Система воздухоснабжения промышленного предприятия. Учебное пособие

УДК 628.8:658.2(076.5) ББК 38.762997

Г71

Рецензент – доцент, кандидат технических наук Р. Ш. Мансуров

пособие / С. В. Горячев, Сологуб И.В; Оренбургский гос.ун-т.- Оренбург: ОГУ, 2014. - 99 с.

В учебном пособии представлены тематика и варианты заданий к курсовому проекту. Изложены общие требования к объему и содержанию проекта, к оформлению расчетно-пояснительной записки и графической части. Приведена примерная последовательность выполнения курсового проекта, некоторый необходимый для работы справочный материал.

Учебное пособие предназначено для студентов очной и заочной форм обучения по направлению подготовки 140100.62 Теплоэнергетика и теплотехника.

.

УДК 628.8:658.2(076.5)

ББК 38.762997

Горячев С.В., Сологуб И.В.

ОГУ, 2014

Содержание

3

Введение

Сжатый воздух – самый распространенный энергоноситель на любом предприятии, а система воздухоснабжения является одним из самых энергоёмких потребителей. Доля первичных энергоносителей для производства сжатого воздуха на различные нужды колеблется от 5 до 30 % и более от общего энергопотребления на производство конечного технологического продукта.

Система воздухоснабжения предназначена для централизованного обеспечения разнообразных промышленных потребителей сжатым воздухом требуемых параметров в соответствии с заданным графиком потребления.

Структурно система воздухоснабжения состоит из генератора - компрессоров,

расположенных на компрессорной станции, коммуникаций - системы трубопроводов или баллонного хозяйства для доставки сжатого воздуха потребителям, и собственно потребителей.

В зависимости от необходимых потребителям параметров сжатого воздуха компрессорные станции оборудуются центробежными компрессорами единичной производительностью 250 - 7000 м3/мин, выдающим сжатый воздух с избыточным давлением 0,35 - 0,9 МПа, или поршневыми компрессорами единичной производительностью не более 100 м3/мин и давлением 0,9 - 20 МПа. В последнее время широко используются винтовые компрессоры, занимающие промежуточное положение по давлению и производительности между центробежными и поршневыми машинами.

На компрессорной станции воздух не только сжимается, но и производится дополнительное изменение его параметров в зависимости от требований потребителя: осушка, очистка, охлаждение или нагрев.

Как показывают обследования многих предприятий, обслуживание систем воздухоснабжения возлагается на энергетиков предприятий, поэтому сведения о составе этих систем, порядке проектирования необходимы инженерам – промтеплоэнергетикам.

4

1 Общая характеристика систем воздухоснабжения и потребления

энергоносителей

Системы воздухоснабжения промышленных предприятий предназначены для централизованного обеспечения разнообразных потребителей сжатым воздухом с заданными параметрами по количественным (расход) и качественным (давление,

температура, влажность, чистота и т.д.) показателям в соответствии с заданным графиком потребления. Для обеспечения индивидуального технологического режима единичных крупных потребителей сжатого воздуха создают блочную компоновку компрессор - технологический агрегат. в этом случае компрессор располагается у потребителя либо в непосредственной близости от объекта устанавливается компрессорная станция для индивидуального регулирования режимов потребления энергоносителя. Это относится прежде всего к предприятиям черной и цветной металлургии, а также химической промышленности, где сосредоточенны наиболее крупные технологические установки, использующие сжатый воздух.

Система воздухоснабжения промышленного предприятия включает в себя компрессорные и воздуходувные станции, трубопроводный и баллонный транспорт для подачи сжатого воздуха к потребителю, воздухосборники-ресиверы и распределительные устройства сжатого воздуха самого потребителя.

В зависимости от необходимых потребителям расхода воздуха и его давления станции оборудуются центробежными компрессорами с избыточным давлением 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. Коммуникации сжатого воздуха имеют радиальные и кольцевые участки. Последние применяют при компактном расположении потребителей, а также при повышенных требованиях к надежности обеспечения сжатым воздухом

Сжатый воздух на промышленных предприятиях используется по двум основным направлениям: технологическому (для выплавки стали и чугуна в металлургии,

5

получения кислорода в воздухоразделительных установках и т.д.) и силовому (для привода различных машин и механизмов в машиностроении, горнодобывающей промышленности, кузнечном и других производствах).

На производство сжатого воздуха затрачивается около 5% общего расхода электроэнергии на металлургических заводах и до 25 - 30% на машиностроительных предприятиях и горнодобывающей промышленности. При использовании электрического привода компрессоров удельный расход энергии на производство

1000 м3 сжатого воздуха составляет от 80 до 140 кВт*ч (в зависимости от давления сжатого воздуха, типа компрессорных машин, условий охлаждения и т.д.). При паровом приводе компрессоров удельный расход условного топлива на производство 1000 м3 сжатого воздуха составляет 17 — 20 кг.

Компрессорные станции включают в свой состав устройства для забора воздуха,

очистки его от пыли, компрессоры, приводные двигатели, теплообменники охлаждения, вспомогательное оборудование, предназначенное для дополнительной обработки воздуха (осушки, очистки, изменения давления, аккумуляции). На компрессорной станции могут размещаться только компрессоры с электроприводом

(обычно для машиностроительных предприятий) или компрессоры с паротурбинным приводом (обычно для агрегатов доменного дутья). Находят применение и комбинированные паровоздуходувные и электрические станции ТЭЦ-

ПВС.

Система воздухоснабжения является одним из самых энергоемких потребителей,

а сжатый воздух - самый распространенный энергоноситель практически на любом промышленном предприятии. У потребителя сжатый воздух расходуется в основном на технологические нужды ( интенсификация процессов горения, получение кислорода, выплавка чугуна и стали и т.д.) и на силовые процессы ( привод многочисленных пневмоустройств и механизмов).

По объемам потребления сжатого воздуха лидируют предприятия черной и цветной металлургии, где крупными единичными потребителями являются: доменные и мартеновские печи, барабанные сушилки и т.д. Для производства 1 тонны чугуна, к

примеру, расходуется 800-1000 м3 сжатого воздуха, а единичное потребление

6

энергоносителя конвертером колеблется от 3 до 15 м3/с.

На предприятиях химической промышленности наиболее емким по потреблению сжатого воздуха является производство азотной кислоты ( расход энергоносителя около 4000 м3 на 1 тонну), серной кислоты, аммиачной селитры

(расход энергоносителя до 140 м3/с на одну установку).

Крупными потребителями сжатого воздуха являются воздухоразделительные установки, которые обслуживаются крупными турбокомпрессорами

(производительностью до 70 м3/с), а затраты энергии на производство сжатого воздуха составляют от 70% до 90% всех энергозатрат в зависимости от типа установки.

В машиностроении, помимо крупных потребителей воздуха в литейных и кузнечных производствах (прессы, обдувочные машины, пескоструйные камеры,

вибраторы и т.д.), значительно больше доля использования энергии сжатого воздуха для приводов различных механизмов: пневмомолотки, зажимные и прижимные устройства, окрасочные камеры, пневмодвигатели, пневмодрели и т.д. На машиностроительных заводах применяется, как правило, централизованное воздухоснабжение при значительной неравномерности использования воздуха различными мелкими потребителями.

К достаточно крупным потребителям сжатого воздуха относятся: горнодобывающая и угольная промышленность (буровые устройства, перфораторы, подъемники,

системы вентиляции и кондиционирования воздуха); строительная промышленность

(распыливание красителей, вибраторы, пневмомолотки и т.д.); нефтедобывающая отрасль.

Сжатый воздух достаточно широко также используется в энергетической промышленности, на транспорте, для нужд связи, автоматики и других отраслях.

Производство сжатого воздуха - нерациональный с точки зрения энергоэффективности процесс в принципе. Более 80 % электроэнергии, расходуемой для производства сжатого воздуха, теряется в виде тепла, остальная часть расходуемой электроэнергии преобразуется в полезную энергию сжатого воздуха.В

практике российских и большинства зарубежных предприятий до последнего

7

времени использовалась централизация воздухо- и газоснабжения. Как всякое техническое решение оно имеет положительные и отрицательные качества.

Наибольшие проблемы возникают при необходимости регулирования производительности.

Компрессоры должны с максимальным КПД обеспечить необходимый расход и напор воздуха у потребителя. При оптимальном выборе типа и количества компрессоров и регулировании режимов их работы необходимо иметь в виду, что рабочая точка нагнетателя определяется видом напорной характеристики нагнетателя и характеристики сети. Рабочее значение расхода и напора определяется пересечением характеристик нагнетателя и сети.

Как правило, рабочая точка не обеспечивает заданные напор и расход.

Поэтому в практике инженерного проектирования выбираются компрессоры,

обеспечивающие необходимый расход с превышением напора. Это изначально предполагает повышенный расход энергии на привод компрессоров и более напряженные по механическим нагрузкам режимы работы.

Существует несколько способов регулирования производительности компрессоров. Наиболее распространенные в практике: дросселирование;

байпассирование и изменение числа оборотов двигателя. Первые два особенно популярны в России в силу их сравнительной простоты и дешевизны реализации.

Но эти два способа регулирования неэкономичны и не позволяют обеспечить одновременное выполнение соответствия заданным значениям величин напора и расхода. Самым экономичным способом регулирования является изменение числа оборотов двигателя. В этом случае с достаточной точностью можно считать, что сохраняется подобие режимов и, следовательно, не изменяется кпд. До настоящего времени частотное регулирование не нашло должного распространения в нашей стране из-за сравнительно высокой стоимости частотных регуляторов - практически равной стоимости самого двигателя. В условиях прежних низких цен на электрическую энергию установка частотных регуляторов была не выгодна. Но со стремлением внутренних цен на энергоносители к мировому уровню установка подобных регуляторов становится выгодной. Для выявления потенциалов

8

энергосбережения необходимо проведение комплексного анализа системы воздухоснабжения целиком для разных типов компрессоров, позволяющего с помощью эксергетического баланса установить наиболее энергоемкие потери в системе и путем целенаправленных действий добиться их минимизации.

Комплексный подход к решению данной задачи позволит увеличить общую эффективность системы, рассматривая ее как совокупность отдельных элементов

(компрессор, коммуникации, вспомогательные элементы, потребитель), каждый из которых оказывает определенное воздействие на всю систему и определяет работоспособность и надежность всей системы в целом. Повышение эффективности работы системы воздухоснабжения также возможно благодаря внедрению ряда энергосберегающих мероприятий, позволяющих снизить потери за счет использования дополнительных резервов экономии энергоресурсов.

1.1 Трубопроводы компрессорных станций

Компрессорная станция — стационарная или подвижная (другое наименование — передвижная или самоходная) установка, предназначенная для получения сжатых газов. Получаемый сжатый газ или воздух может использоваться как энергоноситель (для пневматического инструмента), сырье (получение отдельных газов из воздуха), криоагент (азот).

Станция состоит из компрессора и вспомогательного (дополнительного)

оборудования. Чаще всего компрессорная станция представляет собой блок-бокс, в

котором и размещается всё установленное оборудование с обвязкой. Часто станции оснащаются такими системами как - системами пожаротушения, освещения,

вентиляции, сигнализации, газоанализа и т.д.

Компрессорные станции (в отличие от компрессорных установок)

эксплуатируются на открытом воздухе даже при отрицательных температурах в зимний период времени.

Сжатый воздух используются на предприятиях в различных целях:

9

-подачи воздуха на пневмоприводы дистанционно управляемой трубопроводной арматуры;

-для пуска дизельных электростанций;

-инициализации различных устройств автоматики;

-пневмоиспытаний оборудования;

-подключения в производственных помещениях различных пневмоинструментов

(гайковёртов, шлифмашинок и пр.) и др.

Для выполнения этих функций применяются системы, в состав которых входят компрессорные станции, ресиверы и трубопроводы подачи сжатого воздуха. В

состав самих компрессорных станций могут входить воздушные фильтры,

холодильники, масловлагоотделители, адсорберы, электронагреватели, насосы.

Оборудование и технологические трубопроводы обвязки компрессорных станций могут поддерживать переменный режим работы газопровода. Количество газа, перекачиваемого через компрессорную станцию, регулируется включением и отключением работающих газоперекачивающих агрегатов, изменением частоты вращения силовой турбины газоперекачивающего агрегата с газотурбинным приводом и т.п. Разработчики компрессорных станций стремятся в тому, чтобы необходимое количество газа возможно было перекачать меньшим числом агрегатов. Это в свою очередь приводит к меньшему расходу топливного газа на нужды перекачки и увеличению подачи товарного газа по газопроводу.

Устройство компрессорной станции: основные элементы К устройству компрессорной станции относятся:

1.Узел подключения компрессорной станции к магистральному газопроводу;

2.Камеры запуска и приема очистного устройства магистрального газопровода;

3.Установка очистки технологического газа, состоящая из пылеуловителей и фильтр сепараторов;

4.Установка охлаждения технологического газа;

5.Газоперекачивающие агрегаты;

6.Технологические трубопроводы обвязки компрессорной станции;

10