ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ КОМПРЕССОРОВ К-250 И К-500

1. ВВЕДЕНИЕ

1.1. На крупных предприятиях с большим потреблением сжатого воздуха его производство осуществляется при помощи центробежных компрессоров, в том числе типов К-250 и К-500 различных модификаций, изготовленных Невским заводом и Дальэнергомашем. Эти компрессоры известны в течение многих лет и отличаются достаточной простотой и надежностью, а эффективность их эксплуатации последовательно повышалась за счет неоднократных модернизаций. В то же время, учитывая, что доля компрессорных станций в балансе энергопотребления предприятий достигает 20-30%, а в эксплуатации находится несколько тысяч компрессоров данных типов, представляется целесообразным широкое внедрение некоторых уже наработанных технических решений, позволяющих существенно снизить непроизводительные затраты при производстве сжатого воздуха и получить значительный экономический эффект.

1.2. Компания «ТоксСофт» и завод Дальэнергомаш предлагают автоматизированную систему управления процессом производства сжатого воздуха АСУТП «Воздух», ориентированную на центробежные компрессоры К-500 и К-250, внедрение которой позволяет повысить эффективность использования компрессоров и снизить непроизводительные энергетические затраты по сравнению с ныне имеющими место. Это дает возможность получить экономию электроэнергии от 10 до 15% на один агрегат. Внедрение АСУТП «Воздух» включает в себя не только установку современной автоматики, но и модернизацию механических узлов компрессоров.

1.3. Внедрение АСУТП «Воздух» осуществляется по принципу «под ключ» и включает в себя следующий комплекс услуг:

• Обследование компрессорной станции, разработка Технико-коммерческого предложения с перечнем предлагаемых мероприятий, стоимостью и указанием возможного экономического эффекта;

• Разработка проекта привязки системы;

• Поставка оборудования;

• Шеф-монтаж оборудования;

• Пуско-наладка оборудования и сдача системы в эксплуатацию.

2. СЛАГАЕМЫЕ ЭКОНОМИИ

2.1. Снижение энергетических затрат при внедрении АСУТП «Воздух» достигается за счет следующих составляющих:

2.1.1. Уменьшение нагрузки на компрессор в режиме холостого хода за счет перевода его в глубокое дросселирование; экономия составляет около 60% на один компрессор (для режима холостого хода);

2.1.2. Расширение рабочей зоны компрессора за счет снятия ограничения на открытие дроссельной заслонки в рабочем режиме (менее чем 22 градуса) и снижение непроизводительных выбросов воздуха в атмосферу через помпажный клапан; экономия составляет ориентировочно 10% на один компрессор;

2.1.3. Увеличение суммарного КПД станции за счет внедрения группового регулирования давления и производительности; экономия составляет около 6% на один компрессор;

2.1.4. Прочие составляющие, к которым относятся такие как: снижение потребления охлаждающей воды, выявление резервов за счет анализа протекания процесса, уменьшение потерь от простоев за счет развитых средств диагностики и т. п.; экономия составляет около 2% на один компрессор.

2.2. Глубокое дросселирование

2.2.1. Режимом глубокого дросселирования называется такое состояние турбокомпрессора, при котором задвижка нагнетания закрыта, помпажный клапан полностью открыт, дроссельная заслонка закрыта. Всас воздуха производится через зазоры дроссельной заслонки. В этом состоянии, когда количество воздуха, перекачиваемого компрессором, минимально, а помпаж еще не наступает, нагрузка на компрессор существенно снижается по сравнению со штатным режимом холостого хода, рекомендуемым заводом-изготовителем. Как известно, при штатном холостом ходе дроссельная заслонка должна быть открыта на 15 градусов, задвижка нагнетания закрыта, помпажный клапан открыт. В этом состоянии компрессор К-250 потребляет 800 кВт (для компрессора К-500 эта величина составляет 1600 кВт). Перевод компрессора в глубокое дросселирование дает снижение потребляемой мощности на холостом ходу примерно на 60% (для компрессоров К-250 и К-500 энергопотребление в глубоком дросселировании составляет 300 и 650 кВт соответственно).

2.2.2. Глубокое дросселирование также существенно облегчает пуск компрессора. Режим пуска является наиболее тяжелым для компрессора с точки зрения нагрузок на элементы его конструкции. Несмотря на малую продолжительность (около 30 с), пуск оказывает существенное влияние на ресурс агрегата. Связано это, прежде всего, с высокими пусковыми моментами, которые в два раза превышают номинальные, с прохождением компрессора через зону резонансных механических колебаний и дополнительными нагрузками конструкций при прогреве агрегата. Снижение нагрузки на рабочие колеса компрессора, благодаря глубокому дросселированию, облегчает режим пуска и уменьшает потери ресурса на каждый цикл пуск-останов с 50 до 15 часов. Внедрение глубокого дросселирования позволяет осуществлять ежедневные пуски и остановы компрессора без потерь ресурса.

2.2.3. В режиме глубокого дросселирования воздухоохладители не требуют охлаждения. Подвод воды к воздухоохладителям может быть выключен на то время, пока компрессор находится в глубоком дросселировании, что также дает некоторую экономию.

2.2.4. Режим глубокого дросселирования обеспечивается комплексом мероприятий, которые подразделяются на две группы: модернизация механических узлов и внедрение новых средств автоматизации.

2.2.5. Чтобы добиться минимума энергопотребления при полностью закрытой дроссельной заслонке, необходимо произвести некоторую модернизацию механических узлов компрессора: минимизировать зазоры дроссельной заслонки, усилить всасывающий патрубок, провести ревизию помпажного клапана. Необходимо также провести общее техническое обследование состояния компрессора на предмет выявления возможных источников потерь энергии за счет изношенности механических деталей. В качестве примера можно привести трубные пучки воздухоохладителей или уплотнения, изношенность которых существенно снижает технические характеристики компрессора, а потери энергии могут существенно превысить эффект, достигнутый от глубокого дросселирования.

2.2.6. Со стороны средств автоматизации для обеспечения глубокого дросселирования необходимы: алгоритм ввода компрессора в режим и вывода из него, надежная помпажная защита, срабатывающая при появлении характерных колебаний нагрузки на двигатель главного привода, а также быстродействующие электроприводы дроссельной заслонки и помпажного клапана.

2.2.7. Перечисленные выше мероприятия осуществляются при внедрении системы «Воздух».

2.3. Расширение диапазона регулирования

2.3.1. Согласно инструкции завода-изготовителя, дроссельная заслонка компрессора в рабочем режиме не может быть открыта менее чем на 22 градуса. На некоторых предприятиях угол открытия дроссельной заслонки ограничивают 30 и более градусами. Такое ограничение диапазона регулирования в рабочем режиме связано с тем, что точно неизвестно, где находится в данный момент зона помпажа для данного компрессора, а помпажная защита, как правило, работает неудовлетворительно. Чтобы обезопасить машину от попадания в помпаж, особенно при быстро меняющихся колебаниях потребления сжатого воздуха, завод-изготовитель и эксплуатирующий персонал устанавливают ограничение, при котором возникновение помпажа на компрессоре невозможно ни при каких условиях. Если потребление сжатого воздуха снижается за границу регулирования производительности, избыток воздуха стравливается в атмосферу через помпажный клапан. Сброс лишнего воздуха в атмосферу – это непроизводительные затраты электроэнергии.

2.3.2. Расширив диапазон регулирования производительности компрессора, можно исключить сброс воздуха в атмосферу при малых расходах и уменьшить энергетические потери. Область регулирования компрессора на малых расходах ограничивается границей зоны помпажа. Нельзя прикрывать дроссельную заслонку более, задавая расход воздуха через компрессор менее (при заданном давлении нагнетания), чем критическое значение, при котором возникает помпаж. Однако положение границы зоны помпажа может существенно меняться в зависимости от состояния атмосферного воздуха (давления, температуры, влажности) и технического состояния компрессора (степень сжатия). Зная текущее положение зоны помпажа и рабочей точки компрессора, можно регулировать производительность компрессора таким образом, чтобы при движении рабочей точки в зону малых расходов максимально приблизить рабочую точку к границе зоны помпажа, не открывая помпажный клапан. Запас по производительности относительно границы зоны помпажа определяет новую нижнюю границу регулирования и выбирается в зависимости от скорости движения рабочей точки в сторону уменьшения расхода. Критический угол открытия дроссельной заслонки при таком регулировании может быть значительно менее чем 22 градуса.

2.3.3. На рис. 1 приведена типовая газодинамическая характеристика компрессора К-250. Как правило, компрессоры на компрессорных станциях работают в режиме поддержания постоянного давления при переменном расходе воздуха (в качестве примера взято давление 6 кгс/см2). Движение рабочей точки компрессора при прежнем способе регулирования ограничено отрезком BC. Участок AB – это дополнительная область движения рабочей точки, которая расширяет диапазон регулирования за счет точного определения положения границы зоны помпажа и поддержания минимального запаса производительности. Как видно из примера, дроссельная заслонка в этом случае может быть прикрыта до угла, близкого к 15 градусам.

2.3.4. Если на предприятии установлено ограничение на открытие дроссельной заслонки не менее чем 30 градусов (участок DC), рабочая зона при новом способе управления расширяется более чем в два раза, и примерно во столько же раз увеличивается экономия.

2.3.5. Для того чтобы обеспечить расширение рабочей зоны компрессора, необходимо:

• Измерять параметры атмосферного воздуха, такие как давление, температура, влажность;

• Измерять расход воздуха на всасе и давление воздуха в тракте нагнетания компрессора и определять, таким образом, положение рабочей точки компрессора;

• Периодически вычислять положение границы зоны помпажа и скорость и направление движения рабочей точки компрессора;

• Регулировать производительность компрессора для поддержания заданного давления (или расхода) в пределах расширенной рабочей зоны путем изменения положения дроссельной заслонки; в случае выхода рабочей точки за нижнюю границу рабочей зоны регулирование производить за счет изменения положения помпажного клапана;

• Иметь надежную помпажную защиту, срабатывающую при появлении характерных колебаний нагрузки на двигатель главного привода; помпажная защита работает независимо от основного режима регулирования;

• Иметь быстродействующие электроприводы дроссельной заслонки и помпажного клапана.

2.3.6. Автоматика системы «Воздух» обеспечивает все перечисленные выше функции. Дополнительные датчики и электроприводы устанавливаются при внедрении системы.

2.4. Групповое регулирование

2.4.1. Существует два метода группового регулирования производительности компрессоров, работающих на один коллектор. Первый метод заключается в ступенчатом регулировании производительности, когда один компрессор находится в состоянии регулирования, а остальные либо полностью нагружены, либо полностью разгружены и отключены от магистрали. При втором методе все компрессоры находятся в состоянии регулирования.

2.4.2. Второй метод предпочтителен с точки зрения возможностей экономии энергии. Исследованиями доказано, что в этом случае суммарный КПД группы компрессоров выше, а значит затраты электроэнергии при том же количестве производимого сжатого воздуха – ниже. Групповое регулирование производительности позволяет достичь экономии от 3 до 6% на один компрессор.

2.4.3. Для того чтобы было возможно групповое управление производительности, необходимо измерять расход воздуха в коллекторе, на который работает группа компрессоров и реализовать действие алгоритма группового управления. Алгоритм, исходя из измеренного текущего потребления сжатого воздуха, рассчитывает уставки производительности для каждого компрессора в группе, стремясь добиться максимального группового КПД. Алгоритм реализуется автоматикой системы «Воздух», а датчик расхода воздуха в коллекторе устанавливается при ее внедрении или используется существующий.

2.5. Прочие составляющие

2.5.1. Снижение нагрузки на компрессор при расширении его рабочей зоны, а особенно в режиме глубокого дросселирования, приводит к снижению расхода охлаждающей воды через воздухоохладители. Это, в свою очередь, приводит к снижению затрат электроэнергии на привод циркуляционных насосов.

2.5.2. Система «Воздух» ведет архив технологических параметров. Технологи имеют в своем распоряжении инструменты для всестороннего анализа накопленных данных. Исследуя графики изменения параметров в течение длительного времени, технологи имеют возможности делать выводы о техническом состоянии компрессоров и проводить своевременные мероприятия по восстановлению их технических характеристик.

2.5.3. Экономия электроэнергии от прочих составляющих оценивается на уровне 2%.

3. ТИПОВОЙ РАСЧЕТ ЭКОНОМИИ

3.1. Примерный расчет экономии от внедрения АСУТП «Воздух» приведен для двух типовых случаев. В первом случае рассматривается предприятие с непрерывным производственным циклом, во втором – машиностроительное предприятие.

3.2. Предприятие с непрерывным циклом

3.2.1. В качестве примера взят один из алюминиевых заводов по производству первичного алюминия. Для предприятия характерны циклические колебания потребления сжатого воздуха в течение суток, при этом минимальное потребление составляет 25000 м3/ч, а максимальное – 60000 м3/ч (рис. 3). Компрессорная станция предприятия оборудована 5-ю компрессорами К-250 производства завода Дальэнергомаш, при этом 4 компрессора постоянно находятся в работе, а один – в резерве. Давление в заводской пневмосети поддерживается на уровне 6 кг/см2.

3.2.2. На рис. 3 представлен график среднесуточного потребления сжатого воздуха для исследуемого предприятия. Рассмотрим его подробнее.

3.2.3. На графике можно выделить 3 пиковых участка максимальной нагрузки на компрессорную станцию: с 1.00 до 5.00, с 9.00 до 14.30 и с 17.30 до 21.00. В эти часы для производства необходимого объема сжатого воздуха требуются ресурсы всех 4-х компрессоров, находящихся в работе. Экономия энергии в эти периоды возможна за счет расширения рабочей зоны компрессоров, за счет группового управления и за счет прочих составляющих.

3.2.4. В периоды времени с 5.00 до 9.00, с 14.30 до 17.30 и с 21.00 до 1.00 нагрузка на компрессорную станцию снижается настолько, что сначала один, а затем два компрессора становятся невостребованными и могут быть выведены в глубокое дросселирование (в нашем случае это компрессоры №3 и №4). Экономия энергии в этом случае возможна за счет режима глубокого дросселирования и за счет прочих составляющих.

3.2.5. Ориентировочный расчет экономии энергии, полученный в результате анализа графика на рис. 3, представлен в таблице 1. Из таблицы следует, что суммарная экономия электроэнергии от внедрения АСУТП «Воздух» для нашего примера составит 9 610 450 кВтч в год.

3.3. Машиностроительное предприятие

3.3.1. Машиностроительное предприятие работает, как правило, в две смены с двумя выходными днями в течение недели. Сжатый воздух используется для привода пневмоинструмента и различных исполнительных механизмов, в окрасочном, прессовом, штамповочном, кузнечном и других производствах. Потребление сжатого воздуха в течение смены не претерпевает резких изменений и пребывает примерно на одном уровне. В нерабочее время сжатый воздух не потребляется, компрессоры могут быть остановлены.

3.3.2. В качестве примера рассмотрим машиностроительное предприятие, в составе компрессорной станции которого имеются три компрессора К-250 производства завода Дальэнергомаш. Постоянно работают два компрессора, один компрессор находится в резерве. Давление в пневмосети поддерживается на уровне 6 кг/см2. График среднесуточного потребления сжатого воздуха представлен на рис. 4.

3.3.3. Как видно из графика, основная экономия может быть получена в нерабочее время (ночные часы, а также выходные и праздничные дни). При существующем положении дел компрессоры в это время не выключаются, а переводятся в режим холостого хода. Это связано с тем, что наиболее тяжелым с точки зрения нагрузок на элементы конструкции компрессора является режим пуска, который, несмотря на малую продолжительность (30 с), оказывает существенное влияние на ресурс агрегата. Производитель компрессора допускает максимум еженедельные пуски и остановки компрессора. Пуск и остановка компрессора в режиме глубокого дросселирования существенно разгружают компрессор по сравнению со штатным режимом. Затраты ресурса на цикл пуск-остановка в глубоком дросселировании снижаются настолько, что становится возможным осуществлять ежедневные пуски и остановки компрессора.

3.3.4. Ориентировочный расчет экономии энергии на основании анализа графика на рис. 4 приведен в таблице 2. Как видно из таблицы, основную долю экономии составляет то, что компрессоры остановлены в нерабочее время и не потребляют энергию. Суммарная годовая экономия электроэнергии от внедрения АСУТП «Воздух» для данного примера составляет 11 317 920 кВтч.

Труды XIII международной научно-технической конференции по компрессоростроению. Сумы 2004