Компрессорная станция. Рекоммендации по расчету и выбору оборудования.

Проблема обеспечения сжатым воздухом промышленного предприятия не ограничивается только выбором одного компрессора. Для нормальной работы пневматических устройств, пневмооборудования и инструмента необходим сжатый воздух без посторонних примесей. Для решения этой задачи используются системы подготовки воздуха.

В данной статье мы рассмотрим вопросы построения компрессорных станций в комплексе и представим рекомендации по выбору производительности компрессора, необходимого объема ресивера, фильтров и осушителей.

Компрессорная станция - это "цепочка" оборудования для производства, хранения и подготовки (осушки и очистки) сжатого воздуха в соответствии с требованиями технологического процесса.

Основными критериями, определяющими комплектность компрессорной станции, являются:

• максимальное рабочее давление;
• чистота (качество) сжатого воздуха;
• объемный расход воздуха.

Дополнительно следует обратить внимание на температуру воздуха в помещении (компрессоры без специальной подготовки работают при температуре окружающего воздуха от +5°С до +40 ...+45°С), на состояние пневмосистемы предприятия (на загрязненность трубопроводов, утечки), на запыленность помещения компрессорной, на предполагаемый режим работы оборудования (одно/двухсменный, круглосуточный и т.д).

Рассмотрим подробнее каждый из критериев:

1. Максимальное рабочее давление.

Посмотрев каталог компрессорного оборудования, мы увидим компрессоры с максимальным рабочим давлением 6,7, 8, 10,  и 15 бар.

Если исходить только из технических характеристик, то для большинства промышленных предприятий вполне бы мог подойти компрессор с Р max = 8 бар, т.к. значительная часть оборудования работает при давлении 6 бар. Но опыт говорит, что лучше вес же отдать предпочтение "10-ти "барнику". Основная причина в том, что по пути сжатого воздуха от компрессора до потребителей происходит падение давления. Чем длиннее магистраль и больше в ней местных сопротивлений (запорной арматуры, уголков, тройников, различных фитингов и т.п.), тем падение давления больше. Кроме того, если сравнить два участка трубопровода одина-ковой длины с разными диаметрами, например, 1/2" и 3/4", то в "полдюймовой" трубе падение давления будет больше. Падение давления происходит и в оборудовании для осушки/очистки сжатого воздуха: при прохождении через осушитель на 0,2 бар и при прохождении каждого из фильтров на 0,1 - 0,15 бар, причем по мере загрязнения фильтрующего элемента эта величина будет увеличиваться.

2. Чистота (качество) сжатого воздуха.

Атмосферный воздух, всасываемый компрессором, может содержать в 1 м3 до 180 млн частиц пыли, а содержание масла составляет 0,01 - 0,03 мг/м3. При сжатии, например, до 10 бар, концентрация загрязняющих веществ увеличивается в 11 раз, и в 1 м3 сжатого воздуха будет содержаться уже более 2 млрд частиц пыли. Загрязняющие вещества делят на твердые, жидкие и газообразные. К твердым загрязняющим компонентам относятся песок, пыль, частицы метала, ржавчины, угля, резины и и т п

Основными жидкими загрязнителями являются вода и масло. Из-за  естественной  влажности в воздухе всегда содержится определенное количество воды в парообразном и взвешенном состояниях. Смазочные масла, применяемые в компрессорах, также попадают в воздушный контур. При этом они могут находиться в следующих состояниях:

• пар;
• аэрозоль с размерами от 0,05 до 1 мкм;
• дым с размерами от 0,2 до 0,8 мкм;
• масляный туман с размерами от 1,2 до 1,4 мкм.

которая в процессе сжатия преобразуется в конденсат, объем которого в зависимости от производительности компрессора и режима его работы может достигать нескольких десятков литров в сутки.

Для обеспечения нормальной работы пневматических устройств необходимо удалить влагу из сжатого воздуха. Для решения этой задачи наиболее часто используются осушители рефрижераторного типа с температурой точки росы +3°С и адсорбционные осушители с температурой точки росы -20°С, -40°С и -70°С.

3. Критерии выбора компрессора

Правильный выбор компрессора подразумевает удачное соотношение следующих параметров:

• производительность;
• максимальное рабочее давление;
• объем ресивера;
• рабочий цикл и ресурс.

Если ошибиться с какой-либо из характеристик, компрессор быстро выйдет из строя или будет использоваться неэффективно. Исходя из этих величин выбирается модель компрессора, его тип, стоимость, надежность, ремонтопригодность и др.

Производительность

Производительность – объемный расход воздуха.

Первым шагом при подборе и расчете компрессорной системы необходимо ориентироваться на производительность по нагнетанию. Большинство западноевропейских производителей указывают в качестве производительности геометрический объем воздуха, рассчитанный исходя из размеров и хода поршня (производительность по всасыванию), а не производительность, замеренная на выходе из компрессора (производительность по нагнетанию), но пересчитанная на условия всасывания, т. е. на давление и температуру во всасывающем патрубке цилиндра первой ступени.

Следующим шагом является определение предполагаемого потребления СжВ.

Для этого вначале нужно выяснить количество потребляемого СжВ отдельными потребителями, просуммировать их и откорректировать в соответствии с рабочими условиями.

Необходимо учитывать вероятность утечек, а также (где это применимо) принимать во внимание фактор одновременности.

Потребление СжВ пневмоинструментом

Практически на любом промышленном предприятии используется пневмоинструмент, на долю которого иногда приходится значительная часть общего потребления СжВ.

В таблице указан усредненный расход СжВ для наиболее часто встречающихся видов пневмоинструмента. Обычным рабочим давлением пневматического инструмента является 6 бар, для которого и указаны расходы. Однако существуют некоторые модели, нуждающиеся и в большем давлении СжВ – в этом случае, при прочих равных условиях, увеличивается и расход СжВ.

Расчет потребления СжВ заключается в сложении потребления СжВ отдельными устройствами и агрегатами. При этом необходимо принимать во внимание и некоторые уточняющие коэффициенты – среднее время работы UR.

В некоторых случаях, отдельные потребители расходуют СжВ не все время. Например, ручной пневмоинструмент, на практике никогда не используется постоянно, а включается и выключается время от времени. Поэтому, для более точного расчета потребления, следует учитывать не номинальный расход СжВ отдельным потребителем, а средний расход.

Для определения среднего расхода следует, вначале, определить среднее время работы UR по формуле:

UR=(TU/TR)*100%

где UR – среднее время работы (%);

TU – время работы (мин);

TR – общее время для расчета (мин).

Так, если полуавтоматический шуруповерт используется в течение 25 минут каждого часа, то среднее время его работы будет составлять 41,6%. Разумеется, среднее время работы пневмоинструмента практически никогда нельзя определить точно.

Фактор одновременности f, в применении к расчету потребности в СжВ, является абсолютно эмпирическим понятием. Он используется для подгонки теоретического общего расхода СжВ к реальным условиям эксплуатации, и является некоторым коэффициентом, величина которого основана на вероятности одновременной работы нескольких устройств, потребляющих СжВ.

Применение его оправдано, в случаях, когда СжВ потребляется ручным инструментом. Нельзя использовать фактор одновременности применительно, например, к нескольким работающим продолжительное время станкам или конвейерным линиям.

Если взять примерное количество потребителей от 1 до 16, то факторы одновременности f, соответственно, будут следующими: 1, 0,94, 0,89, 0,86, 0,83, 0,80, 0,77, 0,75, 0,73, 0,71, 0,69, 0,68, 0,67, 0,66, 0,64, 0,63.

Автоматические потребители

Автоматические потребители – это такие устройства, расходующие СжВ, которые работают постоянно, или же в рамках длительных циклов. К ним относятся автоматически работающие пневмоцилиндры, конвейеры и прочее оборудование.

Расход СжВ автоматическими потребителями должен быть рассчитан отдельно, исходя из их номинального расхода СжВ. Среднее время работы этого класса потребителей надлежит принимать за 100%.

Расход СжВ всегда указывается производителями оборудования, будучи приведенным к условиям всасывания, поэтому на данном этапе рабочее давление потребителей во внимание не принимается.

Примерный расчет расхода СжВ для автоматических потребителей

Инструментальные потребители

Устройства, расходующие СжВ циклически и использующиеся непостоянно, могут учитываться в расчетах расхода СжВ с применением поправочных коэффициентов – среднего времени работы и фактора одновременности.

К подобным устройствам относится, прежде всего, ручной пневмоинструмент, и, поэтому, мы условно называем их инструментальными потребителями.

Примерный расчет расхода СжВ для инструментальных потребителей

Общее потребление

Суммарное потребление СжВ устройствами, показанными в этом примере, складывается из потребления СжВ автоматическими и инструментальными потребителями и составляет:

T_Σ = 982 + 583,3 = 1563,3 л/мин – или, приблизительно, 1,57 м³/мин.

Однако это суммарное потребление СжВ еще не является основанием для вычисления необходимой производительности компрессора. Необходимо также учесть возможность утечек в пневмосети, предусмотреть резерв и сделать поправку на неточность расчетов.

Необходимо учитывать следующие погрешности:

– утечки v (%). Утечки могут иметь место в самых разных частях системы СжВ. В новых пневмосетях они обычно невелики и не превышают 5% от общего расхода СжВ. Однако, в старых протяженных сетях СжВ по мере износа трубопроводов, а также потребляющего оборудования, объем утечек может достигать до 25%;

– резервы r (%). Резервы следует предусматривать при наличии обоснованных предположений о последующем увеличении потребления СжВ, которое может вызвать появление новых потребителей или увеличение среднего времени работы старых;

– ошибки при расчетах e(%). Обычно, разумной поправкой на ошибки в расчетах является 5–15 %.

Необходимая производительность

Основываясь на определенном ранее общем потреблении СжВ, можно вычислить желательную производительность компрессора L_B (м³/мин), с учетом поправок на утечки, резервы и ошибки при расчетах, по следующей формуле

L=T_Σ*(100+v+r+e)/100

где T_Σ – расчетное общее потребление (м³/мин);

v – оцениваемый объем утечек (%);

r – оцениваемый объем резервов (%);

e – поправка на ошибки в расчетах (%).

Таким образом, если расчетное потребление СжВ составляет 1,565 м³/мин, а заложенные поправки на утечки, резервы и ошибки соответственно 5, 10 и 15%, то необходимая производительность компрессора будет составлять 2,035 м³/мин.

Подведем итог. Для расчета производительности компрессора необходимо суммировать потребность в СжВ всех устройств (данные находятся в паспортах любого пневмооборудования). Многие производители компрессоров в графе «производительность» указывают геометрический объем СжВ. Однако разница подобных показателей с фактической производительностью, к примеру, у поршневого компрессора, – более 40 %. Реальной L_B является производительность компрессора, приведенная к условиям всасывания при рабочем давлении.

Для наиболее надежной работы компрессора, его рабочая нагрузка должна составлять 65–70 % от максимальной, т.е., если требуется произвести 400 л/мин СжВ, то лучше взять компрессор «с запасом» – производительностью 550–630 л/мин.

Какой воздушный ресивер выбрать?

Воздушные ресиверы, или воздухосборники – это сосуды, используемые для следующих целей:

– хранение СжВ;

– устранение пульсаций давления;

– выделение конденсата (благодаря охлаждению СжВ и процессу соударения потока со стенками ресивера).

Главной задачей ресивера является все же хранение СжВ, и для того, чтобы отвечать потребностям конкретной компрессорной системы, объем ресивера должен быть правильно рассчитан.

Краткие рекомендации по выбору
объема воздушного ресивера

Выбор объема ресивера можно производить по упрощенной схеме, или с использованием более сложных расчетных формул.

Если потребление СжВ при рабочем цикле оборудования равномерное, то компрессорную установку можно выбрать с минимальным объемом ресивера.

Если потребление СжВ – порционное – выбирайте установку с максимально большим объемом ресивера.

Применение понижающего редуктора давления на выходе СжВ из ресивера позволит: получить постоянное давление в системе, питающей технологическое оборудование; уменьшить пульсацию сжатого воздуха в системе; экономить энергию за счет увеличения времени останова электродвигателя в рабочем цикле компрессорной установки.

В общем случае при выборе ресивера можно воспользоваться следующими универсальными правилами:

Для поршневых компрессоров.

Объем ресивера равен минутной производительности компрессора.

Поршневые компрессоры предназначены для эпизодической работы в повторно-кратковременном режиме, холостой ход у них отсутствует, и, поэтому, желательно установить ресивер большего объема, который позволит реже производить включение и выключение приводного электродвигателя компрессора.

Для поршневого компрессора, обязательно нужно проверить, какова будет продолжительность циклов работы и ожидания при использовании ресивера данного объема, и не превысит ли количество пусков и остановок электродвигателя предельно допустимого для него значения.

Для винтовых компрессоров.

Объем ресивера равен трети минутной производительности компрессора. Винтовые компрессоры приспособлены для непрерывной работы, имеют возможность переходить на холостой ход, поэтому, для них достаточно ресивера с меньшим объемом.

Иными словами, для компрессора производительностью 1000 л/мин необходим ресивер объемом 300 л.

Организационные мероприятия по выбору компрессорного
оборудования и его поставщика

Можно посоветовать заказчику примерный порядок выполнения организационных мероприятий по выбору компрессорного оборудования и его поставщика, а именно:

– поиск оборудования;

– выбор производителя и марки оборудования;

– выбор поставщика оборудования;

– гарантия.

Поиск оборудования надо начинать с задачи, которые предстоит решать искомому оборудованию. Направьте запросы нескольким поставщикам. Среди них должен быть один поставляющий самое дорогое импортное оборудование. Постарайтесь привести все предложения к одному базису. Обязательно оцените возможные убытки от простоя оборудования и реальные сроки ремонта. Если убытки от простоя превышают его стоимость, можно рассмотреть вопрос о его резервировании.

Получите данные о фирме-производителе: как давно она производит данный тип оборудования, ее годовой оборот и т.д. Это косвенно позволит получить представление о соотношении цена / качество. Попробуйте узнать, какие компрессоры эксплуатируют предприятия вашей отрасли и конкуренты. Они уже потратили время и деньги для того, чтобы сделать выбор – пользуйтесь этим бесплатно.

Гарантия характеризует поставщика и является коммерческой договоренностью между продавцом и покупателем о ремонте оборудования в случае отказа в определенный период времени. Внимательно изучите пункты контракта, где рассматриваются гарантийные обязательства – что покрывает гарантия.

В конечном итоге выбор всегда остается за Вами. Выбор должен быть осознанным, а риск от остановки оборудования соотнесен с возможными потерями.