В настоящей аналитической статье сравниваются накопленные затраты при эксплуатации трех основных типов компрессоров, применяемых для производства сжатого воздуха: поршневого (ПК), винтового (ВК), центробежного, или турбокомпрессора (ТК). Кроме того, анализируется безмасляный винтовой компрессор (с сухой винтовой парой) - (ВКс).

Стоимость жизненного цикла С (накопленных затрат) оценивается как сумма Со+Сэ,
где Со - первоначальная стоимость оборудования,
Сэ - основные эксплуатационные затраты.
Сэ можно представить следующим образом:
Сэ = С1+С2+С3,
где С1 - стоимость потребленной электроэнергии,
С2 - стоимость запчастей и расходных материалов (включая масло, масляные и воздушные фильтры, маслоотделяющие линейные фильтры, винтовой блок для ВКс),
С3 - стоимость охлаждения (исходя из стоимости 1 м3 воды - 3,58 руб. по [1] или энергопотребления вентиляторов).

Данные по компрессорам взяты из литературы [1-5], и любезно предоставлены представителями производителей оборудования Atlas Copco, COOPER TURBOCOMPRESSOR, Gardner Denver, Пензакомпрессормаш. Модели компрессоров, выбранные для сравнения, приведены в таблицах 1 и Результаты сравнения, приведенные на 1 и 2, соответствуют расчетным режимам работы компрессоров (потери при неполной загрузке ПК и ВК не учитывались) за период эксплуатации 5 лет на стекольном производстве.

1.

2.

Случай 1 - единичная производительность компрессора 25 м3/мин - характерен для небольших производств с объединенной системой воздухоснабжения (низкобарной и высокобарной) или составного цеха (потребное давление 0,6 бар).

Случай 2 - единичная производительность компрессора 100 м3/мин, давление нагнетания - обеспечение работы 8 секционной стеклоформующей машины (требуемое давление на входе составляет 0,35 МПа).

Варианты рассматривались при:
- курсе доллара - 31,5 руб.;
- курсе евро - 35,2 руб.;
- стоимости электроэнергии - 1,10 руб/кВт.ч;
- стоимости 1 м3 воды оборотного водоснабжения - 3,58 руб.[1].

Табл. 1.

Табл. 2.

Приведенные в таблицах цены на оборудование даны дилерами как приблизительные, поскольку на формирование цены во многом влияет комплектация компрессора, и общая стоимость всего контракта. Тем не менее, как видно из графиков, стоимость накопленных расходов за период эксплуатации во много раз превышает цену самого компрессора, поэтому для проведения сравнительных оценок этих данных вполне достаточно.

Кроме перечисленных в таблицах 1 и 2 характеристик, можно отметить следующие основные особенности указанных компрессоров:

ПК - требуется специальный фундамент и сборка перед установкой, сжатие в 2 ступени, создает вибрацию, имеет только водяное охлаждение, ремонтируется на месте, необходимо постоянное добавление масла в насослубрикатор для смазки поршневой группы.

ВК, как и ВКс, - поставляется в собранном виде, имеет небольшие габариты, не требует специального фундамента, сжатие в 2 ступени, вибрацию не создает, может иметь как водяное, так и воздушное охлаждение. Винтовая пара неремонтопригодна - подлежит замене через 100 000 часов наработки (40 000 для ВКс) и отправке на завод. Стоимость заменяемого блока составляет 50% (и более - для ВКс) от стоимости компрессора. При этом постоянно накапливаемый износ винтовой пары (особенно для ВКс) с течением времени ухудшает характеристики компрессора.

В рассмотренных моделях ВК, ВКс и ПК регулятор VSD не установлен. При отсутствии VSD компрессоры ВК, ВКс и ПК имеют регулирование загрузка разгрузка или дросселирование. Для режима регулирования загрузка разгрузка, и для поглощения пульсаций расхода и давления в сети для ПК и ВК необходим ресивер. При таких способах регулирования удельный расход электроэнергии на производство сжатого воздуха увеличивается на 20-30%.

ТК - поставляется в собранном виде, имеет минимальные габариты, не требуется специальный фундамент, в цикле эксплуатации характеристики не ухудшаются (проточная часть не изнашивается), возможно как воздушное, так и водяное охлаждение. Масло отсутствует как в вырабатываемом воздухе, так и в сбрасываемом конденсате (специальные маслоотделительные фильтры не нужны), не требуется постоянного присутствия оператора в компрессорной. В отличие от ПК и ВК, ТК не нуждается ни в частотном регулировании, ни в ресивере, поскольку, являясь нагнетателем динамического сжатия, имеет газодинамическое регулирование. Использование входного направляющего аппарата (ВНА) позволяет закручивать поток на входе в первую ступень при снижении производительности, что обеспечивает сохранение оптимальных углов взаимодействия потока с рабочим колесом при постоянной частоте вращения. Подобный способ регулирования, возможный только для лопаточных машин, считается улучшенным аналогом частотного регулирования [6]. Энергопотребление на режимах неполной загрузки при использовании ВНА снижается пропорционально снижению производительности. Стоимость ВНА более чем на порядок ниже стоимости VSD, который, помимо положительных эффектов, может давать и отрицательные (помехи в электросети, перегрев электродвигателя, ухудшение условий смазки подшипников компрессора и мотора, попадание в зону резонансных частот валов и т.п.). Для ТК газодинамическое регулирование позволяет изменять производительность от 60 до 100% от номинальной, при этом сброса воздуха не происходит, удельное энергопотребление во всем диапазоне соответствует расчетному режиму. Более подробное сравнение частотного регулирования привода с газодинамическим регулированием компрессора будут проанализированы в одной из следующих публикаций.

Комментарии к графикам и выводы
Для ПК отечественного производства первоначальная стоимость компрессора менее всего зависит от его размерности, для ВК и ВКс эта зависимость практически прямо пропорциональна, для ТК стоимость возрастает ступенчато при переходе от одного модельного ряда к другому при незначительном изменении в пределах одного модельного ряда. Поэтому, при переходе из диапазона 25 м3/мин в диапазон 100 м3/мин стоимость ТК переходит из разряда самой высокой в разряд ниже средней.
Использование воздушного охлаждения позволяет снизить эксплуатационные расходы примерно на 20%, но при этом следует иметь в виду, что приведенные данные отнесены к среднегодовым условиям работы (при температуре окружающего воздуха 20оС). В жаркий летний день, когда температура воздуха в помещении компрессорной станции может достигать 50оС, удельное энергопотребление компрессоров с воздушным охлаждением возрастает на 15-20%, при этом они могут не обеспечивать требуемых параметров по давлению и расходу.
Применение VSD регулятора способно улучшить ситуацию на переходных режимах и режимах неполной загрузки для ПК и ВК, что позволяет сократить потери, которые в указанных случаях не учитывались в расчетах.
Для питания стеклоформующих машин целесообразно использовать турбокомпрессоры. Питание составного цеха при небольшом потреблении (до 40-50 м3/мин) целесообразно организовать на базе винтовых маслозаполненных компрессоров (установленных локально). При более высоких потребностях в СЖВ более выгодным будет использование турбокомпрессоров также и в составном цехе.
Применение модели турбокомпрессора с расчетным давлением 4,0 бар (вместо 4,8 бар), если допускает характеристика сети, позволит уменьшить расход электроэнергии так же на 10%.