Сжатый воздух и компрессоры. Теоретические основы технологии сжатия воздуха

Казалось бы, в газовой индустрии нет ничего проще сжатого воздуха. Даже чтобы дать ему определение, не нужно напрягаться, вспоминая студенческие годы. Очевидно: это просто воздух, находящийся в условиях повышенного давления.

Однако каждый ли сможет в двух словах ответить, для чего нужен сжатый воздух?

Разумеется, областей применения можно назвать множество. И это неудивительно, ведь работа сжатого воздуха встречается практически повсюду, достаточно увидеть на улице отбойный молоток. Да и статистика утверждает, что в странах Европы около 10 % электроэнергии расходуется промышленностью на производство сжатого воздуха. Это соответствует 80 тераватт-часов в год. Таковы, во всяком случае, данные «Википедии».

Все это верно. Но это все же не ответ на вопрос «для чего?».

Между тем он, такой простой ответ, существует. Сжатый воздух в огромном количестве случаев служит человечеству для того, чтобы передавать механическую энергию. А еще, чтобы служить ее хранилищем. Ведь запасти, допустим, электричество не так-то просто. А механическую энергию сохранить относительно нетрудно. Достаточно лишь хорошенько заполнить газовый баллон.

Таким образом, выражаясь словами все той же «Википедии»: «По своей роли в экономике сжатый воздух находится в одном ряду с электроэнергией, природным газом и водой. Но единица энергии, запасенная в сжатом воздухе, стоит дороже, чем энергия, запасенная в любом из трех указанных ресурсов».

Примеров такого «энерго-механического» применения очень и очень много. Так, сжатый воздух используется для работы любого пневмопривода (т.е. все в том же отбойном молотке). Также он необходим для различных транспортных систем: и тех, что движутся сами, и для механизмов, перемещающих при помощи воздуха, скажем, сыпучие грузы.

Можно назвать и гораздо более экзотические примеры использования сжатого воздуха. Так, он применяется для морских и речных сейсмических исследований: в качестве средства разведки полезных ископаемых. Для этого необходим пневмоизлучатель, то есть генератор колебаний, создаваемых за счет его энергии. Спектр излучаемого сигнала зависит, в частности, от режима истечения сжатого воздуха. А по характеру волн, отраженных или преломленных земной корой, судят о ее геологических свойствах.

Казалось бы, совершенно новая область! Но если вдуматься, то же самое – передача энергии, просто в другой среде.

Существуют, тем не менее, и другие области применения сжатого воздуха. Самый очевидный из них – использование для дыхания. Например, он абсолютно необходим при дайвинге, то есть подводном плавании с аквалангом.

Важный вопрос, о котором обязательно стоит поговорить в связи со сжатым воздухом, – это его качество.

Если вдуматься, вопрос абсолютно логичный. Люди заботятся о качестве того воздуха, которым им приходится дышать. Вполне естественно предположить, что машинам и механизмам чистый воздух тоже «нравится» больше.

Между тем загрязнители в сжатый воздух, естественно, попадают. Во-первых, далеко не всегда у компрессоров, которые его «делают», есть система подготовки на входе. Соответственно, «в сырье» содержатся влага и механические примеси: пыль, различные частицы и т.д.

Мало того, компрессор, как правило, тоже не стерилен. Во многих таких агрегатах в больших количествах присутствует, например, масло. Соответственно, его частицы тоже попадают в сжатый воздух.

Это далеко не всегда безобидный процесс. Влага, содержащаяся в сжатом воздухе, способна серьезно вредить тем механизмам, в которых он затем используется. Самый простой пример такого процесса – это обычная коррозия.

То же относится и к механическим частицам. Попадая в трущиеся части механизмов, они сильно увеличивают их износ и ухудшают эксплуатационные характеристики.

Да и масло, проникшее в сжатый воздух, не несет в себе ничего хорошего. Бытующее мнение, что благодаря этому механизмы нужно меньше смазывать, по словам многих специалистов, ошибочно. Так как данное масло зачастую подвергается воздействию высоких температур и других неблагоприятных факторов, в нем появляются продукты разложения. Так что рассматривать его как смазочное вещество уже нельзя.

К тому же масло взаимодействует с влагой, попадающей из того же сжатого воздуха. В итоге оно само начинает способствовать коррозии. Мало того, образуются твердые осадки, вредные для любого механизма.

Словом, низкое качество (недостаточная чистота) сжатого воздуха способно повысить износ агрегатов, где он используется, и потребовать более частых его остановок для прочистки. В итоге все это серьезно увеличивает эксплуатационные издержки использующего его предприятия.

Именно требованиями к чистоте получаемого сжатого воздуха во многих случаях определяется выбор компрессора, который используется для его изготовления. Однако есть и другие факторы, влияющие на этот процесс. Важно, в каких условиях и в какой отрасли будет работать компрессор.

Существует великое множество видов различных компрессоров.

Разобрать все их в рамках одной статьи почти невозможно. Поэтому мы остановимся лишь на основных.

Наиболее интуитивно понятную схему представляет собой поршневой компрессор. Вращающийся двигатель (например, электрический), благодаря стандартной системе механизмов (скажем, через шатуны), генерирует возвратно-поступательное движение поршней. По существу, это «двигатель внутреннего сгорания наоборот». В цилиндрах воздух сжимается, а затем «изымается» через специальные клапаны.

Поршневые компрессоры бывают как стационарными, так и передвижными. Сфера их применения огромна. Так, они часто используются на пневмонагнетателях в процессе приготовления и подачи цементно-песчаных растворов и бетона. А в целом подобные агрегаты, как правило, предназначены для получения сжатого воздуха для технических нужд в различных отраслях хозяйственной деятельности.

Однако такие компрессоры малопригодны для работ при производстве газа (в частности, для получения азота и кислорода). Во-первых, они не очень подходят для длительной, а тем более непрерывной работы. Во-вторых, их износостойкость также, что называется, оставляет желать лучшего. И в-третьих, они вынуждены использовать очень много масла. Следствием становится низкое качество получаемого сжатого воздуха.

Поэтому для работы в составе кислородных и азотных линий часто выбирают так называемые винтовые компрессоры. В подобных устройствах воздух попадает в камеру сжатия, объем которой при вращении роторов постепенно уменьшается.

Такие агрегаты также различаются в зависимости от использования в них масла.

Маслозаполненный винтовой компрессор имеет довольно высокий КПД и эксплуатационные характеристики. Но поскольку проблема загрязнения продукции маслом в них остается, нередко они оснащаются дополнительными устройствами, обеспечивающими на выходе нужную чистоту. Для этого используются фильтры сжатого воздуха, рефрижераторы (обычно они используются для осушения, но некоторые устройства вместе с влагой удаляют и часть масла) и даже угольные адсорберы. По мнению некоторых специалистов, этого достаточно для решения довольно широкого круга задач.

В воздухе, вырабатываемом безмасляным винтовым компрессором, масло отсутствует. Поэтому в некоторых областях такое решение находит достойное применение. Однако за это приходится платить. Безмасляные компрессоры значительно сложнее и приблизительно вдвое дороже. К тому же они гораздо менее неприхотливы.

Существует и множество других видов компрессоров. Например, мембранные – это компрессоры, предназначенные для сжатия различных сухих газов без загрязнения их маслом и продуктами износа трущихся частей. Такие агрегаты применяются там, где имеются особые требования к чистоте продукции: например, в научных исследованиях, но также и на некоторых предприятиях.

Отдельно необходимо сказать несколько слов о передвижных компрессорах.

Они применяются в невероятно широком спектре отраслей. Помимо уже упомянутых пневмонагнетателей и пневмоинструментов, они необходимы, например, для установок бестраншейной прокладки кабелей и трубопроводов, а также иных строительных устройств и механизмов.

Другим интересным примером являются передвижные компрессорные станции, используемые на аэродромах. Там они нужны для заправки сжатым воздухом систем самолетов. Аналогичные компрессоры, кстати, применяются для других специальных целей: очистки трубопроводов, заправки баллонов дыхательных аппаратов в пожарных частях, наполнения сжатым воздухом кабелей связи и т.д.

Словом, сжатый воздух совсем не так прост, как кажется. И выбор технологий часто определяется именно тем, каким он должен получиться.

Хороший вопрос.
У Гулиа хорошая книга "В поисках энергетической капсулы" - в основном про маховики, но и про другие способы накопления тоже.
Цитата оттуда:

Чтобы узнать, сколько энергии накоплено в газе, нужно умножить его давление на объем. Кубометр воздуха весит чуть больше килограмма. Допустим, мы сожмем воздух в 500 раз, его давление будет - 500 атмосфер, или около 50 мегапаскалей (МПа). Тогда весь кубометр уместится в сосуде емкостью два литра. Если предположить, что баллон весит примерно столько же, сколько воздух (а это должен быть очень хороший, крепкий баллон!), значит, на каждый килограмм баллона придется только около литра сжатого воздуха. Но этот литр, одна тысячная кубометра, умноженная на 50 мегапаскалей давления, даст в результате 50 килоджоулей энергии!
Совсем неплохой показатель - 50 килоджоулей на килограмм массы аккумулятора! Плотность энергии почти вдвое выше, чем у лучшей резины. И долговечность такого аккумулятора очень высока - воздух не резина, он не изнашивается. Масса воздушного аккумулятора для автомобиля будет всего 500 килограммов. Его уже вполне можно установить на автомобиле в качестве двигателя.
...
Еще в прошлом веке во французском городе Нанте ходил трамвай, работавший от баллонов со сжатым воздухом. Десяти баллонов воздуха, сжатого всего до 3 мегапаскалей, при общем объеме 2800 литров, трамваю хватало, чтобы пройти на накопленной в воздухе энергии путь в 10...12 километров. Все равно я решил построить модель такого воздуховоза, чтобы самому убедиться в преимуществах и недостатках воздушного аккумулятора. Как мне представлялось, модель автомобиля-воздуховоза сделать несложно. По моим расчетам, для этого нужен был углекислотный огнетушитель, например автомобильный, который выбрасывает струю газа, а не пены, и тяговый пневмодвигатель, скажем от воздушной дрели или гайковерта. Но, увы, первое же испытание воздуховоза разочаровало меня. Я направил сжатый углекислый газ из огнетушителя в пневмодвигатель, а тот, чуть-чуть поработав... замерз. Да, да, покрылся инеем и остановился!

В принципе любой сжатый газ при резком расширении сильно охлаждается. Когда я, ничего не подозревая, крутанул вентиль баллона сразу до отказа и газ под большим давлением вырвался из отверстия, расширение оказалось столь интенсивным, что газ стал превращаться в снег. Не обычный, а утлекислотный, с очень низкой температурой. Такой снег, только спрессованный, часто называют "сухой лед", потому что он переходит в газ, минуя жидкую фазу. Мне не раз приходилось видеть "сухой лед", когда я покупал мороженое. Но главное - охлаждение значительно снизило запас энергии в сжатом газе. Ведь давление газа при охлаждении стремительно падает, а значит, уменьшается и количество выделяемой энергии. Это и было основной причиной остановки пневмодвигателя.

Можно, конечно, нагревать охлажденный газ, чтобы вернуть ему прежнюю температуру. Но ведь нагрев - затрата энергии. Газ когда-то сжимали, закачивая в баллон. Тут-то он и нагревался: газы, как известно, при сжатии нагреваются. Вот если бы горячий газ сразу же пустить в работу, то он охладился бы всего до исходной температуры. А при хранении баллон с горячим газом в конце концов остывает, принимает температуру окружающего воздуха. Отсюда и столь сильное охлаждение газа при выходе его из баллона, при расширении, отсюда и "сухой лед".

Использование сжатого воздуха

ПНЕВМООБОРУДОВАНИЕ

Использование сжатого воздуха

На троллейбусе используется энергия сжатого воздуха для привода в работу определенной группы аппаратов. Используемое давление 8 атм. Допустимый перепад – 1,5 атм. При этом перепаде (6,5-8,0атм.) аппараты продолжают нормально работать.

Аппарата, в зависимости от выполняемой функции, объединены в три системы:

I. Тормозная – для привода в действие колод.тормоза барабанного типа

1. Два тормозных резервуара
2. Четыре тормозных цилиндра
3. Камазовский тормозной кран
4. Нижние стрелки манометров

II. Вспомогательная – для поддержания кузова на одинаковом расстоянии от дороги (рабочая высота пневмоэлементов 290мм)

1. 6 пневмоэлементов
2. Вспомогательный резервуар (возможен и резервуар привода дверей)
3. Три регулятора уровня пола
4. Редуктор давления

III.Напорная (накопительная) – для сжатия, очистки и накопления воздуха

1. Двигатель-компрессор
2. Напорный (накопительный) резервуар (магистральный)
3. Регулятор давления (автомат компрессора)
4. Влагомаслоотделитель
5. Противозамораживатель
6. Обратный клапан
7. Предохранительный клапан
8. Буксирный клапан
9. Верхние стрелки манометров

-ВОЗДУХОПРОВОДЫ – стальные и медные трубки разного диаметра соединяют между собой аппараты пневмосистемы. К аппаратам, меняющим свое положение относительно шасси подведены резиновые шланги (регулятор давления, тормозные цилиндры, влагомаслоотделитель)

-РЕЗЕРВУАРЫ - для накопления, охлаждения сжатого воздуха и отдачи его по системам. При охлаждении в резервуарах скапливается конденсат, его необходимо периодически удалять через установленные на днище сливные краны при наличии давления в системе.

Представляют собой стальные цилиндрические емкости со сферическими днищами, внутри покрыты антикоррозийные покрытием.

Емкость одного резервуара 25л.

Новые резервуары испытываются заливкой масла, давлением – 13 атм.

Установлены: Два тормозных – под кабиной; два (три) остальных – под средней площадкой.

Уход :

1. После 1000 км. пробега проверять наличие утечки воздуха через краны

2. Не реже 1 раза в год снимать, очищать паром и горячей водой внутри.

3. Производить внешний осмотр при эксплуатации постоянно

ВЛАГОМАСЛООТДЕЛИТЕЛЬ

Служит для освобождения от влаги и масла воздуха, поступающего в систему

Cостоит из корпуса 7, имеющего верхнее и нижнее днище 2, 9. В корпус вмонтированы диффузор 6, решетка 3, входной патрубок 5, переходящий в направляющую спираль 4. Снизу установлен сливной кран.

1.Штуцер сливного крана 2. Днище

5. Входной патрубок 6. Диффузор

7. Выходной патрубок 8. Днище.

Работа: Сжатый воздух от компрессора поступает через входной патрубок 5 нижний отсек, там он расширяется, разгоняясь по спирали 4 . Тяжелые капли влаги и масла оседают на стенках и решетке 3 , стекают в углубление нижнего днища 2 . Затем воздух по диффузору поднимается вверх, оставляя на нем капли влаги и масла и через выходной патрубок 8 уходит в систему. Капли стекают по диффузору через решетку в нижнее днище и там накапливаются. Получившийся конденсат нужно периодически сливать через сливной кран, имеющий шаровый клапан и тягу.

До сих пор мы рассматривали применение сжатого воздуха для совершения механической работы, получения и переработки информации.

В металлургии сжатый воздух выполняет свою самую древнюю функцию участвует в технологических процессах в качестве реагента, содержащегокислород. Главная функция сжатого воздуха в металлургии - дутье, т.е. подача сжатого воздуха в самые различные производственные агрегаты - домны, мартены, конвертеры. Дутье является необходимым фактором технологических процессов в этих агрегатах, так как без воздуха, а точнее без кислорода, нет горения.

Первый из этих процессов - обогащение руды, т.е. повышение содержания железа или другого металла и понижение содержания вредных примесей. Один из способов обогащения - флотация. Ее осуществляют в специальных ваннах, куда подают тонко измельченную руду вместе с водой - пульпу. Через эту пульпу продувают сжатый воздух. Пенная флотация основана на том, что одни минералы не смачиваются водой, прилипают к пузырькам воздуха и поднимаются, а другие минералы смачиваются водой и остаются в пульпе. В результате частицы металла всплывают на поверхность, а пустая порода оседает на дне ванны.

В пневматических флотационных машинах сжатый воздух подается по трубам под небольшим давлением. Флотацию широко используют для обогащения руд цветных металлов, где содержание основного компонента низкое. В железных рудах содержание основного компонента гораздо выше, но и их приходится обогащать. В черной металлургии флотацию применяют для обогащения марганцевых руд и железорудных концентратов, содержащих 70-72 % железа.

Следующий металлургический процесс - агломерация т.е. окомкование мелких и пылеватых руд. Для этого пылеватую руду спекают на агломерационной машине. Агломерационная машина представляет собой металлический конвейер, каждое звено которого выполнено в виде решетки. На этот конвейер из бункера подают увлажненную мелкую руду, смешанную с небольшим количеством топлива - кокса. Конвейер проходит над мощными вентиляторами, которые просасывают воздух сквозь слой смеси руды с коксом. Кокс начинает гореть, руда разогревается до высокой температуры и из мелкой превращается в прочную пористую массу - агломерат. Домна, в которой используют агломерат, дает больше чугуна, чем домна без его применения.

Железо в руде находится в форме окислов. Целью доменного процесса является освобождение железа от связанного с ним кислорода - восстановление. Загрузочный аппарат засыпает в доменную печь в определенной пропорции рудные материалы, топливо (кокс) и флюсы. Загружают отдельные виды сырья слоями, чтобы увеличить поверхность их соприкосновения, на которой происходят химические реакции.

В нижнюю часть домны, в ее горн, через специальные отверстия - фурмы вдувают горячий воздух. Кислород, содержащийся в воздухе, взаимодействует с углеродом кокса, в результате чего образуется углекислый газ СО 2 . Он поднимается выше, проходит через кокс, вступает с ним в реакцию, продуктом которой является окись углерода СО. Поднимаясь выше, она отнимает у окислов железа содержащихся в руде, кислород и связывает его. Освободившееся железо вступает во взаимодействие с углеродом образуется сплав - чугун.

Для подачи дутья чаще всего используют центробежные воздуходувные машины с приводом от паровой турбины. На одну тонну чугуна расходуют 2500 - 3500 м воздуха, т.е. производительность воздуходувной машины составляет до 8000 м 3 /мин. Такое количество холодного воздуха охлаждало бы доменную печь и увеличивало бы расход топлива, поэтому перед подачей в домну воздух предварительно нагревают до 1100 - 1300 °С в воздухонагревателях - кауперах. Их располагают рядом с доменной печью.

Кауперы представляют собой закрытые металлическим кожухом башни высотой до 50 м и диаметром до 9 м. Внутри они разделены на две части: камеру сгорания и часть, заполненную насадкой из огнеупорного материала. В камере сгорания сжигают топливо. Продукты сгорания, проходя через насадку, отдают ей свое тепло и раскаляют ее. Когда насадка нагревается до высокой температуры, подачу топлива прекращают. После этого мощными воздуходувными машинами нагнетают в воздухонагреватель холодный воздух. Проходя через раскаленную насадку, воздух нагревается, и его направляют к кольцевому воздухопроводу, опоясывающему домну - фурменному поясу. Отсюда через фурмы воздух под давлением 0,35 - 0,4 МПа равномерно вдувается в домну.

Для нагрева насадки требуется определенное время. Поэтому для бесперебойного снабжения домны горячим дутьем возле нее устанавливают несколько воздухонагревателей. Одни из них нагреваются, а другие нагревают воздух. Заметим, что в воздухе содержится 1/5 кислорода и 4/5 азота, причем азот ни в каких химических реакциях не участвует, однако на его нагрев тратится тепло. Гораздо выгоднее осуществлять дутье в доменном процессе воздухом, обогащенным кислородом, или чистым кислородом.

Применение кислородного дутья упрощает доменный процесс, позволяет уменьшить его расход на единицу топлива. Это дает возможность уменьшить размеры и мощность воздуходувных установок, воздухонагревателей и трубопроводов, высоту доменных печей.

На целесообразность обогащения дутья кислородом указывал еще Д.И. Менделеев. Однако практическая реализация кислородного дутья стала возможной лишь в 30 - 40-х годах XX в., когда были созданы достаточно мощные машины для разделения воздуха на кислород и азот в больших количествах. Заслуга создания отечественной кислородной промышленности принадлежит академику П.Л. Капице.

Не меньшую роль играет сжатый воздух при выплавке стали. Если процесс выплавки чугуна - восстановительный, то выплавка стали из чугуна и металлического лома - окислительный процесс. При выплавке стали удаляются примеси - углерод, кремний, марганец, которые окисляются. А для окисления нужен кислород.

Бессемером и Томасом был разработан быстрый и эффективный способ «варки» стали - конвертерный. Он заключается в том, что расплавленный жидкий чугун продувают сжатым воздухом, и содержащийся в нем кислород соединяется с углеродом, кремнием и марганцем.

Конвертер представляет собой стальной сосуд грушевидной формы, сужающийся кверху. Изнутри он выложен огнеупорным кирпичом. В днище конвертера имеются отверстия, через которые подают сжатый воздух под большим давлением. В конвертер заливают расплавленный чугун, а затем продувают его снизу сжатым воздухом. В результате углерод быстро выгорает, и сплав почти полностью обезуглероживается - образуется сталь. При соединении кислорода с кремнием и марганцем выделяется тепло. Это избавляет от необходимости тратить топливо в конвертерном процессе.

Д.И. Менделеев называл бессемеровские конвертеры печами без топлива. Однако конвертерный способ при использовании продувки чугуна сжатым воздухом имел и ряд недостатков. При продувке металл насыщался азотом, содержащимся в воздухе. Это повышало хрупкость стали и ее склонность к старению. Кислород воздуха не затрагивал вредные примеси - серу и фосфор. При бессемеровском способе можно было применять не всякий чугун, а только содержащий кремний и марганец, которые при окислении выделяют большое количество тепла. Поэтому железный лом конвертерным способом перерабатывать было нельзя, а можно было использовать только жидкий чугун. Гораздо рациональнее использовать для продувки в конвертерном процессе не сжатый воздух, а чистый кислород. Однако во времена Бессемера его еще не научились получать из воздуха в больших количествах.

По всем этим причинам конвертерный способ выплавки стали надолго уступил место мартеновскому способу, который позволяет перерабатывать не только чугун, но и железный лом.

Топливом для мартеновской печи служит мазут или смесь коксового газа, получаемого в коксовых батареях, и доменно-колосникового газа. И эта смесь, и воздух перед подачей в мартен нагреваются в регенераторах. Отличие регенератора от воздухонагревателя доменной печи заключается в том, что для нагрева воздуха в воздухонагревателе сжигается топливо, а в регенераторе используется тепло, выносимое из мартеновской печи раскаленными продуктами сгорания топлива, т.е. осуществляется регенерация тепла.

Регенератор представляет собой большую камеру, выполненную из огнеупорного материала и заполненную ячейками из огнеупорного кирпича - насадкой. У каждой мартеновской печи две пары регенераторов для нагрева газа и воздуха. Пока одна нагретая пара отдает тепло холодным газу и воздуху и постепенно остывает, насадка другой пары регенераторов, через которые пропускаются уходящие из мартеновской печи продукты сгорания, нагре­вается ими. Когда насадка нагревается до определенной температуры, происходит автоматическое переключение направления потоков газа и воздуха. Нагретые регенераторы начинают работать - отдавать тепло газу и воздуху, а остывшие останавливают на нагрев. Эти переключения производят через ка­ждые 15 - 20 мин. Топливо подается в мартеновскую печь всегда с избытком воздуха, по­этому в ней всегда имеется окислительная среда. Уже в процессе загрузки чугуна и лома начинается окисление примесей.

Производительность мартенов составляет 100 т стали в час. Применение обогащенного кислородом воздуха и чистого кислорода интенсифицирует процесс выплавки стали в мартеновских печах так же, как и выплавки чугуна в домнах.

Однако прирост производства стали во всех странах в наше время происходит за счет строительства не мартеновских цехов, а кислородно-конвертерных. Кислородный конвертер устроен так же, как и бессемеровский. Отличие его от бессемеровского в том, что дно у него цельносварное, а кислород подается не снизу, а сверху, под высоким давлением (0,9 - 1,4 МПа). Корпус и днище кислородного конвертера облицованы огнеупорными материалами. Струя подаваемого кислорода внедряется в жидкий металл и вступает в реакцию с примесями чугуна. В течение первых 5-10 мин окисляются кремний и марганец. В результате реакции окисления выделяется тепло, и температура металла в конвертере поднимается до 1400 - 1450 °С После этого происходит быстрое окисление углерода - он выгорает. Кислород продолжают вдувать до тех пор, пока содержание углерода не снизится до 2%. При этом металл разогревается до 1600 °С Реакции окисления, прохо­дящие в конвертере, дают столько тепла, что его становится достаточно не только для нагрева жидкого чугуна, но и для расплавления железного лома.

Кислородно-конвертерный способ по сравнению с мартеновским и электросталеплавильным имеет более высокую производительность - до 400 - 500 т в час. К тому же он свободен от недостатков бессемеровского процесса и годится для любых видов чугуна и железного лома.

Конвертерный способ применяется не только при выплавке стали, но и при выплавке меди в цветной металлургии.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Теоретические основы технологии сжатия воздуха

2. Потребление сжатого воздуха на металлургическом предприятии

3. Характеристики компрессорных установок

4. Энерогосбережение сжатого воздуха на промышленном производстве

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

6. Система автоматизированного управления компрессорами на комбинате «Запорожсталь»

Список используемой литературы

1. Теоретические основы технологии сжатия воздуха

воздух металлургический компрессорный комбинат

Производство сжатого воздуха в металлургической отрасли выполняет свою самую древнюю функцию -- участвует в технологических процессах в качестве реагента, содержащего кислород. Главная функция сжатого воздуха в металлургии -- дутье, т.е. подача сжатого воздуха в самые различные производственные агрегаты -- домны, мартены, конвертеры. Дутье является необходимым фактором технологических процессов в этих агрегатах, так как без воздуха, а точнее без кислорода, нет горения

Сжатый воздух настолько широко используется в промышленности, что любой перечень его использования будет неполным. Ни одно промышленное или единичное производство не может обойтись без сжатого воздуха; ни одна больница, отель, электростанция или корабль не могут функционировать без него. Он используется в горнодобывающей промышленности, лабораториях, аэропортах и портах. Сжатый воздух необходим как для производства пищевых продуктов, так и для производства цемента, стекла, бумаги и тканей, в лесоперерабатывающей и фармацевтической промышленности.

Применение сжатого воздуха позволило механизировать и интенсифицировать ряд технологических процессов в промышленности. Широкому использованию сжатого воздуха как энергоносителя способствовали его особые свойства: упругость, прозрачность, безвредность, негорючесть, неспособность к конденсации, быстрая передача давления и неограниченный запас в природе. Однако производство сжатого воздуха дорогостоящий процесс, так как он требует большого количества электрической энергии на привод компрессоров. На ряде предприятий расход электрической энергии на выработку сжатого воздуха достигает 20...30% от общего количества потребляемой электрической энергии.

Сжатый воздух используют: все типы машин и устройств имеющие пневматический привод и управление. Пневматический инструмент используется для растяжения, распыления, полирования и затачивания, для штамповки, продувки, очистки, сверления и перемещения. Бесчисленные химические, технические и физические процессы и технологии управляются с использованием сжатого воздуха.

Неиспользование сжатого воздуха в качестве источника энергии невозможно в нашем высокотехнологическом мире.

Но что представляет собой сжатый воздух?

Сжатый воздух - это сжатый атмосферный воздух. Атмосферный воздух - это воздух, которым мы дышим. Это смесь различных газов: 78% азот, 21% кислород и 1% другие газы.

Состояние газа описывается тремя параметрами: давление р температура Т удельный объём V удел ьный объем

Воздух среднего давления необходим для пуска основных и/или вспомогательных судовых дизельных двигателей, генераторов на дизельных электростанциях. Сжатый до 30-40 бар воздух используется в промышленности, например, для испытания изделий на герметичность и прочность, а также для производства полимерной тары (т.е. в ПЭТ индустрии).

Высокое давление необходимо в большинстве областей использования для хранения больших объемов сжатого воздуха в максимально малых емкостях. Например, для получения и хранения атмосферного воздуха в сосудах под давлением 225 и 330 бар, которые используют аквалангисты, профессиональные водолазы, спасатели и пожарные.

Применение сжатого воздуха высокого давления в сочетании с высокой температурой создает оптимальные условия при покраске изделий свинецсодержащими красками. В металлургии при удалении окалины сжатый воздух управляет струей воды под высоким давлением. В гидрометаллургии сжатый воздух применяется в автоклавном производстве никеля, вольфрама.

Компрессоры высокого давления применяются при разведке, освоении, эксплуатации и обслуживании месторождений, при строительстве новых и модернизации существующих объектов нефтяной и газовой промышленности, при обучении технического персонала по эксплуатации трубопроводных систем. Сжатый воздух применяется для продувки и осушки трубопроводов, при ремонтных работах на действующих, а также при сварочных работах на новых трубопроводах, когда необходимо обеспечить герметичность швов.

На распределительных трансформаторных подстанциях компрессоры высокого давления (100-420 бар) используется для активации электрических переключателей, с помощью которых регулируется подача электроэнергии, передаваемой с подстанции конечным потребителям. Сухой сжатый воздух используется для изоляции силовых переключателей от окружающего воздуха высокой влажности. Сжатый воздух за доли секунды гасит высоковольтную дугу в высоковольтных размыкателях.

На ГРЭС, ТЭЦ сжатый воздух применяют для вентиляции и очистки хранилищ сырья от угольной пыли, очистки котельных от сажи, образующейся при сжигании углеводородного топлива, очистки от нагара внутренней поверхности дымовых труб. Сжатый воздух применяется для пуска и остановки турбин, охлаждения отработавшего в турбине ГРЭС водяного пара. На ГЭС сжатый до 40-70 бар воздух в сочетании с гидравликой позволяет корректировать мощность, выдаваемую гидротурбинами. Корректировка обеспечивается изменением положения лопастей рабочего колеса и направляющего аппарата, изменением сечения сопел гидротурбин.

Производство сжатого воздуха очень весьма энергозатратное как с вязи с низким КПД установок

Применяемые для получения сжатого воздуха машины характеризуются производительностью (подачей) V (м3/с) и степенью повышения давления _. Подача (производительность) компрессора рассчитывается по формуле

где л-- коэффициент подачи, учитывающий снижение производительности машины в реальном процессе; V т--теоретическая подача.Сегодня от 25 % до 40 % потребляемой на предприятиях электроэнергии приходится на производство сжатого воздуха.К сожалению, большинство традиционно применяемых систем подготовки и транспортировки сжатого воздуха крайне неэффективны -- их общий КПД не превышает 20 %. Соответственно, повышение эффективности этих систем по зволит достичь существенной экономии энергоресурсов Коэффициент подачи л находится по формуле

где з v -- объемный КПД компрессора, характеризующий снижение производительности вследствие неполного за3 полнения цилиндра или межлопастного пространства (с ростом конечного давления p 2 _v снижается, а при значительном увеличении степени повышения давления становится равным нулю и подача прекращается), для поршневого компрессора _зv = 0,7...0,9; зp учитывает снижение подачи вследствие сопротивления всасывающего тракта (воздуховод, воздушный фильтр, влагоотделитель), зp = 0,8...0,95; зt учитывает снижение производительности компрессора вследствие нагрева поступающего в компрессор воздуха за счет контакта с горячими металлическими стенками, зt = 0,9...0,95; зw учитывает снижение подачи вследствие влажности засасываемого воздуха, зw = = 0,98...0,99; зн учитывает влияние утечек и перетоков воздуха, зн = 0,95...0,98. Сжатый воздух, в силу своих свойств, существенно отличается от других энергоресурсов:

1. Сжатый воздух не обладает собственной калорийностью, характеризующей объемы использования пара и теплофикации;

2. Сжатый воздух не обладает теплотворной способностью, являющейся основной характеристикой всех видов топлива;

3. Сжатый воздух не используется в химических реакциях как кислород и твердое топливо;

4. В силу своей многокомпонентности сжатый воздух не может быть использован для образования защитной среды как азот и аргон;

5. Сжатый воздух не обладает высокой удельной теплоемкостью (как вода), характеризующей объемы перекачки технической воды;

6. Сжатый воздух, отчасти, как и электроэнергия, используется в различных по принципу действия приводах для трансформации в механическую работу;

7. Отличительной особенностью является возможность преобразования кинетической энергии струи энергоносителя (струйные пневмоприемники) в механическую.

Все эти отличия обусловливают специфику использования сжатого воздуха как энергоресурса. Основной характеристикой ресурса является способность выполнения работы единицей объема при рабочих параметрах. Отсюда вытекает прямая зависимость расхода ресурса от его плотности в сжатом состоянии. В свою очередь, плотность расходуемого воздуха зависит от давления и температуры.

Перечисленные выше свойства сжатого воздуха как энергоресурса и специфические особенности его выработки определяют необходимость организации работы по энергосбережению у потребителей, в сетях и на источниках сжатого воздуха. Необходимо искать и реализовывать наиболее эффективные способы выполнения этой работы, направленной на изменение и настройку системы распределения (конфигурацию и параметры сетей сжатого воздуха) в условиях изменения структуры основных потребителей и постоянно меняющихся требований к параметрам ресурса.

На металлургическом комбинате источником сжатого воздуха являются компрессорные станции кислородного цеха и локальное компрессорное оборудование, установленное непосредственно в подразделениях комбината. Спецификой распределения сжатого воздуха являются значительная протяженность сетей, различные требования к параметрам сжатого воздуха (давлению, степени осушки) у потребителей, географическая разбросанность источников и основных потребителей.

Одними из основных потребителей эл.энергии в кислородном производстве крупных металлургических предприятий являются компрессоры.В основном для воздушной компрессии применяются центорбежные многоступенчатые компрессоры с промежуточным охлаждением воздуха между ступенями типа К-1700,К-1500 ,К-500,К-250.

2. Потребление сжатого воздуха на металлургическом предприятии

Не меньшую роль играет сжатый воздух при выплавке стали. В мартеновские печах если процесс выплавки чугуна -- восстановительный, то выплавка стали из чугуна и металлического лома -- окислительный процесс При выплавке стали удаляются примеси -- углерод, кремний, марганец, которые окисляются. А для окисления нужен кислород.

Сжатый воздух, производимый в кислородно компрессорном цехе используется на технологические нужды в мартеновских (25-70%), прокатных (15-35%) и доменных цехах (5-15%). Расход сжатого воздуха в доменных цехах значительно превышает расход воздуха в каких-либо других производствах. Так, для получения 1т чугуна необходимо около 3000 м3 воздуха при нормальных условиях. Для дутья в доменные печи необходим воздух давлением 0,3-0,4 МПа.

Удельные расходы электроэнергии на основные виды продукции составляют:

Сжатый воздух к потребителям транспортируют с помощью развитой сети воздухопроводов, с воздуходувной и компрессорной станций раздельно. Воздухопроводы к доменной печи теплоизолированы, так как температура воздуха после сжатия повышается до 200 0 С. Эти воздухопроводы имеют диаметры, достигающие 2500 мм.

Для сжигания топлива в обжиговых, нагревательных и термических печах используют сжатый воздух давлением 0,003-0,01 МПа, подаваемый центробежными нагнетателями (вентиляторами), устанавливаемыми в непосредственной близости от потребителя.

Общее требование для сжатого воздуха - отсутствие механических примесей, влаги, паров масла. Очистка от механических примесей осуществляется с помощью фильтров, а от влаги и паров масла - путём охлаждения сжатого воздуха. Однако при этом не вся влага конденсируется, и её наличие в трубопроводах может привести к образованию зимой ледяных пробок. Получение сжатого воздуха требует значительных затрат (так, стоимость доменного дутья - 30% стоимости чугуна).

СВС промышленного предприятия строго соответствует данному выше определению системы, включая основные ее элементы: генератор - компрессорную станцию, коммуникации сжатого воздуха и распределительные устройства потребителя. Она предназначена для централизованного обеспечения разнообразных промышленных потребителей сжатым воздухом требуемых параметров (давление, температура, расход, влажность) в соответствии с заданным графиком потребления. СВС включает в себя компрессорные и воздуходувные станции, трубопроводный и баллонный транспорт для подачи сжатого воздуха к потребителям и распределительные устройства сжатого воздуха самого потребителя.

Сжатый воздух на промышленном предприятии используется по двум основным направлениям: технологическому (для выплавки чугуна и стали в металлургии, получения кислорода в воздухораспределительных установках и т.д.) и силовому (для привода различных машин и механизмов в машиностроении, горнодобывающей промышленности, кузнечном и других производствах).

Компрессорная станция для производства сжатого воздуха включают в свой состав устройства для забора воздуха, очистки его от пыли, компрессоры и приводные двигатели, теплообменники охлаждения, вспомогательное оборудование, предназначенное для дополнительной обработки воздуха (осушка, очистка, изменение давления, аккумуляция).

В зависимости от необходимых потребителям расхода воздуха и его давления станции оборудуются центробежными компрессорами с избыточным давлением сжатого воздуха 0,35-0,9 МПа и единичной производительностью 250-7000 м 3 /мин или поршневыми - соответственно с давлением 3-20 МПа и единичной производительностью не более 100 м 3 /мин.

Коммуникации сжатого воздуха имеют радиальные (III на рис. 1а) и кольцевые (IV на рис. 1б) участки. Последние применяют при компактном, сосредоточенном расположении потребителей, а также при повышенных требованиях к надежности обеспечения сжатым воздухом потребителя (позиция 3).

При воздухоснабжении от поршневых компрессоров в линии сжатого воздуха всегда устанавливаются ресиверы 11 выполняющие роль аккумуляторов при различии расходов воздуха, выработанного компрессором и необходимого потребителю. Для СВС с турбокомпрессорами роль аккумулирующих емкостей выполняют трубопроводы, диаметр и протяженность которых достаточно велики. Наиболее распространенная схема воздухоснабжения крупных технологических потребителей сжатого воздуха (например, доменных печей) показана

Рис. 1 .1Схема воздухоснабжения промышленного предприятия

Рис.2.1 Схема воздухоснабжения крупных потребителей сжатого воздуха

Доля расхода первичной энергии для производства сжатого воздуха на различные нужды колеблется от 5 до 30% от общего энергопотребления на производство конечного технологического продукта.

Большое значение сжатого воздуха как энергоносителя определяется еще и тем, что от надежности систем воздухоснабжения зависит и надежность, а в ряде случаев и безопасность осуществления технологического процесса.

Прекращение подачи воздуха в большинстве случаев ведет к крупной аварии на предприятии.

В металлургии сосредоточены и самые крупные компрессорные агрегаты как поршневые, так и турбокомпрессоры. Некоторые из них, например, КТК-25 и КТК-12,5, созданы специально для доменных печей заводов черной металлургии. На предприятии металлургии наибольший процент турбокомпрессоров из общего количества компрессорных машин, а доля поршневых компрессоров составляет около 20% и имеется тенденция к ее уменьшению.

Доля энергопотребления на производство сжатого воздуха на предприятиях составляет 5 7% от общего расхода энергии на производство основного продукта цеха, предприятия, а удельные расходы энергии на производство сжатого воздуха составляют от 80 до 140 кВт*ч/1000 м 3 (в зависимости от типа компрессоров, условий охлаждения и эксплуатации).

Расход сжатого воздуха на единицу продукции для наиболее крупных технологических потребителей составляет: для производства чугуна 800-1000 м 3 /т чугуна, мартеновской стали 60-140 м 3 /т стали, конвертерной стали 30 м 3 /т стали, электростали 70 м 3 /т стали, на прокатных станах 20 50 м 3 /т проката. Большие количества потребления сжатого воздуха единичным потребителям и индивидуальный технологический режим потребления приводят к необходимости блочной компоновки компрессора и технологического агрегата с индивидуальным регулированием и расположением компрессора у потребителя.

Сопоставимо с черной металлургией по абсолютным масштабам потребление сжатого воздуха на предприятиях цветной металлургии, хотя в этой отрасли и отсутствуют такие крупные единичные потребители, как доменные печи или конверторы. Этим объясняется и большое разнообразие применяемых для воздухоснабжения нагнетательных машин: отличающихся по производительности и давлению поршневых компрессоров, турбокомпрессоров и особенно воздуходувок с давлением нагнетания от 0,15 до 0,25 МПа.

Крупные потребители сжатого воздуха сосредоточены в литейных и кузнечных цехах машиностроительных заводов (пескоструйные аппараты, прессы, трамбовки, вибраторы, обрубные машины).

Также потребители сжатого воздуха сосредоточены в литейных и кузнечных цехах.Большое разнообразие мелких потребителей, индивидуализация режимов их работы определяет сложные графики воздухопотребления, характеризующиеся значительной суточной и недельной неравномерность. Большие количества сжатого воздуха потребляют воздухоразделительные установки (ВРУ). Этот тип потребителя может рассматриваться как обособленно, так и в качестве под отрасли.

Особенность потребления воздухоразделительными станциями определяется спецификой самих ВРУ, эксплуатационные режимы которых трудно поддаются регулированию. Поэтому графики нагрузок воздушных компрессоров для ВРУ постоянны. Параметры сжатого воздуха как исходного сырья для воздухоразделительных установок разнообразны и также определяются типом установок.

Установки большой производительности и низкого давления с единичным потреблением воздуха (20000 90000)м 3 /ч обслуживаются турбокомпрессорами К-1500-62-2, К-250-41-2, К-500-42-1.В установках средней и малой производительности давление потребляемого воздуха может быть 3 20 МПа, и для этих ВРУ используются поршневые, а в последнее время и винтовые компрессоры.

Для ВРУ характерно, что затраты энергии на сжатие воздуха составляют, в зависимости от типа установок, от 70 до 90% всех энергозатрат установки.

Снабжение потребителей на промышленных предприятиях воздухом в значительной мере осуществляется от локальных воздухоподающих установок и станций. Общая централизованная система вохдухоснабжения применяется только для некоторых отдельных параметров, в первую очередь компрессорного воздуха. Обычно промышленное предприятие оборудовано одной или несколькими компрессорными станциями, которые обеспечивают всех потребителей сжатого воздуха давлением 4-7 ати. Воздух других параметров подаётся потребителям от местных установок. Подобная структура схемы воздухоснабжения вызвана рядом соображений. Во-первых, большинство потребителей требует каждый своих конкретных параметров воздуха. Обеспечить централизованным воздухоснабжением весь набор этих параметров весьма сложно. Транспортировка воздуха от общих воздухоподающих станций потребовала бы большого числа длинных и разветвлённых трубопроводов разного диаметра, пересекающих во всех направлениях территорию завода. Стоимость сооружений всей этой системы была бы очень велика. Во-вторых, транспортировка больших масс воздуха на большие расстояния вызвала бы большие потери напора и, следовательно, потребовала бы установки высоконапорных машин и большого перерасхода энергии. В-третьих, регулирование расхода или давления воздуха данных параметров, учитывая небольшое число крупных потребителей этого воздуха и их взаимное влияние, было бы крайне осложнено.

Подавляющее большинство металлургических потребителей, особенно крупных, снабжаются воздухом от собственных установок. При этом установка или станция может обслуживать либо отдельный агрегат (например, печь), либо группу агрегатов, в основном, однотипных.

3. Характеристики компрессорных установок

На рис.3.1 показана эксергетическая диаграмма потоков системы воздухоснабжения, из которой видно, что наибольшая часть потерь (до 50%) приходится на 1-й элемент системы - компрессорную станцию, в том числе и потери со сбросным теплом охлаждения компрессора, составляющими около 15%. С учетом потерь в коммуникации () и у потребителя () КПД системы составляет 30%.

Таблица 2.1.

Структура приведенных затрат

Как видно из табл. 2.1., капитальные вложения в структуре приведенных затрат составляют не более 8%, что указывает на важность любых мероприятий, направленных на улучшение эксплуатационных показателей компрессораУвеличение единичной мощности агрегатов на станции № 2 (например, полная или частичная замена компрессоров К-250-61-5 на компрессоры К-500-62-1 или К-1500-62-1) может привести к снижению себестоимости сжатого воздуха на 5-11%. К значительному снижению себестоимости сжатого воздуха на 15-25% приводит утилизация теплоты сжатия.

Сжатый воздух применяется на электроподстанциях для приведения в действие пневматических приводов выключателей и разъединителей. В воздушных выключателях сжатый воздух используется для гашения электрической дуги и вентиляции внутренних полостей выключателей для удаления осаждающейся на них влаги. В выключателях с воздухонаполненным отделителем, а также в выключателях серий ВВБ, ВНВ и др. сжатый воздух выполняет роль основной изолирующей среды между главными контактами выключателя, находящегося в отключенном положении.

Потенциальная энергия сообщается воздуху в процессе его сжатия и используется затем в пневматических приводах для совершения механической работы. Потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию струи расширяющегося сжатого воздуха.

Для работы воздушных установок сжатый воздух накапливается в резервуарах этих установок. В свою очередь резервуары пополняются от систем, предназначенных для получения сжатого воздуха.

Подбор оптимальной схемы распределения и рациональных режимов производства и потребления сжатого воздуха ведет к экономии, что не может не оказать значительного влияния на энергобаланс предприятия в целом. Поскольку на производство сжатого воздуха расходуется электроэнергия, его экономия влечет за собой снижение затрат на покупку энергоресурсов.

Особенностью выработки сжатого воздуха является то, что производительность компрессорного оборудования зависит от сезонного изменения плотности атмосферного воздуха (летом плотность воздуха на 15-17% ниже, чем зимой) и давления нагнетания.

Увеличение давления с 5,0 до 6,0 кгс/см2 влечет снижение производительности компрессора на 4-7%, а затраты энергии на компремирование при этом возрастают на 7-10%. Существенным фактором, негативно влияющим на работу компрессорного оборудования, является неритмичное потребление сжатого воздуха, объемы которого доходят на некоторых компрессорных станциях до 40%. Для обеспечения стабильной работы потребителей, при наличии значительных объемов неритмичного потребления, персонал компрессорных станций вынужден поддерживать повышенное давление сжатого воздуха на источниках. Кроме того, знакопеременные нагрузки на оборудование при частых циклах «загрузки-разгрузки» компрессоров влекут преждевременный выход из строя отдельных узлов, на восстановление которых требуются значительные финансовые средства, время и трудозатраты.

Энергетические характеристики компрессора

На рис. 4 представлены энергетические характеристики компрессора К-1500 сразу после обработки ТСП ПЗС. Диапазон изменения производительности - 70...90 тм 3 /ч. Диапазон изменения давления - 6,0...6,6 кгс/см 2 . Показатели потребления электроэнергии снимались со счетчика активной составляющей электроэнергии. Все показания фиксировались штатными приборами.

На рис.1 представлены аналогичные характеристики по результатам повторных испытаний 22.07.12 г. Условия проведения испытаний хуже условий предыдущих, так как температура всасываемого воздуха была +24°С против +3°С 30.04.12 г.

После проведения обработки компрессор отработал 1944 часа. На этом же рисунке представлена кривая энергопотребления компрессора в 2011 г. Для корректности сравнения результатов энергопотребления выбраны одинаковые значения производительности компрессора, то есть сравнивается потребление электроэнергии агрегата при одинаковом выпуске объема продукции.

На рис.2и3 показано сравнение удельных норм потребления электроэнергии в трех временных точках (2011 г., 30.04.12г., 22.07.12 г.), при трех фиксированных значениях выработки воздуха (75 тм 3 /ч, 80 тм 3 /ч, 85 тм 3 /ч).

Рис.6 Временной график производства сжатого воздуха выбранный в определенный момент времени.

Рис.7 Замер расхода сжатого воздуха на линии мартеновского трубопровода к мартенам

По окончании замеров были получены следующие результаты:

· Пиковый расход на данном участке достигает величины 12,5 м3/мин.

· Однако на графике видно, что минимальная величина расхода при кратковременных рабочих перерывах соответствует величине 5,5 м3/мин. Во время данных перерывов потребители сжатого перезагружали печь.

· Из этого следует вывод, что данная величина соответствует утечкам в пневмосети данного участка. Действительно, во время визуального осмотра участка были обнаружены частичные утечки в запорной арматуре, нарушение трубы, в пневмоцилиндрах.

· Отняв величину утечек, получим реальное потребление в верхних пределах до 7 м3/мин.

· Реальная средняя величина расхода составляет от 3,5 до 5 м3/мин. Отдельные кратковременные пиковые значения до 2-х м3/мин сверх средней величины занимают не продолжительное время, интервалами от 0,5 до 1,5 минут. Такие кратковременные импульсы расхода сжатого воздуха легко компенсируются запасом сжатого воздуха в ресиверах-воздухосборниках имеющегося объёма.

· Таким образом, сократив величину утечек хотя бы до 0,5 м3/мин, можно взять за ориентир средний расход на данном участке 6,5 м3/мин.

Рис8 Замер производительности компрессорных установок компрессорной станции.

Замеры производительности компрессорных установок производились в рабочую смену, что бы исключить влияние рабочего процесса производства на выполнение и достоверность замеров.

Для каждого компрессора были созданы одинаковые условия. В мартеновском цеху был открыт вентиль обеспечивающий выход потока сжатого воздуха в атмосферу. Компрессоры включались поочерёдно согласно порядку указанному на графике ниже. Отводилось определённоё время для выхода компрессора на номинальный режим работы. По контрольным манометрам, установленным в компрессорной станции и на воздухосборниках, отслеживался момент, когда давление в системе стабилизировалось. Регулярно, это было давление величиной 0,25 МПа (или 2,5 бара). Проработав в этом режиме в течение 1-2 минут, для того чтобы расходомер зафиксировал стабильные показатели, компрессор выключался и процедура повторялась со следующим компрессором

Были получены следующие результаты:

· Наилучшие показатели выявлены у компрессоров №1 и №3 - 18,47 и 18,8 н.м3/мин. соответственно.

· Худшие показатели у компрессора №2 -16,65 н.м3/мин. и №4 - 15,7 18,8 н.м3/мин. Низкие показатели производительности говорят о плохом состоянии поршневой группы и системы клапанов данных компрессорных установок.

· При повышении нагрузки на компрессоры, то есть повышение давления в пневмосистеме до рабочего 6,5-7 бар, показатели производительности станут ещё ниже по указанной выше причине.

Высокие коэффиценты рабочего времени,использования производительности и заполнения годового графика имеют воздушные компрессора кислородного производства, ВТО время как общезаводские компрессорные станции менее загружены. Полученные показатели дают общее представление о работе компрессорного оборудования, но не оценивают в полной мере его техническое и термодинамическое состояние.

Для оценки совершенства сжатия воздуха в компрессорах с охлаждением принято пользоваться КПД,который зависит от ряда факторов:

Количества неохлаждаемых групп ступеней-секций;

Полной степени повышения давления;

Степени повышения давления секций;

Количества промежуточных охладителей4

Потерь давления в них;

Начальной температуры воздуха и охлаждаемой воды.

Изометрический КПД для идеального компрессора при 2-х промежуточных охладителях и полной степениповышения давления,равной 8,состовляет 90%.По результатам приборного энергетического обследования изометрический КПД колеблется 61-69%,что является приемлемым для компрессоров70-80-х годов Невского завода(НЗЛ).

При перерасчете с полезной мощности компрессора на электрическию принимались следующие значения КПД:

Мех.КПД з м =0,98-0,99;

КПД утечек з ут. =0,96-0,97;

КПД зубчатой передачи з з.п. =0,98-0,99;

КПД электродвигателей з эл.двиг. =0,97

Общий КПД с учетом политропного сжатия воздуха в ступенях колеблется от 72-82%.

Фактическая объемная производительность воздушных компрессоров турбокомпрессоров в летний период ниже паспортной, то же самой можно и о давлении на выходе из компрессора.Работа компрессора на меньшее давление, чем номинальное,приводит к неоптимальному распределению давления по ступеням. Таким образом,отклонение степени повышения давления от теоретически оптимального сопровождается увеличение удельной работы компрессора и в целом приводит к завышенному расходу эл.энергии.

Неэффективное промежуточное охлаждение воздуха водой в теплообменниках также приводит к увеличению удельной работы сжатия в ступенях и к повышению потребляемой мощности.

Были представлены результаты воздушного компрессора К-1500-62-2.Данные показывают,что недоохлаждение воздуха до начальной температуры 35-40 0 С ведет к повышению затраченной мощности на 1,5и 1,3 МВт.

Возможное снижение удельной работы сжатия и эл.мощности воздущных компрессоров в результате охлаждении воздуха до 40 и 35 0 С.Из рисунка видно,что охлаждение воздуха до 40 и 35 0 С позволяет снизить удельную работу сжатия и потребляемую мощность компрессора в среднем на 15-20%.

На рис показано, что за 10 лет эксплуатации компрессора стоимость энергии, необходимой для работы системы, существенно превышает начальные капиталовложения. На этом рисунке видно, что на долю техобслуживания приходится 7% совокупных затрат, но оно необходимо для достижения максимальной эффективности любого компрессора. На типичном промышленном предприятии на долю сжатого воздуха приходится до 10% совокупных затрат на электроэнергию, при этом на некоторых производствах эта доля выше.

Структура затрат определяется конкретными условиями. Ее примерный вид показан на рис. 1.

Самую большую долю затрат составляет оплата электроэнергии, потребленной компрессором. Эта сумма определяется двумя основными факторами:

Энергией, вкладываемой в сжатие 1 м3 воздуха, зависящей от давления нагнетания (рис),

Стоимостью киловатт-часа электроэнергии.

Так, при стоимости киловатт-часа 88 коп. и давлении нагнетания 7 бар затраты на электроэнергию, необходимую для производства 1 м3 сжатого воздуха, составляют 1,2 грн. Это нижняя граница диапазона стоимости кубометра воздуха, когда не учитываются стоимость оборудования и затраты на эксплуатацию. В действительности с учетом остальных статей затрат суммарная стоимость 1 м3 сжатого воздуха превышает "электрическую" составляющую в 1,5 - 2 раза. Таким образом, стоимость сжатого воздуха составляет в среднем 1,4 грн./м3. Конечно, возможны существенные отклонения от этой оценки, связанные с условиями на конкретном предприятии - стоимостью киловатт-часа, стоимостью оборудования, затратами на техобслуживание и т. п.Вооружившись этими данными, можно оценить масштабы убытков, связанных с утечками воздуха. Рассмотрим конкретный пример из практики пневмоаудитов - линию упаковки косметической продукции, состоящую из шести машин. На рис. 3 показана запись расхода сжатого воздуха, поступающего в линию.

На диаграмме четко видны два режима работы линии:

1. Линия работает, при этом пиковые значения расхода воздуха достигают 6 - 7 м3/мин.

2. Линия стоит, при этом она потребляет около 1 м3/мин.Согласно документации, потребление воздуха машинами в режиме останова должно равняться нулю. В действительности даже остановленная линия непрерывно потребляет сжатый воздух, что объясняется утечками. Потери воздуха происходят в соединениях, в клапанах отвода конденсата, в изношенных пневмораспределителях и исполнительных механизмах. Так, среднее измеренное потребление одной из машин этой линии оказалось в 2,4 раза выше, чем указанное в документации. В отключенном состоянии машина потребляет воздух в количестве 170% от проектного рабочего потребления. Годовые убытки, обусловленные утечками в данной упаковочной линии, достигают 260 тысяч рублей, а на крупном предприятии могут работать десятки подобных линий. Идеальным решением проблемы является полное устранение утечек, к чему, конечно, следует стремиться. Однако достичь этой цели не всегда удается, поэтому можно частично сократить объем утечек, отсекая подачу воздуха во временно неработающие ветви пневмосети. Так, при установке отсечных клапанов на входах машин упаковочной линии срок их окупаемости составил всего 2,5 месяца.

4 . Энергосбережение сжатого воздуха на промышленном производстве

Стремление к энергетической независимости на металлургии обуславливает необходимость сокращения покупной электроэнергии на выработку вторичных энергоносителей, в том числе и на сжатый воздух. В состав металлургического производства входят агломерационный (6 агломашин), доменный (4 доменных печей), мартеновский (9 печей) цеха и цех подготовки сталеразливочных составов. Прокатное производство имеет в своем составе 4 прокатных цеха, предназначенных для производства горячекатаной и холоднокатаной листовой стали, стальной ленты, белой жести и холодногнутых профилей. Максимальная производственная мощность по горячекатаному прокату -- до 3,7 млн.тон, по холоднокатаному прокату -- 1,1 млн. тонн, по холодногнутым профилям -- до 500 тыс.тонн.

Снижение производительности сжатого воздуха за счет строительства нового компрессорного оборудования.

Проект предусматривает сокращение потребления электроэнергии за счет использования современного энергоэффективного оборудования на базе компрессорных агрегатов для установок-воздухоразделителей «Air Liquide» по производству кислорода. Внедрение компрессорных агрегатов приведет к сокращению потребления электроэнергии в 1,33 раза по сравнению с существующим потреблением, а именно: с 99,8 кВт-ч/1000 нм 3 до 74,8 кВт-г/1000 нм 3 .

Техническое задание проекта

Проект предусматривает строительство двух новых компрессорных агрегатов с электроприводом производительностью 160 тыс. 3 /час каждый

В состав проекта строительства компрессорной станции для установок-воздухоразделителей «Air Liquide» входит строительство компрессорных агрегатов, их электродвигателей, устройств регулирования частоты оборотов компрессоров, системы шумоглушителей, оборудования для всасывания воздуха (клапаны, фильтры и т.д.), а также устройств для плавного пуска. Общегодовое (перспективное) производство сжатого воздуха будет составлять около 6000 млн. м 3 /год.Для обеспечения полного объема производства сжатого воздуха, а также в качестве резервного компрессорного оборудования планируется использовать существующие компрессорные агрегаты.Обеспечение электроэнергией электрических приводов компрессорных агрегатов планируется осуществлять от собственной парогазовой электростанции.Общая установленная мощность электродвигателей двух компрессоров будет составлять 23,95 МВт.

Эффективность проекта

Основная цель проекта заключается в улучшении эффективности производства сжатого воздуха для установок-воздухоразделителей «Air Liquide» по производству кислорода на ОАО «Запорожсталь» и, таким образом, достижении сокращения объемов потребления энергоресурсов, в частности электроэнергии на 25 кВт-ч/1000 нм 3 , или на 70,1 млн. кВт-ч/год (при производстве 2,8 млрд. нм 3 /год сжатого воздуха на двух компрессорах).

Компрессорные агрегаты с приводом от электрического двигателя для производства и поставки сжатого воздуха в доменные печи

Проект предусматривает сокращение энергопотребления за счет использования современного энергоэффективного оборудования на базе компрессорных агрегатов для доменных печей с приводом от электродвигателя. Внедрение компрессорных агрегатов приведет к сокращению потребления энергоресурсов почти в 2 раза по сравнению с существующим потреблением, а именно: с 45,3 кг у. т./1000 м 3 до 23,5 кг у. п. /1000 м 3 .

ДП - доменная печь; ШГ - шумоглушитель; Ко - компрессор; М -электромотор; УПП - установка плавного пуска; УРЧО - установка регулирования частоты оборотов; Ф - фильтр

Техническое задание проекта

· Проект предусматривает строительство четырех компрессорных агрегатов:

· одного производительностью 6500 м 3 /мин для доменной печи № 1;

· трех производительностью 4200 м 3 /мин каждый для доменных печей № 3, 4, 5.

В состав проекта строительства воздуходувной станции входит также строительство компрессорных агрегатов, их электродвигателей, устройств регулирования частоты оборотов компрессоров, системы шумоглушителей, оборудование для всасывания воздуха (клапаны, фильтры и т.д.), а также устройств для плавного пуска.

Общегодовое (перспективное) производство сжатого воздуха для доменных печей будет составлять 10 000 млн. м 3 /год.

В качестве резервного воздуходувного оборудования планируется использовать существующие турбовоздуходувки с приводом от паровых турбин, установленных на ТЭЦ.Обеспечение электроэнергией электрических приводов компрессорных агрегатов планируется осуществлять от собственной парогазовой электростанции, которая строится Общая установленная мощность электродвигателей четырех компрессоров будет составлять 26,39 МВт.

Основные технико-экономические показатели компрессорных агрегатов

Эффективность проекта

Основная цель проекта заключается в улучшении эффективности производства сжатого воздуха для доменных печей и, таким образом, достижении сокращения объемов потребления энергоресурсов на 21,8 кг у. т./1000 м3, или на 218 тыс. т у. т./год (при производстве 10 000 млн. м 3 /год сжатого воздуха

Снижение производства сжатого воздуха за счет безкомперессорной станции.

Проект предусматривает сокращение потребления электроэнергии, поставляемой из сети и производимой на основе ископаемого топлива, за счет внедрения современного энергоэффективного оборудования на базе газовой утилизационной бескомпрессорной турбины (ГУБТ).

Техническое задание проекта

Проект включает строительство одной ГУБТ установленной мощностью 20 МВт.В состав проекта строительства ГУБТ для доменной печи № 2 входит газовая турбина, генератор, редуктор, входные и выходные запорные и аварийные клапаны, а также система очистки доменного газа. Произведенная на ГУБТ электроэнергия планируется использоваться для собственных нужд металлургического комбината.

Эффективность проекта

Внедрение на металлургическом комбинате газовой утилизационной бескомпрессорной турбины позволит вернуть часть энергии затраченной на производство сжатого воздуха для доменных печей, путем использования избыточного давления доменного газа для производства электроэнергии. Это повысит эффективность использования первичной энергии, а также сэкономит средства, затраченные на производство доменного дутья.

Основная цель проекта заключается в уменьшении затрат на производство сжатого воздуха, или закупку электроэнергии.

Внедрение ГУБТ на доменной печи № 2 приведет к бестопливному производству электроэнергии в объеме 123,2 млн. кВт-ч/год.

Средний КПД для установки по производству электроэнергии составляет около 80 %.

Основные технико-экономические показатели ГУБТ

Есть три важных причины, по которым стоит тратить время и силы на снижение затрат в системах сжатого воздуха:

Ш обнаружение и устранение утечек и нерационального использования экономит энергию и деньги;

Ш повышаются надежность и эксплуатационные параметры систем сжатого воздуха;

Ш снижение электропотребления и, соответственно, снижение выбросов углекислого газа уменьшает вредное воздействие на окружающую среду.

Хорошо спроектированная и надлежащим образом эксплуатируемая энергоэффективная система сжатого воздуха может приносить потребителю десятки и даже миллионн гривней ежегодной экономии. Кроме того, она может минимизировать риск сокращения производства, обеспечивая надежность подачи воздуха, и решить проблемы охраны труда и здоровья при работе с системами, находящимися под давлением. Каждая гривна экономии на энергетических затратах приносит постоянную дальнейшую экономию расходов, эффективно увеличивая прибыль. Из всех энергоносителей именно модернизация системы сжатого воздуха позволяет достичь немедленной экономии на любом предприятии. Кроме того, большинство мероприятий по экономии энергии не требует значительных капиталовложений.

Рассматриваются следующие вопросы:

Ш методы эффективного управления системами сжатого воздуха;

Ш примеры нерационального использования и непроизводительного расхода сжатого воздуха;

Ш распределение сжатого воздуха от компрессора до мест потребления;

Ш способы повышения эффективности работы компрессорного оборудования;

Ш эффективное аккумулирование сжатого воздуха;

Ш фильтрация и осушение сжатого воздуха;

Ш сбор и удаление конденсата.

Приложения содержат глоссарий, алгоритм снижения затрат в системе сжатого воздуха, а также список вопросов, необходимых для выбора компрессорного оборудования и некоторую другую справочную информацию.

В табл. 1 показаны основные области применения сжатого воздуха,где можно достичь экономии при минимальных затратах и незначительных капиталовложениях. Самой большой экономии, обычно до 30%, можно добиться путем снижения утечек, без затрат на внедрение новых технологий. Разработка и внедрение политики экономного использования сжатого воздуха на всем предприятии является самым экономически эффективным способом снижения затрат на эксплуатацию систем воздухоснабжения. Элементы такой политики подробно описаны в Разделе 2. Политика эффективного использования систем сжатого воздуха может включать многие (или все) управленческие решения, перечисленные в табл. 1.

Таблица 1. Возможности экономии энергии при работе типовой промышленной системы сжатого воздуха

Применение системного подхода

Энергоэффективная система сжатого воздуха -- эта такая система, которая:

ь постоянно поддерживается в исправном состоянии при регулярном техобслуживании всего оборудования и отслеживании эксплуатационных параметров;

ь хорошо спроектирована (правильно выбраны фитинги, фильтры, осушители, трубы и трубные соединения) для достижения минимальных потерь давления;

ь работает при постоянном или регулярном мониторинге с определением удельного энергопотребления на основе получаемых данных;

ь эксплуатируется персоналом, хорошо осведомленным о затратах на производство сжатого воздуха и прошедшим обучение по эффективному использованию оборудования, потребляющего сжатый воздух;

ь является частью постоянно действующей программы по обнаружению и устранению утечек.

Каждый элемент системы должен способствовать доставке сжатого воздуха до места его потребления с требуемыми характеристиками и без колебаний давления. Неэффективная работа какого-либо элемента приводит к снижению эксплуатационных параметров системы и повышению эксплуатационных расходов. Каждый элемент системы взаимосвязан с другими элементами и не должен рассматриваться изолированно.

Например, установка нового, энергоэффективного компрессора будет иметь очень ограниченный эффект, если сохраняется высокий уровень утечек или если производительность компрессора ограничена неправильно подобранным размером подающего воздухопровода. Отсутствие надлежащего обслуживания любого оборудования будет снижать эффективность его работы.

Покупка энергоэффективного оборудования

Как правило, более эффективное оборудование стоит дороже, чем менее эффективные аналоги. Поставщики оборудования зачастую не могут предоставить информацию об эксплуатационных издержках за ожидаемый срок службы оборудования, поэтому решения о покупке слишком часто принимаются только на основе продажной цены. Политика закупок, основанная на выборе наиболее дешевого оборудования, часто мешает повышению энергоэффективности и получению положительных эффектов от внедрения новых технологий. В промышленно развитых странах давно пришли к пониманию необходимости учета не только первоначальной стоимости оборудования, но и учета совокупных затрат на его эксплуатацию, что особенно актуально для энергоемкого оборудования.

Наряду с сокращением потребления важным путем энергосбережения является повышение эффективности использования энергии сжатого воздуха. Обычно требуемое давление воздуха на выходе компрессора определяется как максимальное из давлений, необходимых потребителям, плюс потери давления в пневмолиниях. Вспомним, что стоимость сжатого воздуха зависит от давления Так, снижение давления с 7 до 6 бар сокращает расход электроэнергии на 10%. С точки зрения энергосбережения, давление, создаваемое компрессором, должно быть минимально необходимым. Нередки случаи, когда общему снижению давления в пневмосети препятствует небольшое число потребителей, работающих на более высоком давлении. Если доля потребляемого ими воздуха невелика, давление в пневмосети можно снизить, снабдив этих потребителей локальными усилителями давления.В примере, показанном на рисунке, давление в сети снижено с 6 до 3 бар, что сократило затраты электроэнергии на сжатие воздуха на 30%. Единственный потребитель, которому необходимо давление 6 бар, получает его от усилителя. Этот путь энергосбережения требует расчетного обоснования. Дело в том, что снижение давления, с одной стороны, уменьшает удельные энергозатраты на сжатие воздуха, с другой - увеличивает потребление сжатого воздуха, т. к. часть расхода используется на собственные нужды усилителя. Для поиска оптимального решения, обеспечивающего максимальную эффективность, можно применить, например, компьютерную программу SMC Energy Saving.Минимизация давления в пневмосети подразумевает также сведение к минимуму потерь давления в пневмолиниях. Размеру трубопровода соответствует определенная максимально допустимая расходная нагрузка, и ее превышение приводит к неоправданным потерям. Так, одна из машин вышеупомянутой упаковочной линии соединялась с общей пневмомагистралью трубой Ѕ”. При рабочем расходе, составляющем 1,9 м3/мин, потери давления в этой трубе достигали 1,1 бар.Такие значительные потери давления не позволяют снизить давление в магистрали и ограничивают возможности энергосбережения. Переход на трубу ѕ” сократил потери давления в 8 раз. Следует отметить, что диаметр трубопровода d является наиболее мощным фактором, влияющим на потери давления Дp: Дp ~ 1/d5 Существенным фактором энергосбережения является подготовка сжатого воздуха. Загрязнения, содержащиеся в сжатом воздухе, негативно воздействуют на оборудование: ускоряется износ уплотнений, отложения твердых частиц препятствуют полному закрытию клапанов, в том числе в устройствах отвода конденсата, скопившийся в трубах конденсат вынуждает персонал открывать дренажные клапаны для его сброса либо держать их постоянно приоткрытыми - все это сопровождается утечками сжатого воздуха. Быстрое загрязнение фильтров приводит к повышенным потерям давления, что снижает эффективность использования энергии. Неисправность осушителей способствует не только появлению конденсата в пневмосети, но и неоправданному расходу энергии на их кажущуюся работу. Так, по данным, накопленным в ходе выполненных на разных предприятиях пневмоаудитов, 7 (семь!) из 10 работающих рефрижераторных осушителей в действительности не снижают точку росы, в то время как персонал считает их исправными. Качественная и рациональная подготовка сжатого воздуха является обязательным и важнейшим пунктом в списке мер по энергосбережению.Экономия энергии с целью снижения затрат на производство сжатого воздуха на предприятии зависит не только от работы компрессора. Необходимо обращать внимание на эффективность и показатели работы всех элементов системы.Элементы системы (компрессоры, распределительные сети,ресиверы, фильтры, системы сбора и удаления конденсата) . А также управлению системой сжатого воздуха, описаны случаи неправильного использования и потерь сжатого воздуха.

Подобные документы

Производительность компрессора – объем воздуха, выходящий из него, пересчитанный на физические условия всасывания. Универсальный гаражный источник сжатого воздуха. Цикл одноступенчатого одноцилиндрового горизонтального компрессора простого действия.

реферат , добавлен 04.02.2012


Описание очистных сооружений. Расчет воздуховодов для несжатого воздуха. Определение потерь напора на трение и местные сопротивления по наиболее протяженной ветви. Давление на выходе из воздуходувной станции. Плотность сжатого воздуха на участке.

курсовая работа , добавлен 14.03.2015


Термодинамические основы процесса сжатия, теорема Бернулли. Принципы работы центробежного компрессора. Дросселирование как фиксированный физический предел компрессора. Впускные направляющие лопатки. Типовая принципиальная схема контуров сжатого воздуха.

презентация , добавлен 28.10.2013


Кондиционирование воздуха как создание и автоматическое поддержание в обслуживаемом помещении требуемых параметров и качества воздуха независимо от внутренних возмущений и внешних воздействий. Анализ основных требований к кондиционированию воздуха.

презентация , добавлен 07.04.2016


Основные параметры воздуха, характеризующие его состояние: температура, давление, влажность, плотность, теплоёмкость и энтальпия. Графическое и аналитическое определение параметров влажного воздуха. Определение расхода и параметров приточного воздуха.

дипломная работа , добавлен 26.12.2011


История создания и дальнейшей разработки компрессорной техники. Мировые тенденции развития технологии сжатого воздуха. Классификационные и оценочные показатели, применяемые при контроле качества компрессорного оборудования. Термины и определения.

курсовая работа , добавлен 26.04.2011


Изучение технических характеристик и принципа работы приточной системы вентиляции с рециркуляцией воздуха, которая используется в вагонах с кондиционированием воздуха и предназначена для обеспечения требуемого воздухообмена, охлаждения, подогрева воздуха.

реферат , добавлен 24.11.2010


Анализ основных требований к системам кондиционирования воздуха. Основное оборудование для приготовления и перемещения воздуха. Сведения о центральных кондиционерах и их классификация. Конструкция и принцип работы их основных секций и отдельных агрегатов.

дипломная работа , добавлен 01.09.2010


Определение объема газа, удельных значений внутренней энергии, энтальпии и энтропии. Расчет теоретической скорости адиабатического истечения и массового расхода воздуха, температуры воздуха адиабатного и политропного сжатия. Задачи по теме теплопередачи.

контрольная работа , добавлен 06.03.2010


Методы стабилизации температуры воздуха в остеклённых блочных теплицах с водяной системой обогрева, где температура воздуха регулируется за счёт изменения температуры теплоносителя с помощью смесительного клапана. Принцип автоматического управления.