close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Денисов-Винский Н.Д. - Тепло компрессорных установок (сокращенная версия)

код для вставкиСкачать
При проведении энергетического обследования источников сжатого газа – компрессорных станций и установок обращает на себя внимание огромный потенциал энергосбережения. В первую очередь это связано, с большим количеством тепла, которое отводится от сж
Статья «Оценка тепла компрессорных установок». Никита Денисов
-
Винский
стр. 1
из 12
Использование т
епл
а
компрессорных установок
(
измененная
версия)
Н. Д.
Денисов
-
Винский
*
E
-
mail: denisov.vinskiy@yandex.ru
*
аспирант МГТУ им. Н.Э. Баумана, факультет Энергомашиностроение
, проектный менеджер ООО «Центр энергетики и энергосбережения МГТУ им. Н.Э. Баумана», преподаватель кафедры «Энергетики и энергосбережения» НОУ ВПО МИЭЭ
При проведении энергетического обследования источников сжатого газа –
компрессорных станций и установок обращает на себя внимание огромный потенциал энергосбережения. В перв
ую очередь это связано, с большим количеством тепла, которое отводится от сжимаемого газа в атмосферу. Оценим количество тепла, образовавшегося в результате сжатия газа в компрессорных станциях и установках и рассмотрим возможности его использования. Ком
прессорная техника является неотъемлемой частью современного производства. В России эксплуатируется свыше 1000 типоразмеров практически всех основных типов компрессоров производительностью от 0,02 до 27.000 м
3
/мин, давлением нагнетания до 250 МПа и мощност
ью от 0,1 до 40.000 кВт. Мощность эксплуатируемого в нашей стране электропривода только стационарных компрессоров составляет около 10 % всей вырабатываемой электроэнергии
[2]
.
Наибольшее распространение получили компрессоры общег
о назначения, которые
произ
водят сжатый воздух, применяе
мый
в промышленности в качестве энергоносителя. Как в процессе сжатия, так и в процессе подготовки сжатого газа
перед подачей его потребителю
,
сжимаемый газ охлаждается. Это
позволяет снизить энергопотребление компрессной уста
новки (в случае
охлаждения рубашки компрессора;
межступенчатого охлаждения
при многоступенчато
м сжатии
)
, а также выполнить необходимые требования по температуре сжатого газа после компрессорной станции
. По различным оценкам [3
] тепловая мощность
(
здесь и далее под тепловой мощностью понимается количество отведённого тепла от сжимаемого газа в единицу времени
)
, которая
отводится от сжимаемого газа в процессе сжатия и его подготовки перед подаче
й
потребителю может составлять
до 9
0%
от мощност
и
привода
компре
ссора.
Количество теплоты
,
от
ведённой системой охлаждения компрессорной установки
,
зависит
,
главным образом
,
от производительности компрессор
а
и конечного давления
–
давления нагнетания
сжимаемого газа. На рис.
1 представлена диаграмма об
ластей
Статья «Оценка тепла компрессорных установок». Никита Денисов
-
Винский
стр. 2
из 12
применения
различных типов компрессорных машин по производительности и давлению
нагнетания
.
Рис.1. Области применения компрессорных машин
в зависимости от давления нагнетания и производительности [4
].
Из рис.
1 видно
, что больше всего тепла потенциально отвод
ится от компрессорных машин
поршневого, роторно
-
пластинчатого, винтового и центробежного типов
. Однако из этого ряда можно исключить компрессор роторно
-
пластинчатого типа, так как его характеристики почти полностью перекрываются винтовым компрессором. В з
ависимости от типа
компрессорной машины
, рабочего давления и производительности
(табл. 1)
компрессорные установки могут иметь различные системы охлаждения. Однако среди них можно выделить два основных типа
–
система воздушного охлаждения с промежуточным т
еплоносителем и система непосредственного охлаждения сжимаемого газа [1
]
.
Таблица №1. Классификация типов воздушных компрессорных машин общего назначения по рабочему давлению, производительности и мощности привода по данным фирм Atlas
Copco
, Alup
Kompress
oren GmbH, Abac
Kompressoren
GmbH
, Kaeser
Kompressoren GmbH, ООО Московский завод Борец, ОАО Уралкомпрессормаш, ОАО Казанькомпрессормаш и пр. ТИП КОМПРЕССОРА
ДАВЛЕНИЕ НАГНЕТАНИЯ
[
бар ]
ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ
[
л/сек ]
МОЩНСТЬ ПРИВОДА
[
кВт ]
Поршневой 2
-
х с
тупенчатый
до 15
81 –
322
45 -
160
Поршневой 3
-
х и 4
-
х ступенчатый 15 –
40 (промышленное 34 –
728
30 –
480
Статья «Оценка тепла компрессорных установок». Никита Денисов
-
Винский
стр. 3
из 12
(дожимной)
применение);
40 (ПЭТ)
Винтовой маслозаполненый
4 -
20
185 –
1518
90 –
500
Винтовой компрессор сухого сжатия
7,5 –
12
250 –
2456
55 –
9
00
Винтовой компрессор сухого сжатия + дожимной поршневой компрессор (ПЭТ)
40
324 –
1118
220 –
780 Центробежный компрессор
3,5 –
10,4
4400 –
11000 (м
3
/час)
315 –
1120
В системе воздушного охлаждения с промежуточным теплоносителем сжатый воздух охлаж
дается в штатных промежуточном и концевом теплообменниках, масло –
в маслоохладителе, вентиляторный воздух электропривода в своём теплообменнике. Промежуточный теплоноситель циркулирует с помощью насоса по закрытому контуру, отдаёт теплоту компрессорной ус
тановки окружающему воздуху в рекуперативном теплообменнике с
вентилятором. П
рименяют также водяное охлаждение. В схемах системы непосредственного воздушного охлаждения компрессорной установки окружающий воздух прокачивается через теплообменники автономны
ми вентиляторами
[1]
.
Оцени
в
расчетным путем количество выделяемой теплоты от
сухих и маслозаполненных винтовых, поршневых, и
центробежных компрессоров
можно сделать нижеследующие выводы
.
СУХИ
Е
И МАСЛОЗАПОЛНЕННЫ
Е
ВИНТОВЫ
Е
КОМПРЕССОР
Ы
Наиболее широко распр
остран
ённые сухие винтовые компрессорные установки
, имеющие давление нагнетания от 7 до 12
бар
,
выполняются, как правило, двухступенчатыми с одним промежуточным теплообменником
между первой и второй ступенью и концевым теплообменником п
осле второй ступени.
Масляный контур, сл
ужит для смазки синхронизирующего
зацеплени
я
между ведущим и ведомым винтом
компрессора
, а также отвода теплоты от корпуса пе
рвой и второй ступени. Д
оля теплоты, которая отводится с маслом
,
по отношению к теплоте, которая отводится в те
плообменнике от сжатого воздуха, относительно не велика и в оценочных расчётах может не приниматься во внимание. На температуру газа после сжатия в первой ступени влияет температура газа на всасывании, которая принимается равной температуре окружающей сред
ы, а также на показатель Статья «Оценка тепла компрессорных установок». Никита Денисов
-
Винский
стр. 4
из 12
политропы сжатия, котор
ый
зависит от характер
а процесса сжатия и находится в диапазоне 67
,
1
5
,
1
n
[3
]
. Рассчитав
температуры воздуха после первой и второй ступени
сухого двухступенчатого винтового компрессора
,
были по
строены графические
зависимости от давления нагнетания
компрессорной установки. Н
едоохлаждение в промежуточном теплообменнике
принято равным 15 градусов
.
Получилось, что температура воздуха после второй ступени винтового компрессора сухого сжатия может дос
тигать 240 °
С, что соответствует реальным данным.
Привод компрессора работает
от электродвигателя, мощность которого указывается в паспорте
, где также приводятся и
номинальные характеристики компрессорной установки –
давление нагнетания и производительнос
ть при
данном давлении. П
о заданной мощности электродвигателя можно оценить тепловую мощность, которая потенциально отводится от сжимаемого газа в теплообменниках компрессорной установки
. Мощность двигателя (эффективную мощность на валу) для привода компр
ессора определяем
делением индикаторн
ой
мощност
и
компрессорной установки на
механический КПД компрессора (включая клиноременную передачу, трение в зацеплении винтовой пары)
[2]
.
В Результате расчетов получаем
зависимость, изобра
женн
ую
на рис.6.
К
расными к
р
естиками на графике отмечена
действительная мощность, потребляемая двигателем компрессорной установк
и
.
y = 0,77610x - 0,04679
R
2
= 1,00000
0
100
200
300
400
500
600
700
800
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
Электрическая мощность привода компрессора [кВт]
Тепловая мощность [кВт]
Ɛ = 7
Ɛ = 9
Ɛ = 12
СЕТЬ
Статья «Оценка тепла компрессорных установок». Никита Денисов
-
Винский
стр. 5
из 12
Рис.2
. Зависимость тепловой мощности
отводимого тепла от индикаторной мощности привода компрессора, а также от реальной потребляемой м
ощности компресс
ора при различной степени сжатия
, n
= 1,5
.
Из рис.
2
видно, что индикаторная мощность с известной долей приближённости совпадает с реальной потребляемой мощностью двигателя комп
рессорной установки, указан
н
ой
в паспорте.
Поэтому для определения потенциал
ьно отводимой тепловой
мощности можно воспользоваться соотношением
, приведенным в поле рис.1
, которое получено аппроксимацией индикаторной мощности
привода
компрессора
.
Данные зависимостей температуры сжимаемого газа после первой и второй ступени сухого д
вухступенчатого винтового компрессора от давления нагнетания компрессорной установки позволяют оценить температурный уровень сжатого газа перед охлаждающим теплообменником, а уравнение
на рис.1
потенциальное количество снимаемого тепла.
Однако следует помн
ить, что количество отводимого тепла, а также его температурный уровень
зависит от температуры в
сасывания воздуха в компрессорную установку
, а также от температуры недоохлаждения в межступенчатом теплообменнике. Винтовые маслозаполненные компрессорные ус
тановки в отличие от винтовых компрессорных установок
сухого сжатия имеют
впрыск масла в полость сжатия. В первую очередь это необходимо для отвода тепла от сжимаемого газа
в процессе его сжатия
, что
повышает эффективность работы компрессор
а. Второе назнач
ение впрыска масла –
это уплотнение зазоров в компрессоре
. И то и другое влияет на п
роцесс сжатия газа
. Т
емпература газа после его сжатия в ступени винтового маслозаполненного компрессора не должна превышать 90 °С, а при температуре 110 °С происходит авар
ийный останов компрессора. Таким образом максимальная температура сжимаемого газа, которая будет достигнута в процессе сжатия в винтовом маслозаполненом компрессоре, будет находится на уровне 90 … 95 °С.
Маслозаполненные винтовые компрессоры имеют две сист
емы охлаждения
: система охлаждения сжатого воздуха и система охлаждения масла. В первом приближении тепловая мощность
,
отводимая от сжимаемого газа, может быть взята в соответствии с уравнением из рис. 6
с возможн
ой погрешностью вычисления до 10
%.
ПОРШНЕВ
Ы
Е
КОМПРЕССОР
Ы
По различным сведениям [2
,
1
] в виде тепловой энергии с охлаждающей водой рубашки цилиндра отводится до 10%
от электрической мощности подведённой к приводу Статья «Оценка тепла компрессорных установок». Никита Денисов
-
Винский
стр. 6
из 12
компрессора
, поэтому применять полученные зависимости отведённой теплоты винтовых ком
прессоров для оценки тепла поршневых компрессоров было бы неверным. Для того, чтобы оценить количество тепла, которое отводится в промежуточном и концевом теплообменниках от сжимаемого газа, были рассмотр
ены
поршневые трёхступенчатые компрессоры с давлени
ем нагнетания 40 бар различных мощностей и
фирм производителей (
табл
. 2
.
)
Таблица №
2
. Технические данные для поршневых трёхступенчатых компрессоров различных мощностей и производителей. Конечное давление 40 бар
Производительность при н.у.
Мощность элект
родвигателя
[ нм
3
/час ]
[ кВт ]
123
30
189
45
266
55
315
75
360
75
415
90
478
90
482
110
694
132
811
160
1126
220
1500
280
1758
315
1840
350
2037
400
2310
450
2410
480
С
огласно
[2]
степень сжатия в одной ступени трёхступенчатого поршневого компрессора равна 42
,
3
ст
. П
ри условии, что температура воздуха на всасывании
С
T
всас
20
и показатель политропы сжатия воздуха 4
,
1
k
n
, получ
или, что
температур
а
сжатого газа после первой ступени порш
невого компрессора ступени равна С
T
нагн
143
. На рис.
3
представлена зависимость тепловой мощности
, отведённой от сжимаемого газа
в поршневом компрессоре в случае полного охлаждения в промежуточных
и концевом
теплообменниках
,
от электрическо
й мощности привода поршневого компрессора, указанной в технических характери
стиках. В
идно, что порядка 70% подводимой электрической энергии к электродвигателю компрессора отводится от газа в качестве тепла
, в то время как в Статья «Оценка тепла компрессорных установок». Никита Денисов
-
Винский
стр. 7
из 12
винтовом компре
ссоре эта цифра н
аходится в районе 80
%
(при условии полного охлаждения сжимаемого газа в промежуточном и концевом теплообменниках)
. Как уже было отмечен
о
,
это связано в первую очередь с тем, что часть
энергии теряется на трение как в цилиндрах компрессора, так и в кривошип
но
-
шатунной паре. При этом охлаждающая вода
,
как рубашки цилиндра, так и сжатого газа имеет такой расход, чтобы её температура не превышала определён
ных значений
.
y = 0,69653x - 4,19052
R
2
= 0,99597
0
50
100
150
200
250
300
350
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
Электрическая мощность компрессора [кВт]
Мощность отводимого тепла [кВт]
Рис.
3
. Зависимость тепловой мощности, отведённой от сжимаемого газа в теплообменниках ко
мпрессора, в случае полного охлаждения сжатого газа в промежуточных теплообменниках от электрической мощности привода компрессора, указанной в технических характеристиках компрессора.
На рисунке 4
представлена зависимость тепловой мощности
при температур
е
всасывания воздуха в первую ступень 20 °С, недоохлаждения
в первом промежуточном теплообменнике Δ
T
1
= 15,
недоохлаждения
во втором промежуточном теплообменнике Δ
T
2
= 20
и недоохлаждения в концевом теплообменнике Δ
T
3
= 25 от электрической мощности компрес
сора, указанной в технических характеристиках компрессора.
Статья «Оценка тепла компрессорных установок». Никита Денисов
-
Винский
стр. 8
из 12
y = 0,6769x - 4,1455
R
2
= 0,996
0
50
100
150
200
250
300
350
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
Электрическая мощность компрессора [кВт]
Мощность отводимого тепла [кВт]
Рис.4
. Зависимость мощности отводимого тепла в случае температуры всасывания в первую ступень 20 °С, Δ
T
1
= 15, Δ
T
2
= 20, Δ
T
3
= 25 от электрической мощности компрессора, указанной в технических характеристиках компрессора.
Максимальная температура газа
, которую можно получить в поршневом компрессоре, определяется
степенью сжатия ступени. В
отличие от винтового компрессора, в котором степень сжатия определяется геометрией винтовой пары, а также
противодавлением (в случае с внешним сжатием) для поршневого существуют рекомендуем
ые значения степени сжатия газа в одной
ступени, превышая которые КПД компрессора будет ухудшаться. Используя
зависимости изотермического КПД от давления нагнетания и колич
ества ступеней в поршнево
м
компрессор
е
[2], выбирают количество ступеней сжатия
в поршневом компрессоре
. Эти рекомендации составлены для случая нулевого недоохлаждения в межступенчатом теплообменнике. В таблице 3
приведена степень
сжатия в одной ступени м
ногоступе
нчатого поршневого компрессора для случая
максимального и
зотермического КПД заданного числа ступеней.
Таблица №
3
. Степень сжатия в одной ступени многоступенчатого поршневого компрессора в зависимости от числа ступеней и давления нагнетания, где изотермический КПД компрессора наибольший для данного числа ступеней. Количество ступеней
Давление нагнетания
Степень повышения в одной ступени
[
МПа ]
1
0,30
3,000
2
1,00
3,162
Статья «Оценка тепла компрессорных установок». Никита Денисов
-
Винский
стр. 9
из 12
3
2,60
2,962
4
7,20
2,913
5
18,50
2,841
Из таблицы
3
видно, чт
о оптимальная степень повышения давления в одной ступени находится в районе трёх. П
ри сжатии воздуха, температура воздуха на выходе из ступени будет находит
ь
ся в пределах 130 –
140 °С. Однако на практике компрессор может быть спроектирован и на отличные от
рекомендуемых пара
метры, что будет влиять на температуру газа после его сжатия в ступени компрессора.
ЦЕНТРОБЕЖНЫ
Е КОМПРЕССОРЫ
Центробежные компрессорные машины в отличие от поршневых и винтовых рассчитаны на высокую производительность (
рис.1
)
. П
ринципиа
льным их отличием является невысокая степень сжатия газа в ступени и как следствие невысокое давление нагнетания всего компрессора.
Ещё одной важной особенностью центробежного компрессора является относительно невысокое значение политропического КПД ступен
и. Это связано, прежде всего, с тем, что газ проходит большое количество лопаток –
входной направляющий аппарат, рабочее колесо, диффузор, обратно
-
направляющий аппарат. Из
-
за несовершенства газодинамики проточной части –
ударный вход газа на лопатки, трени
е, перетечки
, срыв потока
и пр., политропический КПД находится на уровне 85
,
0
72
,
0
пол
. Это влияет на то, что сжатие газа в ступени центробежного компрессора может происходить с
показател
ем
политропы 5
,
1
n
и выше. В свою очередь
перетечки зависят в большей степени от типа рабочего колеса
ступени компрессора. Методы оценки количества тепла, отведённого с охлаждающей жидкостью аналогичны методам
для оценки отведённого тепла в винтовых и поршневых компрессорах.
На рис.
11 приведена
зависимость количества отводимого тепла от подводимой электрической мощности двухступенчатой ЦКМ при полном охлаждении воздуха в промежуточном и концевом теплообменнике, 85
,
0
пол
и температуре воздуха на всасывании 20 °С.
Статья «Оценка тепла компрессорных установок». Никита Денисов
-
Винский
стр. 10
из 12
y = 0,8041x + 26,04
R
2
= 0,9997
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
0
500
1000
1500
2000
Электрическая мощность компрессора [кВт]
Мощность отводимого тепла [кВт]
Рис.11. Зависи
мость количества отводимого тепла от электрической мощности двухступенчатого ЦКМ при охлаждении Δ
T
1
= 0, Δ
T
2
= 0, 85
,
0
пол
и температуры воздуха на всасывании 20 °С.
Основные результаты оценки тепловой мощности, которая отводится от компрес
сора
в процессе сжатия газа,
сведены в таблицу №4.
Таблица №4. Тип компрессора
Количество отводимого тепла
Максимальная температура в процессе сжатия
Род сжимаемого газа
Винтовой компрессор сухого сжатия
77 –
90 % от подводимой электрической энергии
240
°С и выше
Нефтяной, факельный газ. Воздух. Гелий. Углеводородный газ.
Поршневые компрессоры
58 –
70 % от подводимой электрической энергии
130 –
140 °С
Воздух, различные технологические газы, кислород и пр.
Центробежные компрессорные машины
на уровне 80%
от подводимой электрической энергии
60 –
110 °С
Воздух, азот, азотоводородная смесь, водородосодержащая смесь, природный, попутный, нефтяной газ. Кислород, хлор.
Винтовые маслозаполненные
77 –
90 % от подводимой электрической энергии
90 °С
Нефтяной, факе
льный газ. Воздух. Гелий. Углеводородный газ.
Статья «Оценка тепла компрессорных установок». Никита Денисов
-
Винский
стр. 11
из 12
Опыт, полученный автором при проведении энергоаудита компрессорных станций и установок, показывает, что теплоту, выделяемую при производстве сжатого воздуха, наиболее рационально использовать на собственные нужды предприятия, где установлено данное оборудование: подогрев воды для отопления помещений или горячего водоснабжения.
Это было подтверждено результатами расчетов нескольких инвестиционных проектов по использованию теплоты компрессорных станций и устано
вок. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕПЛА КОМПРЕССОРНЫХ УСТАНОВОК
В рамках энергетического обследования одного из промышленных предприятий, руководством предприятия была поставлена задача прописать энергосберегающие мероприятия, оценить их эконом
ическую эффективность. На
первом этапе м
ероприятия, чей срок окупае
мости составлял менее полутора лет,
при обозначенных суммах инвестици
й и экономического эффект
а
, руководство предприятия готово было реализовывать. Одним из таких мероприятий было использование тепла компрессорных установок для технологических нужд.
Один из цехов предприятия занимается изготовлением декоративной фасадной плитки. Технологическим процессом изготовления пред
усмотрена
её сушка, которая осуществляется в отдельном помещении цеха. Для её сушки в этом помещ
ении предусмотрены шесть кал
ориферов общей мощностью
200 кВт·ч
или 0,172 Гкал/час тепловой энергии
. Калориферы располагаются таким образом, чтобы направление горячего воздуха было вдоль стенок помещения. Таким образом, в помещении всегда поддерживается нео
бходимая температура, которая обеспечивает сушку изделий за 3 …
4 часа
. Общие затраты на работу калориферов при двухсменной работе (16 часов) и пятидневной рабочей недели составляют 168.000 рублей в месяц или около 2.000.000 рублей в год
(
при тариф
е
2,5 ру
б/кВт·ч)
. В тоже время в непосредственной близости от цеха по производству декоративной плитки располагается компрессорная станция, которая состоит из трёх компрессоров (два рабочих, один резервный) мощностью по 140 кВт каждый. Компрессорная станция обесп
ечивает нужды предприятия в сжатом воздухе. Анализ режимов работы компрессоров показал, что более 95% от рабочего времени компрессоры работают с загрузкой выше 90%. Проведя оценочные расчеты в рамках энергоаудит
а
компрессорной станции был сделал вывод, что
порядка 0,193 Гкал/час тепловой энергии отводится в окружающую среду с системой охлаждения компрессорной станции. Было предложено использовать эту теплоту для сушки декоративной плитки. Статья «Оценка тепла компрессорных установок». Никита Денисов
-
Винский
стр. 12
из 12
На первом этапе реализации данного проекта было принято решение от
казаться только от работы трёх калориферов
, второй этап включал полный переход на тепло компрессорных установок. Для транспортировки тепловой энергии к помещению сушки в
систему охлаждения компрессорной ста
нции был встроен теплообменник
, который брал на се
бя часть тепла охлаждающей жидкости компрессо
рных установок
, перед тем как она поступит в градирни
. П
ри этом система охлаждения компрессорной станции работала в штатном режиме и отслеживала температуру охлаждающей жидкости, которая
шла на охлаждение компре
ссоров. Начальные инвестиции на реализацию проекта были возвращены менее чем через год. ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Кузнецов Ю.В., Кузнецов М.Ю. Сжатый воздух. –
Екатеринбург: Уро РАН, 2007. –
514 с.
2. Пластинин П.И. Поршневые компрессоры. Т.1: Теор
ия и расчет. –
М.: КолосС, 2006. –
400 с. 3. Сакун И.А. Винтовые компрессоры. –
Л.: Машиностроение, 1970. –
400 с.
4. Области применения компрессоров: http://energysystems.com.ua/lenta/1.
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа