Воздухоснабжение промышленного предприятия сжатым воздухом
Воздухоснабжение промышленного предприятия сжатым воздухом.
Простота конструкций получения и транспортировки, большая передаваемая мощность при небольшом весе, безопасность и практически неисчерпаемый историк энергоносителя - вот те основные преимущества, обусловившие широкое использование сжатого воздуха на современном промышленном предприятии. Как показывает практика, до трети всей установленной производственной мощности расходуется на выработку сжатого воздуха.
Централизованная и децентрализованная схема снабжения сжатым воздухом на промышленном предприятии.
Преимущества и недостатки.
Любое современное предприятие
имеет в своем составе
Система воздухоснабжения - одна из наиболее сложных и неэффективных систем производства и распределения энергоносителей. Только 15%, затраченной на производство сжатого воздуха энергии, переходит в полезную энергию. Для достижения необходимого качества сжатого воздуха требуется большое количество дополнительного оборудования, что усложняет схему работы системы и увеличивает конечную себестоимость сжатого воздуха. Непременные атрибуты системы воздухоснабжения – протяженные и разветвленные воздухопроводы, большие утечки, повышенные гидравлические сопротивления, проблемы регулирования производительности компрессоров. Все вышеперечисленные факторы приводят к тому, что компрессоры промышленных предприятий должны работать в утяжеленном режиме, чтобы устранить потери сжатого воздуха. Соответственно, увеличиваются затраты энергии на привод и обслуживание компрессора и снижаются показатели надежности оборудования, что повышает стоимость сжатого воздуха.
Одним из способов повышения эффективности систем воздухоснабжения является переход к децентрализованной схеме снабжения потребителей. Устанавливая локальный компрессор в непосредственной близости потребителя, мы устраняем утечки сжатого воздуха и потери давления на преодоление гидравлического сопротивления сети воздухопроводов. Кроме того, облегчается процесс регулирования производительности, поскольку компрессор генерирует ровно столько сжатого воздуха, сколько необходимо потребителю. Естественно, количество децентрализуемых потребителей должно определяться исходя из технико-экономического расчета и анализа надежности системы воздухоснабжения, с учетом особенностей конкретной системы воздухоснабжения, для каждого отдельно взятого предприятия.
Необходимо чтобы полученный экономический эффект от проведенных мероприятий превышал затраты вложенные в их осуществление. Кроме того, необходимо учесть, что, вводя в систему дополнительные элементы, мы снижаем ее надежность и, соответственно, должны произвести действия направленные на повышение показателей надежности системы, что приведет к увеличению затрат на производство сжатого воздуха.
В конце девяностых годов прошлого века большую актуальность в нашей стране приобрела тема энергосбережения. Особенно заметный прогресс в этой области достигнут в теплоснабжении и электроснабжении, что совсем не удивительно, учитывая огромный вал проблем, скопившийся в отрасли жилищно-коммунального хозяйства в предшествующий период времени. На этом фоне “модных” тем энергосбережения проблема производства сжатого воздуха осталась несколько в тени, хотя генерация сжатого воздуха является важным технологическим процессом, без которого невозможно нормальное функционирование любого промышленного предприятия.
Пожалуй, сложно найти современное
предприятие, на котором не использовался
бы сжатый воздух и, соответственно, воздушные
компрессоры. Однако компрессорное
хозяйство не является основным технологическим
оборудованием, и реконструкция
компрессорной системы
Отчасти же пренебрежение реконструкцией компрессорного оборудования связанно с тем, что срок службы и ремонтопригодность компрессорных систем достаточно высоки. Если сложившаяся компрессорная система успешно проработала несколько десятков лет, то она будет работать и дальше, и нет острой необходимости что-то менять.
Производство сжатого воздуха - нерациональный, с точки зрения энергоэффективности, процесс. Дело в том, что сжатый воздух - это один из самых дорогих источников энергии. На его получение расходуется до 70% всей электроэнергии потребляемой, предприятием. И только 15% из затраченного электричества переходит в потенциальную энергию. Большая часть, примерно 85% - это тепло, выделяемое компрессором во время работы.
Кроме того стоимость компрессорной
системы за период 8-10 лет определяет
не стоимость самого оборудования и
не затраты на его обслуживание,
а стоимость потребленной электроэнергии,
что составляет около 72% от общей
стоимости компрессорной
В настоящее время
Централизованная схема
К – компрессор П - потребитель
Централизованная система воздухоснабжения имеет очевидные недостатки.
Наибольшие проблемы вызывают неплотности соединений труб в сети, соединяющей компрессорную установку с потребителями сжатого воздуха.
В протяженных и разветвленных воздухопроводах, которые являются неотъемлемым атрибутом центрального компрессора, теряется существенная часть сжатого воздуха. Если на новом предприятии в пути теряется не более 30% сжатого воздуха, такое положение считается нормальным. Кроме того, очевидно, что при наличии протяженных сетей значительная часть энергии тратится на преодоление гидравлического сопротивления сети. Это приводит к тому, что приходится поддерживать более высокое давление в сети. Перепад давлений между тем, что нужно потребителю и тем, что поддерживается в сети, может достигать 3-4 атм., а поддержание дополнительно одного бара давления приводит к увеличению затрат на электроэнергию на 7%. Также возникают проблемы при необходимости регулирования производительности компрессоров. Компрессоры должны с максимальным КПД обеспечить необходимый напор и расход у потребителя. При оптимальном выборе типа и количества компрессоров и регулирования режимов их работы необходимо иметь в виду, что рабочая точка нагнетателя определяется видом напорной характеристики нагнетателя и характеристики сети. 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. Кроме того, при работе в начале года, а также в выходные дни и в ночную смену, расход сжатого воздуха у потребителей снижается, и компрессоры выдают больше чем надо потребителю, что экономически нецелесообразно. Существуют несколько способов регулирования производительности компрессоров. Наиболее распространенные на практике: дросселирование; сброс воздуха в атмосферу; изменение количества оборотов двигателя; дросселирование воздуха на всасывании, путем изменения геометрии впускного клапана. При наличии достаточного числа поршневых компрессоров можно производить регулирование их производительности путем временного отключения поршневого компрессора. Регулирование дросселированием и сбросом воздуха в атмосферу широко используется на практике в силу простоты и дешевизны способов. Однако они не в состоянии обеспечить одновременное выполнение соответствия заданным значениям величин напора и расхода и неэкономичны. Временное отключение компрессоров весьма инерционный способ регулирования, не способный обеспечить потребителя нужным значением расхода сжатого воздуха. Самым экономичным способом регулирования является изменение числа оборотов двигателя. Однако частотные регуляторы имеют достаточно высокую цену и их установка должна быть обоснованна технико-экономическим расчетом. Хотя надо заметить, что в последнее время использование частотных регуляторов растет, что связанно с ростом тарифов на электроэнергию.
При централизованном воздухоснабжении в зимнее время года возникает вероятность замерзания конденсата в воздухопроводах и, как следствие, происходит закупорка проходного сечения трубы и даже разрыв труб. Если на предприятии с центральной компрессорной не применяются адсорбционные осушители, то службы, обслуживающие воздухопроводы, наверняка сталкивались с частым ремонтом воздухопроводов, перемораживанием конденсата в зимнее время и плохим качеством воздуха. Выпадение конденсата в пневмопроводах приводит к необходимости увеличивать расход сжатого воздуха на продувку, что приводит к лишним затратам электроэнергии. Установка дорогостоящих адсорбционных осушителей увеличивает стоимость компрессорной установки и конечную стоимость сжатого воздуха. Кроме того, увеличиваются затраты из-за роста гидравлического сопротивления воздушного тракта.
Все перечисленные недостатки централизованного воздухоснабжения можно устранить при помощи децентрализации системы воздухоснабжения. Данный метод повышения эффективности систем воздухоснабжения все чаще используется в настоящее время. Таким образом, при децентрализованной схеме снабжения потребителей мы можем существенно сократить потери сжатого воздуха, в результате чего можем снизить величину затрат на привод компрессоров, что приведет к уменьшению себестоимости производства единицы сжатого воздуха.
Очевидно, что принятие решения
о централизации или
АППАРАТЫ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СЖАТОГО
ВОЗДУХА И ИХ ПРИВОД
Классификация компрессорных машин
Машины для сжатия и перемещения газов или паров называются
газодувными или компрессорными машинами. В дальнейшем будем употреблять термин «компрессорные машины» или просто компрессоры.
Компрессоры можно классифицировать по целому ряду
признаков:
По виду сжимаемой среды:
компрессоры воздушные, азотные, этиленовые, для сжатия углеводородных газов, кислородные, аммиачные, фреоновые, углекислотные и т.д.;
По числу цилиндров (для поршневых):
одноцилиндровые,
многоцилиндровые;
По давлению всасываемого газа:
нормальные - давление у всасывающего патрубка
равно атмосферному;
дожимные - давление выше атмосферного;
По роду привода:
- с механическим приводом - от трансмиссий, валов, локомотивных осей и т. д.;
- с электрическим приводом — преимущественно от электродвигателей переменного тока;
- с паросиловым приводом - от паровой машины, паровой турбины;
- с приводом от газовой турбины;
- с приводом от двигателя внутреннего сгорания;
- газомоторные, представляющие из себя единую машину
«газовый двигатель-компрессор»
По числу ступеней сжатия:
одноступенчатые, многоступенчатые;
По местоположению компрессорного агрегата:
- стационарные - установленные на неподвижном фундаменте;
- транспортные (передвижные) - перемещающиеся со своей фундаментной рамой (авиационные, судовые, локомотивные,
трамвайные и т. д.) или перемещающиеся
на специальной тележке (для строительных работ, в
шахтах и т. д.);
По охлаждению:
- неохлаждаемые;
- охлаждаемые водой с внутренним (рубашечным) охлаждением
(во время цикла сжатия) и с промежуточным
охлаждением (между ступенями сжатия);
- охлаждаемые воздухом;
По развиваемому давлению:
- вакуум-компрессоры,
с давлением ниже атмосферного и обычно нагнетают в
пространство, где давление равно атмосферному или
выше;
- вентиляторы, давление нагнетания до 0,01 МПа;
-газодувки (воздуходувки), давление нагнетания от 0,01
до 0,35 МПа;
- компрессоры, давление нагнетания свыше 0,35 МПа;
В свою очередь компрессоры по развиваемому давлению
подразделяются на:
- компрессоры низкого давления, работающие в диапазоне
давлений 0,35-1 МПа;
- компрессоры среднего давления, давление 1-10 МПа;
- компрессоры высокого давления, 10-100 МПа;
- компрессоры сверхвысокого давления, свыше 100 МПа.
Вентиляторы делятся на:
- вентиляторы низкого давления (центробежные и осевые),
давление нагнетания до 1000 Па;
- среднего давления (центробежные), до 3000 Па;
- высокого давления (центробежные), до 10 кПа (в отдельных
экземплярах вентиляторов достигается давление
до 15 кПа);
По устройству и принципу работы:
- объемные, в том числе поршневые, с возвратно-
поступательно-движущимися поршнями, простого действия
с одной рабочей полостью или двойного действия
- с двумя рабочими полостями; ротационные, с вращающимися
рабочими органами - пластинчатые, роторные
и винтовые;
- лопастные (лопаточные), которые, в свою очередь, делятся
на центробежные (радиальные) с радиальным направлением
движения рабочего тела, осевые (аксиальные)
с осевым перемещением рабочего тела; лопаточные
центробежные и осевые компрессоры и воздуходувки
называются также
(турбомашины);
- струйные (эжекторы, аспираторы), с использованием
кинетической энергии предварительно расширившегося
рабочего тела для подсоса и сжатия воздуха (газа) низкого
давления.
Схема классификации воздушных приводных компрессоров
приведена на рис.
Поршневые компрессоры
Поршневые компрессоры, сжимающие воздух от 0,5 до
100 МПа и производительностью до 1,7 м3/с (100 м3/мин),рационально
применять на компрессорных станциях производительностью
до 8,33 м /с (500 м /мин).
На рис. 2 показана схема работы цилиндра крейцкопф-
ного компрессора двойного действия. Процесс сжатия воздуха
происходит в следующей последовательности. В цилиндре 1 поршень 2 совершает возвратно-поступательное движение. Усилие от коленчатого вала 3 на поршень передается через шатун 5 и крейцкопф 4. При движении поршня слева направо объем между внутренними стенками цилиндра и верхней частью поршня увеличивается, образуется разрежение, и атмосферный воздух поступает в компрессор через всасывающий клапан 6; нагнетательный клапан 7 при этом закрыт.
Со стороны нижней части поршня происходит уменьшение рабочего объема и сжатие находящейся там порции воздуха. Всасывающий
клапан 8 закрыт, а нагнетательный 9 открыт. При движении поршня справа налево процессы, протекающие сверху и снизу поршня,
меняются местами.
Поршневые компрессоры различают:
По способу действия: простого (рис. За и 36) и двойного
действия (рис. Зв);
По числу работающих цилиндров: одноцилиндровые
и многоцилиндровые;
По способу сжатия: одноступенчатые и многоступенчатые;
По конструктивному исполнению: вертикальные, горизонтальные
и угловые; однорядные и двухрядные —
с последовательным и параллельным расположением
цилиндров; с простым и дифференциальным поршнем;
крейцкопфные и
По способу охлаждения цилиндров и сжимаемого
воздуха:
с водяным и воздушным охлаждением;
По числу оборотов вала компрессора:
на тихоходные
(до 200 об/мин) и быстроходные (от 500 до
1000 об/мин);
По производительности:
до 10 м /мин - малой производительности;
от 10 до 100 м /мин - средней производительности;
свыше 100 м /мин - большой производительности;
По конечному давлению нагнетаемого воздуха: низкого
давления (до 2,5 МПа); среднего давления (до 6
МПа); высокого давления (до 35 МПа) и сверхвысокого
давления (свыше 35 МПа).
Типичные схемы наиболее распространенных конструкций
поршневых компрессоров представлены на рис. 4.
В одном цилиндре при хорошем охлаждении можно получить
сжатие воздуха лишь до 0,6 МПа при температуре,
безопасной для компрессорной установки.
Для получения более высокого сжатия с меньшей затратой
энергии при условии компактности компрессорной станции
применяются многоступенчатые компрессоры с промежуточным
охлаждением воздуха и очисткой его от влаги и масла.
В таких компрессорах атмосферный воздух сжимается последовательно
в каждом цилиндре, очищаясь от водяных паров и
паров масел после каждого межступенчатого охладителя воздуха.
В конструкциях многоступенчатых компрессоров широко
применяются ступенчатые (дифференциальные) поршни.
При этом две и более ступени сжатия могут быть размещены в
одном цилиндре.
В приводных компрессорах возвратно-поступательное движение поршня осуществляется через кривошипно- шатунный механизм, состоящий из коленчатого вала с кривошипом и шкивом или маховиком, шатуна и в некоторых конструкцияхтакже из крейцкопфа (ползуна) и штока. Коленчатый вал изготовляется из высококачественной стали. Шатун является звеном, связывающим коленчатый вал с ползуном, штоком и поршнем. Он служит для превращения вращательного движения коленчатого вала в возвратно-
поступательное движение поршня. Поступательно- качательное движение шатуна происходит в плоскости, перпендикулярной
к оси вала. Шатуны изготавливаются из качественных легированных и углеродистых сталей. Крейцкопф (или ползун) состоит из корпуса и башмаков и соединяет шатун со штоком поршня, обеспечивая совпадение осей штока поршня и цилиндра. Он движется прямолинейно в направляющих параллелях. Корпус ползуна отковывается из углеродистой стали, а башмаки отливаются из чугуна.
Поршневые компрессоры низкого давления до 1 МПа и малой производительности (до 0,33 (20 м /мин)) выпускаются главным образом бескрейцкопфными, простого действия, в вертикальном, V-образном и W-образном исполнениях. Многоступенчатые компрессоры производительностью до 20 м /с (120 м /мин) обычно изготовляются крейцкопфны- ми, в вертикальном и V-образном исполнениях, а также угловой конструкции.
Бескрейцкопфные компрессоры изготовляются с числом
оборотов от 500 до 1000 в минуту, а крейцкопфные чаще
всего в пределах от 200 до 500. Эксплуатируются также пря-
модействующие компрессоры без кривошипно-шатунного механизма,
со свободно движущимися поршнями, движение которым
передается от поршня двигателя внутреннего сгорания.
Марка компрессора является его индексом. Например,
компрессор 200В-10/8:
200 - ход поршня, мм;
В - назначение компрессора по роду сжимаемой среды
(воздушный);
10 - производительность, м /мин;
8 - давление нагнетаемого воздуха, ати.
Поршневые компрессоры обладают следующими общими
недостатками:
- относительно малой
ротностью, препятствующей в некоторых случаях осуществлению
непосредственного соединения компрессора
с быстроходными
- неравномерностью подачи воздуха в сеть, в результате
чего требуется установка воздухосборника;
- сравнительно большими габаритами машин и фундаментов
(особенно горизонтальные компрессоры);
- неуравновешенностью
Общие недостатки, присущие различным видам поршневых
компрессоров, являются причиной разработки и применения
других типов компрессоров.
Ротационные компрессоры
После поршневых компрессоров наиболее распространенным
типом компрессора является ротационный компрессор.
Ротационный компрессор имеет ту же зависимость между
подачей воздуха и давлением, что и поршневой, однако в поршневом компрессоре воздух сжимается в цилиндре поршнем, совершающим возвратно-поступательное движение с переменной скоростью, а в ротационном компрессоре воздух сжимается пластинками в камерах, которые образуются между вращающимся с постоянной скоростью ротором и цилиндрическим корпусом компрессора.
Наиболее распространенным видом ротационного типа
компрессоров является пластинчатый компрессор (рис.5). В
цилиндрическом корпусе 2 ротор 3 вращается на эксцентрично
расположенной оси 4. В пазы ротора вставлены стальные пластинки
5, которые при вращении ротора под действием центробежной
силы прижимаются к стенкам цилиндра. При этом
создается ряд камер 6, в которых происходит сжатие воздуха,
вошедшего через патрубок 1. При дальнейшем вращении в направлении, указанном на рисунке стрелкой, воздух вытесняется
через нагнетательный патрубок 7 в сеть.
В одноступенчатых ротационных компрессорах степень
сжатия находится в пределах от 3 до 5, а в двухступенчатых
ротационных компрессорах с промежуточным охладителем
достигает 9-13.
На заводах России ротационные компрессоры выпускаются
производительностью 0,1-1,67 м /с (6-100 м /мин). Конечным
давлением сжатия до 0,4 МПа
они изготовляются
а до 1,2 МПа - двухступенчатыми.
Число оборотов ротационного компрессора обычно
равно числу оборотов двигателя, непосредственно соединенного
с компрессором, что позволяет легко осуществлять регулирование
производительности
с необходимым числом оборотов.
Ротационные компрессоры успешно применяются там,
где не допускаются колебания грунта, и в небольших по объему
помещениях. Ротационные компрессоры имеют следующие
преимущества:
- большое число оборотов;
- малые габаритные размеры;
- малый вес;
- равномерная подача воздуха;
- отсутствие клапанов.
К недостаткам ротационных компрессоров следует отнести:
- сложность изготовления, монтажа и ремонта;
- ограниченное количество
марок, выпускаемых
ротационных компрессоров;
- низкий к. п. д. и малый коэффициент подачи;
- частое снижение
ввиду нагара, образующегося на лопатках ротора;
- высокая конечная температура сжимаемого газа;
- большой расход смазки и подача в сеть замасленного
воздуха;
- частые неполадки и аварии, в связи с чем - непродолжительный
срок службы.
К динамическим компрессорным машинам или турбокомпрессорам
относятся все виды центробежных, осевых, диагональных
и вихревых машин. Наибольшее распространение в
практике сжатия и транспортировки газов получили первые
две из перечисленных конструкций машин.
Ступень центробежного компрессора показана на рис.
6. На вал 1 насажены рабочие колеса, имеющие рабочие лопатки
4, закрепленные между дисками 2 и 3. При вращении
рабочего колеса воздух всасывается через входное отверстие и
центробежной силой отжимается к периферии. При этом повышается
давление и возрастает скорость воздуха. В диффузоре
5 избыточная кинетическая энергия воздуха превращается в
дополнительное давление.
Если напор одной ступени недостаточен, воздух последовательно
направляется через несколько рабочих колес; при
этом воздух из диффузора поступает в обратный направляющий
аппарат 6. Чем больше таких колес, последовательно насаженных
на вал, том большее давление создает турбокомпрессор
при повышенной окружной скорости, которая может
достигать 350 м/с. Для получения сжатого воздуха давлением
0,8 МПа требуется 8-10 лопастных колес, вращающихся со
скоростью 4500-10000 об/мин.
На рис. 7 приведена схема многоступенчатого осевого
компрессора. Лопатки 2 рабочего колеса компрессора представляют
собой профили, изготовленные таким образом, что воздух, входящий при вращении этих лопаток с большой относительной
скоростью, у выхода теряет часть этой скорости, вследствие чего происходит приращение напора. В направляющих аппаратах 1, 3 и 4 воздух или газ только меняет свое направление для входа на лопатки следующего ряда, или одновременно теряет значительную часть абсолютной (по отношению к неподвижным направляющим аппаратам) скорости и получает дополнительное давление.
Приводом турбокомпрессора обычно является синхронный
электродвигатель или паровая быстроходная турбина. Воздух, сжатый турбокомпрессором, не содержит масляных паров, так как в рабочей полости турбокомпрессора нет трущихся и смазываемых поверхностей. Турбокомпрессоры —малогабаритные, быстроходные и высокопроизводительные машины для сжатия воздуха; они выпускаются производительностью 1-55 м/с (4000-200000 м /час) и конечным давлением воздуха 0,7-1,1 МПа. В отличие от поршневых компрессоров турбокомпрессоры обладают свойством работать при различных режимах их эксплуатации. Каждый турбокомпрессор имеет индивидуальную характеристику, зависящую от конструкции машины.

- Воздух: температура, подвижность, влажность
- Воздушная герметичность – решающий критерий качества теплоизоляции
- Воздушная известь: получение, разновидности, применение, твердение
- Воздушная известь: получение, свойства и применение
- Воздушная лазерно-локационная съемка и ее применение в геодезии, топографии и инженерных изысканиях
- Воздушная перспектива
- Воздушная система вертолета Ми-8
- Воздухообмен, газообмен и размещения товаров в хранилищах
- Воздухоопорные конструкции
- Воздухоочистительные функции лесов
- Воздухоплавание
- Воздухоплавание
- Воздухоплавание (2)
- Воздухоподогреватели отопительных котлов