При эксплуатации компрессорной станции контролю подлежат следующие физические величины:
- температура всасываемого воздуха, охлаждающей воды, масла циркуляционной системы смазки, трущихся и вращающихся деталей и статорной обмотки электродвигателя;
- давление всасываемого и нагнетаемого воздуха, охлаждающей воды и масла;
- расход сжатого воздуха, охлаждающей воды и электроэнергии;
- возбуждение синхронного и мощность электродвигателя;
- состояние сети заземления компрессорных установок;
- состояние фильтров для очистки всасываемого воздуха.
Температура воздуха контролируется в следующих точках:
- в месте установки приемника атмосферного воздуха;
- за фильтром перед первой ступенью сжатия;
- за первой ступенью сжатия;
- за промежуточным охладителем;
- после второй ступени сжатия;
- за конечным охладителем;
- за воздухосборником.
Температура воды контролируется в следующих точках:
- в месте подключения наружного водопровода в систему охлаждения компрессорной станции;
- за промежуточными и концевыми воздухоохладителями;
- за охлаждающими рубашками цилиндров;
- в коллекторе воды, уходящей из компрессорной станции в охлаждающее устройство.
Места замера температур масла и трущихся деталей обычно указываются заводом-изготовителем машины в технической документации.
При эксплуатации компрессорной станции особенно большое внимание следует уделять контролю давления как одной из основных характеристик нормальной работы системы воздухоснабжения.
Необходимо измерять давление воздуха:
- барометрическое (вне помещения);
- до и после воздушного фильтра (для определения сопротивления фильтра);
- после каждой ступени компрессора перед промежуточным охладителем;
- за промежуточными и концевыми воздухоохладителями;
- в воздухосборниках и в магистральном трубопроводе (за диафрагмой расходомера).
Необходимо измерять давление масла в циркуляционной системе смазки и воды в трубопроводе, подающем холодную воду на охлаждение компрессоров и сжатого воздуха.
Количество вырабатываемого сжатого воздуха является одной из основных характеристик работы компрессорной станции и может измеряться как за каждой компрессорной установкой, так и после всех установок, в начале магистрального воздухопровода, идущего от компрессорной станции к потребителям сжатого воздуха.
Расход воды, идущей на охлаждение компрессора, сжатого воздуха, масла и на бытовые нужды, замеряется на водопроводе в месте ввода его в помещение компрессорной станции.
Общий расход электроэнергии определяется в трансформаторной подстанции.
5. Пути экономии энергоресурсов в системах
производства и распределения сжатого воздуха
17. Влияние начальных и конечных параметров воздуха на
производительность и экономичность компрессорных станций
Производительность компрессорной станции зависит от начальных параметров всасываемого воздуха.
Повышение давления на всасывании атмосферного воздуха является эффективным средством увеличения производительности компрессора любого типа. Это повышение можно осуществить снижением сопротивления всасывающего тракта или наддувом при помощи специально установленного вентилятора высокого давления или воздуходувки, имеющих одинаковую с компрессором производительность. В первом случае эффективность работы компрессора повышается, а во втором остается прежней, так как установленный для наддува нагнетатель потребляет электроэнергию на работу сжатия. Повышение давления всасывания путем уменьшения сопротивления всасывания осуществляется с увеличением диаметра, уменьшением длины всасывающего трубопровода и повышением поверхности воздушного фильтра.
Атмосферный воздух до поступления в компрессор нагревается от лучей солнца, от соприкосновения с нагретыми клапанными коробками, стенками цилиндра, неплотностями всасывающих клапанов, через которые часть сжатого воздуха от цилиндра при обратном движении поршня выталкивается во всасывающую трубу, от соприкосновения с горячими поверхностями паропроводов, печей и потоками теплого воздуха от электродвигателей. Нагретый всасываемый воздух расширяется, плотность его уменьшается, а это приводит к снижению производительности компрессора и увеличению расхода энергии на
сжатие.
Понижение температуры всасываемого воздуха увеличивает его плотность, и производительность компрессора возрастает прямо пропорционально изменению абсолютной температуры всасываемого воздуха.
Наличие в атмосферном воздухе (всасываемом компрессором) водяных паров в незначительной степени уменьшает производительность компрессоров. Это наблюдается в процессе сжатия с охлаждением и конденсации части водяных паров. Удельный расход электроэнергии на привод компрессора возрастает, так как часть энергии, затраченная на сжатие водяных паров, потеряла при конденсации свою работоспособность.
При транспортировке сжатого воздуха к местам потребления его температура постепенно снижается, и в воздухопроводе начинается непрерывное выпадение влаги. Выпадение влаги в воздухопроводе и перед потребителями затрудняет работу пневмомеханизмов, вызывает необходимость частых продувок, связанных с непроизводительными потерями сжатого воздуха. Для удаления влаги из воздухопроводов необходимо: соблюдать требуемый проектом уклон прокладки воздухопроводов; устанавливать водомаслоотделители в узловых низких точках магистральных воздухопроводов и на вводах в цех–потребитель; устанавливать концевые водоотделители перед потребителями сжатого воздуха.
На производительность компрессорной станции оказывают также влияние давление и температура воздуха, поступающего непосредственно к пневмоприемникам. С повышением давления воздуха у потребителя расход воздуха на утечки увеличивается. Если такие потребители сжатого воздуха, работающие по принципу расширения, для которых понижение давления от P 1 до P 2 дает экономию в расходе воздуха. Эту экономию можно определить по формуле [21]:
, (66)
где 
– экономия воздуха, м3/мин;
P 1 – начальное (более высокое) давление сжатого воздуха у потребителя, МПа;
P 2 – конечное (пониженное) давление сжатого воздуха у потребителя, МПа;
– расход воздуха при давлении P2, приведенный к условиям всасывания, м3/мин.
Для категорий потребителей, в рабочих органах которых воздух расширяется (пневмоинструмент, формовочные машины, вибраторы и т. д.), характерно при понижении давления увеличение расхода воздуха для осуществления заданной механической работы.
Перерасход воздуха при понижении давления составит [21]:
, (67)
где P – понижение давления воздуха, МПа;
Pн – номинальное давление воздуха, МПа;
– расход воздуха при номинальном давлении, м3/мин.
Производительность пневматических машин и инструментов зависит от объема поступающего в цилиндры воздуха и не зависит от его температуры. Поэтому предварительный подогрев сжатого воздуха, поступающего в пневматические машины, увеличивает его объем и уменьшает расход по массе.
В пневматических машинах, использующих потенциальную энергию сжатого воздуха (кузнечные молоты, подъемники, молотки, сверлилки и др.), уменьшение расхода по массе сжатого воздуха при подогреве можно определить по формуле [21], %:
, (68)
где t1, t2 – температура воздуха соответственно до и после подогрева, ºС.
В пневматических аппаратах, использующих кинематическую энергию сжатого воздуха (сопла для обдувки, пескоструйные и дробеструйные аппараты), уменьшение расхода сжатого воздуха по массе можно определить по формуле [21], %:
. (69)
Для подогрева сжатого воздуха следует использовать вторичные энергетические ресурсы, например, тепло отходящих газов, а при их отсутствии – специальные подогреватели, если это окажется экономически выгодным.
Степень подогрева воздуха должна определяться условиями работы. Если потребители сжатого воздуха присоединяются к основной магистрали резиновыми шлангами, а рукоятки пневмоинструментов в руках рабочих, то подогрев воздуха не может быть выше 35 – 40 ºС.
При подогреве сжатого воздуха необходимо учитывать опасность возгорания и даже взрыва паров масла, попавших в подогреватель с компрессорным воздухом.
На производство сжатого воздуха, применяемого во многих отраслях народного хозяйства, требуется большое количество электроэнергии, что делает актуальными задачи уменьшения ее расхода. Повышенная запыленность всасываемого воздуха приводит к ускоренному износу элементов компрессора и, как следствие, к увеличению зазоров, что снижает производительность агрегата. Кроме того, при загрязненном фильтре уменьшается давление всасываемого воздуха, а это вызывает увеличение степени сжатия компрессора и, следовательно, расхода электроэнергии.
Важным условием эффективной работы пневмоустановки является периодическая очистка фильтров (через каждые 300–600 ч) с тем, чтобы их сопротивление не превышало 245 Па [20].
Существенный фактор, влияющий на расход электроэнергии компрессором, – степень загрязнения трубок воздухоохладителей накипью и нагаромасляными отложениями. При жесткой воде толщина слоя накипи достигает 10 мм, а иногда накипь полностью перекрывает сечение трубок воздухоохладителя.
Из анализа термодинамических потерь и их влияния на энергетическую эффективность компрессоров следует, что недоохлаждение воздуха в промежуточных охладителях турбокомпрессоров на каждые 10 ºС приводит к снижению производительности на 1 – 1,5 %, а повышение температуры выходящего из охладителя поршневого компрессора воздуха на каждые 6 – 8 ºС – к перерасходу электроэнергии на 1 %. В реальных условиях недоохлаждение воздуха в промежуточных воздухоохладителях достигает 40 – 50 ºС (при допустимых 10 – 15 ºС). Для предотвращения накипеобразования в трубках воздухоохладителей компрессоров рекомендуется магнитная обработка воды и использование комплексонов. Промежуточные воздухоохладители следует регулярно очищать от накипи. Для этой цели могут быть применены химико-пневматический и механический способы [20].
Производительная работа поршневых компрессоров во многих случаях определяется надежностью клапанов. В промышленности наибольшее распространение получили клапаны с кольцевыми пластинами (КТ). Находят применение прямоточные клапаны (ПИК) и клапаны типа СГИ (Свердловского горного института). Удельный расход энергии компрессорами с клапанами СГИ на 1,5 – 2 % ниже, чем с ПИК, и на 8 – 9 % ниже, чем с ПТ. Клапаны СГИ имеют более высокие показатели надежности по сравнению с ПИК, и конструктивно они проще.
Как известно, удельная (отнесенная к 1 м сжимаемого воздуха) работа будет наименьшей, а режим эксплуатации наивыгоднейшим, если при оптимальном охлаждении степени сжатия по ступеням равны. Такое положение имеет место, если двухступенчатый компрессор работает на конечное номинальное давление 0,8 МПа. А на практике компрессоры часто работают на конечное давление 0,6–0,7 МПа. Это обстоятельство приводит к нерациональному распределению давления по ступеням и, следовательно, к различным степеням сжатия. Отклонение степени сжатия от теоретически выгодной сопровождается увеличением удельной работы компрессора, что влечет за собой завышенный расход электроэнергии.
Наивыгоднейшая степень повышения давления в первой ступени двухступенчатого компрессора с учетом недоохлаждения воздуха в промежуточном воздухоохладителе определяется по формуле [20]:
, (70)
где εк – общая степень сжатия компрессора;
Tх – температура сжатого воздуха при выходе из промежуточного воздухоохладителя, К;
T 1 – температура сжатого воздуха при входе в первую ступень, К;
n – показатель политропы сжатия.
В настоящее время большое количество теплоты, выделяемой при сжатии воздуха, отводится с охлаждающей водой и рассеивается в атмосфере (до 50 % общего количества). Эта теплота может быть утилизирована с помощью компрессионных тепловых насосов для отопления и горячего водоснабжения. За счет использования теплоты сжатого воздуха на выходе из компрессора эксергетический КПД пневмоэнергосистемы, как показывают расчеты, реально может быть повышен на 4 – 5 % [20].
Рациональные режимы производства сжатого воздуха достигаются при соответствии производительности компрессорной станции количеству потребляемого воздуха. Для изменения количества вырабатываемого сжатого воздуха компрессорной станцией в течение смены и суток в зависимости от максимальной производительности должны быть предусмотрены устройства автоматического регулирования.
16. Регулирование производительности компрессоров и давления
нагнетаемого воздуха
Экономичность работы компрессорной станции в значительной мере зависит от правильного использования производительности установленных на станции компрессоров.
При переменном расходе воздуха необходимо регулировать производительность компрессора, поддерживая в сети воздухопроводов постоянное давление.
В компрессорных установках получили распространение следующие способы регулирования производительности: регулирование закрыванием всасывающего трубопровода; регулирование открыванием всасывающих клапанов; регулирование производительности изменением значения вредного пространства путем присоединения к полости цилиндра дополнительных камер; регулирование поочередной остановкой или пуском работающих компрессоров; регулирование выпуском лишнего воздуха через линию холостого хода в атмосферу; регулирование открыванием предохранительных клапанов; регулирование изменением частоты вращения привода (вала компрессора).
Регулирование производительности может осуществляться вручную и автоматически.
Регулирование перекрытием всасывающего трубопровода может быть осуществлено путем его полного или частичного перекрытия, т. е. дросселированием всасывания.
При первом способе регулирующий орган сразу и полностью перекрывает всасывающую линию, причем компрессор переходит на работу вхолостую. Характер регулирования производительности – прерывистый. При втором способе регулирующий орган перекрывает всасывающую линию частично, осуществляя плавное регулирование производительности дросселирование всасывающего газа.
Регулирование производительности при помощи предохранительных клапанов и сбросом через линию холостого хода в атмосферу крайне неэкономично, так как связано с большими непроизводительными потерями электроэнергии.
При работе компрессоров в общую сеть следует установить порядок, при котором все компрессоры работают на полную мощность, кроме одного, производительность которого регулятором производительности поддерживается
в пределах, обеспечивающих нормальное рабочее давление в сети воздухопроводов.
При установлении порядка включения и отключения компрессоров необходимо руководствоваться следующими соображениями: отключаются в первую очередь наименее экономичные машины и машины, не имеющие регуляторов давления; при значительном сокращении потребления сжатого воздуха (ночные смены, выходные дни, работа отдельных цехов и т. п.) в работе оставлять компрессорные машины, суммарная производительность полностью удовлетворяет потребность в сжатом воздухе; иметь в виду, что в отдельных случаях менее экономичный компрессор при полной нагрузке будет потреблять меньше электроэнергии, чем более экономичный компрессор большой производительности, работающий с нагрузкой 25 – 50 %; учитывать возможность снижения графика давлений при работе в ночные смены и выходные дни и тем значительно сократить непроизводительные расходы электроэнергии; компрессорная установка должна иметь график работы на пониженном давлении в ночные смены и выходные дни.
Регулирование производительности изменением частоты вращения вала компрессора – наиболее экономичный и удобный способ регулирования, применяемый в тех случаях, когда привод компрессора дает возможность изменять частоту вращения компрессора: в паровых и газовых турбинах, электродвигателях постоянного тока, электродвигателях переменного тока с регулируемой частотой вращения и др. Для пересчета параметров используются следующие уравнения:
; (71)
при адиабатическом сжатии:
; (72)
при изотермическом сжатии:
; (73)
при политропном сжатии:
, (74)
где 
– производительность компрессора при частоте вращения его вала 
;
– производительность компрессора при частоте вращения его вала 
;
– степень повышения давления воздуха при частоте вращения вала компрессора ;
– степень повышения давления воздуха при частоте вращения вала компрессора ;
, 
–показатели адиабаты и политропы.
На рис. 33 приведены характеристики центробежных компрессоров с различной частотой вращения.
Рассмотрим случай, когда при изменении давления в системе компрессор должен обеспечивать постоянную производительность. Считаем, что система состоит из резервуара и трубопровода, гидравлическими потерями в котором можно пренебречь. Тогда характеристика системы – прямая линия.
При падении давления в системе от 
до 
производительность компрессора (при частоте ) увеличивается от 
до 
. При регулировании частотой вращения с до 
рабочая точка переместится в точку 
, в которой при новом пониженном давлении обеспечивается требуемая постоянная производительность компрессора. Аналогично, если давление в системе увеличилось от до 
, производительность компрессора уменьшилась от до 
. Для обеспечения постоянной первоначальной производительности необходимо повысить частоту вращения с до 
, при которой режим определяется точкой 
.
Таким образом, путем изменения частоты вращения можно обеспечить постоянную производительность в диапазоне давлений от точки Д до точки Е. В случае, если необходимо поддержать в системе постоянное давление, например , при увеличении производительности от до , необходимо увеличить частоту вращения с до 
, т.е. обеспечить режим в точке F. Постоянное давление для данного случая можно обеспечить от режима в точке 
до режима в точке H изменением частоты вращения: точка C соответствует линии помпажа, а точка H – максимальной частоте вращения компрессора. Поддержание более высокого или более низкого давления в системе соответственно изменяет диапазон производительностей компрессора.
11. Нормирование удельного расхода электроэнергии на сжатом воздухе
Одним из основных показателей, характеризующих экономичность производства сжатого воздуха, является удельный расход электроэнергии.
На каждой воздушной компрессорной станции должны быть установлены нормы расхода электроэнергии на выработку сжатого воздуха.
Расход электроэнергии на производство сжатого воздуха складавается из трех основных составляющих
, (75)
где Э 1 – расход электроэнергии на привод компрессора;
Э 2 – расход электроэнергии на подачу охлаждающей воды;
Э 3 – расход электроэнергии на собственные нужды компрессорной станции (освещение, станки, вентиляцию и др.).
Основной величиной расхода электроэнергии на выработку сжатого воздуха является расход электроэнергии на привод компрессора Э 1.
Величина удельного расхода электроэнергии на привод компрессора зависит от следующих основных факторов: начального и конечного давлений, режима охлаждения воздуха в промежуточных воздухоохладителях, степени загрузки и состояния компрессора.
Норму удельного расхода электроэнергии на выработку сжатого воздуха отдельным компрессором и станцией в целом необходимо устанавливать для двух периодов года – зимнего и летнего.
Нормы расхода электроэнергии на производство сжатого воздуха устанавливаются по материалам испытаний компрессорных машин, данных эксплуатаций, основанных на правильных показаниях контрольно-измерительных приборов и теоретических расчетов. По этим материалам определяется исходная величина удельного расхода электроэнергии, и устанавливаются нормальные условия эксплуатации, в соответствии с которыми для получения норм вводятся необходимые к ней поправки.
На промышленных предприятиях могут организовываться системы централизованного и децентрализованного воздухоснабжения. При централизованной системе воздухоснабжения все пневмоприемники снабжаются сжатым воздухом от компрессорной станции. При значительном удалении пневмоприемников от компрессорной станции и небольших расходах сжатого воздуха может устраиваться децентрализованное воздухоснабжение по причине больших гидравлических потерь в передаточных воздухопроводах и потерь энергии, связанных с утечкой воздуха через неплотности в них. В этом случае обеспечение сжатым воздухом пневмоприемников осуществляется от компрессорных установок, устанавливаемых непосредственно у мест его потребления.
Технико-экономическая оценка работы этих двух систем показывает следующее. При централизованном воздухоснабжении удельный расход электроэнергии на выработку сжатого воздуха и передачу его удаленным от компрессорной станции пневмоприемникам составляет 
кВт×ч/м3. При децентрализованном воздухоснабжении 
кВт×ч/м3 за счет отсутствия протяженных воздухопроводов [25].
Решение об устройстве указанных систем принимается на основании сравнительных технико-экономических расчетов.
