Использование остаточного тепла компрессорных установок — образец дипломной работы с анализом и расчетами

Введение

Проблема повышения энергоэффективности является одной из ключевых задач современной промышленности. В условиях постоянного роста цен на энергоресурсы и ужесточения экологических норм, предприятия вынуждены искать пути снижения непроизводственных потерь. Значительным источником таких потерь являются компрессорные установки, которые в процессе работы выделяют огромное количество остаточного тепла, зачастую просто рассеиваемого в атмосферу. Учитывая, что парк компрессоров чрезвычайно широк и охватывает мощности от 1 до 25000 кВт, масштаб потенциальной экономии становится очевиден.

Актуальность данной дипломной работы обусловлена как экономическими, так и экологическими факторами. Рекуперация (утилизация) тепла компрессоров позволяет не только значительно сократить расходы на закупку традиционных энергоносителей (газа, электроэнергии), но и снизить углеродный след предприятия, что соответствует глобальным трендам устойчивого развития.

Цель работы — разработать и технико-экономически обосновать проектное решение по утилизации остаточного тепла для конкретной компрессорной станции промышленного предприятия.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ существующих методов и технологий рекуперации тепла компрессорных установок.
2. Выбрать конкретный объект исследования и собрать исходные данные для расчета.
3. Выполнить теплотехнический расчет для определения количества утилизируемого тепла.
4. Подобрать современное теплообменное оборудование, отвечающее расчетным параметрам.
5. Выполнить экономическое обоснование проекта и рассчитать срок его окупаемости.

Объектом исследования выступает компрессорная установка промышленного предприятия. Предметом исследования являются процессы теплообмена при сжатии воздуха и методы утилизации выделяемой тепловой энергии.

Глава 1. Аналитический обзор методов утилизации тепла компрессорных установок

Для проектирования эффективной системы утилизации необходимо глубокое понимание как принципов работы самого компрессорного оборудования, так и существующих на рынке технологий рекуперации. Данная глава посвящена анализу теоретических основ и практических решений в этой области.

Раздел 1.1. Принципы работы и источники тепловыделения. В основе работы поршневого или винтового компрессора лежит процесс сжатия газа, который по законам термодинамики сопровождается значительным выделением тепла. Основными узлами, где генерируются тепловые потоки, являются цилиндры (ступени сжатия), система циркуляции масла и промежуточные охладители (интеркулеры). Фактически, до 90% энергии, потребляемой компрессором, преобразуется не в энергию сжатого воздуха, а в тепло. Именно это «побочное» тепло и является ценным ресурсом для утилизации.

Раздел 1.2. Обзор существующих систем рекуперации. Системы рекуперации предназначены для «захвата» остаточного тепла и его передачи полезному потребителю. Их можно классифицировать по типу теплоносителя. Наиболее распространены два типа:

• Воздух-воздух: Горячий воздух, отводимый от компрессора, напрямую используется для отопления производственных цехов или складских помещений. Это простейшая и наиболее дешевая схема.
• Воздух-вода (масло-вода): Тепло от сжатого воздуха или масла через специальный теплообменник передается воде. Нагретая вода может использоваться для систем горячего водоснабжения (ГВС), подогрева воды в технологических процессах или для системы водяного отопления. Эта схема более универсальна.

Ключевым преимуществом любой из этих систем является прямая экономия энергии и, как следствие, снижение выбросов CO₂.

Раздел 1.3. Анализ теплообменного оборудования. Сердцем любой системы рекуперации является теплообменник. В зависимости от задачи применяются кожухотрубные, пластинчатые и пластинчато-ребристые аппараты. Последние, пластинчато-ребристые теплообменники, считаются наиболее передовым и перспективным решением для систем охлаждения и рекуперации компрессоров благодаря высокому коэффициенту теплопередачи, компактности и эффективности.

Раздел 1.4. Теоретические основы теплопередачи. Процесс утилизации тепла описывается фундаментальными законами теплопередачи, включающими три механизма: теплопроводность, конвекцию и излучение. При расчете теплообменных аппаратов ключевой задачей является определение коэффициента теплопередачи, который характеризует интенсивность переноса тепла от горячего теплоносителя к холодному. Эффективность теплообменного аппарата оценивается с помощью различных безразмерных критериев, одним из важнейших среди которых является энергетический коэффициент, также известный как критерий Кирпичёва. Эти теоретические основы являются фундаментом для выполнения инженерных расчетов в проектной части работы.

Глава 2. Описание объекта исследования и методологии расчета

Переходя от теории к практике, необходимо четко определить объект, для которого будет проектироваться система утилизации, и методику, по которой будут проводиться все последующие вычисления. Этот этап является мостом между аналитическим обзором и инженерной реализацией.

Раздел 2.1. Характеристики компрессорных установок. В качестве объекта исследования выбрана компрессорная станция, оснащенная поршневыми компрессорами моделей 402ВП 4/220 и 305ВП 12/220. Это многоступенчатые машины, характеризующиеся определенными параметрами производительности, мощности и давления. Важно учитывать, что режим их работы может регулироваться (например, путем перепускания части газа на вход), что напрямую влияет на тепловой режим и, следовательно, на потенциал рекуперации.

Раздел 2.2. Определение исходных данных для расчета. Для корректного теплотехнического расчета необходимо зафиксировать ряд исходных параметров, полученных на основе технической документации на оборудование и фактических замеров. Ключевыми данными являются:

• Температура и давление газа на входе и выходе каждой ступени сжатия.
• Температура масла на входе и выходе из маслоохладителя.
• Массовый расход сжимаемого воздуха и циркулирующего масла.
• Температура и расход охлаждающей жидкости (воды) в существующей системе.

Раздел 2.3. Обоснование выбранной методики расчета. Расчет будет проводиться пошагово. В его основе лежит уравнение теплового баланса. Основная цель — определить тепловые потоки, которые можно утилизировать с поверхности межступенчатых газоохладителей и маслоохладителя. Методика включает в себя определение средних температур теплоносителей, расчет коэффициента теплопередачи для выбранного типа теплообменного оборудования и, наконец, вычисление требуемой площади поверхности теплообмена для передачи расчетного теплового потока вторичному потребителю (например, контуру ГВС). Все расчеты будут производиться с использованием стандартных формул теплотехники и справочных данных по теплофизическим свойствам рабочих сред (воздуха, масла, воды).

Глава 3. Проектно-технологический раздел с выполнением теплотехнического расчета

Это ядро дипломной работы, где теоретические знания и исходные данные преобразуются в конкретные числовые результаты. Расчет выполняется последовательно для каждого источника тепла, чтобы в итоге получить суммарный потенциал энергосбережения.

Раздел 3.1. Расчет теплового потока от сжатого воздуха. На этом этапе последовательно рассчитывается количество тепла, отводимое в межступенчатых и концевом охладителях (интеркулерах). Для каждой ступени сжатия компрессора 402ВП 4/220 и 305ВП 12/220 вычисляется тепловой поток по формуле Q = G * cₚ * (t₁ — t₂), где G — массовый расход воздуха, cₚ — его удельная теплоемкость, а t₁ и t₂ — температуры воздуха на входе и выходе из охладителя соответственно. Это позволяет точно определить, сколько киловатт тепловой мощности можно «снять» с потока сжатого воздуха.

Раздел 3.2. Расчет теплового потока от системы смазки. Аналогичная процедура выполняется для системы охлаждения масла. Масло в компрессоре не только смазывает, но и отводит значительное количество тепла от трущихся деталей. Расчет производится по той же формуле теплового баланса, но с использованием параметров расхода и теплоемкости компрессорного масла. Тепло, отводимое маслоохладителем, является вторым по значимости источником для утилизации.

Раздел 3.3. Суммарный расчет потенциала рекуперации. Полученные значения тепловых потоков от всех газоохладителей и маслоохладителей обеих компрессорных установок суммируются.

Результатом этого этапа является одна, но ключевая цифра — общий тепловой потенциал компрессорной станции в кВт, доступный для утилизации в непрерывном режиме работы оборудования.

Эта цифра станет основой для всех дальнейших технических и экономических решений.

Раздел 3.4. Расчет параметров для потребителя тепла. Зная общую мощность, можно рассчитать параметры для вторичного контура. Например, если тепло используется для горячего водоснабжения (ГВС), определяется, какой объем воды можно нагреть от начальной температуры (например, 10°C) до требуемой санитарной нормы (например, 60°C). Этот расчет доказывает не только наличие тепла, но и его практическую применимость для решения конкретных хозяйственных задач предприятия, будь то отопление цехов или подогрев воздуха для участков сушки.

Глава 4. Выбор и техническое обоснование теплообменного оборудования

После того как в Главе 3 был точно рассчитан тепловой потенциал, задача сводится к подбору реального промышленного оборудования, способного эффективно передать это тепло от компрессорной станции к потребителю. Выбор должен быть технически обоснован и учитывать все рабочие параметры.

На основе расчетов формулируются четкие технические требования к рекуператору:

• Требуемая тепловая мощность (кВт): Должна соответствовать суммарному потенциалу, рассчитанному в разделе 3.3.
• Рабочие температуры и давления: Оборудование должно выдерживать максимальные температуры сжатого воздуха (которые могут достигать 120-150°С) и масла, а также давления в контурах.
• Тип рабочих сред: Теплообменник должен быть предназначен для работы со средами «масло-вода» и «воздух-вода».

Далее проводится анализ рынка теплообменного оборудования. Рассматриваются каталоги ведущих производителей, специализирующихся на решениях для компрессорной техники. На основе сравнения выбирается конкретная модель пластинчатого теплообменника (например, серий UFK-W или аналогов), которая наилучшим образом соответствует заданным параметрам.

Обоснование выбора строится на сравнении ключевых характеристик предложений. Приоритет отдается модели с оптимальным сочетанием удельной металлоёмкости, компактных габаритов, простоты монтажа и обслуживания. Выбранное оборудование, например, промышленный рекуператор мощностью в несколько сотен киловатт, должно не просто подходить по параметрам, но и являться надежным и современным инженерным решением.

Глава 5. Технико-экономическое обоснование эффективности проекта

Техническая возможность проекта доказана. Теперь необходимо доказать его экономическую целесообразность. Этот раздел отвечает на главный вопрос любого инвестора: «Когда вложения окупятся и начнут приносить прибыль?».

Раздел 5.1. Расчет капитальных затрат (CAPEX). На этом этапе составляется смета проекта. В нее включаются все единовременные расходы:

• Стоимость основного оборудования: цена выбранного пластинчатого рекуператора.
• Стоимость вспомогательных материалов: трубопроводы, запорная арматура, циркуляционные насосы, автоматика.
• Стоимость проектных и монтажных работ.

Сумма этих затрат представляет собой общую стоимость инвестиций в проект.

Раздел 5.2. Расчет эксплуатационной экономии (OPEX). Это ключевой показатель, демонстрирующий выгоду от внедрения. Годовая экономия рассчитывается как стоимость того объема энергоресурсов (природного газа, электроэнергии для бойлеров, покупаемой горячей воды), который предприятию больше не нужно закупать у внешних поставщиков. Расчет ведется на основе действующих тарифов и рассчитанного в Главе 3 количества утилизируемого тепла, переведенного в годовой объем сэкономленной энергии (Гкал или кВт·ч).

Раздел 5.3. Расчет срока окупаемости. Простой срок окупаемости (Payback Period, PBP) является наглядным показателем инвестиционной привлекательности и рассчитывается по элементарной формуле:

Срок окупаемости = Капитальные затраты / Годовая экономия

Для проектов по утилизации тепла компрессоров этот показатель оказывается чрезвычайно привлекательным. Как показывает практика внедрения подобных систем, срок окупаемости может составлять от 3 до 11,5 месяцев. Получение в расчетах результата в этом диапазоне станет убедительным доказательством высокой рентабельности предложенного технического решения.

Заключение

В ходе выполнения данной дипломной работы была всесторонне исследована проблема нерационального использования энергоресурсов на промышленных компрессорных станциях. Поставленная цель — разработать и обосновать проект утилизации остаточного тепла — была полностью достигнута.

В результате проделанной работы были получены следующие ключевые результаты:

• Проведен детальный анализ существующих технологий рекуперации и определены наиболее перспективные из них.
• Выполнен пошаговый теплотехнический расчет, который количественно определил объем остаточного тепла, доступный для утилизации от компрессоров 402ВП 4/220 и 305ВП 12/220.
• На основе полученных данных подобрана конкретная модель современного пластинчатого теплообменника, полностью отвечающая техническим требованиям.
• Рассчитано технико-экономическое обоснование, доказавшее высокую инвестиционную привлекательность проекта с крайне малым сроком окупаемости.

Главный вывод работы заключается в том, что утилизация остаточного тепла компрессорных установок на исследуемом объекте является не только технически возможной, но и экономически чрезвычайно целесообразной мерой.

Практическая значимость исследования состоит в том, что оно представляет собой готовое методическое руководство, которое может быть использовано инженерными службами промышленных предприятий для планирования и реализации проектов по модернизации и повышению энергоэффективности. В качестве направления для дальнейших исследований можно рассмотреть анализ работы предложенной системы в различных климатических условиях и режимах работы оборудования.

Список используемой литературы

1. ГОСТ Р 54671-2011. Кондиционеры, агрегатированные охладители жидкости и тепловые насосы с компрессорами с электроприводом для обогрева и охлаждения помещений. Термины и определения.
2. ОСТ 153-39.3-052-2003 «Техническая эксплуатация газораспределительных систем. Газонаполнительные станции и пункты. Склады бытовых баллонов. Автогазозаправочные станции».
3. ПБ 12-609-03 «Правила безопасности для объектов, использующих сжиженные углеводородные газы».
4. ГОСТ Р 54982-2012 «Системы газораспределительные. Объекты сжиженных углеводородных газов. Общие требования к эксплуатации. Эксплуатационная документация».
5. Теплотехника, В.Л.Ерофеев, П.Д.Семенов, А.С.Пряхин, М., Изд.»Академкнига», 2006, 456 с.
6. Теплообменные, сушильные и холодильные установки, П.Д.Лебедев, изд. «Энергия», М., 1972, 319 с.
7. Лебедев П.Д., Щукин А.А. Теплоиспользующие установки промышленных предприятий (курсовое проектирование). Учеб. пос. для энергетических вузов и факультетов. -М.: Энергия, 1972.
8. Промышленные тепломассообменные процессы и установки: Учеб. для вузов. А.М. Бакластов, В.А. Голубков, О.Л. Данилов и др. / Под ред. А.М. Бакластова. -М. Энергоатомиздат, 1993.
9. Сборник примеров и задач по тепломассообменным процессам, аппаратам и установкам. ЛИ. Архипов, В.А. Григоренко, А.Л. Ефимов и др. Учеб. пос. по курсу «Тепломассообменные аппараты». -М. Изд. МЭИ, 1997.