Повышение эффективности рудничных компрессорных установок на основе совершенствования их систем охлаждения

Рисунок 2. Изменение коэффициента теплопередачи в зависимости от толщины слоя накипи
Превышение температуры сжатого воздуха 150 ℃ может привести к самовозгоранию нагаромасляных отложений в воздушных коммуникациях, являющегося причиной детонационных взрывов.
Анализ эксплуатации компрессорных установок, работающих на промышленных предприятиях Узбекистана, показывает, что температура сжатого воздуха на выходе из компрессора достигает 170-180 ℃ и выше.
Ещё одним из немаловажных факторов, влияющих на эффективную работу компрессорных установок, является подогрев воздуха в процессе всасывания, обусловленный сопротивлениями всасывающего тракта и теплообменом с нагретыми узлами оборудования. Снижение массовой производительности и объемной подачи компрессора, приведенной к нормальным атмосферным условиям, обусловлено меньшей плотностью нагретого воздуха, относительно нормального атмосферного [8].
Коэффициент подачи λ учитывает совместное влияние всех вышеуказанных факторов на производительность действительного компрессора. Влияние основных факторов на производительность взаимосвязано, т.е. отклонение в какую либо сторону одного из основных факторов сказывается на интенсивности влияния других факторов.
Составляющие коэффициента подачи при расчетах представляется в следующем виде [6]:
; (1)
где λ_о - объемный коэффициент, учитывающий уменьшение производительности из-за расширения воздуха, остающегося в мертвым пространстве, λ_др – коэффициент дросселирования, учитывающий уменьшение производительности из-за падения давления при протекании воздуха через всасывающие клапаны, λ_т – коэффициент подогрева, учитывающий уменьшение производительности из-за подогрева всасываемого воздуха во время процесса всасывания, λ_пл – коэффициент плотности, учитывающий уменьшение производительности из-за неплотностей рабочей полости, λ_вл – коэффициент влажности, учитывающий уменьшение производительности из-за наличия водяных паров во всасывающем воздухе.
Подогрев воздуха в процессе всасывания обусловлен несколькими причинами. Во время всасывания воздух соприкасается со стенками полости всасывания, температура которой выше чем температура воздуха во всасывающем патрубке. Во всасывающем тракте происходит превращение энергии, затрачиваемой на проталкивание воздуха через гидравлические сопротивления в теплоту, что приводит к повышению температуры. Изменение температуры воздуха при всасывании, за счет смешения вновь поступающего воздуха в цилиндр с воздухом, оставшейся во вредном пространстве.
Исходя из выше приведенного выявлено, что на производительность компрессора оказывает влияние подогрев всасываемого воздуха в результате конвективного теплообмена с горячими деталями цилиндра (ΔТ₁), а также повышение температуры всасываемого воздуха вследствие подвода к нему части теплоты воздуха, оставшегося в мертвом пространстве (ΔТ₂).
Таким образом, получим условную температуру воздуха в рабочей полости в конце всасывания, учитывающий подогрев при всасывании [5]:
, (°C); (2)
где Т_вс – атмосферная температура всасываемого воздуха, (°C).
Влияние подогрева воздуха на производительность компрессора оценивают его температурным коэффициентом, величина которого ориентировочно равна отношению нормальной атмосферной температуры Т_вс к температуре воздуха в цилиндре в конце всасывания [5]:
(3)
Необходимо подчеркнуть, что повышение атмосферной температуры (Т_вс) приводит к увеличению температуры и понижению производительности компрессорной установки.
Величину влияния температуры всасываемого компрессором воздуха (Т_вс) на производительность компрессора (V_пр) можно определить следующем выражением [5]:
, (м³/час); (4)
где – объемный расход воздуха, проходящего через компрессорное устройство, установленное после компрессора, ; и – давление воздуха, соответственно, в стандартной точки всасывания (СТВ) и перед мерным устройством, МПа; и – относительная влажность воздуха, соответственно, в СТВ и перед мерным устройством; и – давление насыщенных паров, соответственно, при и ; и – температура воздуха, соответственно, в СТВ и перед мерным устройством, ℃.
Также определить влияние температуры всасывания (Т_вс) на величину работы, затрачиваемой компрессором на сжатие воздуха можно из уравнения (5).
Полная затрата энергии на сжатие 1 кг воздуха [5]:
(5)
где k – показатель адиабаты воздуха; – газовая постоянная, ; – давление воздуха в стандартной точке всасывания, МПа; – давление воздуха в стандартной точке нагнетания, МПа.
Из уравнения (5) видно, что при неизменном относительном повышение давления в компрессоре , работа, потребляемая компрессором для сжатия и перемещения 1 кг воздуха, возрастает с увеличением . При увеличении температуры всасываемого воздуха, т.е. температуры начала сжатия, на 1℃ работа, затраченная на сжатие 1 кг воздуха, возрастает примерно на 0,16 %, а при увеличении температуры всасываемого воздуха на 6℃– на 1 %.
В Узбекистане в жаркий период года, особенно в период с мая до сентября, температура воздуха может достигать 40-45 ℃ и выше, что приводит к значительному подогреву всасывающего компрессором воздуха. Повышение температуры и снижение плотности воздуха способствует снижению производительности компрессора на 8-10%, что приводит к ощутимым экономическим потерям при производстве сжатого воздуха [7].
Эффективность системы охлаждения компрессорных установок также зависит от работы градирни. При циркуляционной системе водоснабжения холодильников охлаждающая вода от компрессора поступает в градирню для охлаждения. Для оптимальной работы компрессора, перепад температур охлаждающей воды между входом и выходом должен быть не более 15℃. Температура воды не должна превышать +25℃ на входе и +40℃ на выходе из системы охлаждения [9].
Основная часть используемых градирен на компрессорных станциях построена по проектам 70-80-х годов прошлого века, большинство из них находятся в неудовлетворительном состоянии, технические решения, заложенные в проектах этих градирен, устарели [8]. В результате, оборотная вода недоохлаждается, особенно в теплый период года, что ведет к перерасходу энергоресурсов и другим негативным последствиям.
Поведенные исследование работы систем охлаждения компрессорных установок выявили следующие основные факторы, приводящие к снижению эффективности установки.
К которым относятся:
– частые образования загрязнений на теплообменных поверхностях, снижение интенсивности теплообмена, наблюдающееся по причине образования слоя накипи на стенках промежуточных и концевых холодильников;
– неудовлетворительная работа градирневых охладителей, особенности в жаркий период года, применяемые на сегодняшний день в предприятиях градирни не справляются с охлаждением оборотной воды, так как, применяемые на большинстве градирнях водоразбрызгивающие форсунки не обеспечивают требуемого распыления воды, что приводит к недоохлаждению циркулирующей воды;
– повышенная температура атмосферного воздуха на входе к компрессорной установки, которая приводит к увеличению затрат электрической энергии на сжатия и снижению производительности.
С целью повышения энергетической эффективности эксплуатации поршневых компрессорных установок, исходя из выше указанных факторов приводящих к снижению эффективности компрессорных установок, нами предлагаются нижеследующие технические решения.