Общая характеристика систем воздухоснабжения

Современные технологические процессы промышленных предприятий обеспечиваются различными энергоносителями. Выбор рациональных энергоносителей определяется технологическими условиями и технико-экономи­ческими показателями процессов производства продукции и условиями энергоснабжения. Наряду с основными носителями энергии (топливо, электрическая энергия, пар, вода) во многих отраслях народного хозяйства широко используется сжатый воздух. Применение сжатого воздуха позволило механизировать и интенсифицировать ряд технологических процессов в промышленности.

Широкому использованию сжатого воздуха как энергоносителя способствовали его особые свойства: упругость, прозрачность, безвредность,
огнебезопасность, неспособность к конденсации, быстрая передача давления и неограниченный запас в природе. Однако производство сжатого воздуха имеет высокую стоимость, так как при этом затрачивается большое количество электрической энергии на привод компрессоров. На ряде предприятий расход электрической энергии на выработку сжатого воздуха достигает
20 – 30 % от общего количества потребляемой электрической энергии.

Для обеспечения различных потребителей (пневмоприемников) сжатым воздухом на предприятиях создаются системы воздухоснабжения, которые включают в себя системы производства и распределения сжатого воздуха. В состав систем производства сжатого воздуха (компрессорные станции) входят компрессоры, приводные двигатели компрессоров, устройства для забора и очистки атмосферного воздуха, оборудование для охлаждения сжатого воздуха, масловлагоотделители, установки для осушки воздуха, воздухосборники и воздухохранительные емкости, наполнительные рампы, внутренние (внутристанционные) сети трубопроводов, масляное хозяйство и другое оборудование. В состав систем распределения сжатого воздуха входят воздухораспределительные сети (межцеховые и внутрицеховые), распределительные устройства у пневмоприемников (потребителей сжатого воздуха), балонный транспорт, воздухосборники – ресиверы. Это обуславливает значительные капитальные вложения на оборудование систем воздухоснабжения.

Улучшение технико-экономических показателей работы систем воздухоснабжения достигается экономией электрической энергии при выработке сжатого воздуха, эффективностью использования компрессоров, уменьшением потерь воздуха при транспортировке потребителям, рациональным использованием воздуха в производственных целях пневмоприемниками и другими мероприятиями.

Экономичное и надежное снабжение сжатым воздухом технологичных процессов возможно при грамотном проектировании и квалифицированной эксплуатации систем производства и распределения сжатого воздуха на промышленных предприятиях, что неразрывно связано с подготовкой специалистов – промтеплоэнергетиков.

Применяемые для получения сжатого воздуха машины характеризуются производительностью (подачей) V (м³/с) и степенью повышения давления ε. Подача (производительность) компрессора подсчитывается по формуле:

,

(1)

где λ – коэффициент подачи, учитывающий снижение производительности машины в реальном процессе;

V_т – теоретическая подача.

Коэффициент подачи λ находится по формуле

,

(2)

где η_v – объемный КПД компрессора, характеризующий снижение производительности вследствие неполного заполнения цилиндра или межлопастного пространства (с ростом конечного давления p₂ η_v снижается, а при значительном увеличении степени повышения давления становится равным нулю и подача прекращается), для поршневого компрессора η_v = 0,7 – 0,9;

η_p – учитывает снижение подачи вследствие сопротивления всасывающего тракта (воздуховод, воздушный фильтр, влагоотделитель), η_p = 0,8 – 0,95;

η_t – учитывает снижение производительности компрессора вследствие нагрева поступающего в компрессор воздуха за счет контакта с горячими металлическими стенками, η_t = 0,9 – 0,95;

η_w – учитывает снижение подачи вследствие влажности засасываемого воздуха, η_w = 0,98 – 0,99;

η_н – учитывает влияние утечек и перетоков воздуха, η_н = 0,95 – 0,98.

Степень повышения давления представляет собой следующее отношение

,

(3)

где p₂, p₁ – соответственно давление на нагнетании и всасывании воздушного компрессора.

6. Принципиальная технологическая схема
воздушной компрессорной станции

По суммарной производительности воздушные компрессорные станции промышленных предприятий можно разделить на малые (до 100 м³/мин); средние (100 – 500 м³/мин) и большие (более 500 м³/мин).

Независимо от размеров и назначения компрессорная станция состоит из компрессоров, двигателей и вспомогательного оборудования (рис. 1).

Вспомогательное оборудование предназначено для обеспечения экономичной, надежной и длительной работы компрессорной станции, уменьшения износа компрессоров, а также для подачи потребителям сжатого воздуха требуемого давления, необходимой температуры, чистоты и минимальной влажности

К вспомогательному оборудованию компрессорной станции относятся:

– устройства для очистки всасываемого воздуха от механических примесей и влаги – фильтркамеры и фильтры;

– устройства для охлаждения нагнетаемого воздуха – промежуточные и конечные (концевые) воздухоохладители (холодильники);

– устройства для очистки и осушки нагнетаемого воздуха от масла и воды – масловодоотделители;

– сосуды для аккумулирования воздуха и выравнивания давления в пневмосети – воздухосборники (ресиверы), воздухохранительные емкости (баллоны), буферные емкости;

– устройства для осушки нагнетаемого воздуха – осушительные установки;

– устройства для наполнения воздуха в баллоны (наполнительные рампы).

Воздух поступает из атмосферы через фильтр по всасывающему трубопроводу к компрессору. Компрессор приводится в действие электродвигателем. Если компрессор и электродвигатель имеют одинаковую частоту вращения, то их валы соединяются при помощи муфты. Если же частота вращения компрессора отличается от частоты вращения электродвигателя, то их валы соединяются через редуктор.

Некоторые типы компрессоров приводятся в действие через ременные (текстропные) передачи.

Сжатый в компрессоре воздух охлаждается в промежуточном и концевом воздухоохладителях и направляется через воздухосборник по воздухопроводу к потребителям (пневмоприемникам).

3, 8. Принцип действия и классификация компрессоров

Компрессорными машинами или компрессорами называют машины, предназначенные для сжатия и перемещения газов.

Компрессоры, различные по давлению, производительности, сжимаемой среде, условиям окружающей среды, имеют большое разнообразие конструкций и типов. Компрессоры классифицируются по ряду характерных признаков.

По принципу действия компрессоры подразделяются на объемные и лопастные. Под принципом действия понимают основную особенность процесса повышения давления, зависящую от конструкции компрессора (рис. 2).

Объемный компрессор – это машина, в которой процесс сжатия происходит в рабочих камерах, изменяющих свой объем периодически, попеременно сообщающихся с входом и выходом компрессора. Объемные машины по геометрической форме рабочих органов и способу изменения объема рабочих камер можно разделить на поршневые и роторные компрессоры.

Поршневые компрессоры могут быть одностороннего или двухстороннего действия, крейцкопфные и бескрейцкопфные, смазываемые и без применения смазки (сухого трения). На рис. 3 показаны различные конструктивные схемы поршневых компрессоров.

Рис. 3. Схемы типовых конструкций поршневых компрессоров: а – бескрейц­копфные (одностороннее всасывание): 1 – вертикальный; 2 – типа У; 3 – типа Ш;
4 – горизонтальный оппозитный (корпусного типа); 5 – вертикальный со ступенчатым поршнем; 6 – двигатель-компрессор типа L; 7 – двигатель-компрессор типа Ш; б – крейцкопфные (с двухсторонним всасыванием): 1 – в одну линию;
2 – типа L; 3 – типа У; 4 – типа Ш; 5 – горизонтальный, оппозитный; 6 – горизонтальный со ступенчатым поршнем; 7 – двигатель-компрессор типа L

В поршневом компрессоре сжатие газа осуществляется перемещени-
ем поршня, совершающего возвратно-поступательное движение. Возвратно-поступательное движение рабочих органов имеют также свободно – поршневые и мембранные компрессоры. На рис. 4 дана схема мембранного компрессора.

В свободно – поршневом компрессоре передача движения от двигателя к сжимаемому элементу осуществляется без механизма передачи движения. В мембранном компрессоре уменьшение объема газа осуществляется перемещением сжимающего элемента – ротора, совершающего вращательное или качательное движение.

К объемным машинам с вращающим сжимающим элементом (роторным машинам) относятся: винтовые, ротационно-пластинчатые, жидкостно-кольцевые и другие конструкции компрессорных машин (рис. 5).

Рис. 5. Винтовой компрессор: 1 – всасывающий патрубок; 2 – ведомый ротор;
3 – ведущий ротор; 4 – подшипник качения ведущего ротора; 5 – упорный подшипник; 6 – шестерни, синхронизирующие движение винтов; 7 – уплотне-ния вала; 8 – цилиндр и нагнетательный патрубок

Лопастной компрессор – машина динамического действия, в которой сжатие газа происходит в результате взаимодействия потока с вращающейся и неподвижной решетками лопастей. Характерной особенностью лопастных машин является отсутствие пульсации развиваемого ими давления. К лопастным компрессорам относятся радиальные (центробежные), радиально – осевые (диагональные), осевые (рис. 6).

В центробежном компрессоре поток движется в основном от центра к периферии. В осевом компрессоре поток газа движется вдоль оси ротора.

По назначению компрессоры классифицируются по отрасли производства, для которых они предназначены (химические, энергетические,

общего назначения и т. д.), по роду сжимаемого газа (воздушный, кислородный, хлорный, азотный, гелиевый и т. д.), по непосредственному назначению (пускового воздуха, тормозные и т. д.).

По конечному давлению различают:

вакуум- компрессоры – машины, которые отсасывают газ из пространства с давлением ниже атмосферного или выше;

компрессоры низкого давления, предназначенные для нагнетания газа при давлении от 0,15 до 1,2 МПа, среднего – от 1,2 до 10 МПа, высокого – от 10 до 100 МПа и сверхвысокого давления, предназначенные для сжатия газа выше 100 МПа.

Компрессоры называются дожимающими, если давление всасываемого газа существенно превышает атмосферное. Производительность компрессоров обычно выражают в единицах объема газа, приведенного к нормальным условиям.

По способу отвода теплоты – с водяным и воздушным охлаждением.

По типу приводного двигателя – с приводом от электродвигателя, двигателя внутреннего сгорания, паровой машины или газовой турбины, газомоторные, представляющие из себя единую машину «газовый двигатель – компрессор».

По виду сжимаемой среды– компрессоры воздушные, кислородные, аммиачные, фреоновые, азотные, водородные, углекислотные и т.д.

По охлаждению – неохлаждаемые, охлаждаемые (водой с внутренним охлаждением (во время цикла сжатия), с промежуточным охлаждением (между ступенями сжатия), охлаждаемые воздухом).

Охлаждение газа в компрессоре уменьшает работу сжатия. При этом температура сжимаемого газа уменьшается до допустимых значений. Охлаждение в процессе сжатия обычно применяется при относительно высокой степени сжатия на ступень (поршневые компрессоры) или при большом значении показателя адиабаты (газ с большой молекулярной массой).

В компрессоростроении применяются следующие способы охлаждения сжимаемого газа: внутреннее, внешнее, комбинированное и предварительное, а также охлаждение путем впрыска охлаждающей среды в проточную часть машины.

Внутреннее охлаждение осуществляется непосредственно в процессе сжатия газа путем охлаждения стенок рабочих органов компрессора и обычно применяется в объемных машинах (поршневые, винтовые, ротационные и др. компрессоры). Охлаждаемая среда – обычно вода или окружающий воздух.

В лопастных компрессорах внутреннее охлаждение применяется редко по ряду причин: увеличиваются размеры компрессора и компрессорной установки, увеличиваются гидравлические потери в неподвижных элементах рабочих органов из-за увеличения поверхности охлаждения, возможна конденсация влаги, имеющейся в сжимаемом газе и др.

Внешнее охлаждение газа осуществляется в межступенных холодильниках, расположенных вне проточной части компрессора. Сжатый газ охлаждается во внешнем холодильнике при некотором снижении давления из-за гидравлических потерь в холодильнике почти до первоначальной температуры.

Комбинированное охлаждение предусматривает применение одновременно внутреннего и внешнего охлаждения (поршневые, винтовые и другие компрессоры объемного типа). На рис.2.6 показана T, s - диаграмма различных процессов сжатия в компрессоре.

Применение промежуточных холодильников увеличивает металлоемкость и усложняет конструкцию машины, повышает ее себестоимость на 20-30 % по сравнению с неохлаждаемыми компрессорами. Использование охлаждающей воды увеличивает эксплуатационные затраты. Применение охлаждения газа должно основываться на результатах технико-экономических расчетов. Считается возможным изготовлять неохлаждаемые компрессоры стационарного типа со степенью повышения давления , транспортного .

Граница экономической целесообразности охлаждения зависит и от показателя адиабаты. Например, при сжатии гелия (k=1,66) охлаждение целесообразно при ε>2, а при сжатии пропана или фреона-12 (k=1,14) при ε>10. При дефиците воды используется воздушное охлаждение.

Охлаждение впрыском жидкости в поток перекачиваемого газа можно применять, если впрыскиваемая жидкость существенно не влияет на свойства перекачиваемых газов (вода – воздух; жидкий аммиак – аммиак; слабый раствор азотной кислоты – нитрозный газ). Охлаждение газа происходит за счет теплоты испарения жидкости. Жидкость от постороннего источника через распыливающие форсунки впрыскивается непосредственно в проточную часть компрессора. Например, при впрыскивании 1 % по массе воды температура сжимаемого воздуха снижается примерно на 25 ºС.

Для оценки эффективности неохлаждаемых компрессоров и отдельных его ступеней используется политропный КПД и изоэнтропный КПД :

,

(4)

где – политропная работа, Дж/кг, определяемая по формуле

,

(5)

здесь n – показатель политропы;

– массовая производительность компрессора, кг/с;

– мощность, потребляемая компрессором, Вт;

для неохлаждаемых компрессоров

,

(6)

для охлаждаемых компрессоров

,

(7)

где и – изоэнтропная (адиабатная) и изотермическая работы:

(8)

В этих формулах – теплоемкость при постоянном давлении; и – полные (с учетом утечек и механических потерь) изоэнтропный и изотермический КПД компрессора: ; .

Политропный КПД неохлаждаемого компрессора (без учета утечек и механических потерь) может быть определен по результатам испытаний

. (9)

Изоэнтропный КПД (без учета механических потерь и утечек) может быть определен по результатам испытаний

, (10)

где k – показатель изоэнтропы.

Коэффициент q учитывает отдачу теплоты наружному воздуху через корпус компрессора и равен: для небольших центробежных компрессоров с расходом до 1 кг/с 0,025–0,035; для крупных центробежных компрессоров с расходом до 5 кг/с 0,02–0,025 и для осевых компрессоров 0,01–0,02.

Относительный изотермический КПД, применяемый для оценки объемных одноступенчатых компрессоров с интенсивным охлаждением, можно найти по формуле:

(11)

Для удобства монтажа и уменьшения габаритов компрессорной установки применяются электродвигатели, ротор которых является валом компрессора (моноблочный принцип).

Расчет, конструирование и эксплуатация компрессора ведутся с учетом свойств газа, для сжатия которого предназначен данный компрессор.

Свойства сжимаемого газа определяют размеры и конструкцию главных узлов и деталей компрессора; например, при сжатии пожароопасных газов (кислород, водород, углеводородные газы и др.) необходимо обеспечение повышенной герметичности компрессора и взрывобезопасности двигателя, систем защиты и управления. При сжатии газов, отличающихся токсичностью (оксид углерода, хлор и др.) и повышенной текучестью (гелий), главное требование – герметичность компрессора. При сжатии газов с коррозионными свойствами (сероводород, хлор и др.) необходимо применение специальных материалов для деталей газового такта компрессора.

Некоторые газы активно вступают в химическую реакцию с минеральным маслом (например, кислород), растворяют минеральное масло и смывают его с трущихся поверхностей узлов компрессора (например, углеводородные газы и их смеси), поэтому необходимо применение специальной смазки или выполнение конструкции компрессора, не требующей смазки.

Наибольшее распространение получили воздушные, кислородные, азотоводородные, водородные, гелиевые компрессоры.

Компрессоры, используемые в низкотемпературных установках, делятся по принципу действия также как и компрессоры общего назначения на объемные (поршневые, ротационные, винтовые, мембранные) и кинетические (турбокомпрессоры, осевые и центробежные). Вместе с тем они имеют ряд особенностей.

Первая из них связана с необходимостью исключить как утечки рабочего тела, так и подсосы в компрессор.

Вторая особенность обусловлена более тесной связью параметров компрессора с работой самой низкотемпературной установки. Это проявляется в требованиях по регулированию расхода, давления всасывания и нагнетания, температуры.

Третья особенность, относящаяся к компрессорам криогенных установок, определяется необходимостью исключить попадание смазки в сжимаемый газ.

Воздух считается чистым, если содержание пыли в нем менее 25 мг/м³. Воздух содержит пары воды, количество которых определяется его температурой и относительной влажностью. Давление атмосферного воздуха зависит от высоты над уровнем моря и колебаний барометрического давления, достигающих 2,5 %. На высоте 1000 м, например, атмосферное давление ниже давления а уровнне моря приблизительно на 13,5 %.

1.4. Области применения компрессорных машин

Области применения компрессоров по производительности и давлению (рис. 7) не являются постоянными и изменяются в зависимости от совершенствования машин различных типов и конструкций [8].

Наиболее распространены и многообразны по конструктивному выполнению, схемам и компоновкам поршневые компрессоры; их различают по устройству кривошипно-шатунного механизма, устройству и расположению цилиндров, числу ступеней сжатия.

По объемной производительности при условиях всасывания поршневые компрессоры классифицируются следующим образом: микрокомпрессоры производительностью до 0,6 м³/мин; малой производительности – от 0,6 до 6,0 м³/мин, средней – от 6,0 до 60,0 м³/мин, большой – свыше 60,0 м³/мин.

В области средних и больших производительностей, низких и средних давлений значительное развитие получили винтовые компрессоры.

Винтовые маслозаполненные компрессоры общего назначения с воздушным и водяным охлаждением и асимметричным профилем винтов, несмотря на меньший КПД, более эффективны по сравнению с поршневыми, центробежными и ротационно-пластинчатыми компрессорами в диапазоне производительностей от 10 до 50 м³/мин.

Поршневые компрессоры менее удобны для эксплуатации внутри шумопоглощающего кожуха по сравнению с маслозаполненными винтовыми компрессорами (имеют большие габариты, необходимость в частой ревизии рабочих клапанов, более высокое тепловыделение от поверхностей цилиндров, повышенная вибрация).

Маслозаполненные винтовые компрессоры производительностью от 1,0 до 70 м³/мин на давление нагнетания до 4,0 МПа широко применяются в стационарных установках (см. рис. 7). По сравнению со всеми другими типами компрессоров стоимость 1 м³ воздуха, сжатого стационарными маслозаполненными винтовыми компрессорами общего назначения с воздушным охлаждением в диапазоне производительностей от 10 до 50 м³/мин, наименьшая.

Особое значение винтовые компрессоры с воздушным охлаждением имеют для обеспечения сжатым воздухом пневматического оборудования в районах с высоким дефицитом и стоимостью охлаждающей воды.

Одна из особенностей винтовых компрессоров – способность сжимать двухфазные (газ + жидкость) среды.

Воздушные винтовые компрессоры сухого сжатия в качестве машин общего назначения уступают маслозаполненным из-за высокой стоимости изготовления и относительно низкого КПД. В этом отношении маслозаполненные машины превзошли их по такому обобщающему показателю эффективности, как стоимость единицы объема сжимаемого газа.

Ротационно-пластинчатые компрессоры общего назначения различаются по производительности от 0,1 до 100 м³/мин, с абсолютным давлением всасывания от 0,01 до 0,1 МПа и давлением нагнетания до 1,2 МПа в одноступенчатом исполнении, до 1,6 МПа – в двухступенчатом исполнении и до 2,5 МПа – в трехступенчатом. В указанном диапазоне параметров ротационно-пластинчатые компрессоры практически не уступают поршневым компрессорам по КПД и превосходят их в быстроходности, компактности, уравновешенности, надежности. Ротационно-пластинчатые компрессоры занимают устойчивое положение в диапазоне малых производительностей (рис. 8).

Наиболее экономичны в области больших производительностей центробежные компрессоры общего назначения производительностью от 200 м³/мин и выше, вследствие чего их развитие направлено в сторону увеличения единич-
ной мощности. Совершенствование конструкций центробежных машин привело к использованию их там, где традиционно применялись другие типы компрессоров.

Стационарные и транспортные газовые машины с производительностью более 1000 м³/мин и с относительно небольшой степенью повышения давления (ε = 10 – 15) – это осевые компрессоры. В большинстве случаев – это многоступенчатые машины, применяемые в авиационной, криогенной технике, машиностроительной, газовой, химической, металлургической, энергетической и других отраслях промышленности. Современные осевые компрессоры газотурбинных установок имеют степень повышения давлений до 25 – 35 и выше. В зависимости от скорости газового потока в рабочих органах различают дозвуковые и сверхзвуковые осевые компрессоры с турбо- или электроприводом с частотой вращения 500 с^–1 и более.

Осевые компрессоры стационарных установок имеют преимущество перед центробежными – более высокие значения КПД, масса и габариты для стационарных установок большого значения не имеют. Стоимость крупных стационарных установок центробежных и осевых компрессоров примерно одинакова. Осевые компрессоры имеют ограниченный диапазон рабочих режимов из-за помпажа, чувствительности к коррозии и эрозии.

1.5. Конструктивное устройство различных типов компрессоров