2.2.3.6. Утилізація теплоти, яка відводиться від стисненого повітря в проміжних та кінцьових повітроохолодниках

Утилізація теплоти може здійснюватися наступним чином:

1. Ефективно відбираючи теплоту від повітря в компресорах си-стеми, можна тільки за рахунок цього опалювати промислові приміщення;

2. Використання теплоти, яка відбирається від стисненого повітря, для охолодження повітря, яке всмоктується компресорами, за допомогою адсорбційних холодильних машин в теплий період року.

2.2.3.7. Розрахунок ефективності від впровадження енергоощадних заходів

1. Заміна компресора застарілої конструкції на новий з більш високим ККД.

Підвищення ККД компресора залежить від зменшення потрібної потужності електроприводу.

Економія енергії визначається за формулою, (тис.кВт∙годин)/рік

,

(3.4)

де – потужність електродвигуна відповідно старої і нової кон-струкції, кВт; – час роботи, годин/рік.

2. Зниження тиску стисненого повітря біля споживачів, де воно вище необхідного, можна виконати за допомогою редуктора, інжектора, дроселя і регуляторів тиску. Втрати при використанні стисненого повітря з тиском вище номінального складають, (кВт∙годин)/рік

(3.5)

де 1,1 – коефіцієнт, який враховує втрати електроенергії на знос обладнання і освітлення компресорної; – робота стиснення 1 м³ повітря, кгм/м³ (визначається по характеристиці компресора), Q – подача компресору, м³/хвилину; – час роботи за рік, години; – ККД електросіті, електродвигуна і передачі (0,85…0,9); – механічний (0,65…0,95) і – індикаторний (0,83…0,87) ККД компресору.

При виконанні заходу, при якому компресор виробляє повітря необхідного тиску, економія буде рівна втратам в першому випадку.

3. Підвищення температури стисненого повітря при надходженні до споживача (ізоляція сіті, підігрів повітря).

Величина економії в цьому випадку визначається за формулою

,

де Q – витрати повітря, м³/хвилину; – різниця температур до і після впровадження заходу, °С; – питомі витрати електроенергії, (кВт∙годин)/м³; – кількість годин роботи компресору за рік, годин.

Оцінка споживання енергії повітряними й холодильними, компресорами

Керування повітряними й холодильними компресорами з электроприводными пристроями здійснюють четверьмя основними способами.

Управління типу "увімкнути-виключити". Цей спосіб застосовують в основному для невеликих поршневих компресорів. Компресор підвищує тиск повітря в системі й у випадку досягнення певного значення тиску двигун компенсатора вимикається. Якщо тиск знижується, компресор знову включається.

Управління типу "з навантаженням - без навантаження". Цей спосіб використають для більших поршневих компресорів, для яких часті включення й вимикання можуть викликати ушкодження двигуна. Тому тут у випадку досягнення бажаного рівня тиску використають клапани, які дозволяють поршням рухатися без посилки повітря в резервуар стисненого повітря. Цей метод дозволяє заощадити велика кількість енергії, хоча компресор, працюючи без навантаження, усе ще споживає значна кількість енергії.

Управління типу "повне навантаження - половинне навантаження", Це варіант описаного вище способу керування, у якому існує положення між повним навантаженням і без навантаження під час якого механізм використається наполовину, щоб зменшити рівень виробітку повітря.

Управління типу "повне регулювання". Цей спосіб звичайно використають для ротаційних гвинтових компресорів або турбокомпресорів, і дозволяє подавати повітря відповідно попиту на нього. У деяких випадках можлива зміна продуктивності компресора в співвідношенні 3:1, навіть чи 4:1. Звичайно для цього використають зміну робочого обсягу циліндрів гвинта або турбіни, хоча в деяких випадках використають двигуни зі змінною швидкістю обігу. Однак завжди зі зменшенням навантаження має місце зменшення ефективності.

Тепер зупинимося на деяких особливостях, які варто враховувати під час визначення кількості електроенергії, які споживають двигуни повітряних і холодильних компресорів.

Номінальна потужність електродвигунів. Номінальна потужність двигуна звичайно зазначена на його інформаційній таблиці (шильде).

Коефіцієнт середнього завантаження. Оцінка коефіцієнта завантаження звичайно базується на вимірах часу роботи компресора в різних режимах.

Дані про навантаження двигуна для різних режимів компресора звичайно подають заводи-виготовлювачі компресорів.

Робочий час протягом року. Цей показник заснований на кількості годин, протягом яких потрібне стиснене повітря (охолодження).

Рассмотрим процедуру оцінки споживання електроенергії на прикладі повітряного компресора.

Поршневий повітряний компресор, що поставляє повітря під тиском 0,7 Мпа. працює з управлінням типу "повне навантаження - половина навантаження - без навантаження". Энергоаудитор фіксує час роботи компресора в різних режимах (які відрізняють за характером звуку й за зміною тиску повітря) протягом приблизно двадцяти хвилин в умовах нормальної роботи.

Результати вимірів показані на графіку й у таблиці:

Таблиця 2.2.3.1.

Характер навантаження	Час, с	%
Повне	371	31
Половинне	697	59
Без навантаження	115	10
Разом	1183	100

За даними спостережень на підставі даних заводу-виготовлювача компресора певні потужність двигуна й продуктивність компресора в різних режимах (табл. 2.2.3.2).

Таблиця 2.2.3.2. Потужність двигуна й продуктивність компресора в різних режимах роботи

Режим роботи	Потужність двигуна, кВт	Продуктивність компресора, м3 повітря/хв
Повне навантаження	120	828
Половинне навантаження	73	394
Без навантаження	34	0

З використанням даних табл. 2.2.3.2 виконаний розрахунок середньої потужності двигуна:

P_ср = (120 кВт · 371 з + 73 кВт · 679 з + 34 кВт · 115 с) / 1185 c = 83,95 кВт

звідси коефіцієнт середнього завантаження

k_з = Р_ср/Р_ном = 83,95/ 120 = 0,7

Аналогічно можна розрахувати середню продуктивність компресора.

Потім для визначення розміру потоку повітря, наприклад, через неправильну експлуатацію, цю середню продуктивність можна зрівняти із сумою нормального споживання повітря всім задіяним повітряно-компресорним устаткуванням.

Можливості енергозбереження для компресорного встаткування:

Потенціал енергозберігаючих заходів для вдосконалення компресорного встаткування, що підходять для різних галузей промисловості. Нижче наведена таблиця, що показує потенціал заощадження енергії за результатами проведення декількох десятків энергоаудитов компресорного встаткування.

Захід	Середнє значення заощадження	Максимальне значення заощадження	Середній строк окупності (років)·
Зменшення витоку повітря	26.3%	59.3%	0.9
Зниження системного тиску	2.0%	10.6%	1.3
Установка/регулювання засобів керування холостого ходу	10.5%	33.5%	0.8
Секціонування (послідовне підключення) компресорів	7.6%	33.6%	2.7
Скорочення машинного часу	2.6%	15.8%	<0.1
Сумарні заощадження (для однієї установки)	43.7%	65.0%	0.8

Як бачимо, середні заощадження перевищують 43 %, при цьому усереднений період повернення інвестиції - менш одного року.

Як зберегти енергію при використанні компресорного встаткування:

Є кілька правил, заснованих на здоровому глузді й емпіричних методах:

1. Більшість типів конструкції працюють при 100 фунтах на квадратний дюйм надлишкового тиску, забезпечуючи продуктивність 4-5 кубічних футів у хвилину на кінську силу.

2. Падіння тиску на кожні 2 фунти на квадратний дюйм приводить до втрат, рівним 1 %. потужності компресора в кінських силах.

3. Розмір воздухоприемного циліндра повинен приблизно відповідати співвідношенню 1 галон ємності на кожний кубічний фут у хвилину потужності компресора.

4. Температура на вихідному патрубку компресора є основним показником ефективності стиску повітря. Її типові значення до охолодження повітря після стиску в компресорі: Гвинтовий (175 про F), одноступінчастий зворотно-поступальної дії (350 про F), двоступінчастий зворотно-поступальної дії (250 про F).

5. Вторинні охолоджувачі з водяним охолодженням споживають приблизно 3 галони у хвилину на кожні 100 кубічних футів у хвилину, і виводять приблизно 20 галонів конденсату в день.

6. Розташовувати фільтри й сушарки треба на лінії подачі повітря до місця розташування яких - або редукційних клапанів (тобто, на найвищому тиску), але після того місця, де повітря охолоджене до 100 про F або менше (найнижча температура).

Введення

Устаткування для одержання/використання стисненого повітря є універсальним і безпечним; воно знайшло широке застосування в сучасній промисловості. Стиснене повітря використається як джерело енергії, середовище для очищення (продувки), засіб для транспортування й навіть як джерело холоду. Його універсальність, простота й доступність привели до розповсюдженого неправильного подання, що стиснене повітря - дешеве благо. Насправді це не так.

При порівнянні з іншими видами енергії видно, що стиснене повітря - найдорожче джерело енергії.

Зі ста одиниць електрики, які надходять на двигун повітряного компресора тільки 10 - 20 відсотків цих одиниць виконують реальну корисну роботу - ККД усього лише 10 - 20 %.

Компресор, по суті, являє собою електронагрівник, у якого ККД близький до 80 %, і який як побічний продукт вивільняє повітря під високим тиском.

При тарифі на комунальні послуги 5 пенсів/кВт ч, тариф на стиснене повітря, як на вид енергії, міг би рівнятися 50 пенсів/кВт год. Зрівняєте це з іншими джерелами енергії, і Ви побачите, чому Вам належить вчитуватися в кожний рядок цієї сторінки.

Ви могли б з легкістю зберегти багато тисяч фунтів для Вашої компанії, просто випливаючи декільком простим правилам.

Використання стисненого повітря як джерело енергії - це неефективна витрата енергії, тим більше, якщо він використається як джерело охолодження.

Використання для транспортування - також дороге задоволення. Вивчите спочатку можливість використати альтернативні рішення, такі, як повітродувки, механічні конвеєри й т.д.

Крім того, стиснене повітря використається як засіб для очищення, пилоочисник, щітка й навіть як спосіб вигнати мух за межі робочої ділянки.

На відміну від багатьох інших енергоресурсів, стиснене повітря із працею піддається виміру й керуванню. Через високу швидкість і стискальність, для забезпечення точності вимірів потрібні дорогі вимірювальні системи.

Оскільки повітря легко доступне, має місце тенденція сприймати його як якийсь дарунок, без розуміння реальних енергетичних і інших витрат на його виробництво.

Як видно з вищезгаданого, на стадії проектування й експлуатації завжди варто серйозно розглядати альтернативні можливості, щоб уникати використання встаткування на стисненому повітрі.

Завдяки ефекту Вентури, повітряні форсунки й підсилювачі задіють навколишнє повітря, і тим самим дозволяють заощадити до 70 % повітря, у порівнянні з використанням відкритих розтрубів і т.п.

Як зберігати енергію при використанні стисненого повітря:

Викладені нижче вказівки покажуть Вас різні способи підвищення ефективності компресорного встаткування, що приводить до значних заощаджень поточних витрат при невеликих строках окупності.

Можливості енергозбереження в системах компресорного встаткування можна розділити на наступні категорії.

• Можливості процесу

• Можливість системи (енергозбереження 10 %)

• Методи експлуатації

• Керування й оптимізація системи

• Можливості, що виникають при обслуговуванні

• Контроль і планування використання енергії

Докладно розглянете існуючий процес:

• Чи можна вишукати більше ефективні, і при цьому досить надійні альтернативи стисненому повітрю. Електричні дрилі, механічні конвеєрні установки, повітродувки зниженого тиску, вентилятори для охолодження, і т.д. Купуйте такий механізм, що може працювати без споживання стисненого повітря. Намагайтеся уникати використання насосів із приводом від стисненого повітря, оскільки вони характеризуються дуже низькою ефективністю, хоча часто використаються у вибухонебезпечних умовах. Насоси з електроприводом часто можуть використатися для таких ситуацій, за умови підбора потрібного взрывозащищенного виконання.

• Проводите докладний розгляд устаткування на стадії його проектування й детализирования. Аналізуйте рівні тиску й швидкості потоку для нового обладнання. Якщо тільки 20 % механізмів вимагають тиск повітря на рівні 7 бар, а інші вимагають нижче 6 бар, тоді можливо має сенс установлювати окремий компресор для більше високих тисків. Помнете, що при використанні 7 бар замість 6 бар споживається на 7 % більше енергії. Тому вивчите можливість використання системи із двома рівнями тиску.

Розподільні системи

• Кільцеві магістральні системи характеризуються меншою кількістю втрат тиску, чим розгалужені системи. Розгалужені системи легко можуть бути перетворені в кільцеві магістральні системи.

• Втрати тиску на ділянці від виходу з компресора до крапки використання не повинні перевищувати 0.5 бар.

• Розміри труб повинні бути підібрані з розрахунку, що швидкість повітря в розподільній системі не перевищує 6…9 м/с. Потік повітря на високій швидкості також захоплює за собою вологу, що може викликати корозію.

• Там, де потрібен повітря більше низького тиску, інша частина енергії систем можуть бути зекономлені за рахунок використання регуляторів подачі повітря, які дозволяють одержувати більше низький рівень тиску повітря й швидкість потоку.

• На противагу до вищевказаної рекомендації, використайте пневмоусилители для забезпечення підвищення тиск у крапці використання. Це позбавить від необхідності встановлювати високий тиск всієї системи тільки через один користувача. Завдяки пневмоусилительным регуляторам можна досягати дворазового збільшення тиску.

Компресори

Гвинтові (лопатеві) і поршневі компресори.

• Виміряйте значення споживання стисненого повітря наявної системи протягом робочого дня й протягом невиробничих годин. Можливо це дозволить побачити, що для навантаження вихідного дня й невиробничих годин варто використати більше підходящий менший компресор. Ці значення можуть також показувати найкращі способи забезпечення повітря відповідно до графіка витрати системи. Можливо для більше ефективного забезпечення попиту може бути встановлено 2 або 3 менших компресори, при цьому черговість їхнього включення согласовывается таким чином, щоб задовольняти попит більш ефективно, ніж один великий зі значним часом роботи без навантаження.

• Помнете, що компресори, що працюють без навантаження, можуть споживати 40 % потужності повного навантаження.

• Після того, як Ви вибрали тип і кількість компресорів, Вам необхідно скласти гарну технічну специфікацію для їхньої покупки. Переконаєтеся, що в специфікації є значення ККД компресора для повного й часткового навантаження. Добре спроектована система виключає можливість холостого пробігу більших компресорів при неповнім навантаженні, але так чи інакше, Ви повинні мати у своєму розпорядженні цю інформацію.

• Проведіть конкурсний відбір на основі наданих для компресора характеристичних кривих і значень питомого споживання потужності наприклад у таких одиницях як кВт/100 кубічних футів (30,48 див) у хвилину.

• Зрівняєте всі конкурсні пропозиції за значеннями поточних витрат, витрат на обслуговування й капітальні витрати. Важливо знати не тільки первісні витрати, але й сумарну вартість установки протягом строку її служби.

• Не забудьте переконатися, що всі розцінки базуються на однакових умовах "перерахування/приведення" контрольних даних до стандартних умов.

• Для всіх конкурсів/тендерів необхідно використати показник ефективності від впускного до вихідного/нагнітального отвору компресора.

• Комбінація із гвинтових і поршневих компресорів може надавати собою гарний засіб контролю. Гвинтові ефективні при зниженні навантаження в межах до 70 % від повного навантаження й тому їх варто використати для покриття базового значення споживаного навантаження. Поршневі компресори більше ефективні при частковому завантаженні й - тому повинні використатися для покриття пікових навантажень, при яких потрібні різні ступені їхнього навантаження.

Відцентрові компресори

• Будьте уважні при покупці відцентрових компресорів. Вони мають вузькі експлуатаційні отвори, що може привести до різких викидів і закупорювання/дроселюванню. Це означає, що для запобігання цих труднощів, виробники, особливо машин старого типу, використали неефективні шляхи їхнього врегулювання, включаючи сумно відомий клапан скидання зайвого тиску, що гарантують, що компресор працює однаково стійко, але при цьому постійно споживає 100 % енергії.

• Ситуація складається найгіршим образом, коли використовуваний компресор занадто потужний для покриття навантаження, при цьому може витрачатися впустую до 50 % енергії.

• Деякі більше нові динамічні компресори надають гарні можливості для регулювання й у такий спосіб не настільки марнотратні.

• Помнете, що робітники характеристики динамічного компресора сильно залежать від навколишніх умов - зокрема. від температури. Упевнитеся, що відмітні риси дизайну/проекту задовольняють вашим умовам.

Тип поршня	Потужність літр/сек	Питома потужність Дж/літр	Показник ефективності при частковому навантаженні
Поршень, що змазує	2-25	510	Гарний
	25-250	425	Гарний
	250-1,000	361	Чудовий
Поршень, що не змазує	2-25	552	Гарний
	25-250	467	Гарний
	250-1,000	404	Чудовий
Лопатеві/гвинтові з інжекцією змащення	2-25	510	Поганий
	25-250	446	Вище за середнє
	250-1,000	404	Вище за середнє
Незмазува зубчасті роторні/гвинтові	25-250	429	Гарний
	250-1,000	382	Гарний
	1,000-2,000	382	Гарний
Що не змазують центрифужні	250-1,000	446	Гарний
	1,000-2,000	382	Чудовий
	Близько 2,000	361	Чудовий

Сушарки:

• Іноді виникає необхідність у підсушуванні стисненого повітря. Сушарки можуть бути двох типів. Неефективні й ефективні. Проявляйте обережність до таких осушувачів, які використають більші кількості стисненого повітря для очищення/осушки самого осушувача. Вони не у всіх випадках є неефективними, але їхня робота може ґрунтуватися на принципі очищення по таймері, наприклад через кожні 15 хвилин, навіть якщо в цьому немає необхідності. Установлюйте в такому випадку для керування процесом чищення датчик крапки роси.

• Деякі абсорбційні сушарки використають електричні підігрівники. Вони можуть бути марнотратні по тимі ж причинам, які описані вище. Рівень споживання електрики нагрівачами також можна регулювати. Електричні підігрівники також можуть перепалювати абсорбент, і стати причиною засмічення внутрішніх фільтрів, що приводить до значних падінь тиску.

• Деякі нові абсорбційні сушарки використають теплоту від додаткового охолоджувача компресора для сушіння абсорбенту, і також можуть бути дуже ефективні.

• Охолодні сушарки також є ефективними. Також важливо, яким образом здійснюється керування.

• Вимірники крапки роси дозволяють заощаджувати енергію, охороняючи від пересушування повітря.

• Помнете, що додатковий охолоджувач і приймач збирають більшу кількість вологи, чим сушарка й повинні бути оснащені автоматичними продувними вентилями, а не ручними продувними вентилями, які втрачають велику кількість стисненого повітря, і, можливо, масла при продувці.

• Не сушите все повітря, якщо потрібно висушити тільки деяку його частину.

• Не пересушуйте

• Вологість повітря часто викликає корозію в системі трубопроводів, особливо розташованих на відкритому повітрі. Сушарки можуть запобігати корозії в системі трубопроводів і іншім устаткуванні й у такий спосіб запобігати витоку повітря.

Методи експлуатації:

• Щоб обмежувати витоку повітря, на всіх зовнішніх галузях трубопроводу встановлюють стопорні/запірні клапани. Вони можуть бути підключені й управлятися системою Энергоменеджмента Будинку.

• Переконаєтеся, що в машинах температура повітря в зоні воздухозаборника настільки низка, наскільки можливо. Це підвищує ККД компресора, оскільки за одиницю енергії стискується більша кількість повітря.

• Холодильники попереднього охолодження для приточного повітря, вимагають ретельної оцінки, щоб переконатися, що досягається загальне сумарне підвищення ефективності.

• Проводите випробування коефіцієнта витоку повітря, використовуючи метод pump up down “накачування - спуска повітря”. Витоку можуть становити 40 % поточних витрат на установку. Зовнішня система трубопроводів особливо піддана витокам повітря через корозію. Сушарки можуть трохи поліпшити ситуацію, але має сенс розглянути варіант установки пластмасової системи трубопроводів.

• Перш ніж купувати новий компресор, варто досліджувати ступінь витоків повітря. Ліквідація витоків часто може привести до одержання заданої додаткової ємності.

Керування й оптимізація системи

Засоби керування компресорами. Установлення послідовності підключення

• Придбання ефективних компресорів - це тільки частина завдання, але якщо всі вони будуть "виконувати роботу у власному режимі" незалежно від того, у якому режимі працюють інші, тоді можливості заощадження енергії, будуть загублені.

• Установлення послідовності підключення компресорів буде гарантувати, що тільки необхідна кількість компресорів покриває навантаження. Для поршневих компресорів також можна досягти деякого розвантаження за рахунок модуляції/регулювання машини.

• Переконаєтеся, що обрана система керування не приведе до завищення діапазону робочого тиску. Наприклад, перший компресор включається при 90 psi (фунтів на квадратний дюйм), другий при 100 psi і третій при в 115 psi. Діапазон тиску - 15 psi, тобто майже 1 бар. Це приводить до втрати енергії. Гарна система керування, заснована на прогнозованому або перемиканні, що чергується, компресорів приводить до досягнення діапазону тиску на рівні від 3 до 5 psi, і забезпечує заощадження енергії.

• Засоби автоматизації включення/вимикання також дають гарні результати. Завдяки м'яким запускам можна домогтися збільшення числа пусків/остановов у годину, що може бути особливо корисно для систем із чередующет підключенням.

• Для покриття гострих пікових навантажень має сенс використати компресори із приводами з регульованою швидкістю

• Розмір ресивера повинен бути досить більшим, щоб уникати занадто частого включення/вимикання компресора.

Можливості, що виникають при обслуговуванні

• Забезпечуйте чистоту фільтрів воздухозаборника.

• Контролюйте якість компресорного масла, оскільки воно може бути причиною конкретних проблем усередині компресора.

• Контролюйте якість охолодної води проміжного охолоджувача у двоступінчастих установках. Занадто високе значення температури й/або тиску на ділянці між щаблями приводить до втрати ефективності компресора.

• Проводите випробування коефіцієнта витоку повітря, використовуючи метод pump up down (накачування - спуска повітря). Витоку можуть становити 40 % поточних витрат на установку. Витоку відбуваються не тільки в системі трубопроводів, але також і у внутрішніх ущільненнях пресів, що падають молотів, різних інструментів і клапанів.

Моніторинг і планування споживання енергії

• Компресори - великі споживачі енергії, і тому варто встановлювати для них окремі вимірники енергоспоживання. Для більших установок варто встановити вимірники потоку повітря.

• Диафрагменные витратоміри характеризуються низькими відносинами “зниження” (bad turn down ratio) і тому забезпечують точні виміри тільки для одного рівня витрати. Не має змісту використати один витратомір/вимірник, що охоплює кілька споруджень, коли їсти потреба перевіряти робочі характеристики або витоки повітря.

Контрольні запитання

1. Загальна характеристика існуючих систем.

2. Витрати енергії на вироблення стисненого повітря.

3. Витрати енергії при виробленні, транспортуванні і споживанні стисненого повітря.

4. Створення карти споживання енергії.

5. Основні шляхи підвищення енергетичної ефективності системи.

6. Підвищення енергетичної ефективності компресорних установок.

7. Удосконалення магістральних і розподільних трубопроводів.

8. Розрахунок економії енергії від впровадження енергоощадних заходів.

Лекція 6