2631

1.2. Характеристика функций вспомогательных элементов системы

При всем многообразии вспомогательных элементов (ВЭ) системы их необходимость диктуется следующими задачами:

-транспортировка энергоносителя от генератора к потребителю (для системы воздухоснабжения эта функция осуществляется насосами, компрессорами, газодувками, внешними транспортными средствами (например, перевозка энергоносителя в баллонах, цистернах и т.д.);

-хранение, резервирование и аккумулирование энергоносителя;

-дополнительное изменение свойств энергоносителя по одному или нескольким параметрам (для системы воздухоснабжения: повышение или понижение температуры, очистка, изменение влажности и т.п.);

-дополнительное изменение состава или концентрации энергоносителей, достигаемое разделением на составляющие (например, выделение редких газов в воздухоразделительных установках, ценных конденсируемых составляющих из природного газа) или смешением энергоносителей (смешение природного, коксового и доменного газов, подготовка обогащенного кислородом дутья смешением воздуха и кислорода, создание защитных атмосфер смешением азота и водорода);

-изменение агрегатного состояния энергоносителя по требованию технологии или условиям хранения и транспорта (конденсация, газификация, создание двухфазных смесей).

10

1.3. Целевые функции и показатели эффективности системы

КПД системы.

В общем случае для схемы, изображенной на рис. 2, КПД системы может быть представлен следующим соотношением:

n

где: Ei - сумма эксергии генерируемого в «n» гене-

i 1

раторах энергоносителя, в общем случае параметры и эксергии энергоносителя могут отличаться;

n

EВЭР - сумма эксергий ВЭР, производимых системой

i 1

Си утилизируемых внешними системами С1-С4;

EЭ - сумма эксергий привода, затраченная в генера-

торах, в общем случае виды энергии привода могут отличаться;

EC1,2 - эксергии потоков, которыми система С обмени-

вается с системами С1 и С2.

Величина C дает возможность термодинамической

оценки эффективности системы и ее термодинамической оптимизации.

В зависимости от необходимости анализа КПД системы может быть записан и определен по сечениям I, II и III, показывая совершенство системы по отдельным ее участкам (сечениям).

11

Располагая информацией по отдельным участкам системы, КПД C может быть представлен как:

где: Г , К , П - КПД генератора, коммуникаций и по-

требителя.

Для границы системы, показанной на рис.2, C включа-

ет только потери в распределительных устройствах энергоносителя у потребителя.

Удельный расход энергии на единицу количества энергоносителя эi , кВт ч/м3 или кВт ч/кг,

где: Эi - расход энергии на производство энергоносите-

ля, кВт ч;

Vi - объемный (как правило, отнесенный к нормальным условиям) м3/ч, или массовый расход энергоносителя, кг/ч.

В современной практике величина Эi чаще всего опре-

деляется по сечению на выходе из генератора без учета материальных и эксергетических потерь в коммуникации и распределительных устройствах потребителя. При анализе и оптимизации параметров системы с учетом названных потерь, составляющих от 20 до 40 %, величина Эi должна определяться по сечению на входе у потребителя.

Используется как среднее значение Эi–р по всем гене-

раторам, особенно если энергоноситель сколлектирован, так и локальные значения для каждого генератора.

12

Норма расхода энергоносителя на единицу продук-

ции

где: Vi и Nт - соответственно количество энергоноси-

теля и количество единиц (объемов) конечного продукта, отнесенные к одинаковому промежутку времени (год, час, минута и т.д).

Величина обычно задается технологическим потребителем по статистическим данным и данным испытаний.

Приведенные затраты в системе.

Приведенные затраты П в СПРЭ определяются из соотношения, руб./год:

где: К - суммарные капиталовложения в системе, руб.; Э - ежегодные суммарные издержки на производство

энергоносителя, руб./год; Ен - нормативный коэффициент эффективности, 1/год.

Величина П используется для технико-экономической оценки и оптимизации как системы в целом, так и ее элементов, в частности станций и установок, генерирующих энергоноситель. П - наиболее часто используемая для оптимизации систем целевая функция, а ее минимум определяет оптимальное количество установок, агрегатов, параметров и режимов энергоносителя.

Распределение затрат на производство энергоноси-

теля.

Задача распределения затрат возникает в системах СПРЭ при производстве энергоносителя одного типа, но раз-

13

ных параметров (например, сжатый воздух разных давлений и температур), производстве одним генератором нескольких различных энергоносителей (воздухоразделительная установка), и выработке утилизируемых в других системах ВЭР в процессе производства энергоносителя.

Во всех этих случаях из всех существующих методов распределения затрат наиболее целесообразен и удобен метод распределения затрат в соответствии с эксергией потоков энергоносителей, поскольку в их производстве существенную роль играют энергетические затраты.

Задача распределения любой суммарной величины на входе в систему (первичной энергии, капитальных затрат) состоит в определении доли эксергии данного энергоносителя в сумме эксергий энергоносителей системы mi :

Ei

i 1

где: Ei - эксергия энергоносителя i из общего количе-

ства энергоносителей в системе n (включая утилизируемые потоки ВЭР);

n

Ei - сумма эксергий всех потоков произведенных

i 1

энергоносителей.

В соответствии с величиной mi могут быть распреде-

лены следующие затраты:

- затраты первичной энергии на производство энергоносителя Эi , кВт ч/ед. количества энергоносителя:

где: Э - суммарные затраты энергии на производст-

во энергоносителей в системе;

- капитальные затраты Ki :

где: K - суммарные капитальные затраты на произ-

водство энергоносителей в системе; - себестоимости отдельных потоков энергоносителей,

руб./ед. кол. энергоносителя:

Во всех предыдущих случаях предполагалось, что КПД процессов производства энергоносителей одинаковы и равны некоторому общему КПД C . В большинстве случаев такое

обобщение вполне правомерно, к тому же процессы преобразования энергоносителей осуществляются совместно и их раздельный анализ затруднен. Однако в некоторых случаях КПД отдельных процессов различны и могут быть выделены. В этом случае коэффициенты, аналогичные mi , должны быть

определены по величине эксергии Ei , учитывающей потери в

процессе преобразования i -го энергоносителя. Методика такого распределения затрат для сложных многоцелевых систем описана подробно в [2].

15

2. СИСТЕМА ВОЗДУХОСНАБЖЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННОГО ПРЕДПРИЯТИЯ

2.1. Назначение и характеристики системы

Ни одно промышленное предприятие не может обойтись без применения сжатого воздуха, который является доступным источником, как сырьевым, так и энергетическим. Особенно широко сжатый воздух используется в промышленности и строительстве. Источниками сжатого воздуха служат как небольшие мобильные установки, так и крупные стационарные компрессорные станции, связанные с потребителями через сеть воздухопроводов, что в совокупности образует систему воздухопотребления промышленного предприятия.

Системы воздухоснабжения предназначены для выработки сжатого воздуха требуемых параметров и бесперебойного обеспечения им технологических нужд предприятия.

В зависимости от профиля предприятия, производства сжатый воздух используется для:

-осуществления основных технологических процессов как компонент химической технологии, например, для получения кислорода и азота, для дутья в металлургии и т. п.;

-энергетического применения, связанного с использованием воздуха как окислителя при сжигании различных топлив или как теплоносителя для нагрева или охлаждения газов

ижидкостей;

-обеспечения работы пневмоинструмента и пневмоприводов, питания машин литейных и кузнечных производств, строительных машин и механизмов, выполнения обдувных, пескоструйных, покрасочных и других работ на производственных предприятиях различного профиля деятельности;

-как энергоноситель: обеспечение работы технологических комплексов и устройств (конвейеров, систем пневмотранспорта, буровых станков ит. п);

16

- обеспечения работы пневматических систем, систем КИП и А.

На некоторых производствах, например на химических комбинатах, сжатый воздух для основных технологических процессов имеет параметры, отличающиеся от параметров системы воздухоснабжения, и вырабатывается специальными компрессорами, входящими в состав оборудования технологических линий.

Под системой воздухоснабжения понимается совокупность машин и технических устройств, предназначенных для выработки сжатого воздуха и доставки его к потребителям.

Основные элементы системы: компрессорные машины; воздухопроводы;

-устройства подготовки воздуха;

-система контроля и управления.

Основными характеристиками системы воздухоснабжения предприятия являются:

-назначение сжатого воздуха;

-объем потребления сжатого воздуха;

-режим потребления;

-конфигурация и протяженность системы;

-уровень автоматизации и управления.

В некоторых случаях систему воздухоснабжения удобно представлять в виде источника сжатого воздуха (компрессора или компрессорной станции), работающего на сеть. Под сетью понимается вся совокупность потребителей с системой трубопроводов.

Иногда применяются термины «пневмосистема» и «пневмосеть», которые являются синонимами терминов «система сжатого воздуха» и «сеть сжатого воздуха». Принципиальным является то, что пневмосистема состоит из двух главных частей, которые функционально неразрывны, но каждая из которых выполняет существенно различные роли: компрессорная станция обеспечивает производство сжатого воздуха, а

17

пневмосеть служит для транспортировки этого воздуха. Под компрессорной станцией в общем случае следует понимать компрессорный цех, группу компрессоров или отдельно взятый компрессор. Пневмосеть - это система воздухопроводов с необходимой арматурой. Для полной характеристики системы к указанным главным частям следует добавить вспомогательные устройства очистки сжатого воздуха от твердых и жидких частиц. Потребители сжатого воздуха являются внешними устройствами по отношению к системе воздухоснабжения, однако уровень, режим и характер потребления ими воздуха оказывают определяющее влияние на работу всей системы.

Системы воздухоснабжения различаются также уровнем регулирования и наличием учета произведенного и потребленного воздуха. Идеальным является оснащение компрессорной станции и всех групповых потребителей расходомерными устройствами с выводом на центральный щит мониторингом и компьютерной обработкой данных.

Системы воздухоснабжения обеспечивают промышленные предприятия сжатым воздухом при давлении 0,4-1,2 МПа. Наиболее распространены системы с давлением 0,6-0,8 МПа. Температура сжатого воздуха обычно близка к атмосферной.

По уровню потребления воздуха системы могут быть разделены на:

-крупные - свыше 500 м3/мин;

-средние - 200 – 500 м3/мин,

-малые - 50 – 200 м3/мин;

-мелкие - до 50 м3/мин.

Крупными потребителями являются металлургические заводы и комбинаты, горно-обогатительные комбинаты (ГОК). К средним потребителям относятся химические комбинаты, крупные машиностроительные заводы. Системы с малым потреблением характерны для средних и малых машиностроительных заводов, железнодорожных депо, предприятий перерабатывающих отраслей и др. К мелким потребителям отно-

18

сятся небольшие заводы, фабрики, мастерские, автохозяйства, механизированные фермы и т. п.

2.2. Состояние системы воздухоснабжения на современном промышленном предприятии

Главными преимуществами сжатого воздуха перед другими энергоносителями (природный газ, электроэнергия, водяной пар) являются простота и дешевизна его выработки и транспортировки к месту потребления.

Системы производства и распределения сжатого воздуха в промышленности потребляют до 10 % электроэнергии.

К сожалению, бытует мнение, что сжатый воздух стоит дешево, хотя только лишь 5-10 % потребленной электроэнергии идет на совершение полезной механической работы.

Затраты на выработку сжатого воздуха составляют 5-15 % от себестоимости продукции, а для некоторых производств достигают 30 % и более.

В качестве машин для сжатия воздуха широко используются поршневые, центробежные, а в последние годы и винтовые компрессоры. Ретроспективный взгляд на развитие этой области технологии в XX веке показывает, что вначале повсеместно применялись исключительно поршневые компрессоры, которые постоянно совершенствовались. С появлением крупных промышленных предприятий для удовлетворения их потребностей в сжатом воздухе стали использовать высокопроизводительные центробежные компрессоры, а в отдельных случаях и осевые машины. В период спада экономики в странах СНГ на предприятиях резко снизились объемы производства, что привело к необходимости выведения из эксплуатации крупных компрессорных станций и установок и в первую очередь центробежных компрессоров. В борьбе за снижение себестоимости продукции все более широко применяются энерго-

19