Использование удельного расхода энергии на единицу работоспособности сжатого воздуха в качестве показателя энергоэффективности компрессорных станций

443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Представлены основные характеристики современных компрессоров с давлением нагнетания до 1,3 МПа, предложен показатель удельных затрат энергии на единицу работоспособности воздуха. Показано, что этот показатель не только дополняет характеристики компрессорного оборудования, но и более полно учитывает влияние давления нагнетания на энергоэкономические оценки пневмохозяйства предприятия.

Ключевые слова: воздушные компрессоры, характеристики, энергоэкономические показатели, удельные затраты энергии на единицу работоспособности воздуха, энергоменеджмент.

Сжатый воздух является одним из самых дорогих энергоносителей на промышленных предприятиях. Несмотря на то, что его получение относится к сопутствующим производственным процессам, энергоэффективность его производства и потребления часто весьма существенно отражается на общих затратах энергоресурсов.

В промышленности наибольшие проблемы возникают при необходимости регулирования производительности компрессора. При централизованном воздухоснабжении компрессоры должны с максимальной эффективностью обеспечить напор и расход воздуха у потребителя. Поэтому весьма важным является вопрос выбора количества и типов компрессоров для компрессорной станции. Обычно рабочая точка компрессора определяется видом его характеристики и характеристики сети (точка их пересечения). Так как рабочая точка может не обеспечить необходимый расход, то компрессор выбирают с условием превышения напора при требуемом расходе. Таким образом, заранее предполагается переразмеренный по номиналу мощности компрессор. Поэтому выбор компрессоров при замене оборудования является важным этапом проектной работы, влияющей на затраты энергоресурсов и на энергоменеджмент.

Анализу работы компрессорных станций и систем воздухоснабжения посвящено значительное количество публикаций. К наиболее заметным в плане энергоменджмента можно отнести работы А.В. Воронецкого (например [1], [2], [3]), Ю.Н. Миняева [4] и др. И, в частности, в статье [2] предлагаются рекомендации по оптимальному выбору компрессорного оборудования для различных производств. В статье [3] показано, что стоимость расходов за период эксплуатации во много раз превышает цену самого компрессора.

Чаще всего в качестве основного энергоэкономического показателя при выборе компрессора выступает такая удельная величина, как отношение мощности компрессора к его объемной производительности кВт/м3н (паспортная энергоемкость на расчетной точке характеристики). Приводимые в современных публикациях затраты энергии на производство воздуха для машиностроительных предприятий составляют до 25 % от общего расхода электроэнергии. При этом удельные затраты энергии для компрессоров с электроприводом составляют от 0,04 до 0, 14 квт·ч/м3н.

Использование такого показателя энергоэфективности, как удельный расход энергии для компрессоров, общепринято и соответствует стандартам [6, 7]. Здесь этот показатель имеет смысл энергоемкости и характеризует воздух как продукт, выпускаемый компрессорной станцией. Это понятие соответствует ГОСТ Р51541-99, п. 7.2. В то же время отпущенный со станции воздух как энергоноситель обладает собственным энергетическим потенциалом, который реализуется у потребителя в виде полезной работы.

Поэтому с позиций энергоменеджмента и с точки зрения показателей энергетической эффективности (ПЭЭ) всего комплекса по производству, потреблению и распределению воздуха более правильно было бы учитывать и его давление.

Вполне очевидно, что производимая сжатым воздухом у потребителя работа будет определяться не только расходом, но и, как следует из термодинамики, давлением. Полная работоспособность воздуха определяется энтальпией:

компрессор давление работоспособность

I = U + P · V или i · G = u · G + P · v · G. (1)

В случае компрессорной станции можно считать, что после охлаждения и очистки воздух поступает к потребителям с одинаковой постоянной температурой, поэтому его работоспособность определяется только его расходом G кг/с и давлением Р. Известно также, что для различных видов пневматических машин потребные расходы воздуха на производство единицы работы также зависят от давления [4].

Здесь выявляется противоречие между желаемым снижением сетевого давления (снижение затрат на компрессорах, уменьшение потерь в воздушной сети и т. д.) и оптимальным давлением для потребителя. Это противоречие, как правило, находит решение. В настоящее время на основе опыта эксплуатации оборудования и внедрения энергоменеджмента предприятия находят оптимальный уровень давления воздуха в сетях.

Однако на этапе выбора нового оборудования использование только показателя удельного расхода энергии для компрессора (кВт·ч /м3н) может привести к ошибкам, тем более что при децентрализованной системе воздухоснабжения, когда один компрессор обслуживает своих потребителей при различных временных графиках давления подаваемого сжатого воздуха, требуется более объективная оценка энергоэффективности системы «компрессор - потребитель».

В связи с изложенным выше предлагается использовать показатель удельных затрат энергии на единицу работоспособности Epv, т. е. кВт·ч/(м3н·МПа):

Epv = W/(Pк · Vко), (2)

где Pк - давление на выходе из компрессора; W - расход электроэнергии за час работы компрессора, кВт·ч; Vко - объемная производительность (приведенная к нормальным условиям).

Такая величина будет в большей степени соответствовать показателю энергоэффективности стандарта [7].

В системе СИ этот показатель получается безразмерным, однако для наглядности и придания физического смысла предлагается выражать его с размерностью: кВт·ч /(м3н·МПа).

Еще одно важное замечание. Приведенная к нормальным условиям объемная производительность Vко (что общепринято в мировой практике) в действительности отражает массовый расход, т. к. Vко и G через уравнение состояния связаны только константами:

Po · Vко = G · R · To (3)

где Po и Tо - нормальные физические условия.

Но во всех паспортах и формулярах к компрессорному оборудованию основные данные и характеристики представлены для объемной производительности, приведенной к нормальным физическим условиям. Поэтому предлагается оставить в Epv объем Vко, который в р = Pк / Po раз больше Vк.

Для аргументации данного предложения на приведенных ниже графиках представлены некоторые данные и обработанные автором выборки характеристик современных компрессоров различных фирм.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Поле характеристик воздушных компрессоров с давлением нагнетания до 1,5 МПа (выборка автора, 2011 г.):

? поршневые, ¦ центробежные, ^ винтовые

Анализ показывает, что логика положения точек современных компрессоров (рис. 1) соответствует существующим полям характеристик. Развитие винтовых компрессоров направлено в сторону больших производительностей. Присутствие же небольшого количества поршневых компрессоров в этой области, а также лопаточных машин в области малых расходов свидетельствует о наличии машин специального назначения.

Отдельная выборка для отечественных компрессоров показывает, что удельные затраты на производство одного кубического метра воздуха вполне соответствуют общемировым показателям.

Более интересными могут быть данные, представленные на рис. 2 и рис. 3. Так, например, удельные энергозатраты на один кубометр воздуха для компрессора «34» (рис. 2) весьма предпочтительны, но с учетом давления (т. е. работоспособности производимого воздуха, рис. 3) этот компрессор менее предпочтителен по сравнению с компрессором такого же класса под номером «32». Важным обстоятельством, препятствующим объективности получения расчетных данных по показателю удельных затрат энергии на получение единицы работоспособности Epv, кВт·ч/(м3н МПа), является отсутствие совместных характеристик компрессора и сети.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2. Удельные затраты электроэнергии на производство одного куб. м воздуха винтовыми компрессорами с различным давлением нагнетания:

¦ 1,3 МПа; ^ 1,0 МПА; ? 0,75-0,8 Мпа