Московский государственный авиационный институт (Технический университет)

Сжатый воздух - весьма удобный энергоноситель и инструмент одновременно. В связи с этим его часто используют для питания поточных автоматических линий, различного пневмоинструмента, пневмотранспорта, прессового и формовочного оборудования. Но применение сжатого воздуха таит в себе и определенные проблемы, которые связаны как с его производством, так и с рациональным использованием.

Основные проблемы систем воздухоснабжения типичны фактически для всех предприятий, имеющих сеть сжатого воздуха:

- изношенное оборудование (средний возраст турбокомпрессоров К-250, К-135, К-500, К-350, поршневых и винтовых компрессоров различных марок достигает 25 лет). Турбокомпрессоры типа К-250 были разработаны в середине прошлого века и на на данный моментшний день устарели не только физически, но и морально: у них несовершенный газодинамический цикл сжатия, устаревшая система регулирования, узкий диапазон изменения производительности, малое число разрешенных циклов пуск-останов. Для середины прошлого века это были вполне совершенные машины, составлявшие основу систем воздухоснабжения крупных промышленных предприятий с круглосуточным производственным циклом, но в настоящее время их удельное энергопотребление на производство 1 м3 сжатого воздуха чрезмерно велико. То же можно сказать и о парке поршневых компрессоров, некоторые из которых трудятся по 60 и более лет! Им пора на заслуженный отдых. На старом оборудовании крайне не желательно делать высококачественную продукцию - или придется нести большие издержки;

- изношенные трубопроводы сети подачи сжатого воздуха, проложенные от 10 до 30 и более лет назад и изготовленные из углеродистой стали, подвержены серьезной коррозии по причине присутствия конденсата в сжатом воздухе (осушка его ведется далеко не всегда). Вместо осушки воздуха на компрессорной станции применяется сброс конденсата из магистральных труб, что ведет к большим потерям сжатого воздуха - до 10% (и более).

Кроме этих двух основных проблем на каждом предприятии могут быть свои дополнительные проблемы, среди которых чаще всего встречаются следующие:
- большая протяженность сетей и наличие тупиковых участков, в которых ощущается непрерывный дефицит воздуха;
- недостаточное давление воздуха в сети;
- неопределенность в реально необходимом количестве сжатого воздуха, и сильное изменение потребности в зависимости от времени суток, дней недели, сезонов и т.п.;
- использование сжатого воздуха не по назначению (охлаждение оборудования, подметание полов и т.п.).

В результате к потребителям попадает воздух ненадлежащего качества: с конденсатом, маслом (от поршневых и винтовых компрессоров) и частицами ржавчины с внутренних поверхностей трубопроводов.

Энергозатраты на производство сжатого воздуха - один из основополагающих параметров, которым следует руководствоваться при выборе компрессорного оборудования. Через 20 лет эксплуатации (таков средний срок службы оборудования) они многократно превысят все остальные издержки, включая и стоимость самого компрессора. При правильном выборе нового компрессорного оборудования экономия на разности энергопотребления за весь срок службы при одном и том же производстве сжатого воздуха может оказаться сопоставима с ценой нового компрессора!

Известно, что работа, подводимая к газу при адиабатическом сжатии, частично переходит в теплоту и нагревает сжатый газ. Эта теплота в системах воздухоснабжения практически ниразу полезно не используется, т.е. часть затраченной мощности, которая для воздуха составляет CV/СP=1/k=1/1,4=0,71 (здесь CV и СP - теплоемкости соответственно при постоянном объеме и давлении; k - показатель адиабаты), должна рассматриваться как прямые энергетические потери. И это - в идеальном случае. В реальных компрессорах потери энергии на нагревание воздуха могут доходить до 80%.

С позиции потребителя, эффективность компрессорного оборудования следует оценивать по энергозатратам на 1 м3 получаемого воздуха. Каждый тип компрессора имеет свой показатель энергозатрат, который удобно выражать в кВт/м3мин), принимая объем сжимаемого воздуха по условиям всасывания, т.е. нормировать его по следующим условиям:

- PO = 1,013 бар, t = 0o С, влажность 0%;
- PO = 1,013 бар, t = 20o С, влажность 0%;
(разница при определении объема по тем или другим условиям составляет 7%).

По условиям всасывания (среднегодовым) и с учетом КПД электромотора (при избыточном давлении 0,6 МПа - типичном давлении в пневмосети) энергозатраты в кВт/м3мин) на производство сжатого воздуха составляют:
- для поршневых компрессоров (2 новых ступени) - 5,9...6,3
- для винтовых (2 новых ступени без промежуточного охлаждения) - 6,8...6,9
- для турбокомпрессора К-250 (изношенного) - 7,9
- для турбокомпрессора COOPER (3 ступени) - 5,1

Из приведенных данных видно, что энергозатраты винтового компрессора в среднем на 1,65 кВт/м3мин) больше, чем турбокомпрессора COOPER. Несложно подсчитать, что компрессорная станция производительностью 100 м3/мин, оборудованная турбокомпрессорами, при годовой непрерывной работе затратит на ~1 440 000 кВт/ч меньше электроэнергии, чем такая же станция с винтовыми компрессорами. При стоимости 1 кВт/ч электроэнергии, равной 92 коп., экономия за год составит ~1,32 млн. руб. или ~41,5 тыс. дол. США.

Следующий важный момент при выборе компрессорного оборудования: эксплуатационные расходы (обслуживание, запчасти, ремонт).

Их доля может оказаться весьма высокой, если неправильно выбрать компрессор.

Для поршневых компрессоров - это замена поршневых колец, подшипников и других изнашивающихся частей.

Для винтовых (и маслозаполненных и безмасляных) - замена винтовой пары через 40 000 ч наработки (50% стоимости нового компрессора).

Для турбокомпрессоров - инспекция состояния зубьев шестерен, подшипников и уплотнений, замена прокладок через 40 000 ч наработки.

Практически у всех компрессоров нужно менять входной воздушный фильтр, масляные фильтры и масло (кроме безмасляных винтовых). При этом поршневые и винтовые компрессоры расходуют масло (тем больше, чем больше их износ), его нужно постоянно добавлять, как турбокомпрессоры масло практически не расходуют.

Все компрессоры производительностью более 50 м3мин, имеют водяное охлаждение. Эффективность этого охлаждения сильно зависит от состояния теплообменников компрессора, а оно,, - от качества воды и сложности их очистки. С точки зрения удобства эксплуатации наиболее предпочтителен следующий вариант компоновки теплообменника: вода внутри гладких труб, воздух в межтрубном пространстве, схема с противотоком (поток воздуха направлен навстречу потоку воды - максимальная эффективность теплопередачи). Осажденные соли жесткости на внутренней поверхности труб в таком теплообменнике очищаются шомполом. Если производитель компрессора принимает схему, по которой воздух идет по трубам, а вода - в межтрубном пространстве, объясняя это снижением потерь давления воздуха, он обрекает пользователя на сложный регламент: очистка такого теплообменника возможна только в растворе кислоты.

Если остановка компрессоров крайне нежелательна, а резервного компрессора нет, то можно организовать циркуляционную систему водоснабжения закрытого типа, в которую будет залита очищенная вода (или незамерзающий раствор этиленгликоля). Такая система при правильной ее организации может проработать без остановки год и более, не ухудшая своих характеристик.

И, наконец, третий важный момент при выборе компрессора - качество производимого им сжатого воздуха (в некоторых случаях этот вопрос может даже стоять на первом месте).

Все маслозаполненные поршневые и винтовые компрессоры, несмотря на систему маслоотделителей и фильтров, выдают сжатый воздух с м в большей или в меньшей степени масляных паров. При этом с увеличением износа самого компрессора доля масла в вырабатываемом им сжатом воздухе постоянно растет. Если технологические требования к сжатому воздуху исключают наличие в нем масла, то использовать такие компрессоры даже с дополнительными дорогостоящими масляными фильтрами никак нельзя. Выход - использовать для этих целей безмасляные компрессоры: поршневые (на небольшие расходы), винтовые, центробежные (или турбокомпрессоры). Первые два типа компрессоров - прямого сжатия, в них есть трущиеся поверхности в рабочей зоне (поршень-цилиндр, или профили винтовой пары). Трение означает износ: каким бы не было покрытие трущихся поверхностей - оно имеет свой ресурс. Для машин прямого сжатия износ рабочих поверхностей означает ухудшение характеристик: увеличение потребления энергии.

В турбокомпрессорах ситуация совсем иная: давление в полости, в которой находится масло (коробка приводов, подшипники), немного ниже атмосферного (суфлируется через эжектор), а в полости, в которой сжимается воздух, - выше атмосферного. Небольшой поток воздуха, организованный через лабиринтные уплотнения от воздушной полости к масляной, полностью исключает попадание паров масла в воздушный тракт.

Каждый компрессор при производстве сжатого воздуха выделяет конденсат - атмосферную влагу, которая выжимается из сжимаемого воздуха, как из мокрого белья. В жаркий влажный летний день компрессор производительностью 100 м3/мин может выделить до 2 л/мин конденсата. Конденсат после маслозаполненных компрессоров содержит масло, и его крайне не желательно направлять в канализацию без предварительной очистки. Конденсат, выходящий из турбокомпрессора, масла не содержит - проблема очистки снимается. Из компрессора выходит воздух влажностью 100% (температура точки росы равна его температуре), и его, требуется осушить. Осушители бывают рефрижераторного и адсорбционного типа. Рефрижераторные осушители (работают аналогично домашнему холодильнику) снижают температуру точки росы до 3o С, адсорбционные (заполненные дессикантом) - до 40o С и ниже. В большинстве производств бывает достаточно осушить воздух до температуры точки росы 3o С.
Кроме осушки может потребоваться дополнительная фильтрация воздуха, если он протекает по трубам, подверженным коррозии.

Резюмируя сказанное, можно дать несколько советов потенциальному покупателю компрессорного оборудования.

Если вы проводите реконструкцию:
- оптимальный подбор нового компрессорного оборудования может быть осуществлен только на основании статистических данных по воздухопотреблению на предприятии, иллюстрирующих суточные, недельные, среднемесячные, среднегодовые потребности;

- для измерения расхода воздуха целесообразно применять стандартные сужающие расходомеры (диафрагмы, сопла, сопла и трубы Вентури), показывающие мгновенное значение расхода совместно с газосчетчиками турбинного типа, суммирующими показания;

- производственный цикл для воздухопотребляющего оборудования целесообразно адаптировать к графику льготного тарифа для электроэнергии.

Если вы организуете новое производство:

- нужно получить точные данные по воздухопотреблению технологическим оборудованием, которое вы собираетесь устанавливать (расходы и давления);

- если требуется использовать базовой воздух с давлением 0,4 МПа, а дополнительно небольшое количество давлением 0,6 МПа, не следует выбирать компрессоры на 0,6 МПа, а потом редуцировать давление до 0,4 МПа - это крайне нерационально (большие потери энергии), лучше купить разные компрессоры: на 0,4 и на 0,6 МПа;

- обращайте внимание на комплектацию компрессора, и на дополнительное оборудование (градирни, осушители воздуха, фильтры) и инженерно-консалтиговые услуги, которые вам может предложить поставщик компрессорного оборудования. Проблема должна сразу решаться в комплексе - в итоге это выйдет дешевле и надежнее.