Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ работ по повышению эффективности систем воздухоснабжения 16
1.1 Анализ работ по общей оценке систем воздухоснабжения 16
1.1.1 Целесообразность искусственного охлаждения воздуха (газа) на входе в ТК 16
1.1.2 Повышение эффективности работы турбокомпрессорной станции за счет нормализации термодинамических параметров промежуточных воздухоохладителей 19
1.2 Анализ работ по отдельным вопросам 23
1.2.1 Влияние промежуточного охлаждения на рабочий процесс двухступенчатого компрессора 23
1.2.2 Описание промышленных установок для комбинированного охлаждения сжатого воздуха в КУ 25
1.3 Выводы по главе 1 27
Глава 2. Оценка и анализ эффективности работы систем воздухоснабжения 28
2.1 Термодинамический анализ СВС 31
2.2 Эксергетический баланс СВС 33
2.3 Эксергетические характеристики элементов СВС 38
2.4 Анализ абсолютных и относительных потерь в СВС 44
2.5 Выводы по главе 2 49
Глава 3. Оценка элементов системы с возможным потенциалом увеличения эффективности их работы .. 52
3.1 Оценка эффективности использования различных способов регулирования. 52
3.1.1 Регулирование поворотом лопаток входного направляющего аппарата 52
3.1.2 Регулирование поворотом лопаток диффузора 56
3.1.2 Регулирование дросселированием 57
3.1.4 Оценка эффективности использования преобразователя частоты для регулирования производительности компрессора 59
3.1.5. Определение эффективности других способов регулирования 62
3.2 Оценка эффективности охлаждения воздуха 63
3.1.1 Эффективность работы систем охлаждения 63
3.2.1 Расчет промежуточного воздухоохладителя и анализ потерь в компрессорной установке 69
3.2.1.1 Гидравлический расчет воздухоохладителя 72
3.2.1.2 Анализ влияния изменения коэффициента теплопередачи на энергетические показатели системы охлаждения 73
3.2.1.3 Определение зависимости влияния основных показателей системы охлаждения на эксергети-ческий КПД 75
3.3 Потери с гидравлическими сопротивлениями 76
3.4 Оценка потерь с утечками в системе 80
3.5 Выводы по главе 3 83
Глава 4. Предложения по повышения эффективности работы системы воздухоснабжения 88
4.1 Использование энергии сжатого воздуха и теплоты охлаждающей воды 89
4.1.1 Использование энергии сбросного воздуха для подачи его на всас компрессора 89
4.1.1.1 Зависимость изменения приращения КПД (эффективности способа) от температуры атмосферного воздуха 90
4.1.1.2 Зависимость изменения приращения КПД (эффективности способа) от степени сжатия в компрессоре 94
4.1.1.3 Увеличение общего КПД системы воздухоснабжения в зависимости от количества охлажденного воздуха, подаваемого на всас компрессора 96
4.1.2 Использование теплоты охлаждающей воды 97
4.2 Децентрализация системы воздухоснабжения 101
4.2.1 Децентрализация снабжения потребителей сжатым воздухом от центральной компрессорной станции 108
4.2.2 Централизация снабжения потребителей сжатым воздухом от центральной компрессорной станции 111
4.2.3 Определение реальной потребности в сжатом воздухе третьей группы.потребителей 112
4.3 Выводы по главе 4 114
Глава 5. Технико-экономическая оценка эффективности предложенных мероприятий 122
5.1 Технико-экономическая оценка использования теплоты сжатия и энергии сбросного воздуха 122
5.1.1 Оценка увеличения эффективности работы СВС 124
5.1.1.1 Использование тепла сжатия 124
5.1.1.2 Использование энергии перепускного воздуха на получение холода 125
5.2 Технико- экономическая оценка мероприятий по частичной децентрализации системы воздухоснабжения 126
5.3 Выводы по главе 5 131
Выводы по работе 133
Литература
- Повышение эффективности работы турбокомпрессорной станции за счет нормализации термодинамических параметров промежуточных воздухоохладителей
- Эксергетические характеристики элементов СВС
- Оценка эффективности использования преобразователя частоты для регулирования производительности компрессора
- Использование энергии сбросного воздуха для подачи его на всас компрессора
Введение к работе
Актуальность работы Энергосбережение является одной из важнейших проблем, в том числе и для такого энергоемкого процесса как производство сжатого воздуха. Сжатый воздух - один из самых распространенных энергоносителей на любом промышленном предприятии, а совокупность устройств, связанных с его обработкой и распределением, является достаточно сложной энергоемкой энергетической промышленной системой, от уровня совершенства которой зависят показатели технологических процессов, где используется сжатый воздух.
Система воздухоснабжения предназначена для централизованного обеспечения разнообразных промышленных потребителей сжатым воздухом требуемых параметров (давление, расход, температура, влажность) в соответствии с заданным графиком.
Доля первичной энергии для производства сжатого воздуха на различные нужды составляет от 5 до 90% от общего энергопотребления на производство технологического продукта.
Большое значение сжатого воздуха как энергоносителя определяется еще тем, что от надежности систем воздухоснабжения зависит и надежность, а в ряде случаев и безопасность осуществления технологического процесса.
Потери, возникающие в системе воздухоснабжения, снижают ее эффективность, что, в свою очередь, может повлиять на технологический процесс.
К потерям в системе воздухоснабжения можно отнести:
Электромеханические и внутренние потери в компрессоре;
Потери в системе охлаждения компрессора;
Потери в системе регулирования;
Потери во влагоотделителе;
Потери в системе осушки сжатого воздуха;
Потери, связанные с гидравлическим сопротивлением трубопроводов;
Потери, связанные с утечкой воздуха через неплотности.
В связи с перечисленными выше факторами, возникают задачи усовершенствования систем воздухоснабжения. Исследования в этой области позволили выделить основные направления, такие как: техническое совершенствование конструкций элементов систем, реальный подбор оборудования, оптимизация режимов работы элементов и т.д.
Система воздухоснабжения промышленного предприятия включает в себя компрессорные и воздуходувные станции, трубопроводный и баллонный транспорт для подачи сжатого воздуха к потребителю, воздухосборники-ресиверы и распределительные устройства сжатого воздуха самого потребителя.
В зависимости от необходимых потребителям расхода воздуха и его давления станции оборудуются центробежными компрессорами с избыточным давлением воздуха 0,35 - 0,9 Мпа и единичной производительностью 250-7000 мЗ/мин или поршневыми соответственно с давлением 3-20 Мпа и единичной производительностью не более 100 мЗ/мин.
Коммуникации сжатого воздуха имеют радиальные и кольцевые участки. Последние применяют при компактном расположении потребителей, а также при повышенных требованиях к надежности обеспечения сжатым воздухом
Сжатый воздух на промышленных предприятиях используется по двум основным направлениям: технологическому (для выплавки стали и чугуна в металлургии, получения кислорода в воздухоразделительных установках и т.д.) и силовому (для привода различных машин и механизмов в машиностроении, горнодобывающей промышленности, кузнечном и других производствах).
На производство сжатого воздуха затрачивается около 5% общего расхода электроэнергии на металлургических заводах и до 25 - 30% на машиностроительных предприятиях и горнодобывающей промышленности. При использовании электрического привода компрессоров удельный расход энергии на производство 1000 мЗ сжатого воздуха составляет от 80 до 140 кВт*ч (в зависимости от давления сжатого воздуха, типа компрессорных машин, условий охлаждения и т.д.). При паровом приводе компрессоров удельный расход условного топлива на производство 1000 мЗ сжатого воздуха составляет 17 — 20 кг.
Компрессорные станции включают в свой состав устройства для забора
воздуха, очистки его от пыли, компрессоры, приводные двигатели,
теплообменники охлаждения, вспомогательное оборудование,
предназначенное для дополнительной обработки воздуха (осушки, очистки, изменения давления, аккумуляции). На компрессорной станции могут размещаться только компрессоры с электроприводом (обычно для машиностроительных предприятий) или компрессоры с паротурбинным приводом (обычно для агрегатов доменного дутья). Находят применение и комбинированные паровоздуходувные и электрические станции ТЭЦ-ПВС.
В общем случае состав компрессорной установки можно представить на схеме.
Рис.1 Принципиальная схема компрессорной установки 1- воздухозаборное
устройство; 2 - фильтр; 3 - буфер; 4 - ступень компрессора; 5 -
промежуточный охладитель; 6 — промежуточный влагомаслоотделитель; 7 —
концевая ступень; 8 - концевой охладитель; 9 - ресивер (воздухосборник); 10
- сеть (потребитель).
Очевидно, что в каждом устройстве компрессорной установки возможна экономия энергии. Если рассмотреть наиболее значимые элементы установки, то к ним можно отнести ступени объемных компрессоров (секции - турбокомпрессоров), системы охлаждения и сеть, соединяющую компрессорную станцию с потребителем.
Путь снижения затрат на сжатие в ступени (секции) компрессора определяет удельная работа цикла /. При необходимости обеспечения требуемого повышения давления п = рг/рі снижение работы цикла возможно только за счет уменьшения температуры всасывания Т} и значения политропы сжатия п.
Работа цикла компрессора имеет наименьшее значение при изотермном сжатии (п=1). Для приближения к изотермному процессу сжатия применяют, как правило, многоступенчатое сжатие с промежуточным межступенчатым охлаждением. В идеальном случае теплота отводимая от компрессора равна работе сжатия, т.е. теплота охлаждения представляет собой вид энергии, которая может быть утилизирована.
Понижение температуры всасывания позволяет уменьшать затраты на привод компрессора, но этот способ практического воплощения не нашел, (увеличение температуры всасываемого компрессором воздуха на каждые 4С увеличивает расход энергии на 1%). В тех случаях, когда влажность газа не имеет существенного значения, для уменьшения температуры применяют простой способ - впрыск воды. Вода, испаряясь, снижает температуру газа.
Влияние вида процесса на затраты энергии демонстрирует рис.2. Площадь 0-1-2-4 эквивалентна работе цикла компрессора. Здесь хорошо видно, что наименьшие затраты энергии имеет цикл с изотермным процессом сжатия (п=1). Технически обеспечить изотермное сжатие практически невозможно, поэтому, как уже указывалось, применяется многоступенчатое сжатие с промежуточным охлаждением, как приближение к изотермному процессу.
2iii 21V
n=oo
T і
2'V/ P,
Рис.2 Кривые процессов сжатия
Производство сжатого воздуха - нерациональный с точки зрения энергоэффективности процесс в принципе. Более 80 % электроэнергии, расходуемой для производства сжатого воздуха, теряется в виде тепла, остальная часть расходуемой электроэнергии преобразуется в полезную энергию сжатого воздуха.
В практике российских и большинства зарубежных предприятий до последнего времени использовалась централизация воздухо- и газоснабжения. Как всякое техническое решение оно имеет положительные и отрицательные качества.
Наибольшие проблемы возникают при необходимости регулирования производительности.
Компрессоры должны с максимальным КПД обеспечить необходимый расход и напор воздуха у потребителя. При оптимальном выборе типа и количества компрессоров и регулировании режимов их работы необходимо иметь в виду, что рабочая точка нагнетателя определяется видом напорной характеристики нагнетателя и характеристики сети. Рабочее значение расхода и напора определяется пересечением характеристик нагнетателя и сети.
Как правило, рабочая точка не обеспечивает заданные напор и расход. Поэтому в практике инженерного проектирования выбираются компрессоры, обеспечивающие необходимый расход с превышением напора. Это изначально предполагает повышенный расход энергии на привод компрессоров и более напряженные по механическим нагрузкам режимы работы.
Существует несколько способов регулирования производительности компрессоров. Наиболее распространенные в практике: дросселирование; байпассирование и изменение числа оборотов двигателя. Первые два особенно популярны в России в силу их сравнительной простоты и дешевизны реализации. Но эти два способа регулирования неэкономичны и не позволяют обеспечить одновременное выполнение соответствия заданным значениям величин напора и расхода. Самым экономичным способом регулирования является изменение числа оборотов двигателя. В этом случае с достаточной точностью можно считать, что сохраняется подобие режимов и, следовательно, не изменяется кпд. До настоящего времени частотное регулирование не нашло должного распространения в нашей стране из-за сравнительно высокой стоимости частотных регуляторов - практически равной стоимости самого двигателя. В условиях прежних низких цен на электрическую энергию установка частотных регуляторов была не выгодна. Но со стремлением внутренних цен на энергоносители к мировому уровню установка подобных регуляторов становится выгодной.
Для выявления потенциалов энергосбережения необходимо проведение комплексного анализа системы воздухоснабжения целиком для разных типов компрессоров, позволяющего с помощью эксергетического баланса установить наиболее энергоемкие потери в системе и путем целенаправленных действий добиться их минимизации. Комплексный подход к решению данной задачи позволит увеличить общую эффективность системы, рассматривая ее как совокупность отдельных элементов (компрессор, коммуникации, вспомогательные элементы, потребитель),
каждый из которых оказывает определенное воздействие на всю систему и определяет работоспособность и надежность всей системы в целом.
Повышение эффективности работы системы воздухоснабжения также возможно благодаря внедрению ряда энергосберегающих мероприятий, позволяющих снизить потери за счет использования дополнительных резервов экономии энергоресурсов.
Цель работы: Выявление возможностей повышения эффективности СВС при помощи комплексного термодинамического и технико-экономического анализа системы и ее элементов, разработка на этой основе путей снижения потерь в системе и предложений по реализации энергосберегающих мероприятий.
Научная новизна: Для оценки показателей эффективности СВС предложена и реализована термодинамическая и технико-экономическая оценка потерь в системе и ее элементах на основе эксергетического анализа, позволяющая определить структуру потерь в системе и приоритеты их снижения.
Произведен анализ влияния различных способов регулирования производительности на показатели системы. Получена зависимость изменения КПД системы от угла поворота лопаток (одного из распространенных способов регулирования). Показано, что в диапазоне изменения угла поворота лопаток от 0 до 30 происходит снижение КПД системы на 15%.
Разработан новый способ повышения эффективности регулирования компрессорных машин путем подачи воздуха из байпасной линии на всас компрессора с предварительным охлаждением в расширительной машине, позволяющий понизить температуру воздуха на всасе, а, следовательно, увеличить эффективность сжатия.
Установлено, что при использовании тепла охлаждающей воды и энергии сжатого воздуха при байпасном регулировании для получения холода КПД системы возрастает на 10-11%.
Практическая ценность. Применение комплексного подхода для решения задачи повышения эффективности системы позволяет выявить область максимальных потерь и при помощи комплекса мероприятий добиться их минимизации. Использование перепускного воздуха с последующим расширением в турбомашине и подачей его на всас для общего снижения температуры позволит повысить КПД системы в случаях, где невозможно использование холода для технологических нужд.
Комплексная методика оценки потерь в системе воздухоснабжения и отдельных ее элементах, позволяющая учитывать распределение энергозатрат при производстве сжатого воздуха, может быть использована при проектировании и проведении анализа эффективности работы существующих СВС различными проектными и эксплуатационными организациями.
Материалы диссертации, подготовленные совместно с Н.В.Калининым, вошли в справочник «Промышленная теплоэнергетика», издание 3, том 4.
По материалам диссертации была подготовлена лабораторная работа по курсу «Нагнетатели», позволяющая осуществлять подбор нагнетателя в зависимости от начальных данных, а также изучить совместную работу нагнетателей и влияние различных способов регулирования на рабочую характеристику.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на VIII международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" (г. Москва, 28 февраля - 1 марта 2002 г.), на IX международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника,
электротехника и энергетика" (г. Москва, 4-5 марта 2003 г.), опубликованы и представлены на I международной конференции по энергосбережению (г.Алжир, 25-26 мая 2003 г.)
Публикации Основные результаты выполненной работы были опубликованы в 4 статьях.
Структура и объем работы Диссертационная работа изложена на 146 страницах машинописного текста, состоит из введения, 5 глав, выводов по работе, списка литературы из 94 наименований.
Повышение эффективности работы турбокомпрессорной станции за счет нормализации термодинамических параметров промежуточных воздухоохладителей
Результаты теоретических и экспериментальных исследований показывают, что штатные воздухоохладители компрессоров обладают достаточными возможностями для охлаждения воздуха. Однако в действительности имеет место его значительное недоохлаждение за счет, больших отложений на поверхностях теплообмена.
Следует отметить, что чистка воздухоохладителей от накипи и других отложений занимает наибольший удельный вес среди других работ по ТКС. Однако ее результаты остаются более чем скромными. Так, во время чисток воздухоохладителей ни разу не удалось отметить понижения температур на выходе более, чем на 20С (по сравнению с температурами до чистки). Это говорит о том, что, несмотря на все усилия персонала ТКС, процесс чистки не доводится до конца. Другой причиной неудовлетворительного состояния теплообменников является обильное наличие в охлаждающей воде различных химических соединений и механических примесей. Система водооборота чистой воды АГК, предназначенная для охлаждения поверхности теплообменников вращающихся механизмов, воздухоохладителей компрессоров и другие нужды (общий расход воды до 000 куб.м/ч) имеет ряд конструктивных недостатков. В частности, из-за несовершенства главных узлов основного технологического оборудования (подшипников скольжения вращающихся печей, тягодутьевых машин, мельниц) вода, поступающая из системы водооборота на их охлаждение, существенно загрязнялась вследствие попадания в нее спековой пыли, глинозема, шлама и технологического раствора. Это приводило к ухудшению всей оборотной воды, которая, поступая на охлаждение подшипников скольжения вращающихся печей, мельниц, дымососов и воздухоохладителей компрессоров, попадала в зоны повышенной температуры и образовывала прочные отложения: А1203 - 41,8%, Р:0 - 0,32%, СаО -16,25, MgO - 1,2%, SiC 2 - 6,9%, ПІШ - 31,67%. При этом происходило интенсивное зарастание поверхностей теплообмена, что значительно ухудшало работу этих узлов оборудования, приводя к аварийным ситуациям.
В ходе исследовательских работ, глубокого изучения водного баланса и структуры водоснабжения АГК разработаны и внедрены комплексы мероприятий, включающие в себя модернизацию всех опор вращаю-щихся печей с переводом их на новые виды консистентной смазки, перевод на подшламовую воду механизмов и установок, загрязняющих оборотную воду щелочными растворами, максимальную герметизацию системы водооборота.
Все это позволило максимально устранить возможность попадания механических примесей и технологических растворов, а также осуществить раздельную запитку оборотной воды на промежуточные воздухоохладители компрессорной станции.
Для улучшения технологии чистки воздухоохладителей на ТКС предложено внедрить передвижную установку, состоящую из кислотоупорного насоса и емкости для реактива. Она легко и быстро подключается к трубопроводам охлаждающей воды и позволяет прокачивать химический реактив через пучки воздухоохладителя длительное время (5-6) часов. Контролируя изменение концентрации раствора, можно косвенным путем установить окончание процесса чистки.
Применение такой несложной установки дает возможность: 1. Уменьшить трудоемкость и повысить культуру этой операции. 2. Исключить механические повреждения трубок, которые возникают в настоящее время при сверлении накипи. 3. Более часто проводить процесс чистки (через 10-12 дней вместо 28). Все это, несомненно, привело к улучшению показателей работы компрессоров. Следует отметить, что на компрессорной станции АГК силами обслуживающего персонала ранее была создана подобная установка. Однако она имела применения по следующим причинам: во-первых, химический реактив слабо взаимодействовал с отложениями, и, во-вторых, не давала возможности освободиться от значительного количества щебня, осаждающегося на входных камерах воды во время работы компрессора, в-третьих, для подключения шлангов передвижной насосной установки к фланцам воздухоохладителя требовалось выполнять значительный объем работ по демонтажу подводящих и отводящих трубопроводов охлаждающей воды.
Устранение этих недостатков достигнуто за счет того, что: l.Ha подходящих к компрессорной станции коллекторах охлаждающей воды установлены фильтры грубой очистки. Это исключило попадание крупных предметов и щебня в систему охлаждения.
2. К подводящим и отводящим водяным трубопроводам воздухоохладителей приварены патрубки с вентилями, позволяющими производить чистку воздухоохладителей без какой-либо разборки трубопроводов.
Эксергетические характеристики элементов СВС
Эксергетический КПД современных СВС, в различных отраслях промышленности, находится на уровне 20-60%. Снижение внешних потерь эксергии. позволит поднять этот уровень до величины 50-70% не проводя при этом технического совершенствования отдельных элементов СВС. Так, снижения величин внешних потерь эксергии можно добиться при согласовании режимов работы элементов и подсистем СВС путем осуществления дополнительных технических мероприятий по утилизации теплоты сжатия и использовании сжатого воздуха для получения холода при отдельных способах регулирования.
Классификация потерь эксергии применительно к существующим СВС позволяет определить возможно достижимый верхний предел совершенствования систем.
Сопоставление величины внутренних и внешних потерь эксергии, определение соотношения между потерями, существующими в элементах и, следовательно, теоретически возможный приоритет их устранения можно произвести с помощью эксергетической диаграммы потоков.
Эксергетическая диаграмма потоков позволяет наглядно проследить структурные особенности системы, механизм взаимодействия отдельных элементов. На рис.2.4.2 приведен эксергетический баланс системы воздухоснабжения Рассматриваемая система состоит из пяти элементов, соединенная потоками эксергии. Такая структура является характерной для большинства СВС. Эксергетический КПД системы составляет 50,4%.. Внешние потери эксергии в приводе и ТК могут быть устранены при изменении режимов их работы. Устранение части потерь эксергии в СО возможно при утилизации теплоты сжатия. При утилизации 100% полученной при сжатии газа теплоты, эксергетический КПД системы составит 60%.
Дальнейшее совершенствование СВС возможно лишь на основе оптимизации как режимов работы элементов, так и структуры системы. Проведение оптимизации возможно лишь в том случае, если существует возможность определения механизма взаимодействия эксергетических характеристик элементов в системе. Создание механизма взаимодействия характеристик, подразумевает наличие однородных критериев оценки эффективности работы элементов системы.
Для построения механизма взаимодействия между отдельными элементами системы, используются различные эксергетические характеристики: эксергетический КПД, потери, приведенная эксергетическая произвольность системы.
В данной работе в качестве эксергетических характеристик элементов системы будет использоваться эксергетический КПД. Как правило, определение эксергетических КПД основных элементов СВС не вызывает существенных осложнений. Исключение составляет лишь такой элемент СВС, как система охлаждения, к которой понятие КПД в классическом виде не применимо.
Кроме того, в компрессоростроении, для оценки эффективности работы ТК используется политропный КПД, который объективно отражает потери, существующие в ступени ТК и имеет связь с основными уравнениями газодинамики. Поэтому для компрессоростроения важно, чтобы эксергетическая характеристика ТК также объективно отражала газодинамические процессы, происходящие в ступени компрессора и не вступала в противоречии с основными законами газодинамики. В этом случае возможно использование эксергетического КПД ТК в компрессоростроении. Таким образом, для установления взаимосвязи между элементами СВС через эксергетические характеристики необходимо: 1 .Определение критерия эффективности СО (построение эксергетической характеристики СО); 2. Определение соотношения между эксергетическим и политропным КПД. Возможность оценки эффективности работы ТК с использованием эксергетического КПД.
Широкое распространение в компрессоростроении политропного КПД - как показателя эффективности работы неохлаждаемой ступени (секции) ТК связанно с тем, что его величина, при определенных допущениях совпадает с величиной внутреннего относительного КПД. Т.е. политропный КПД позволяет установить взаимосвязь между уравнениями процессов термодинамики и газодинамики. Это означает, что изменение величины политропного КПД в зависимости от производительности ступени, количественно отражает изменение величины внутренних потерь энергии в проточной части.
Поэтому, если качественное изменение величины эксергетического КПД на газодинамических характеристиках ступени (секции) ТК адекватно изменению величины политропного КПД, то эксергетисеский КПД объективно отражает процессы происходящие в проточной части ступени и следовательно может быть использован для оценки эффективностиее работы.
Оценка эффективности использования преобразователя частоты для регулирования производительности компрессора
Самым экономичным способом регулирования является изменение числа оборотов двигателя. В этом случае с достаточной точностью можно считать, что сохраняется подобие режимов и, следовательно, не изменяется кпд. До настоящего времени частотное регулирование не нашло должного распространения в нашей стране из-за сравнительно высокой стоимости частотных регуляторов - практически равной стоимости самого двигателя. В условиях прежних низких цен на электрическую энергию установка частотных регуляторов была не выгодна. Но со стремлением внутренних цен на энергоносители к мировому уровню установка подобных регуляторов становится выгодной.
Расчет экономии от применения частотного регулирования достаточно просто произвести, используя следующие соотношения из условий подобия режимов работы нагнетателя: n, где Q, H, N - расход, напор и мощность в исходной рабочей точке 1 и в точке 2, соответствующей заданному режиму. Из соотношения между мощностями видно, что уменьшение скорости вращения, к примеру, в два раза уменьшает мощность привода в восемь раз.
Для оценки эффективности использования преобразователя частоты в системе воздухоснабжения необходимо учитывать не только стоимостные показатели: тарифы на электроэнергию, срок окупаемости и т.д., но массу других факторов, влияющих на бесперебойную работу системы и срок службы установки. Помимо очевидной экономии электроэнергии, использование преобразователя частоты дает следующие преимущества:
- Увеличивается срок службы электродвигателя - одного из основных элементов установки — за счет сглаживания пусковой характеристики, т.е. используется так называемый «мягкий пуск». При прямом пуске любой двигатель испытывает серьезные перегрузки, как механические, так и электрические, что отрицательно сказывается на долговечности его компонентов. Поэтому применение устройств, смягчающих этот процесс, может существенно увеличить срок службы как двигателя, так и присоединенного к нему механизма.
Увеличивается срок службы трубопроводов и других элементов системы за счет отсутствия внезапных скачков давления при включении/ отключении одного или нескольких потребителей
Преодоление провалов напряжения. При снижении напряжения в питающей сети преобразователь не отключается, в плавно уменьшает скорость вращения электродвигателя пропорционально величине просадки напряжения, оставляя двигатель в нормальном режиме работы. Производительность при этом, конечно, падает, но это лучше, чем отключать агрегат совсем. При восстановлении нормального напряжения в сети преобразователь возвращается к заданным параметрам.
Для примера возьмем стоимость недорогого отечественного преобразователя частоты производства Саранского завода, которая составляет ориентировочно от 90 у.е. до 150 у.е. за кВт
В нашем случае необходимо использовать достаточно большой преобразователь, поэтому возьмем его стоимость 90x1600 кВт= 144000 у.е. С учетом дополнительных затрат: - составление проектно-конструкторской документации - строительные работы (без строительства дополнительного помещения) - монтаж оборудования и протяжка кабелей - пусконаладочные работы При всем при этом стоимость преобразователя увеличится примерно в 1,5 раза и составит приблизительно 216000 у.е = 6804000 руб..
Стоимость электроэнергии для промышленных предприятий составляет = 1,22 руб./кВт ч. Учитывая, что время работы компрессора составляет 2001 час в году (при количестве рабочих дней 251 за вычетом выходных и праздничных дней) и 8-часовой рабочем дне, стоимость потребленной электроэнергии составит 2001 день ХІ600 кВт х 1,22 руб/кВт ч= 3905952 руб/год. При 30% регулировании потери составят 1171785 руб/год. Срок окупаемости проекта - 5,8 лет (должен быть не более 2-х лет).
Использование энергии сбросного воздуха для подачи его на всас компрессора
Заметное влияние на экономичность работы компрессорной станции оказывает состояние всасывающих фильтров - при их загрязнении увеличивается гидравлическое сопротивление. Следует осуществлять регулярную очистку всасывающего фильтра (падение давления на каждые 25 мБар по причине засоренного фильтра снижает эффективность работы компрессора на 2%).
Сеть необходимо разделить на секции, предусмотрев возможность отключения отдельных секций с помощью вентилей. Хорошо, если это были бы дистанционно управляемые электромагнитные вентили. Если в данный момент времени в какой-то секции не используется ни один потребитель сжатого воздуха, то стыки и фланцы в этой секции все равно протекают. Если неактивную секцию отключать с помощью вентиля, то будут устраняться также и утечки в этой секции.
Если в одной и той же системе воздухоснабжения используются разные уровни давления, то можно разделить эту систему на две или большее количество систем. Например, при уменьшении давления на некоторых компрессорах на 2 атм, можно сократить расход энергии на 15 %.
Необходимо усовершенствовать систему управления работой сети компрессоров для достижения оптимальной приоритетности процессов включения и выключения. Вероятно, в отдельных случаях есть смысл изучить возможность замены пневмоинструмента, например, инструментом с электроприводом. В конечном счете суммарное потребление электроэнергии при этом может снизиться.
Выбор системы осушки воздуха также значительно влияет на эффективность компрессорной установки в целом. Обобщая эксплуатационные данные можно сделать следующие заключения: в общей стоимости производства сжатого воздуха составляющая затрат на адсорбционные осушители превышает 20%; при использовании в них рекуперации тепла доля затрат уменьшается до 15%; применение осушителей холодильного типа снижает долю затрат до 10%. Учитывая это, ряд зарубежных фирм стали выпускать модульные компрессоры только с осушителями холодильного типа.
При проектировании новой системы воздухоснабжения необходимо тщательно выбирать компрессоры, не допуская завышение давления в системе. Снижение давления в системе на один Бар позволяет снизить расход электроэнергии на 5 - 10 %.
Выбор скорости движения воздуха (при обеспечении заданного расхода - фактически выбор диаметров труб) в воздухопроводах определят гидравлические потери, а следовательно, и мощность приводных двигателей. Существует понятие экономичной скорости. Выбирая большие скорости движения мы уменьшаем диаметр трубопровода, т.е. уменьшаем капитальные затраты, но увеличиваем эксплуатационные затраты. Ранее были рекомендованы скорости 10 — 15 м/с. С ростом стоимости электрической энергии увеличивается влияние текущих затрат. Так, в европейских странах рекомендуется не принимать скорость более 6 м/с.
Ниже приведены показатели типичных величин расхода воздуха, которые необходимы для работы различных пневмоинструментов. Эта информация полезна для оценки необходимой производительности компрессорной установки.
Как уже говорилось, источником существенных потерь в распределительной сети может быть не оптимальный диаметр трубы воздуховода. Ниже приводятся показатели оптимальных диаметров трубы для различных значений расхода (табл.3.2.2 ). Кроме диаметров труб, разводящих сжатый воздух по предприятию, важную роль играют различного рода узкие места, такие, как переходники, уголковые соединения и т.д., на которых возникают скачки давления. Ниже, в табице 3.3.3, приводится сводка оптимальных диаметров таких мест для различных расходов воздуха.
