Системы воздухоснабжения промышленных предприятий (СВС)

CBC 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 транспорт для подачи сжатого воздуха к потребителям и распределительные устройства сжатого воздуха самого потребителя.

2.1. Структура системы воздухоснабжения

Сжатый воздух на промышленном предприятии используется по двум основным направлениям: технологическому (для выплавки чугуна и стали в металлургии, получения кислорода в воздухоразделительных установках и т.д.) и силовому (для привода различных машин и механизмов в машиностроении, горнодобывающей промышленности, кузнечном и других производствах). Компрессорные станции 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 м³ /мин или поршневыми, соответственно с давлением 3-20 МПа и единичной производительностью не более 100 м³ /мин. На компрессорной станции могут размещаться только компрессоры с электроприводом (обычно для машиностроительных предприятий) или компрессоры только с паротурбинным приводом (обычно для агрегатов доменного дутья). Находят применение и комбинированные паровоздуходувные и электрические станции ТЭЦ-ПВС.

Коммуникации сжатого воздуха имеют радиальные (Ш на рис.2.1 а) и кольцевые (1У на рис.2.1 б) 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 II 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. При необходимости дополнительного увеличения давления у отдельных потребителей (позиция 5) ставят дожимающий компрессор 12. Наиболее распространенная схема воздухоснабжения крупных технологических потребителей сжатого воздуха (например, доменных печей) показана на рис.2.2. Из имеющихся на ПВС шести турбокомпрессоров агрегаты 1-5 имеют паротурбинный привод с различными параметрами пара и типами приводных турбин. Резервный турбокомпрессор 6 имеет электропривод. Потребители I и П в нормальном режиме работы обеспечиваются турбокомпрессорами 1,2,3, а потребители Ш и 1У-турбокомпрессорами 4,5, что позволяет обеспечивать индивидуальный режим работы каждого потребителя и, в то же время иметь 100%-ное резервирование. В случае выхода из строя любой машины, например, группы потребителей 1, П, к этой магистрали при соответствующем индивидуальном регулировании с помощью системы задвижек может подключаться любая из машин 4,5 или 6.

2.2. Характеристика потребителей сжатого воздуха

Сжатый воздух - самый распространенный энергоноситель на любом промышленном предприятии, а система воздухоснабжения является одним из самых энергоемких потребителей. 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. Самым большим среди отраслей потребителем сжатого воздуха является черная металлургия, в которой сосредоточены и наиболее крупные технологические блоки, использующие сжатый воздух: доменные печи, конверторы, мартеновские печи, прокатные станы, вагранки. В черной металлургии сосредоточены и самые крупные компрессорные агрегаты как поршневые, так и турбокомпрессоры. Некоторые из них, например, К-5000 и К-7000,созданы специально для доменных печей заводов черной металлургии. На современном металлургическом предприятии черной 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 черной металлургии 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 м³ (в зависимости от типа компрессоров, условий охлаждения и эксплуатации) при электроприводе и 17-20 кг условного топлива на 1000 м при паротурбинном приводе компрессоров. Расход сжатого воздуха на единицу продукции для наиболее крупных технологических потребителей составляет: для производства чугуна 800-1000 м³ /т чугуна, мартеновской стали 60-140 м³ / т стали, конвертерной стали 30 м³ /т стали, электростали 70 м³/т стали, на прокатных станах 20-50 м³ /т проката. Большие количества потребления сжатого воздуха единичным потребителем и индивидуальный технологический режим потребления приводят к необходимости блочной компоновки компрессор - технологический агрегат 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 большее 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. Доля общего энергопотребления на сжатие воздуха в отрасли колеблется от 8-10% до 60% в шахтных выработках и рудниках. Наиболее крупные потребители сжатого воздуха: шахтные печи для плавки окисленных руд и вторичного сырья со средним расходом воздуха на I м² сечения печи в области фурм 45-65 м³ /мин; конвертеры с единичным потреблением сжатого воздуха от 180 до 850 м³ /мин; барабанные сушилки (расход воздуха от 4 до12 м³ /кг влаги); пневмотранспорт пыли и отходов; агломерационные машины с продувом воздуха через шахту; обжиговые конвейерные машины и печи кипящего слоя с подачей воздуха в сопла (сжатый воздух или смесь с кислородом); пневмопушки для прочистки фурм. Не менее емким в сравнении с металлургией по абсолютной величине потребления сжатого воздуха является машиностроение. Эта отрасль характеризуется большим разнообразием пневмопотребителей, параметров сжатого воздуха и состава компрессорных машин на станциях. В отличие от металлургии в машиностроении доля использования сжатого воздуха как привода различных механизмов больше: пневмомолоты, различное сборочное оборудование (отвертки, патроны, сверла и т.д.), зажимы деталей, газовые подвесы, завистные и окрасочные камеры. Крупные потребители сжатого воздуха сосредоточены в литейных и кузнечных цехах машиностроительных заводов (пескоструйные аппараты, прессы, трамбовки, вибраторы, обрубные машины). Большое разнообразие мелких потребителей, индивидуализация режимов их работы определяет сложные графики воздухопотребления, характеризующиеся значительной суточной и недельной неравномерностью. На машиностроительном заводе, как правило, нет компрессоров, сблокированных с индивидуальным потребителем, а воздухоснабжение осуществляется от кольцевых пневмомагистралей от одной или нескольких компрессорных станций. Современное машиностроительное предприятие расходует 20-25% общего энергопотребления на привод компрессоров для сжатия воздуха. Компрессорный парк в машиностроении представлен практически всей номенклатурой поршневых машин, среди турбокомпрессоров наиболее распространены турбокомпрессоры общего назначения K-250-6I-5 и K-500-6I-2. Разнообразие технологических процессов, большой диапазон параметров, единичных мощностей и типов компрессорных агрегатов отличают потребление сжатого воздуха в химической промышленности. В этой отрасли воздух подается как от компрессоров, входящих в состав блоков и установок, так и от компрессорных станций. Давление сжатого воздуха в системе в зависимости от потребителя может составлять 0,4-0,5 до 15-20 МПа. В равной степени находят применение поршневые и турбокомпрессоры. Наиболее емкие по сжатому воздуху производства:

- азотной кислоты; расход воздуха с давлением 0,4-0,5 МПа составляет около 4000 м³ на I тонну азотной кислоты. Производительность осевого компрессора в агрегате АК-72 составляет (180-190)·I0³ м³ /ч;

- серной кислоты; на I т 100-процентной серной кислоты требуется 1500-2000 м³ сжатого воздуха;

- один агрегат производительностью 56 т/ч аммиачной селитры потребляет около 500 I0³ м³ /ч сжатого воздуха;

-на грануляцию аммиачной селитры потребляется (2,5 - 28)·10 ³ м³ сжатого воздуха на тонну продукта или (100 - 700) 10³ м³ /ч на установку. Большие количества сжатого воздуха потребляют воздухоразделительные установки (ВРУ). Этот тип потребителя может рассматриваться как обособленно, так и в качестве подотрасли в составе таких отраслей, как черная и цветная металлургия, химическая промышленность. 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 (100-400) 10³ м³ /ч обслуживаются турбокомпрессорами K-3000-6I-I, K-3250-4I-2, K-5500-42-I. В установках средней и малой производительности давление потребляемого воздуха может быть 3-20 МПа, и для этих ВРУ, используют 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. Крупным потребителем сжатого воздуха является горнодобывающая и угольная промышленность, где воздух расходуется как на привод пневмомеханизмов (врубовые машины, перфораторы, буры и т.п.), так и на получение холода, транспортные нужды и кондиционирование воздуха в объектах. Доля энергопотребления на воздухоснабжение этой отрасли составляет около 25% суммарной потребности в энергии. Далее среди достаточно крупных потребителей сжатого воздуха, следует назвать нефтедобывающую отрасль (особое внимание в последние годы уделяется подъему нефти с больших глубин с помощью эрлифтов, проходке нефтяных скважин), строительство (пневмомолоты, трамбовочные машины, вибраторы, распыливание красителей), транспорт и связь (подъемники, тормозные устройства, пневмопочта). Используется сжатый воздух также и в энергетике, полиграфической технике, для нужд автоматики и регулирования.

2.3. Показатели эффективности системы воздухоснабжения.

Используя обобщенное понятие КПД системы, приведенное в главе I, запишем выражение в частном случае для системы воздухоснабжения с учетом потерь и затрат эксэргии на компрессорной станции, в коммуникациях и распределительных устройствах потребителя:

где η_КС - КПД компрессорной станции; η_К - КПД коммуникации, характеризующий гидравлические и материальные потери при транспорте сжатого воздуха; η_Р - КПД распределительных устройств сжатого воздуха, учитывающий как потери (аналогично потерям в коммуникациях), так и возможные дополнительные затраты эксэргии в ВЭ, расположенных у потребителя:

Е₁, Е₁^’ и Е₁^’’ соответственно эксэргии потока сжатого воздуха на выходе из КС, на входе в распределительные устройства потребителя и на входе в технологическую часть потребителя. На рис. 2.3 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 (η_К =0,9-0,95)и у потребителя (η_Р =0,6-0,8)КПЦ системы составляет 30%. КПД компрессорной станции в в общем виде можно представить как

(*)

где ∑Е_i - сумма эксэргии различных потоков сжатого воздуха, отличающихся по термодинамическим параметрам (давлению, температуре, влажности); E_Q - эксергия отведенной и полезно используемой от компрессоров теплоты; ∑E_вх - сумма эксэргии подведенных в приводе компрессоров (в случае электропривода равна мощности привода); ∑E_вх^КС - эксэргия, затраченная во вспомогательных элементах. Для наиболее простого случая - одного потока сжатого воздуха, отсутствия утилизации теплоты и затрат эксэргии в ВЭ формула (*) имеет вид:

Используя эксэргию теплоты, отводимой от компрессора, в соответствии с выражением для η_КС можно повысить КПД компрессорной станции, при этом увеличится и КПД системы по всем ее элементам, в частности, если у компрессора увеличение КПД составит 15%, то у потребителя оно составит 9% (заштрихованная часть диаграммы на рис.2.3). Чтобы представить, что означает полезное использование 15% эксэргии, теряемой с теплотой, сбрасываемой в окружающую среду, приведем конкретный пример. Системой охлаждения компрессорной станции, в состав которой входят 4 турбокомпрессора K-250-6I-5, отводится в течение года тепловой поток, которого бы хватило для отопления 2-х чугунолитейных цехов с общим объемом зданий 68·10³ м³ или для снабжения горячей водой жилого дома на 800 человек. Величина η_КС дает возможность проводить анализ целесообразности утилизации теплоты, отводимой в процессе сжатия, а также находить оптимальное соотношение между величинами Е_СВ и Е_Q, зависящее от расхода и температуры охлаждающей среды, поверхности и эффективности теплообмена, используя величину η_КС как целевую функцию. Для более полной оценки эффективности утилизации теплоты сжатия суммарный эффект оценивают по приведенный затратам П, руб.

П=Е·К+Э.

Применительно к системе воздухоснабжения величина К состоит

из следующих составляющих:

К=К_К + К_ВО + К_ПР +К_СТ +К_М,

где К_К - стоимость компрессора; К_ВО - стоимость охладителей воздуха, промежуточных и концевых; К_ПР - стоимость привода, редукторе, муфт, автоматики; К_СТ - стоимость компрессорной станции с учетом электрических коммуникаций и масляной системы; К_М - стоимость монтажа установки. Эксплуатационные расходы Э могут быть разделены на две группы:

Э_i - пропорциональные капитальным вложениям амортизационные отчисления и расходы на текущий ремонт, и содержание установки:

Э_i =A·K+A_P ·K,

А - доля годовых амортизационных отчислений; А _г - доля годовых расходов на ремонт и содержание установки.

Э_г - не зависящие от капитальных вложений затраты энергии на привод компрессора, водяных насосов, в системе осушки:

Э_г =(Ц_Э·N_K + 3600·Ц_В ·V_B)·T,

где Ц_Э и Ц_В соответственно тарифы на электроэнергию, руб./кВт*ч, и воду, руб./м³; V_B - расход охлаждающей воды, м³ /с; Т - время работы установки в году, ч.

Структура приведенных затрат (в процентах) представлена в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Структура приведенных затрат, %

Статья приведенных затрат Проценты

Компрессор с теплообменниками 2

Компрессорная станция 6

Электроэнергия на привод компрессора 62

Затраты на охлаждающую воду 13

Амортизация, ремонт и обслуживание 17

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 компрессора. Себестоимость сжатого воздуха в СВС. В зависимости от потребителя сжатого воздуха, производительности и потребляемой мощности компрессора, воздушные компрессоры имеют электрический или паротурбинный привод. Для крупных машин с производительностью более 1500 м /мин и потребляемой мощностью свыше 10 МВт экономически целесообразен привод от паровой турбины. Такие компрессоры применяются для подачи воздуха, обогащенного кислородом до 30-35 % О₂, в доменные печи (доменное дутье). ПВС металлургических заводов могут представлять отдельный цех или комплектоваться с заводской ТЭЦ. Суммарные годовые затраты по ПВС включают затраты на топливо, электроэнергию, кислород, заработную плату с начислениями, отчисления на восстановление и на ремонты. Основной составляющей себестоимости доменного дутья являются затраты на кислород и поэтому для анализа структуры себестоимости сжатого воздуха рассмотрим без затрат на кислород. При таком анализе для компрессоров с паротурбинным приводом в эксплуатационных затратах преобладают затраты на топливо. Ориентировочная структура себестоимости доменного дутья (%) на металлургических заводах приведена в табл. 2.2.

Таблица 2.2

Структура себестоимости доменного дутья, %

Затраты на топливо 65-75

Затраты на ремонты 11-15

Амортизационные отчисления на реновацию 6-9

Затраты на заработную плату 5-7

Прочие расходы 3-5

Себестоимость доменного дутья на металлургических заводах зависит от цены топлива и колеблется в пределах (0,8-1) руб./1000 м³, с учетом затрат на кислород (З-6) руб./1000 м³. Для компрессоров меньшей мощности с использованием электропривода основной составляющей эксплуатационных затрат являются затраты на электроэнергию. С увеличением мощности агрегатов и компрессорных станций снижается себестоимость сжатого воздуха и увеличивается доля затрат на электроэнергию. Себестоимость сжатого воздуха зависит и от графика нагрузки компрессорной станции, тарифов на электроэнергию, воду и составляет 1,5-2,5 руб./1000 м³. Примерная структура себестоимости сжатого воздуха приведена для сравнения по двум компрессорным станциям с производительностью 20·I0³ м³ /ч (N₁) и 200·0³ м³ /ч (N₂),% -

№1 №2

Затраты на электроэнергию 70 05

Затраты на ремонты 10 7

Амортизационные отчисления на реновацию 9 5

Затраты на заработную плату 7 2

Прочие расходы 4 1

Увеличение единичной мощности агрегатов на станции № 2 (например, полная или частичная замена компрессоров K-250-6I-5 на компрессоры K-500-621-I и K-I500-621-I) может привести к снижению себестоимости сжатого воздуха на 5-ΙΙ%. К значительному снижению себестоимости сжатого воздуха на 15-25% приводит утилизация теплоты сжатия. Теплота сжатия, отводимая от компрессора, относится к низкопотенциальным вторичным энергоресурсам. При наличии концевого охладителя от компрессорной установки отводится тепловой поток примерно равный по величине мощности привода. Средний потенциал отводимой теплоты составляет 140 - 160°С. До 90% этой теплоты может быть полезно использовано, что позволяет добиться значительной экономии топлива. При этом возникает задача оценки экономической эффективности утилизации, распределения затрат между продуктами - сжатым воздухом и теплотой. Трудность, здесь заключается в том, что суммарные затраты распределяются на два продукта, причем анализ процесса сжатия и охлаждения не дает оснований для непосредственного их распределения. Существует несколько способов распределения затрат между продуктами в двух - и многоцелевых системах, для систем, в которых существенную роль играют энергетические затраты, а для систем воздухоснабжения они составляют 75-80%, естественным будет их распределение пропорционально эксэргиям выходящих в данном сечении продуктов [2]. На рис. 2.4 изображена схема компрессорной установки с утилизацией теплоты сжатия, на выходе из которой отводится два полезно используемых продукта. Эксергетическая производительность такой установки определяется:

Ne = (e_q + e_CB)·G_CB,

где G_CB - массовый расход сжатого воздуха; e_q - удельная эксэргия отводимого потока теплоты и e_CB - удельная эксэргия сжатого воздуха.

Доля затрат на получение теплового потока будет определяться:

Затраты на получение теплоты составят

З_q =m_q ·∑З

где ∑З - суммарные энергетические и неэнергетические затраты. Аналогично определяется доля затрат на получение сжатого воздуха:

Утилизация теплоты сжатия имеет целью, во-первых - повышение термодинамического совершенства системы, во-вторых - получение максимально возможного экономического эффекта, связанного с экономией топлива и электроэнергии, что, конечном итоге ведет к снижению себестоимости продуктов. Максимальная экономия от утилизации теплоты сжатия, т.е. минимальная себестоимость сжатого воздуха при условии незначительного изменения эксплуатационных затрат в системе, достигается при минимальной величине доли затрат на получение сжатого воздуха. В качестве примера рассмотрим определение себестоимости продуктов в компрессорной установке K-250-6I-2. Рассчитанные для всей установки суммарные затраты составят, тыс.·руб./год.

Рис. 2.3. Эксергетическая диаграмма потоков

Рис. 2.4. Схема компрессорной установки с утилизацией теплоты

∑З=∑З_ЭН ·∑З_НЭ1 = 222,47+51,68=274,15.

Доли затрат соответственно на получение теплового потока и сжатого воздуха составят m_q =0,17 и m_СВ = 0,83 (определены по эксэргиям отводимой теплоты при температуре отвода теплоты t= 90.°С и эксэргии сжатого воздуха, найденной при давлении 0,8 МПа и температуре t =20°С). Затраты на получение теплоты; тыс. руб./год

З_q =m_q ·∑З=0,17·274,15=46,57.

Затраты на получение сжатого воздуха

З_СВ =m_qВ ·∑З=0,83·274,15=227,64.

При годовом производстве сжатого воздуха, тыс.м³ /год

V_CB ^год=120·10³

его себестоимость составит, руб./1000 м³.

Соответственно при годовом производстве теплоты, ГДж/год,

Q_T ^год=43,2·10 ³

себестоимость теплоты составит, руб./1000 м³,

Себестоимость сжатого воздуха без утилизации теплоты сжатия в этом случае составляет, руб./1000 м³. Для сравнительной оценки полученного результата определим себестоимость этих же продуктов методом отключения затрат. Основной особенностью данного метода является то, что из нескольких продуктов, получаемых, в системе, выбирается, один (в данном случае теплота). Затраты на теплоту принимаются равными затратам на ее получение в раздельном производстве. Оставшаяся часть от суммарных затрат относится к остальным продуктам (в данном случае воздух). При расчете себестоимости сжатого воздуха, методом отключения затрат, затраты на получение теплового потока, равного по величине 43,2·10 ГДж/год, в котельной составят 113 тыс. руб./год. Затраты на получение сжатого воздуха соответственно составят, тыс. руб./год,

S_CB^’=274,15-113=161,15.

Себестоимость сжатого воздуха в этом случае будет равна, руб./1000 м³,

S_CB^’= =1,3.

Дата добавления: 2014-11-18