2 раза снизить стоимость его выработки, которая уменьшается при увеличении температуры охлаждающей воды. Так, например, при работе турбокомпрессора К-250-61-5 можно утилизировать 1400-1550 кВт тепла и получить прибыль в размере около 3100 тыс. грн/год [18].

В то же время, применение методов с трансформаторами теплоты и теплонаносными установками требует больших капитальных затрат из-за высокой стоимости соответствующего оборудования, срок окупаемости, при этом, будет значительным из-за низкого энергетического потенциала данного вторичного энергоресурса.

В процессе сжатия большая часть затраченной энергии преобразуется в тепло, при этом основная часть тепла рассеивается через масляную систему. При установке дополнительного блока рекуперации энергии 70 % потребленной энергии может быть возвращено в виде горячей воды с температурой 80 оС. При использовании блока рекуперации энергии общая стоимость компрессорной системы может быть уменьшена на 40 %.

Необходимым условием для применения данной системы является наличие постоянного потребителя горячей воды. Система работает особенно эффективно, если она позволяет покрыть не более 30-50 % потребности в горячей воде.

Не стоит забывать, что тепло, получаемое в результате работы компрессора - это побочный продукт. При остановках компрессора, при снижении потребления сжатого воздуха соответственно снижается и выработка тепла. Поэтому даже если тепла от компрессора достаточно для удовлетворения 100 % потребностей в горячей воде, не стоит отказываться от основного источника тепла. Кроме того, возможен более простой способ использования тепла от компрессора. При установке компрессора с воздушным охлаждением можно использовать горячий воздух контура охлаждения для отопления соседних помещений. В этом случае горячий воздух в летнее время выбрасывается на ули-цу, а в холодное - в отапливаемые помещения. На практике такой тип установки компрессоров можно увидеть на За-воде порошковой металлургии им. Войкова, где два компрессора с установленной мощностью 160 кВт каждый отапливают цех прессов.

Производя сжатие воздуха, компрессор выделяет тепло. С уменьшением объема воздуха происходит концентрация тепловой энергии, а избыток тепла выводится из компрессора до попадания воздуха в трубопроводную систему. Для отвода нужного количества избыточного тепла в каждой установке по производству сжатого воздуха необходимо обеспечивать охлаждение. Охлаждение осуществляется либо наружным воздухом, либо водой из городской водопроводной сети либо технической водой, движущейся по открытой или замкнутой системе [19].

Во многих установках, производящих сжатый воздух, возможность сбережения энергии путем ее рекуперации значительна, но зачастую не используется. В большинстве отраслей промышленности расходы на энергию в цене сжатого воздуха составляют практически 80%.

В крупногабаритных безмасляных винтовых компрессорах можно рекуперировать до 94% поставляемой компрессором энергии в виде горячей воды с температурой 90°С. Целесообразность рекуперации очевидна, а мероприятия по сбережению энергии характеризуются быстрой экономической отдачей.

Предположим, что компрессорная централь на большом предприятии потребляет 250 кВт в течение 8000 ч/год, что соответствует 2 млн кВт·ч/год. Отсюда следует, что весьма рационально рекуперировать это тепло в виде горячей воды или горячего воздуха.

Срок оправдания затрат на рекуперацию энергии обычно составляет не более 1-3 лет. Кроме того, рекуперация энергии с помощью замкнутой системы охлаждения повышает надежность и увеличивает срок службы компрессора, за счет улучшения условий эксплуатации компрессора - поддержанию в компрессоре постоянной температуры и использо-ванию большого количества охлаждающей воды. В странах Северной Европы, самых передовых странах в области ре-куперации энергии, уже давно используется горячая вода, поступающая от компрессоров.

В настоящее время большинство компрессоров позволяют подключать стандартное оборудование для реку-перации энергии.

Практически вся энергия, поставляемая в компрессорную установку, преобразуется в тепло. Чем больше энергии можно рекуперировать и использовать в других процессах, тем выше эффективность системы.

Чем выше температура воды, отводимой от компрессора, тем больше степень рекуперации. Охлаждающая вода температурой:

30-5 0єС может использоваться для предварительного нагрева водопроводной воды, технической воды, пода-ваемого воздуха;

40-60 єС - для горячей водопроводной воды;

60-90 єС - для обогрева зданий посредством параллельных линий и нагрева обратной воды котла

Типовые области применения нагреваемого воздуха включают:

- отопление (например, складских или производственных помещений);

-предварительный нагрев воздуха, подаваемого в котлы.

Типовые области применения нагреваемой воды включают:

- предварительный нагрев питательной воды для котлов;

- предварительный нагрев технологической воды (например, для мойки бутылок);

- нагрев воды для хозяйственно-бытовых нужд.

Оценивать потенциальную экономию от утилизации вторичной теплоты следует с аккуратностью, поскольку эта экономия в большой степени зависит от того, может ли компрессор вырабатывать достаточно теплоты в нужное время. Более того, каждый компрессор проектируется в расчете на оптимальный диапазон рабочих температур. Теплоутилизационная система не должна допустить переохлаждения компрессора, поскольку это приведет к ненужной нагрузке на него.

Выбор компрессора

Поскольку каждая установка является уникальной по своей конструкции и цели применения, не существует единого решения в отношении выбора компрессора. Приложение Б содержит два набора вопросов, на которые нужно ответить при выборе компрессора -- вопросы, которые потребители должны задать себе, и вопросы, которые они должны задать производителям. Решение о том, какой компрессор больше всего подходит для конкретного применения, должно основываться на ряде факторов, главными из которых являются следующие:

o уровень качества воздуха, необходимый для конкретного применения / технологии (например, есть ли необходимость в сжатом воздухе, не содержащем масла);

требуемые расход воздуха и давление;

o имеющееся финансирование и последующие эксплуатационные затраты.

В типовых промышленных системах, работающих с давлением от 6 до 10 бар обычно используются винтовые, пластинчатые или поршневые компрессоры. Центробежные компрессоры, как правило, применяются в системах с большими расходами.

Во многих случаях можно рекуперировать более 90 % энергии при условии, что охлаждение компрессорной установки выполнено тщательно. Решающими факторами в этом случае являются работа системы охлаждения, расстояние до места потребления тепла, степень и продолжительность потребности в тепловой энергии.

Существует также возможность координированной рекуперации энергии, поступающей из нескольких технологических процессов.

Однако, при наличии довольно широких возможностей утилизации, причин невнимания к источнику энергии в виде сбросного тепла разнообразных систем охлаждения достаточно много [20]. При этом еще недавно основными были объективные причины - чрезвычайно большие массо-габаритные характеристики первичных средств съема тепла, т.е теплообменников, и их, в значительной мере обусловленная этим, высокая стоимость и слож-ность компоновки на объекте. Кроме того, сдерживающим фактором являлась дороговизна тепловых насосов, призванных превратить бросовое низкопотенциальное тепло, повысив его температурный уровень, в продукт, подлежащий дальнейшему использованию. С сожалением следует отметить, что на сегодня, несмотря на то, что среди этих причин уже практически нет объективных, процесс энергосбережения путем повторного использова-ния рассматриваемого тепла остается на точке замерзания. Сейчас большинство причин не достаточно активного использования этих вторичных ресурсов лежит уже в субъективной плоскости. Это как косность мышления, так и отсутствие знаний о современных технических устройствах, способных эффективно решать такие задачи. Отсутствие в прежние годы эффективных теплопередающих аппаратов, особенно для вязких жидкостей, наряду с отсутствием эффективных тепловых насосов объективно препятствовало энергосбережению путем утилизации сбросного тепла. На сегодня такие устройства существуют и рассмотрению таковых посвящаются многие настоящие научные исследования.

Аккумулирование

Аккумулирование воздуха -- это еще одна функция хорошо регулируемой системы. Определение объемов хранения воздуха должно производиться не изолированно, а как часть всесторонней стратегии повышения эффективности системы сжатого воздуха. Практически во всех промышленных установках потребность в сжатом воздухе подвержена колебаниям. Поэтому аккумулирование воздуха необходимо для поддержания баланса между потребностями системы, производительностью компрессорной станции и системой регулирования. Задача ресивера заключается в том, чтобы: служить резервуаром, который может обеспечить импульсное потребление сжатого воздуха; поддерживать более стабильное давление в системе;

o предотвратить слишком частое включение рабочих циклов компрессора.

Выбор размера ресивера

Правильный выбор размера ресивера очень важен, поскольку он непосредственно влияет на общий уровень надежности и эффективности системы сжатого воздуха. Размер ресивера зависит от масштаба колебаний потребления сжатого воздуха. В большинстве случаев правильно подобранный ресивер может покрывать спрос в периоды пикового потребления и снова наполняться, когда потребление снижается. Эта функция позволяет подбирать производительность компрессора, ориентируясь на среднее, а не на максимальное потребление. В некоторых случаях, ькогда колебания спроса очень велики, проблема может быть решена путем установки дополнительного небольшого компрессора, который включается при необходимости. Существует ряд формул для расчета требуемого размера ресиверов сжатого воздуха. Однако для целей приблизительного планирования есть эмпирическое правило, принимающее в расчет производительность компрессора(ов) и структуру спроса.

Также стоит обратить внимание на следующее:

o для оптимальной эксплуатации размер ресивера должен быть рассчитан на максимальное ожидаемое пиковое потребление.

o слишком малый размер ресивера заставит компрессор часто запускать рабочий цикл в ответ на небольшие колебания давления.

o ресивер слишком большого размера стоит дороже и будет накапливать больше воздуха, но заставит компрессор работать с нагрузкой более длительное время для наполнения резервуара. При этом компрессору понадобится больше времени на охлаждение, прежде чем он снова сможет работать с нагрузкой.

o объем сетей часто является значительным, но не учитывается в расчетах.

o эффективная система контроля гарантирует, что объем ресивера сжатого воздуха обеспечивает баланс между потреблением системы и производительностью компрессора.

Дополнительные местные ресиверы сжатого воздуха для импульсного потребления

Для оптимальной работы размер ресивера должен подбираться с таким расчетом, чтобы обеспечить самое высокое потребление воздуха в системе. Однако самое высокое потребление воздуха может обусловливаться каким-либо технологическим процессом или видом оборудования с большим импульсным потреблением сжатого воздуха. В случаях, когда потребление не постоянно, лучше установить ресивер ближе к такому производственному участку или виду оборудования, чем выбирать главный ресивер большего размера или устанавливать дополнительный компрессор, который будет простаивать большую часть времени. Для принятия решения о необходимости местного (вспомогательного) ресивера сжатого воздуха:

o оцените общий максимальный необходимый объем для основного ресивера, как описано выше;

o затем оцените объем ресивера, необходимого для покрытия пикового потребления. Если он превышает 10% объема основного, целесообразно установить местный резервуар.

Например, если общая производительность компрессора равна 20 л/сек, максимальный объем хранилища составляет 200 литров. Если единственный пик потребления составляет 2,5 л/сек, максимальный объем хранилища равен 25 литров. В этом случае рекомендуется установить местный ресивер.

Важно убедиться, что компрессор достаточно производительный, чтобы наполнить ресивер воздухом до исходного уровня давления до наступления следующего периода пикового потребления.

5. Система воздухоснабжения комбината «Запорожсталь». Снижение затрат на производство сжатого воздуха

Система распределения сжатого воздуха во много зависит от технологической схемы производства предприятия ,потому производство и потребление сжатого воздуха применяется во всей цепочки технологии.

Энергию сжатого воздуха можно использовать для совершения механической работы, создания воздушного потока или воздушной подушки. Сжатый воздух легко транспортируется по трубам и шлангам, так что им можно пользоваться на значительном удалении от источника (компрессора или резервуара высокого давления) без больших потерь энергии в линии передачи. Примерное распределение сжатого воздуха от его производства к потребителям на комбинате «Запорожсталь»

Товарный сжатый воздух	тыс.мі	9031,590
ЦЕХА	тыс.мі	1169411,586
Доменный	тыс.мі	51961,936
Мартеновский	тыс.мі	724477,608
Обжимной	тыс.мі	44646,936
ЦГПТЛ	тыс.мі	96313,288
в т.ч. ЦГП	тыс.мі	1077,480
ЦХП-1	тыс.мі	84659,698
в т.ч. ЦХПЖ	тыс.мі	4650,656
Копровый	тыс.мі	129,000
Аглоцех	тыс.мі	40053,432
ЦХП-3	тыс.мі	14338,008
Литейный	тыс.мі	30779,520
в т.ч. изложницы	тыс.мі	16158,720
Механический	тыс.мі	4389,018
ЦРМО-4	тыс.мі	726,092
Водоснабжение	тыс.мі	27000,000
ЦСП	тыс.мі	90,000
Электроремонтный	тыс.мі	40,344
ТЭЦ	тыс.мі	18795,000
ЦТНП	тыс.мі	88,896
ЦЗЛ	тыс.мі	1350,000
ЦЛАМ	тыс.мі	83,496
ЦРМО-1	тыс.мі	1080,000
ЦРПО	тыс.мі	2700,000
ЦРМП	тыс.мі	1350,000
Газовый	тыс.мі	5220,000
УЖДТ	тыс.мі	13955,624
ЦМК	тыс.мі	102,704
ЦРМО-2	тыс.мі	7,320
ЦПП	тыс.мі	61,188
ЦПС	тыс.мі	4380,826
ККЦ	тыс.мі	631,652
ИТОГО	тыс.мі	1178443,176

Потребители:

v Пневматический инструмент условно делится на три основные категории:

- Инструменты ударного действия (отбойные молотки, пневмозубила, скобозабиватели, пневмодолота и др.),

- Инструменты ударно-вращательного действия (пневмогайковёрты, домкраты, перфораторы, ударные дрели и др.),

- Инструменты вращательного действия (шлифовальные машины, дрели, рубанки, шуруповёрты, пилы и др.).

v В бурильных установках;

v Для накачки пневматических шин;

v Для приведения в действие тормозов в поездах;

v Принудительная тяга в доменные и мартеновские печи;

v Для дистанционного воздействия на устройства управления технологическим оборудованием(гидравлическое управление);

v Пневмодвигатели(кузнечные молоты и ножницы);

v Обдувочнные сопла;

v Пескоструйной очисткой;

v В железнодорожных путях управление стрелочными установками.

v Для получения других газов в блоках разделения воздуха;

Для данного объекта предприятия наиболее выгодные снижения потребления сжатого воздуха нужны такие проекты .К значительной экономии электроэнергии на выработку сжатого воздуха приводит:

1) снижение давления от источников (даже без сокращения объема отпуска). Снижение давления в сети с 6 до 5 кг/см2 дает экономию электроэнергии порядка 7-10%;

2) снижение объемов потребления сжатого воздуха (на основании статистических данных выведена зависимость, согласно которой на каждый процент снижения потребления сжатого воздуха приходится 0,5 % сокращения потребления электроэнергии);

3) повышение температуры сжатого воздуха у потребителей (повышение на 30 °С дает сокращение объемов потребления сжатого воздуха на 10 %, что в целом приводит к снижению расхода электроэнергии на выработку на 5 %).

Значительный резерв экономии электроэнергии на выработку сжатого воздуха находится непосредственно на источниках - компрессорных станциях кислородного цеха, обслуживающих потребителей с неритмичным потреблением сжатого воздуха. На компрессорной станций в периоды минимального потребления вынуждены сбрасывать в атмосферу сжатый воздух в объеме до 10 тыс. м3/ч. Остановка одного из компрессоров в такие периоды невозможна вследствие ограниченного числа пусков. Техническая возможность разгрузки центробежного компрессора за счет прикрытия дроссельной заслонки составляет не более 10 % от номинальной производительности. Решить проблему снижения выработки в периоды минимального потребления возможно путем применения устройства мягкого пуска. Использование этого устройства позволит ежедневно останавливать один из трех работающих компрессоров К-1500 на 6 часов. Экономия электроэнергии за счет ежесуточной остановки одного из работающих компрессоров составит 600 тыс. кВт.ч в месяц.

Основываясь на положительном опыте реконструкции центробежных компрессоров на предприятиях черной металлургии (Череповецкий и Каменск-Уральский металлургические заводы), в кислородном цехе ОАО «Запорожсталь» внедрить программу поэтапной реконструкции воздушных турбокомпрессоров. Выполнение программы позволит снизить удельные затраты электроэнергии на производство сжатого воздуха. Программа включает в себя замену промежуточных воздухоохладителей и зубчатой пары редукторов.В связи с большим масштабом производственных мощностей ОАО «Запорожсталь»многочисленными потребителями сжатого воздуха, значительной протяженностью воздухопроводов кислородного цеха остро стоит вопрос о рациональной передаче и использовании данного энергоносителя.

Осуществить мероприятия, позволившие более эффективно использовать температурный потенциал сжатого воздуха у ряда потребителей (увеличение скорости сжатого воздуха в трубопроводе привело к снижению тепловых потерь от источника к потребителю). Температура сжатого воздуха на вводе у некоторых потребителей повысилась на 30-40 °С, при этом потребление снизилось на 10-15 %.Перевод части потребителей с общих магистралей на выделенные позволит снизить перепад давления между источниками и потребителями, а также сократить протяженность трубопроводов сжатого воздуха на шесть километров.Возможно снижение объемных потерь непосредственно на сетях потребителей в тот период, когда сжатый воздух на технологию не используется. Предложены мероприятия по автоматическому отключению подачи сжатого воздуха на пневмообдув стрелочных переводов железнодорожных станций от сетей кислородного цеха в зимний период при отсутствии снегопадов.

Реализовать предварительный этап по установке регуляторов давления сжатого воздуха на трубопроводах потребителей. С этой целью производилась оценка требований оборудования цехов-потребителей к параметрам давления сжатого воздуха.

У некоторых потребителей производилось и производится сейчас дросселирование потоков сжатого воздуха на запорной арматуре:

- в листопрокатном цехе в результате дросселирования будет получен значительный эффект по экономии сжатого воздуха до 30 % от общего потребления, что составляет 1,6 тыс. м3/ч;

- в мартеновском цехе произвести реконструкцию сетей сжатого воздуха, в результате которой предполагается снижение потребления на 2000 м3/ч;

- снижения давления непосредственно на магистральном воздухопроводе к доменному цеху потребление сжатого воздуха снизить на 10-13 %. Экономия составит 2,2 тыс. м3/ч.

Большим резервом эффективного дросселирования потоков сжатого воздуха является применение запорно-регулирующей дроссельной арматуры на отходящих магистралях сжатого воздуха непосредственно на компрессорных станциях, там, где обеспечение потребителей производится по нескольким отходящим трубопроводам. Хотя режимная карта давлений сжатого воздуха в целом и соблюдается кислородным цехом, специфика работы ряда потребителей (неритмичность потребления) и "человеческий фактор" не всегда дает возможность своевременно и четко регулировать (перераспределять) потоки сжатого воздуха. Сформирован перечень магистральных воздухопроводов, на которых возможно эффективное использование запорно-регулирующей дроссельной арматуры.

Провести работу по возможности перевода части оборудования цехов-потребителей, имеющего повышенные требования к давлению сжатого воздуха, на резервные воздухопроводы, обосновывается целесообразность монтажа новых. В результате выполнения этих мероприятий появляется возможность снижения давления на значительную часть потребителей. Эти два мероприятия дают возможность в перспективе снизить давление в "общем" коллекторе с 4,7 до 4,1-4,2 кг/см2. Предполагаемое снижение потребления составит 3500 тыс. м3/мес. Снижение расхода электроэнергии от сокращения потребления и снижения давления сжатого воздуха составит 630 тыс. кВт.ч в месяц.

Составляющие энергосбережения

Снижение энергетических затрат на существующей компрессорной или нагнетательной станции возможно за счет следующих составляющих:

использование устройств плавного пуска для запуска агрегатов;

расширение рабочей зоны компрессора за счет снятия ограничения на закрытие дроссельной заслонки в рабочем режиме;

уменьшение нагрузки на компрессор в режиме холостого хода за счет перевода его в глубокое дросселирование;

увеличение суммарного КПД станции за счет внедрения группового регулирования давления и производительности;

прочие составляющие, как: снижение потребления охлаждающей воды, выявление резервов за счет анализа протекания процесса, уменьшение потерь от простоев за счет развитых средств диагностики и т.п.

Плавный пуск

Запуск агрегата с использованием системы плавного пуска позволяет значительно снизить пусковые токи двигателей, в сетях с ограниченной мощностью КЗ резко уменьшить провалы напряжения сети при пуске двигателя, существенно снизить электродинамические усилия на обмотки двигателя и ударные механические воздействия на механизмы. Это увеличивает моторесурс агрегата и снижает энергопотребление в момент пуска.

Расширение диапазона регулирования

Область регулирования компрессора на малых расходах ограничивается границей зоны помпажа. При заданном давлении нагнетания нельзя уменьшать расход воздуха через компрессор менее, чем критическое значение, при котором возникает помпаж. Однако положение границы зоны помпажа может существенно меняться в зависимости от состояния атмосферного воздуха (давления, температуры, влажности) и технического состояния компрессора (степень сжатия).

Чтобы обезопасить машину от попадания в помпаж, особенно при быстро меняющихся колебаниях потребления сжатого воздуха, завод-изготовитель и эксплуатирующий персонал устанавливают ограничение, при котором возникновение помпажа на компрессоре невозможно ни при каких условиях. Согласно инструкции завода-изготовителя, дроссельная заслонка компрессора в рабочем режиме не может быть закрыта более чем на 22 градуса, а на некоторых предприятиях угол ее закрытия ограничивают 30 и более градусами. Если потребление сжатого воздуха снижается за границу регулирования производительности, избыток воздуха стравливается в атмосферу через помпажный клапан. Сброс лишнего воздуха в атмосферу - это непроизводительные затраты электроэнергии.

Расширив диапазон регулирования производительности компрессора, можно исключить сброс воздуха в атмосферу при малых расходах и уменьшить энергетические потери.

Зная текущее положение зоны помпажа и рабочей точки компрессора, можно регулировать производительность компрессора таким образом, чтобы при движении рабочей точки в зону малых расходов максимально приблизить рабочую точку к границе зоны помпажа, не открывая помпажный клапан. Запас по производительности относительно границы зоны помпажа определяет новую нижнюю границу регулирования и выбирается в зависимости от скорости движения рабочей точки в сторону уменьшения расхода. Критический угол закрытия дроссельной заслонки при таком регулировании может быть значительно менее, чем 22 градуса. Экономия электроэнергии при расширении зоны регулирования может составлять до 10% на один агрегат.

Глубокое дросселирование

Режимом глубокого дросселирования называется такое состояние турбокомпрессора, при котором задвижка нагнетания закрыта, помпажный клапан полностью открыт, дроссельная заслонка закрыта. Всасывание воздуха производится через зазоры дроссельной заслонки. В этом состоянии, когда количество воздуха, перекачиваемого компрессором, минимально, а помпаж еще не наступает, нагрузка на компрессор существенно снижается по сравнению со штатным режимом холостого хода, рекомендуемым заводом-изготовителем.

Глубокое дросселирование также существенно облегчает пуск компрессора. Режим пуска является наиболее тяжелым для компрессора с точки зрения нагрузок на элементы его конструкции. Несмотря на малую продолжительность (около 30 с), пуск оказывает существенное влияние на ресурс агрегата. Связано это прежде всего с высокими пусковыми моментами, которые в два раза превышают номинальные, с прохождением компрессора через зону резонансных механических колебаний и дополнительными нагрузками конструкций при прогреве агрегата. Снижение нагрузки на рабочие колеса компрессора, благодаря глубокому дросселированию, облегчает режим пуска и уменьшает потери ресурса на каждый цикл пуск-останов с 50 до 15 часов.

...