Как грамотно подобрать компрессор? Или советы по выбору компрессорного оборудования.

Сжатый воздух - это не самоцель, это источник энергии для Вашего пневмооборудования. Как правило, на промышленном предприятии существуют самые различные технологические процессы, где необходим сжатый воздух.

Типичное сегодняшнее предприятие промышленности (в частности машиностроения) состоит из следующих основных цехов или участков, а, следовательно, из потребителей сжатого воздуха:

• Литейный- пневмопереключатели самих печей, различного рода пневмоинструмент (например, пневмотрамбовки), пневмозажимы, пескоструйные камеры.
• Кузнечный- цилиндры молотов, различного рода пневмозажимы, пневмоинструмент.
• Штамповочный- цилиндры штампов, различного рода пневмозажимы, пневмоинструмент
• Механической обработки- различного рода пневмозажимы, пневмоинструмент
• Гальванический- барбатаж жидкостей, различного рода пневмозажимы, пневмоинструмент
• Окрасочный- пескоструйные, окрасочные и сушильные камеры, различного рода пневмозажимы, пневмоинструмент
• Сборочный- пневмоинструмент

Естественно возможны варианты. На больших предприятий присутствует весь спектр приведенной схемы, на небольших - отсутствует часть или вообще состоит из одного вида технологического передела. Возможно, также, использование пневмотранспортировки (например, на спичечных фабриках или заводах железобетонных изделий), но суть от этого не меняется. Итак, при таком многообразии потребителей сжатого воздуха, как рассчитать потребность в нем?

Прежде всего, пользуясь паспортными данными оборудования. Если данных по пневмооборудованию нет (обычное явление на промышленных предприятиях, т. к. в каждом цехе есть свой механик или энергетик, который отвечает за оборудование, а в службе главного инженера сводных данных по потребляемому оборудованием воздуху просто нет). Собрать эти сведения подчас непосильная задача для службы главного инженера, которая занята другими проблемами, то можно взять по аналогии и большой ошибки в этом не будет. Некоторые параметры типового оборудования приведены в Приложении 1.

Понятно, что пневмооборудование используется в работе не непрерывно, а время от времени, соответственно изменяется текущее воздухопотребление. Для определения характеристик компрессора ориентируются на усредненное значение потребности в сжатом воздухе. Чтобы ее рассчитать, нужно, исходя из опыта эксплуатации и знания технологии планируемых работ, представить, каковы будут продолжительность и периодичность включения оборудования, возможно ли включение одновременно нескольких устройств и каких. По сути дела всю систему промышленного предприятия в целом необходимо разбить на подсистемы (локальные участки), которые включены в единый технологический процесс и используют одновременно сжатый воздух.

Вот типовой пример одного из предприятий г. Санкт-Петербурга.

На предприятии существует штамповочный цех, в котором существуют 3 участка общим потреблением 15 м³/мин и необходимым рабочим давлением 4,5 атм. В связи с тем, что воздух подается из центральной компрессорной станции, которая находится на расстоянии 1200 м от цеха, с учетом потерь в воздухопроводе и запорной арматуре, в этот цех подается 25 м³/мин сжатого воздуха давлением 9 атм. В помещении цеха установлен ресивер для сглаживания пиковых нагрузок и пульсаций от поршневой компрессорной станции. Центральная компрессорная станция водяного охлаждения, существует насосная станция, оборотное водоснабжение и градирня.

В результате обследования предприятия специалистами установлено следующее:

1. Суммарное потребление сжатого воздуха 1 участком составляет 9 м³/мин. Общее время его работы в смену составляет 6,5 часов. При этом все оборудование работает одновременно.
2. Суммарное потребление сжатого воздуха 2 участком составляет 4 м³/мин. Общее время его работы в течение рабочей смены составляет 3,5 часа. При этом прессы 10, 11 и 12 включаются эпизодически и их работа занимает не более 30 минут в рабочую смену.
3. Суммарное потребление сжатого воздуха 3 участком составляет 5м³/мин. Общее время его работы в течение рабочей смены составляет 4 часов.
4. Имеются пневмоинструменты с суммарным потребление сжатого воздуха на уровне 1 м³/мин и непредсказуемым режимом работы.
5. По цеху проложена воздушная магистраль диаметром 100 мм, имеется запорная арматура, общая протяженность магистрали 210 м.

По итогам проекта было предложено:

Разбить пневмосеть цеха на два локальных участка для производственного участка 1 и для производственных участков 2 и 3.

Для локального участка 1 установить компрессор (или 2 компрессора) суммарной производительностью:

V= a*b*f*9=1,1*1,1*0,9*9=9,8 м³/мин, где
а - коэффициент утечки воздуха в сети для коротких расстояний (до 100 м) равен 1,1
b - коэффициент износа оборудования примерно равен 1,1
f - коэффициент единовременности работы оборудования, для данного участка равен 0,9.

Для участков 2 и 3 предложено установить два компрессора производительностью по 5 м³/мин (исключительно в целях резервирования).

В результате осуществления проекта:

1. Совокупные затраты на получение сжатого воздуха сократились на 42%.
2. Весь проект окупился в течение 5 месяцев.

На основе чего проводились расчеты?

Прежде всего, на основе скрупулезного сбора данных, систематизации и после этого на основе базовой методики расчетов подготовленных специалистами и приведенной в Приложении 1.

Можно ознакомиться с еще одним примером расчета расхода воздуха, произведенный нами недавно для локальной воздушной сети ООО "Петропрофиль" (г.С-Петербург).

Существует значительное многообразие компрессорных установок предназначенных для промышленных целей.

В зависимости от конструкции самого компрессорного блока различают следующие виды компрессоров общего назначения:

1. Объемного действия, а именно:

a) Диафрагменные

b) Поршневые

c) Винтовые

d) Пластинчато-роторные

2. Динамического действия:

a) Центробежные

b) Турбокомпрессоры.

Каждый из них рассчитан на определенные параметры работы, которые в компрессорной технике характеризуются рабочим давлением и производительностью.

В области малой производительности (до 50 м³/мин) наибольшее распространение нашли винтовые и поршневые компрессоры. В области от 100 м³/мин и выше применяются центробежные и турбокомпрессоры. Область от 50 м³/мин до 100 м³/мин прочно удерживают поршневые компрессоры. В области сверхмалой производительности (до 10 л/мин) наиболее применяемы диафрагменные компрессоры. Безусловно, наиболее распространенными в нашей стране являются поршневые компрессоры, которые сегодня активно вытесняются винтовыми (иначе называемые роторными) компрессорами. Если 30 лет назад винтовые компрессоры были достаточно экзотичны для нашей страны, то в настоящее время они прочно удерживают позиции в области производительности от 4 до 120 м³/мин, а в мире имеют тенденцию к расширению производительности- в настоящее время выпускаются винтовые компрессоры от 0,2 м³/мин до 180 м³/мин. Объясняется это прежде всего долговечностью винтового компрессорного блока, его высокой надежностью и малыми габаритами.

В мировом компрессоростроении винтовые компрессоры получили активное развитие с середины 50-х по середину 60-х годов ХХ века.

Остановимся только на двух типах компрессорных установок наиболее востребованных на сегодняшний день в промышленности - поршневых и винтовых.

Поршневые компрессоры.

Продолжают пользоваться популярностью в нашей стране благодаря традиции. Основная масса промышленных предприятий была оснащена этими компрессорами в советское время, работники предприятий их хорошо знают, знают как их обслуживать и ремонтировать и менять что-либо не испытывают никакого желания. Да и система подготовки специалистов-компрессорщиков ориентирована в основном на потребности 20-тилетней давности, в которых не было альтернативы поршневым компрессорам.

В компрессорах этого типа воздух сжимается в замкнутом пространстве цилиндра в результате возвратно-поступательного движения поршня. Конструктивно они представляют собой машину, включающую в себя сам компрессорный блок, электропривод, ресивер и устройство автоматического регулирования давления. 

Существуют поршневые компрессоры с одним или несколькими цилиндрами, с V-образным или с W-образным расположением цилиндров. К тому же критерием различия является число ступеней сжатия.

Рис.: Две ступени сжатия в поршневом компрессоре.

1: Фильтр на всасывании
2: Впускной клапан
3: Выпускной клапан
4: Первая ступень сжатия
5: Межступенчатый рефрижератор
6: Вторая ступень сжатия
7: Коленчатый вал.

Дополнительно оснащается системой водяного охлаждения, которая сама по себе является достаточно сложной - замкнутый оборотный цикл, насосная станция, зачастую градирня.

К основным характеристикам компрессора относятся два параметра - номинальное рабочее давление P и объемная производительность или подача Q. Большинство производимых сегодня компрессоров развивают давление, превышающее потребности стандартного пневмооборудования и инструмента. На рынке представлены компрессорные установки с максимальным давлением 6, 8,10,13 атм (в другой терминологии бар). Особое место в семействе поршневых компрессоров занимают компрессоры высокого давления (до 4000 бар. и даже выше...) 

1. Следует иметь в виду, что система автоматического регулирования давления всех компрессоров настроена таким образом, что обеспечивает поддержание давления в ресивере с допуском - 2 атм от максимального значения. Это означает, что в процессе работы компрессора с Pmax=8 атм давление на выходе может меняться от 6 до 8 атм. Заводские регулировки могут быть изменены только в сторону уменьшения минимального давления.

2. Необходимо учитывать, что наличие протяженных пневмомагистралей до потребителей сжатого воздуха вызывают падение давления в линии. При ошибках в проектировании пневмосети (применение труб малого диаметра, использовании водопроводных запорных устройств, нерациональной прокладке магистралей и т. д.) оно может достигать существенной величины и стать причиной неэффективной работы пневмооборудования. Чтобы избежать возможных неприятностей в таких случаях, нужно отдать предпочтение компрессору с более высоким максимальным давлением (либо более точно посчитать возможные потери в трубопроводах).

Из сказанного следует, что в качестве универсального источника сжатого воздуха можно использовать компрессор максимальным давлением 8 атм.

Винтовые компрессоры.

В поршневых компрессорах реализуется циклический принцип сжатия. В течение рабочего цикла фаза сжатия периодически чередуется с фазой впуска воздуха. Такая периодическая работа не очень выгодна, тем более что она приводит к пульсации давления на выходе компрессора (это одна из причин для чего нужен ресивер при использовании поршневого компрессора). Эти недостатки до поры "прощались" поршневым компрессорам, поскольку они компенсировались многими достоинствами, в частности, относительной простотой и дешевизной. Однако монополии поршневых устройств в деле воздухонагнетания пришел конец.

Достижения в области технологии металлообработки позволили создать доступную по цене альтернативу - винтовой компрессор. Во многом он является антиподом поршневого компрессора.

Сжатие воздуха в винтовом компрессоре происходит непрерывно. Температура нагнетаемого воздуха изменяется незначительно, характеристика процесса сжатия максимально приближается к изотерме. Вследствие этого КПД винтового компрессора выше.

Винтовые компрессоры относятся к классу ротационных компрессоров. В этих компрессорах понижение давления, необходимое для всасывания воздуха, достигается за счёт вращения винтов. Одно- и двухступенчатые ротационные компрессоры наиболее распространенные на рынке. Значительным преимуществом большинства компрессоров этого класса является балансировка вращающихся масс, позволяющая устанавливать их без использования специального фундамента, вследствие незначительного уровня вибрации.

Конструкция винтового блока компрессора, описанного выше, состоит из двух роторов расположенных параллельно. Один из них имеет выпуклый профиль винта, а другой вогнутый винтовой профиль. Эти профили вращаются в зацеплении. При вращении, воздух сжимается между профилями вследствие различного числа зубьев ротора, в соответствии с принципом вытеснения. Этот процесс может быть разделен на четыре фазы (см. рис. ниже).

1-я фаза:
Воздух поступает в компрессорный блок через входное отверстие. Полости между зубьями роторов заполняются воздухом, что в какой-то степени напоминает такт впуска поршневого компрессора.

2-я и 3-я фазы:
Когда роторы, вращаясь, соединяются с впускным отверстием, они образуют замкнутый объём между зубьями винтов и корпусом компрессорного блока. Замкнутая область уменьшается в объёме вследствие вращения роторов; воздух сжимается в замкнутом объёме. Сжатие в замкнутом объёме продолжается до тех пор, пока замкнутая область, постепенно уменьшающаяся в размере, не соединится с выпускным отверстием.

4-я фаза:
Сжатый воздух вытесняется из компрессорного блока в линию нагнетания.

В то время как поршневой компрессор требует периодически отдыха, винтовой рассчитан на стационарный режим работы, остановы для него нежелательны. Винтовой компрессор равной производительности компактнее, имеет на 10-12 дБ меньший уровень звукового давления. Качество воздуха с точки зрения концентрации частиц воды и масла - выше, эксплуатационные расходы- ниже.

По надежности винтовой компрессор несопоставим с поршневым. На его "сердце"- винтовую пару фирма Renner-Kompressoren, например, дает гарантию до 40 000 моточасов и основной причиной возможного выхода из строя при таких гигантских запасах по моторесурсу, как правило, является ресурс подшипников. В нашей практике бывали и такие случаи, когда срок службы винтового компрессора Renner-Kompressoren составлял 60 000 моточасов и выше.

Конструктивно винтовой компрессор проще поршневого, однако намного сложнее в технологии изготовления. Он имеет циркуляционную систему смазки и охлаждения, масловлагоотделитель, снабжен автоматической системой управления. По сути- это автоматическая станция подготовки сжатого воздуха.

Почему же при таких преимуществах винтовые компрессоры до сих пор не вытеснили поршневые? Почему до недавнего времени не наблюдалось развития локальных пневмосетей прежде всего на крупных предприятиях?

Ответ на этот вопрос лежит на поверхности. Прежде всего из-за психологических особенностей людей и "здорового" консерватизма. Ведь для того чтобы быть готовым к замене одной техники на другую нужно обладать определенными знаниями в этой области. А дух новаторства сегодня присутствует в промышленности крайне незначительно. Потеряна система ознакомления с научно-технической информацией (например, регулярное чтение бюллетеней БИНТИ), с новинками техники знакомятся только когда станет совсем горячо, когда проблема грозит полной остановкой производства. Многие инженеры просто не знают, чем винтовые компрессоры отличаются от поршневых.

Вторая причина - в боязни людей потерять рабочие места. Ведь "пока я командую обособленным участком, например, паросиловым цехом, я - уважаемый человек. У меня свое хозяйство, свой персонал, без моего участия невозможна работа всего завода. Кем я стану, если применю новую технику, да не в едином месте, а по всему предприятию, чем я буду командовать и, вообще, нужен ли я буду?"

Третья и последняя причина - то, что с советских времен остался очень большой объем запасных частей для имеющейся компрессорной техники.

Сегодня приходит понимание, что эти причины не будут продолжаться бесконечно, приходят новые менеджеры, переобучаются старые, предприятия перестраиваются на современный ритм жизни, и надеемся, что эта работа поможет в правильном и обоснованном выборе.

Мы поможем Вам в решении проблем по подбору правильного оборудования для производства сжатого воздуха и его подготовки.

Проектирование локальной воздушной сети следует начинать с определения расчетного расхода воздуха (по условиям всасывания)

V_p = S n_i × q_cp.i × k_o.i × k_э.i × k_и.i , нм³/мин,                       (формула №1) ⁱ⁼¹

где S - сумма;

где n_i - число однотипных потребителей сжатого воздуха;

q_cp.i - средний (паспортный) расход воздуха потребителями каждого отдельного типа, нм³/мин (табл.1);

k_o.i - коэффициент одновременной работы для каждой однотипной группы потребителей сжатого воздуха; его значение либо задается технологическим режимом работы потребителей, либо берется на основе статистики работы потребителей (табл.2);

k_э.i - эксплуатационный коэффициент, учитывающий увеличение расхода воздуха из-за износа и неплотностей в соединениях, арматуре, сальниках и в локальной воздушной сети; для пневматического оборудования к_э = 1,5, а для пневмоинструмента кэ = 1,10 - 1,15;

k_и.i - коэффициент использования пневмооборудования или пневмоинструмента, представляющий собой долю времени эксплуатации потребителя за рабочую смену (его значение либо задается технологическим режимом работы потребителей, либо берется на основе статистики работы потребителей (табл.1)).

Средний расход воздуха (q_cp.) и коэффициент использования (k_и.) для некоторых видов потребителей сжатого воздуха

Таблица 1

^* - расход воздуха q_ср. через пескоструйные аппараты в зависимости от диаметра сопла и давления воздуха Р₂

Коэффициент одновременной работы (k_о) потребителей сжатого воздуха в зависимости от числа однотипных потребителей.

Таблица 2

Винтовой компрессор для локальной воздушной сети подбирается по величинам V_p и конечному давлению сжатого воздуха Р₂ при следующих условиях:

1. Значение Р₂ должно соответствовать наибольшему рабочему давлению из подключенных разнотипных потребителей сжатого воздуха и не должно превышать номинальное конечное давление винтового компрессора;

2. Расчетный расход воздуха для локальной воздушной сети V_p, определенный по формуле (формула №1), должен соответствовать 0,75 - 0,9 номинального расхода воздуха винтового компрессора V_к при давлении Р₂.

Диаметр воздухопровода сжатого воздуха для локальной воздушной сети определяется по формуле

d = 0,4V/60Wp м,

где V - объемный расход сжатого воздуха, м³/мин;

V = V_к (Р₁/Р₂)^1/n;

где V_к - паспортная производительность компрессора по условиям всасывания, м³/мин;

Р₁ - давление воздуха перед компрессором с учетом аэродинамического сопротивления всасывающего тракта компрессора, Р₁ = 9,9 ×10⁴ Па;

Р_{2 -} давление сжатого воздуха (за компрессором), Па;

n - показатель политропы сжатия: для охлаждаемых водой поршневых компрессоров n = 1,25 - 1,30; для винтовых компрессоров n = 1,11

W - экономическая скорость воздуха, для нагнетательных воздухопроводов W = 15 м/с (при давлении сжатого воздуха до 10 бар).

В случае наличия на предприятии потребителей сжатого воздуха разного давления Р₂ при децентрализации системы воздухоснабжения создаются отдельные локальные воздушные сети на эти необходимые давления Р₂ с подбором местных компрессорных установок по методике изложенной в данном разделе.