Показатели эффективности системы воздухоснабжения
Используя обобщенное понятие КПД системы, приведенное в главе 1, запишем выражение в частном случае для системы воздухоснабжения с учетом потерь и затрат эксергии на компрессорной станции, в коммуникациях и распределительных устройствах потребителя:
, (2.1.)
где: 
- КПД компрессорной станции;
- КПД коммуникаций, характеризующий гидравлические и материальные потери при транспорте сжатого воздуха;
- КПД распределительных устройств сжатого воздуха, учитывающий как потери (аналогично потерям в коммуникациях), так и возможные дополнительные затраты эксергии в ВЭ, расположенных у потребителя:
, (2.2)
, (2.3)
где: 
, 
и 
- соответственно эксергии потока сжатого воздуха на выходе из КС, на входе в распределительные устройства потребителя и на входе в технологическую часть потребителя.
На рис.2.3 показана эксергетическая диаграмма потоков системы воздухоснабжения, из которой видно, что наибольшая часть потерь (до 50%) приходится на 1-й элемент системы - компрессорную станцию, в том числе и потери со сбросным теплом охлаждения компрессора, составляющими около 15%. С учетом потерь в коммуникации ( 
) и у потребителя ( 
) КПД системы составляет 30%.
КПД компрессорной станции, в общем виде, можно представить как:
, (2.4)
где: 
- сумма эксергий различных потоков сжатого воздуха, отличающихся по термодинамическим параметрам (давлению, температуре, влажности);
- эксергия отведенной и полезно используемой от компрессора теплоты;
- сумма эксергий подведенных в приводе компрессоров (в случае электропривода равна мощности привода);
- эксергия, затраченная во вспомогательных элементах.
Для наиболее простого случая - одного потока сжатого воздуха, отсутствия утилизации и затрат эксергии в ВЭ формула (2.4) имеет вид:
. (2.5)
Используя эксергию теплоты, отводимой от компрессора, в соответствии с выражением для можно повысить КПД компрессорной станции. При этом увеличится и КПД системы по всем ее элементам, в частности, если у компрессора увеличение КПД составит 15%, то у потребителя оно составит 9% (заштрихованная часть диаграммы на рис.2.3).
Чтобы представить, что означает полезное использование 15% эксергии, теряемой с теплотой, сбрасываемой в окружающую среду, приведем конкретный пример.
Системой охлаждения компрессорной станции, в состав которой входят 4 турбокомпрессора К-250-61-5, отводится в течении года тепловой поток, которого бы хватило для отопления 2-х чугунолитейных цехов с общим объемом зданий 68×103 м3 или для снабжения горячей водой жилого дома на 800 человек.
Величина дает возможность проводить анализ целесообразности утилизации теплоты, отводимой в процессе сжатия, а также находить оптимальное соотношение между величинами 
и 
, зависящее от расхода и температуры охлаждающей среды, поверхности и эффективности теплообмена, используя величину как целевую функцию.
Для более выгодной оценки эффективности утилизации теплоты сжатия суммарный эффект оценивают по приведенным затратам П, руб.:
(2.6)
Применительно к системе воздухоснабжения величина К состоит из следующих составляющих:
, (2.7)
где: 
- стоимость компрессора;
- стоимость охладителе воздуха, промежуточных и концевых;
- стоимость привода, редуктора, муфт, автоматики;
- стоимость компрессорной станции с учетом электрических коммуникаций и масляной системы;
- стоимость монтажа установки.
Эксплуатационные расходы Э могут быть разделены на две группы:
- пропорциональные капитальным вложениям амортизационные отчисления и расходы на ремонт и содержание установки:
, (2.8)
где: А - доля годовых расходов амортизационных отчислений;
- доля годовых расходов на ремонт и содержание установки;
- не зависящие от капитальных вложений затраты энергии на привод компрессора, водяных насосов, в системе осушки:
, (2.9)
где: 
и 
соответственно тарифы на электроэнергию, руб./кВт×ч, и воду, руб./м3;
- расход охлаждающей воды, м3/с;
Т - время работы установки в году, ч.
Рис.2.3 Эксергетическая диаграмма потоков
Структура приведенных затрат (в процентах) представлена в табл.2.1.
Таблица 2.1.
Структура приведенных затрат
| Статья приведенных затрат | % |
| Компрессор с теплообменниками Компрессорная станция Электроэнергия на привод компрессора Затраты на охлаждающую воду Амортизация, ремонт и обслуживание |
Как видно из табл. 2.1., капитальные вложения в структуре приведенных затрат составляют не более 8%, что указывает на важность любых мероприятий, направленных на улучшение эксплуатационных показателей компрессора.
Себестоимость сжатого воздуха в СВС.
В зависимости от потребителя сжатого воздуха, производительности и потребляемой мощности компрессора воздушные компрессоры имеют электрический или паротурбинный привод.
Для крупных машин с производительностью более 1500 м3/мин и потребляемой мощности свыше 10 МВт экономически целесообразен привод паровой турбины. Такие компрессоры применяются для подачи воздуха, обогащенного кислородом до 30-35% 
, в доменные печи (доменное дутье). ПВС металлургических заводов могут представлять отдельный цех или комплектоваться с заводской ТЭЦ. Суммарные годовые затраты по ПВС включают затраты на топливо, электроэнергию, кислород, заработную плату с начислением, отчисления на реновацию (восстановление) и ремонты.
Основной составляющей себестоимости доменного дутья являются затраты на кислород, и поэтому для анализа структуры себестоимости сжатого воздуха рассмотрим без затрат на кислород. При таком анализе для компрессоров с паротурбинным приводом в эксплуатационных затратах преобладают затраты на топливо. Ориентировочная структура себестоимости доменного дутья (%) на металлургических заводах приведена в табл.2.2.
Таблица 2.2.
Структура себестоимости доменного дутья
| Статья приведенных затрат | % |
| Затраты на топливо Затраты на ремонты Амортизационные отчисления на реновацию Затраты на заработную плату Прочие расходы | 65-75 11-15 6-9 5-7 3-5 |
Себестоимость доменного дутья на металлургических заводах зависит от цены на топлива и колеблется в пределах (0,8-1) руб./1000 м3, с учетом затрат на кислород - (3-6) руб./1000 м3.
Для компрессоров меньшей мощности с использованием электропривода основной составляющей эксплуатационных затрат являются затраты на электроэнергию. С увеличением мощности агрегатов и компрессорных станций снижается себестоимость сжатого воздуха и увеличивается доля затрат на электроэнергию. Себестоимость сжатого воздуха зависит и от графика нагрузки компрессорной станции, тарифов на электроэнергию, воду и составляет 1,5-2,5 руб./1000 м3.
Примерная структура себестоимости сжатого воздуха приведена для сравнения по двум компрессорным станциям с производительностью 20×103 м3/ч (№ 1) и 200×103 м3/ч (№ 2),%.
| Статья затрат | № 1 | № 2 |
| на электроэнергию на ремонты Амортизационные отчисления на реновацию Затраты на заработную плату Прочие расходы |
Увеличение единичной мощности агрегатов на станции № 2 (например, полная или частичная замена компрессоров К-250-61-5 на компрессоры К-500-62-1 или К-1500-62-1) может привести к снижению себестоимости сжатого воздуха на 5-11%. К значительному снижению себестоимости сжатого воздуха на 15-25% приводит утилизация теплоты сжатия.
Теплота сжатия, отводимая от компрессора, относится к низкопотенциальным вторичным энергоресурсам. При наличии концевого охладителя от компрессорной установки отводится тепловой поток, примерно равный по величине мощности привода. Средний потенциал отводимой теплоты составляет 140-160 оС. До 90% этой теплоты может быть полезно использовано, что позволяет добиться значительной экономии топлива. При этом возникает задача оценки экономической эффективности утилизации, распределения затрат между продуктами - сжатым воздухом и теплотой. Трудность здесь заключается в том, что суммарные затраты распределяются на два продукта, причем анализ сжатия и охлаждения не дает оснований для непосредственного их распределения.
Существует несколько способов распределения затрат между продуктами в двух- и многоцелевых системах. Для систем, в которых существенную роль играют энергетические затраты, а для систем воздухоснабжения они составляют 75-80%, естественным будет их распределение пропорционально эксергиям выходящих в данном сечении продуктов [2].
На рис. 2.4. изображена схема компрессорной установки с утилизацией теплоты сжатия, на выходе из которой отводится два полезно используемых продукта.
Рис.2.4. Схема компрессорной установки с утилизацией теплоты
Эксергетическая производительность такой установки определяется:
, (2.10)
где: 
-массовый расход сжатого воздуха;
- удельная эксергия отводимого потока теплоты и 
- удельная эксергия сжатого воздуха.
Доля затрат на получение теплового потока будет определяться:
. (2.11)
Затраты на получение теплоты составят:
, (2.12)
где: 
- суммарные энергетические и неэнергетические затраты.
Аналогично определяется доля затрат на получение сжатого воздуха:
. (2.13)
Утилизация теплоты сжатия имеет целью, во-первых - повышение термодинамического совершенства системы, во-вторых - получения максимально возможного экономического эффекта, связанного с экономией топлива и электроэнергии, что, в конечном итоге ведет к снижению себестоимости продуктов.
Максимальная экономия от утилизации теплоты сжатия, т.е. минимальная себестоимость сжатого воздуха при условии незначительного изменения эксплуатационных затрат в системе, достигается при минимальной величине доли затрат на получение сжатого воздуха.
В качестве примера рассмотрим определение себестоимости продуктов в компрессорной установке К-250-61-2.
Рассчитанные для всей установки суммарные затраты составят, тыс.руб./год:
(2.14)
Доли затрат соответственно на получение теплового потока и сжатого воздуха составят 
и 
(определены по эксергиям отводимой теплоты при температуре отвода теплоты 
и эксергии сжатого воздуха, найденной при давлении 0,8 МПа и температуре 
).
Затраты на получение теплоты, тыс.руб./год:
. (2.15)
Затраты на получения сжатого воздуха тыс.руб./год:
(2.16)
При годовом производстве сжатого воздуха, тыс.м3/год:
, (2.17)
его себестоимость составит, руб./1000 м3:
(2.18)
Соответственно при годовом производстве теплоты, ГДж/год:
(2.19)
себестоимость теплоты составит, руб./1000 м3:
. (2.20)
Себестоимость сжатого воздуха без утилизации теплоты сжатия в этом случае составляет, руб./1000 м3:
(2.21)
Для сравнительной оценки полученного результата определим себестоимость этих же продуктов методом отключения затрат.
Основной особенностью данного метода является то, что из нескольких продуктов, получаемых в системе, выбирается один (в данном случае теплота).
Затраты на теплоту принимаются равными затратам на ее получение в раздельном производстве. Оставшаяся часть от суммарных затрат относится к остальным продуктам (в данном случае воздух).
При расчете себестоимости сжатого воздуха методом отключения затрат затраты на получение теплового потока, равного по величине 43,2 ×10 ГДж/год, в котельной составят 113 тыс. Руб./год. Затраты на получение сжатого воздуха соответственно составят, тыс.руб./год:
(2.22)
Себестоимость сжатого воздуха в этом случае будет равна, руб./1000 м3:
(2.23)
РЕЖИМЫ ВОЗДУХОПОТРЕБЛЕНИЯ