автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Повышение энергетической эффективности промышленных систем воздухоснабжения посредством оптимального сочетания централизованного и децентрализованного распределения

На правах рукописи

Жучков Александр Валерьевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОМЫШЛЕННЫХ СИСТЕМ ВОЗДУХОСНАБЖЕНИЯ

ПОСРЕДСТВОМ ОПТИМАЛЬНОГО СОЧЕТАНИЯ ЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО И ДЕЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ

Специальность 05 14 04 - Промышленная теплоэнергетика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2007 г.

003069267

Работа выполнена на кафедре промышленных теплоэнергетических систем (ПТС) Московского энергетическою института (Технического университета)

Научный руководитель кандидат технических наук, профессор

Калинин Николай Васильевич

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Созинов Владимир Петрович

кандидат технических наук, профессор Михайлов Владимир Александрович

Ведущая организация ОАО "Объединение ВНИТШзнергопром"

Защита состоится «25» мая 2007 г в 15 час 30 мин в аудитории Г-406 на заседании диссертационного совета Д 212 157 10 при Московском энергетическом институте (Техническом университете) по адресу 111250, г Москва, ул Красноказарменная, д 17

Отзывы на автореферач в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу 111250, Москва, ул Красноказарменная, д 14, Ученый Совет МЭИ (ТУ)

С диссертацией можно ознакомиться в бибтиотеке Московского энергетического института (Технического университета)

Автореферат разослан «23 » а-^ел^ 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212 157 10 к т н, доцент

Попов С К

ОБШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время актуальность энергосбережения не вызывает сомнений Это связано с комплексом различных факторов, одним из которых является возможность исчерпания невозобновляемых источников энергии

При реконструкции или новом строительстве системы энергообеспечения предприятия, необходимо определять экономическую целесообразность выбора структуры распределения энергоносителя, подбор и месторасположение оборудования

Распределение таких энергоносителей, как газ и этектроэнергия осуществляется централизованным способом Для теплоснабжения и воздухоснабжения можно рассматривать различные варианты генерации, распределения и использования, так как имеется техническая возможность их производства непосредственно на предприятии Для сжатого воздуха в нашей стране в основном применяется централизованная схема распределения, но в настоящее время все более актуальными становятся локальное и частично-децентрализованное воздухоснабжение

Локальное воздухоснабжение имеет ряд положительных аспектов по сравнению с централизованным Это

- возможность сократить утечки в магистральных воздухопроводах

- снижение гидравлических потерь на транспорт энергоносителя

- возможность ботее четкого соответствия потребности и производства

- повышение качества воздуха

- возможность применять компрессоры с воздушным охлаждением

Но при этом существуют и некоторые проблемы, избежать которые позволяет разработанный автором подход к решению задачи оптимизации СВС Существующие методики проектирования и выбора структуры СВС не в полной мере учитывают важные экономические факторы эксплуатации, а использование компрессоров с водяным охлаждением подразумевает выбор оптимального варианта из различных комбинаций централизованных схем воздухоснабжения и исключает возможность рассмотрения альтернативных централизованной схем распределения энергоносителя, что стало возможно в настоящее время ввиду широкого распространения новых типов компрессорного оборудования

С появлением компрессоров охлаждаемых воздушным способом и имеющим достаточно высокую производительность, в совокупности с широким распространением автономных систем управления, появилась возможность выбора между централизованной или децентрализованными схемами воздухоснабжения исходя из экономической целесообразности их внедрения и эксплуатации

Решение задачи выбора оптимальной структуры системы воздухоснабжения на практике часто решается без четкого обоснования, что приводит к снижению энергетического эффекта от децентрализации, вплоть до отрицательных результатов

Определение условий, при которых выгодно использование локальной, централизованной или частично децентрализованой системы воздухоснабжения является важной и требующей решения задачей При этом, работам посвященным экономическому анализу при выборе структуры системы воздухоснабжения в нашей стране уделялось недостаточное внимание и в настоящее время этот вопрос стал чрезвычайно актуален

Целью диссертационной работы является повышение энергетической эффективности промышленных систем воздухоснабжения и снижение эксплуатационных затрат на производсгво и распределение сжатого воздуха на основе разработки и выбора оптимальных схемно-параметрических решений СВС в совокупности с использованием возможностей современного технологического оборудования

Для этого требуется

- разработать метод структурной оптимизации СВС промышленных предприятий на основе рационального сочетания централизованного и локального способа распределения сжатого воздуха

- разработать метод сравнения различных схемных решений структуры СВС на основе обобщения данных по оборудованию и материалам, используемых для решения задачи комплексного подхода к реконструкции СВС

Научная новизна. Разработан метод структурной оптимизации на основе минимизации эксплуатационных расходов и капитальных затрат промышленных систем воздухоснабжения, включающих централизованные или локальные источники, потребители сжатого воздуха, а также традиционные системы охлаждения компрессоров, магистральные и внутрицеховые воздухопроводы, применимый как для нового строительства, так и для реконструкции существующих систем воздухоснабжения.

Выявлена целесообразность и возможность отказа от водяного способа охлаждения путем использования компрессоров с воздушным охлаждением, позвотяющая рассматривать все варианты размещения компрессорного оборудования, в том числе в зоне расположения потребителей, без ограничений связанных с особенностями транспорта охлаждающей воды и расположения градирен

Разработан метод сравнения различных схемных решений структуры СВС путем использования в расчетах в качестве источника воздухоснабжения компрессора с обобщенными характеристиками, позволяющий снизить вчияние

типа используемого оборудования на результат анализа различных структур

свс

Получена и математически выражена сравнительная характеристика потребляемой и удельной мощности, стоимостных показателей, затрат на охлаждение компрессоров от производительности, на основе разработанной базы данных по оборудованию и материалам, применяемым при реконструкции СВС

Практическая ценность. Разработанный метод и полученные результаты, позволяет выбрать рациональную структуру СВС ПП, на основе минимизации эксплуатационных и капигальных затрат

Представленный метод и полученные результаты работы могут быть использованы при проектировании и модернизации систем воздухоснабжения предприятий, а также проведения энергоаудиторских обследований

Результаты исследования показывают, что использование воздушного охлаждения вместо водяного существенно снижает ущерб окружающей среде, исключает затраты на водоподготовку и позволяет полезно использовать тепло сжатия

Установленное в таяние изменения тарифов на электроэнергию и стоимости оборудования на экономический эффект от мероприятий сгруктурной оптимизации СВС могут быть использованы для оценки реальной картины СВС предприятия с точки зрения ее реальной эффективности в современных условиях

Отдельные разделы диссертации использованы в практических занятиях и лекционном курсе «Технологические энергоносители и энергосистемы»

Материалы диссертации вошли в отчет о научно-исследовательской работе "Повышение энергетической эффективности промышленных систем воздухоснабжения посредством оптимального сочетания централизованного и децентрализованного распределения" Шифр работы 2370040 ПТС УДК 620 91/98 (047 2),-М, 2005

Достоверность и обоснованность результатов диссертационной работы обоснована использованием методологии системного подхода в промышленной теплоэнергетике, фундаментальных законов технической термодинамики и газодинамики, достоверных справочных данных, апробированных методов математического моделирования, совпадением полученных теоретических и практических результатов

Автор защищает:

разработанный метод выбора оптимальной структуры СВС на основе минимальных эксплуатационных расходов и капитальных затрат, позволяющий также оперативно оценивать состояние показателей энергоэффективности СВС предприятия при изменении иен на оборудование и тарифов

- разработанную сравнительную характеристику стоимостных и технических параметров компрессорного оборудования полученную на основе обобщенного анализа характеристик наиболее распространенных моделей компрессоров

выявленную целесообразность и возможность отказа в ряде случаев от водяного охлаждения компрессоров, путем внедрения компрессорного оборудования с воздушным охлаждением

результаты анализа внедрения локальных и частично децентрализованных схем СВС с целью повышения энергетической эффективности СВС

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на XIX, XX, XXI, XXII, XXIII международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г Москва, 2003 г, 2004 г, 2005 г, 2006 г, 2007 г), опубликованы и представлены на второй всероссийской школе-семинаре молодых ученых и специалистов «Энерюсбережение-теория и практика» (г Москва, 2004 г), IV Межрегиональной конференции-выставке по энергосбережению (г Киров, 2004 г), Научно-технической конференции "Современная машиностроительная и энерготехническая продукция - основ стабильности и экологической безопасности производств в топливно -энергетическом комплексе" (Федеральное агентство по энергетике, г Москва, 2005 г), 5-ой Всероссийской научно - практической конференции «Ресурсосбережение и экологическая безопасность» (г Смоленск 2006), Материалы работы использованы рядом промышленные предприятий при реконструкции систем воздухоснабжения

Публикации. Основные результат диссертации были изложены в 23 печатных работах

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 141 страницах машинописного текста, состоит из введения, 4 глав, выводов по работе, списка литературы из 84 наименований и приложений

С ОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отмечена актуальность работы, сформулированы цели и задачи исследования, дана обшая характеристика работы

В первой главе проведен обзор работ, касающихся систем промышленного воздухоснабжения Осуществлен анализ различных схемных решении распределения сжатого воздуха от источников (компрессоров, компрессорных участков, компрессорных станций) до потребителей Представлены способы распределения энергоносителей централизованный

локальный, часгично децентрализованный Указаны рекомендуемые критерии выбора той или иной схемы, и метод сравнения эффективности каждого из них Анализ базировался на основе работ ряда авторов в области промышленного воздухоснабжения, компрессоростроения (Кузнецова Ю В, Пластинина П И., Кабановой И А, Козловского В Е, Калинина Н В Михайлоза А К, Никифорова А Г, работы кафедры Компрессорной и вакуумной техники (МГТУ им Баумана) в области теплоснабжения (Борисова Б.Г, Данилова О Л, Яковлева А В , работы кафедр ПТС и ТМПУ (МЭИ) и другие. Результатом обзора стали выводы, изложенные ниже

При реконструкции систем воздухоснабжения, возможно использовать три основных типа компрессоров турбокомпрессоры, поршневые и винтовые компрессоры В основном на предприятиях используются турбокомпрессоры и поршневые компрессоры, одной из особенностей которых является применяемый способ охлаждения посредством водяных систем, использующих, как оборотный, так и прямоточный цикл циркуляции

При этом оборотная система требует постоянного восполнения воды, обусловленного испарением и капельным уносом Прямоточные системы оказывают значительный экологический ущерб за счет сброса горячей воды, а также больших объемов подачи чистой воды в систему

Автором выделены несколько направлений изменения сложившейся ситуации применение, когда это возможно, в качестве источников воздухоснабжения винтовых компрессоров, одной из особенностей которых является возможность использовать воздух в качестве охлаждающей среды При этом, воздух, имеющий температуру около 40°С на выходе из системы охлаждения компрессора может быть полезно утилизирован на обогрев прилегающих помешений

Из приведенного обзора следует, что по вопросам проектирования и эксплуатации компрессорных систем, использующих поршневые и турбокомпрессоры, имеется достагочное количество материалов Существуют методики проектирования и математического моделирования поршневых и турбокомпрессоров, систем воздухоснабжения с учетом особенностей сооружения, размещения и эксплуатации оборотных и прямоточных систем водяного охлаждения Существуют методики расчета и подбора компрессорного оборудования с учетом особенностей потребителей, режимов потребления, в том числе с использованием автоматизированного банка данных

Указанные работы практически не учитывают особенности проектирования систем использующих воздушное охлаждение, позволяющие снять ряд ограничений на расположение компрессорных станций вызванных необходимостью и особенностями эксплуатации водяного контура охлаждения Особенности проектирования и эксплуатации систем воздухоснабжения на основе компрессоров винтового типа стали объектом изучения относительно недавно Имеется ряд работ по отдельным вопросам связанным с винтовыми

компрессорами, в которых рассматривается сравнение эффективности винтовых компрессоров и компрессоров других типов, сравнение различных способов их регулирования и другие вопросы.

Вместе с тем, в этих работах не предложены пути повышения эффективности системы воздухоснабжения в комплексе, с учетом особенностей расположения пневмопотребителей, изменения количества источников воздухоснабжения, выбор трассировки магистральных воздухопроводов, возможности снижения затрат не только на производство, но и транспортировку энергоносителя Также одним из важнейших вопросов при проведении подобного анализа является рассмотрение возможности перехода от водяного охлаждения на воздушное, что позволяет рассмотреть вопрос о возможной целесообразности проведения децентрализации

На основание анализа и изложенных выводов можно сформулировать задачи, которые поставлены и решаются в данной работе

1 Провести анализ показателей эксплуатации и внедрения различных способов распределения сжатого воздуха (централизованного, локального и частично децентрализованного) в зависимости от взаимного расположения источников воздухоснабжения и потребителей, величины потребления, эксплуатационных затрат

2 Разработать расчетный метод выбора оптимального варианта структуры системы воздухоснабжения

3 Разработать автоматизированную базу данных по компрессорному оборудованию, ориентированную в первую очередь на использование при выборе оптимального варианта системы воздухоснабжения, содержащую информацию по техническим характеристикам и ценовым параметрам оборудования

Во второй главе рассматривается разработанный метод выбора оптимальной структуры системы воздухоснабжения на основе минимизации эксплуатационных и капитальных затрат Решение задачи достигается посредством применения автоматизированной системы предпроектного выбора и анализа рассматриваемой схемы системы воздухоснабжения

Отношение количества источников т (компрессорная станция, группа компрессоров в цехе) к количеству потребителей п (цех с пневмопогребителями, группа однородных потребителей сжатого воздуха') назовем степенью децентрализации Кдц

Кдц = ш / п,

При полной децентрализации (когда число потребителей п равно числу источников) эта величина равна единице, а при централизованной структуре (когда все потребители работают от одного источника) является величиной обратной количеству потребителей (Рисунок 1)

m m

—о — ^ § иэ

©- ОН ©ы

ЕЁИ Обь | 1 1 | КЛЦ

Рис-1 Изменение степени децентрализации при различных схемах распределения сжатого воздуха

Выбор оптимального варианта основан на минимизации эксплуатационных и капитальных затрат

Для капитальных затрат стоит задача выбрать вариант с минимальной стоимостью источников воздухоснабжения (компрессоров) и воздухопроводов При увеличении степени децентрализации наблюдаются тенденция увеличения стоимости компрессорного оборудования, так как это потребует большее количество небольших компрессоров (глава 3) Одновременно, при увеличении степени децентрализации снижается стоимость сооружения магистральных воздухопроводов, так как снижается их протяженность, а также объемы воздуха, проходящие по ним, что пропорционально влияет на стоимость При снижении протяженности магистральных воздухопроводов, уменьшаются утечки и затраты на гидравлические сопротивления

Рассматривая эксплуатационные затраты, нужно выбрать вариант с минимальными приведенными (в данном случае к году эксплуатации) затратами на производство заданного количества сжатого воздуха

При изменении степени децентрализации, затраты на восполнение утечек и преодоление гидравлических сопротивлений на магистральных воздухопроводах будут изменяться, так как они нормируются в соответствии с объемом прокачиваемого через них воздуха, что показано на рисунке 2 Затраты электроэнергии на воздушное охлаждение изменяются в зависимости от степени децентрализации системы Это связано с менее эффективным охлаждением компрессоров мощностью выше 200 кВт, применяемых при малой степени децентрализации, вызванное сложностями перекачивания больших объемов воздуха Эффективность водяной системы охлаждения компрессоров также имеет особенности, что учитывается в расчетах

Аналогичная ситуация наблюдается и для статьи затрат на привод компрессоров Наглядной иллюстрацией изменения энергоэффективности системы могут служить материалы Главы 3

Рис 2 Изменение эксплуатационных затрат в СВС при разной степени децентрализации

Метод выбора оптимальной схемы воздухоснабжения применим не для всех отраслей промышленности, а также предприятий с особой технологией производства Рассмотрение децентрализованной или частично децентрализованной схемы снабжения потребителей возможно лишь в случае использования компрессорного и воздухоподготовительного оборудования с воздушным охлаждением Такое оборудование имеет ограничения по максимальной единичной производительности В этой связи оно не применимо для особо крупных объектов, где разумно применять централизованные схемы воздухоснабжения Для исключения данных объектов и внесения ограничений условий применимости метода проводится предварительный анализ

На первом этапе необходимо задать исходные параметры рассматриваемого промышленного объекта В качестве исходных данных на предварительном этапе это количество потребителей сжатого воздуха - п, их координаты - х(п), у(п), величина потребности в сжатом воздухе для каждого 1-го потребителя - Vi (м3/мин), суммарная величина потребности в сжатом воздухе всех имеющихся потребителей Sv (м3/мин) Величина давления нагнетания - Р (Бар), режим потребления (часов/год)

На первой итерации в качестве потребителя рассматривается производственный цех предприятия, имеющий пневмопотребители Величина требуемого рабочего давления выбирается из следующего ряда давлений нагнетания не более 8 . 10, 13 бар

Далее осуществляется анализ величины потребления каждого потребителя rio отношению к общей потребности в сжатом воздухе Это необходимо дчя выявления предприятий с исходными параметрами, требующими производить индивидуальный расчет

Для предприятий, имеющих в своем составе потребители сжатого воздуха, с- расходом Vi >100 м"!/мин, что больше максимальной производительности существующих поршневых н винтовых компрессоров целесообразно использование турбокомпрессоров, возможностью внедрения которых далее не

и

рассматриваются по причине необходимости для таких объектов проводить специальный расчет, который подробно рассматривается в соответствующей литературе

Результат анализа величины потребления способен выявить иной крайний случай, для которого требуется произвести дополнительный расчет Это предприятия, у которых объем потребления одного потребителя сопоставим с суммарной величиной выработки (5у=У1), при условии, что данный потребитель не подпадает под ограничение по производительности при котором необходимо внедрять турбокомпрессоры (Бу < 500 м3/мин, VI < 100 м3/мин) Предприятия, обладающие данными параметрами, имеют одно цеховую структуру Для таких предприятий тоже актуален вопрос децентрализации воздухоснабжения, но для проведения расчетов необходимо в качестве потребителей рассматривать вместо цеха, группы однородных или компактно расположенных пчевмопотребителей

При особо малых объемах потребности в сжатом воздухе предприятий, для которых суммарная потребность меньше производительности минимального компрессора промышленного класса, составляющей 5 м3/мин (8у < 5 м3/мин), эффект от изменения структуры системы воздухоснабжения незначителен по причине необходимости использовать в качестве источников воздухоснабжения локальных потребителей компрессоры бытового класса, обладающих соответственно назначению, низким ресурсом

Для предприятий, параметры которых не подпадают под ограничения Р3, Р4, Р5, производится следующий этап оптимизации системы воздухоснабжения на основе выбора оптимальной степени децентрализации Для предприятий, подпадающих под ограничение Рь дальнейший расчет проводится аналогично, рассматривая в качестве потребителей однородные или компактно расположенные группы пневмопотребителей в составе цеха

В общем случае при решении задачи выбора местоположения, количества и мощности источников воздухоснабжения для п потребителей необходимо произвести вычисления для всех вариантов возможных схем Боздухоснабжения, различающихся количеством и мощностью источников, протяженностью воздухопроводов Два крайних варианта в данном случае следующие, первый - полностью децентрализованная схема, когда количество потребителей равно количеству источников, второй - полностью централизованная схема воздухоснабжения с одним источником

Используя автоматизированный метод расчета эксплуатационных расходов и капитальных затрат для каждой комбинации взаимного расположения источников и потребителей осуществляется выбор искомого варианта СВС по критерию минимизации срока окупаемости внедрения предложенных мероприятий

Выбор компрессоров представляет собой отдетьную задачу, так как энергетическая эффективность компрессоров разных типов, разных диапазонов производительностей, давления нагнетания, способов охлаждения и

регулирования различная Для выбора компрессора на стадии рабочего проектирования разработана автоматизированная база данных по компрессорному оборудованию Путем усреднения характеристик получена "обобщенная характеристика" компрессора, используемая в расчетах

При построении алгоритма приняты следующие допущения

а) источники воздухоснабжения каждый раз располагаются в границах выбранного потребителя,

б) в качестве локально расположенных источников применяются компрессоры с воздушным охлаждением с учетом резервирования Это необходимо для их размещения в пределах производственного участка, где применение водяной системы охлаждения нецелесообразно Для вариантов, когда существующая компрессорная станция не ликвидируется, используются компрессоры с водяным охлаждением

в) при определении затрат в систему воздухоснабжения подразумевается наличие источников электропитания напряжением 380 Вольт во всех возможных местах размещения источников

г) воздухопроводы приняты тупиковыми

д) затраты на сооружение и эксплуатацию внутрицеховых воздухопроводов, а также утечки и гидравлические сопротивления внутри цехов считаем неизменными, как до, так и после реконструкции системы

Выбор оптимальной схемы воздухоснабжения происходит следующим образом.

В качестве исходных данных задаются

а) Из плана предприятия - количество потребителей (цехов потребляющих сжатый воздух) и их привязка на местности в декартовых координатах

б) Режим и величина потребления, рабочее давление сжатого воздуха для каждого из потребителей, тариф на электроэнергию

Расчет ведется в отдельности для каждых групп потребителей с одинаковым рабочим давлением

Первоначально число источников принимается равным числу потребителей, что соответствует полной децентрализации схемы воздухоснабжения и степени децентрализации Кдц = т / п = 1 В этом случае предполагается, что осуществляется локальное воздухоснабжение, то есть имеют место капитальные затраты только на компрессорное оборудование, с учетом резервирования Эксплуатационные затраты, включающие в себя затраты электроэнергии на привод компрессоров, охлаждение, затраты на восполнение утечек в магистральных воздухопроводах и потерь мощности на прокачку в этом случае

п

Э3 сист = эр , кВт ! год

1=1

Капитальные затраты для данного состояния (нулевая итерация) характеризуется расчетными затратами по системе воздухоснабжения,

включающими только затраты в локальные компрессоры с учетом резервирования

Зр слст = X 3{¡¿т , руб i-1

На первой и последующих итерациях происходит сокращение числа возможных источников на единицу, вплоть до полной централизации Расчетные капитальные затраты в систему характеризуются как

3 Р СИС1 ~ ^ ИСТ + X ^ИСТ + 2 Зс£Тц , руб

1 /-1 т-1

где, 3 УС! - расчетные затраты по источнику, 3 СЕТМ - расчетные затраты по магистральным воздухопроводам Соответственно 3 ИСт= Р ■ К ист»РУб

ЗсЕТИ - Р К ВС > руб >

где, р ~коэффициент дисконтирования, Кисг -капитальные вложения в ист очник (определяется с использованием автоматизированной базы данных по компрессорному оборудованию), К вс - стоимость воздушной сети Расчетные эксплуатационные затраты в систему характеризуются

л п п п

Ээ сисг = X ЭХ + 2 ЭИУТ + Z этп Z 'кВт ' год t=. .=1 l=\ i= '

где, Эх - затраты электроэнергии для покрытия потребности в сжатом воздухе 1-х потребителей, Эохп - количество электроэнергии затраченной на привод вентиляторов при воздушном способе охлаждения или мощности насосов при использовании водяного охлаждения, ЭИУТ - количество электроэнергии затраченной для покрытия нормативных утечек на участке магистрального воздухопровода от 1-го потребите чя до соответствующего источника, Э7П -количество электроэнергии затраченной для покрытия потерь напора на участке магистрального воздухопровода от 1-го потребителя до соответствующего источника Соответственно Э0,л - Эх* к, кВт/год Энуг = Эх * 0 05, кВт/год Этп = 0 05 * А Р * Эх/ 1С?, кВт/год, Эгл ~ A *L[1+B*(VJc]/(V,)d, где, к - коэффициент мощности, затраченной на привод системы охлаждения, ДР - потери давления в системе, А - коэффициент учитывающий диаметр воздухопровода, Б - коэффициент учитывающий потери на трение. С, D -поправочные коэффициенты

Функции капитальных расчетных затрат имеют экстремум, который определяется суммированием затрат на сооружение воздушных сетей и покупку компрессорного оборудования Каждый раз при рассмотрении новой

группы потребителей генерируется трассировка воздушных сетей из условия минимизации их протяженности, далее определяется диаметр участка и с учетом его длины, рассчитывается стоимость воздухопровода с использованием автоматизированной базы данных Диаметры участков определяются из условия обеспечения минимальных гидравлических сопротивлений при максимально допустимой скорости энергоносителя

Функции расчетных эксплуатационных затрат также имеют экстремум Оборудование для обеспечения потребностей соответствующих потребителей комплектуется из условия максимальной единичной мощности компрессоров с учетом резервирования Минимальные затраты электроэнергии по всем комбинациям соответствуют сочетанию максимальной единичной мощности источников, так как удельные затраты мощности компрессоров различны для каждого диапазона производительности

В результате последовательного перебора всех комбинаций взаимного расположения источников и потребителей определены два варианта структуры системы воздухоснабжения, полученные из критериев минимизации капитальных и эксплуатационных затрат Искомый вариант выбирается исходя из условия минимального срока окупаемости

С учетом принятых допущений разработанный метод позволяет определить оптимальную схем}' воздухоснабжения предприятия Для существующих предприятий сравнение с имеющейся схемой воздухоснабжения позволяет принять решение о целесообразности проведения и способов решения задачи реконструкции СВС

В третьей главе рассматривается метод сравнения различных схемных решений структуры СВС на основе обобщения данных по оборудованию и материалам, используемых для решения задачи комплексного подхода к реконструкции СВС

На этапе предпросктного анализа различных схемных решений систем воздухоснабжения, результаты сравнения различных вариантов будут неоднозначны при использовании той или иной модели оборудования, а также в зависимости от его производительности С целью исключения влияния этих факторов необходимо рассматривать одинаковое оборудование для каждого варианта В качестве этого оборудования в данном случае целесообразно использовать воздушный компрессор, обладающий техническими и стоимостными характеристиками, полученными на основе усреднения характеристик основных типов компрессорного оборудования Усреднение проводилось путем аппроксимации, на основе интерполяционной функции Ньютона для неравных промежутков Для реализации данной задачи составлена автоматизированная база данных, позволяющая рассчитывать технико-ценовые характеристики компрессорного оборудования для каждой итерации целевой функции, соответствующей определенной степени децентрализации системы Получены и математические выражены зависимости производительности от

мощности привода компрессора, удельной мощности, КПД, стоимости, затрат электроэнергии на охлаждение.

Это облегчает предварительный анализ и дает более полную картину по техническим характеристикам предлагаемого оборудования.

Рис. 3 Зависимость усредненных значении мощности винтовых компрессоров от производительности

«escix х.

-

WW -site-

's ÏC ,;S й Z5 ÏC & fë 70

Рис. 4 Зависимость усредненных значений цены винтовых компрессоров от производительности,

vlw-r* rii m ''в" a4luit-niih ï.i, it и 1j 4«?

i ffijin-«.»v-tf.le,* js-MV чс№.чо >-«->»--'k,

0 5 -- .ni . -.....■ ""Г'"'"

ib» ----» ------------——- .

f' х-***..* ' »»' ■ • -

жяатящншш» ' ' "i"' '■ ■ * iF'.Tlaa—

Щ ** S---«--•----

j tji- i

Я/С —. ——.--■«..мм. ------J I I-

г' .'3------------------h-.ич... i j . ■■!

D S 10 .4 Й W M Л .i if

Проидводкталь+юсть hi .'лни

Рис 5 Зависимость усредненных значений Рис. 6 Зависим дать усредненного КПД удельной мощности от производительности компрессора от п рои % но лиге льн ости.

Кроме компрессорного оборудования в базу данных заложены нормативные технико-экономические данные по расчету воздухопроводов, что позволяет комплексно использовать базу данных при решении задачи выбора оптимальной степени децентрализации СВС,

Рассмотренный so второй главе метод выбора оптимальной структуры СВС на основе минимизации эксплуатационных расходов и капитальных затрат имеет широкие перспективы практического применения. С целью более широкого использования и возможности проводить комплексные расчеты с учетом выбора наиболее эффективного для каждого отдельного случая оборудования, разработан автоматизированный метод структурной оптимизации промышленных систем |оздухо снабжен ия. Программы составлены в среде редактора VBA, входящего в состав Microsoft Office EXCEL, специально для данной задачи, с целью независимого использования от других пакетов прикладных программ.

I Ï

■лй-::

«ÏSÏ ...

„■■.. ■ ■ ■ . ■■ 1

' ". Ч 0 ЬДг к

■ ■. . . . I р L.^. .15 од^гег.ь : I1 l « ¡мин ■.■ ;,.' .

В четвертой главе рассматриваются примеры практической реализации разработанного метода, на основе мероприятий по изменению структуры СВС различных промышленных предприятий

Исследования СВС множества промышленных предприятий выявило наличие трех направлений проведения реконструкции Это

- предприятия, осуществившие реконструкцию систем воздухоснабжения на основе полной децентрализации, с внедрением нового компрессорного оборудования, сооружения новых воздухопроводов, арматуры, приборов контроля и автоматических систем управления

- предприятия, реконструкция которых заключалась в обновлении парка оборудования, без изменения структуры СВС Это может быть переход на компрессорное оборудования с воздушным охлаждением, внедрение современных систем регулирования производительности и другие мероприятия

- предприятия, осуществившие частичную децентрализацию путем размещения локальных компрессоров на производственных участках, с частичным сохранением существующей инфраструктуры, в том числе магистральных воздухопроводов СВС

В результате осуществленной работы исследованы системы воздухоснабжения более 40 промышленных предприятий Московской, Владимирской и Калужской областей Среди них, как предприятия планирующие проведение децентрализации, так и ее осуществчение, в том числе с участием автора Использование разработанного метода, показало возможность повышения энергетической эффективности СВС путем выбора оптимальной структуры производства и распределения сжатого воздуха получить результаты указанные в выводах к работе

При участии автора проводилась реконструкция СВС 12 предприятий, на основе предложенного метода Полученные результаты свидетельствуют о ее работоспособности Экономические результаты позволяют обеспечить высокую окупаемость мероприятий, что является важным фактором принятия решения об их целесообразности

Наиболее типичные примеры успешного проведения реконструкции СВС рассмотрены подробно Приводятся и неудачные примеры выбора структуры СВС (п) нкт 5 таблица 1), осуществленные предприятиями самостоятельно, что является следствием несистемного подхода к их реализации Так для одного обьекта, вместо ожидаемого эффекта, себестоимость сжатого воздуха повысилась на 2%, удельная мощность на 1%, те произошло снижение энергетической эффективности системы при наличии капитальных вложений Были проанализированы причины и предложено альтернативное решение (пункт 6 таблица 1), подробно изложенное в данной главе, при котором себестоимость снизилась на 6 5%, удельная мощность на 8% при приемлемом сроке окупаемости

1 п

i t

Таблица 1 Основные результаты проведения мероприятий по оптимизации СВС

№ Кдцд°/ г_ после Кдц Себестоимость руб/1 нм3 До/После Удельная мощность кВт/м3 До/После Экономия эксплуатац затрат руб/год Затраты на охлаждение мВт/год До/После Срок окупаемости лет

1 0,25 /1 0 223 / 0 222 64/69 22 890 790 1075/ 137 09

2 1/1 0 372/0 225 1068/661 5 297 691 455/194 43

3 0,25 /1 0 217/0 194 63/58 8 183 290 384/0 08

4 0 14/0 57 0 220/0 192 6 25 / 5 88 8 578 191 609 / 74 1

5 02/08 0 204 / 0 208 6 61 /677 Отрицательный

б 02/08 0204/0 191 j 6 61 /609 79 063 450 | 2646/1872 i 0 35

В работе проводится анализ полученных результатов при изменении тарифов на электроэнергию Установлено, что экономический эффект, полученный на основе выбора рациональной структуры СВС предприятия будет увеличиваться при росте тарифов на электроэнергию

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1 Разработан автоматизированный метод выбора оптимальной структуры СВС промышленных предприятий, направленный на повышение энергетической эффективности промышленных систем воздухоснабжения и минимизацию эксплуатационных затрат

2 Разработан метод сравнения различных схемных решений структуры СВС путем использования в расчетах в качестве источника воздухоснабжения условного компрессора, с техническими характеристиками, полученными на основе усреднения характеристик основных моделей компрессоров, позволяющий снизить влияние типа используемого оборудования на результат анализа различных структур СВС

3 Доказано, что моделирование структуры СВС на основе выбора оптимальной степени децентрализации, позволяет повысить энергетическую эффективность системы от 30 до 70%, что обеспечивает снижение себестоимости производства сжатого воздуха с 0 37 Руб /куб м до 0 22 Руб /куб м

4 Доказано, что подбор компрессорного оборудования в заданном диапазоне мощностей с использованием разработанной автоматизированной базы данных по компрессорному оборудованию, позволяет оптимизировать, как капитальные затраты на внедрение, так и эксплуатационные затраты, в том числе снизить удельные заграты электроэнергии на 39%

5 Получены характеристики систем воздухоснабжения, при которых использование компрессоров с воздушным охлаждением Вхместо водяного, позволяет рассматривать все варианты размещения компрессорного оборудования, в том числе в зоне расположения потребителей, без ограничений связанных с особенностями транспорта охлаждающей воды и расположения

градирен, что обеспечивает снижение затрат электроэнергии в систему охлаждения в диапазоне от 55 до 85%

6 Полученные на основе базы данных результаты, позволяют при проектировании СВС применять в качестве источника воздухоснабжения компрессор с обобщенными характеристиками Это дает возможность определить оптимальную структуру СВС без учета влияния характеристик используемого в расчетах оборудования

7 Установлено изменение энергетической эффективности разных моделей компрессоров винтового типа для каждого значения производительности При дав тении нагнетания до 10 бар удельная мощность изменяется от 10 до 20%, а для давления нагнетания 13 бар варьируется в диапазоне от 5 до 10%

8 Выявлено, что величина затрат на охлаждение компрессоров составляет от 1 до 7% от установленной мощности привода компрессора и зависит от способа охлаждения и производительности компрессора Доказано, что для компрессоров мощностью менее 300 кВт, энергетическая эффективность воздушного способа охлаждения выше, чем водяного на 2 - 5% Для более мощных компрессоров наблюдается обратный эффект

9 Выявлено, что экономический эффект от проведения реконструкции СВС растет при увеличении тарифов на электроэнергию и снижается при обратной тенденции

10 Разработан удобный алгоритм использования метода на основе автоматизации расчетов, что позволяет использовать последний без дополнительного изучения и подготовки

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях:

1 Преимущества локальных схем воздухоснабжения / Жучков А В // Техномир -2005 -Ы 2- С 70-72

2 Децентрализация воздухоснабжения - ключ к снижению затрат / Жучков А В // Техномир -2005 -К 3- С 52-54

3 Особенности определения потребности в сжатом воздухе / Жучков А В , Калинин Н В , Быстрицкий Г Ф // Техномир -2005 -Ы 4- С 82-83

4 Определение потребности машиностроительных предприятий в сжатом воздухе/ Жучков А В , Калинин Н В , Быстрицкий Г Ф // Техномир -2006 -Ы 1- С 48-50

5 Определение потребности в сжатом воздухе для крупных потребителей/ Жучков А В , Калинин Н В , Быстрицкий Г Ф// Техномир -2006 -N2- С 3840

6 Выбор количества компрессорных участков на предприятии / Жучков А В // Техномир -2006 -К 3- С.64-66

7 Определение оптимального варианта системы воздухоснабжения / Жучков А В // Техномир -2006 -И 4- С 52 - 53

8 Особенности определения потребности в сжатом воздухе / Жучков А В , Калинин Н В., Быстрицкий Г Ф // Компрессорная техника и пневматика -2005 -N10-0 33-35

9. Определение потребности в сжатом воздухе для крупных потребителей / Жучков А В , Калинин Н В , Быстрицкий Г Ф // Компрессорная техника и пневматика -2006 -N4- С 34

10 Выбор числа компрессорных участков на предприятии / Жучков А В//' Компрессорная техника и пневматика -2006 -N7- С 18

11 Определение потребности в сжатом воздухе для машиностроительных предприятий // Жучков А В, Калинин Н В , Быстрицкий Г Ф // Стеклянная тара -2006 -N6-С 14-15

12 Рациональное сочетание локального и централизованного воздухоснабжения // Жучков А В // ИнновацииТехнологииРешения -2006 - N 10-С 42-43

13 Выбор оптимального сочетания локального и централизованного воздухоснабжения // Жучков А В // Сантехника, отопление кондиционирование -2006 -Ы10-С 112-113

14 Калинин Н В , Жучков А В Особенности проведения децентрализации в системах воздухоснабжения промышленных предприятий // Материалы докладов 5-ой Всероссийской научно - практической конференции «Ресурсосбережение и экологическая безопасность» докл - Смоленск, 2006 -С 21-23

15 Жучков А В , Калинин Н В Анализ показателей централизованного и децентрализованного воздухоснабжения промышленных предприятий //9-я международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» Тез докл -М, 2003 -том 2 -С 312-313

16 Жучков АВ, Калинин НВ Технические и экономические аспекты повышения энергоэффективности СВСПП, посредством изменения организационной структуры распределения энергоносителя //10-я международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» Тез докл -М 2004 -том 2 -С 392 - 393

17 Жучков АВ, Калинин НВ Повышение энергоэффективности систем воздухоснабжения при использовании винтовых компрессоров /II 1-я международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» Тез докл -М, 2005 -том 2 -С 427-428

18 Жучков А В , Голуб А В , Калинин Н В . Анализ надежности систем воздухоснабжения при децентрализации //11-я международная научно-

ч о

техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» Тез докл -М, 2005 -том 2 -С 428 - 429

19 Жучков А В , Калинин Н В Составление базы данных по основным типам компрессорного оборудования //12-я международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» Тез докл -М, 2006 -том 2 -С.467-468

20 Жучков А В , Калинин Н В Оптимальное сочетание де- и централизации -как один из аспектов повышения энергоэффективности систем воздухоснабжения промышленных предприятий // Труды второй всероссийской Школы-семинара молодых ученых и специалистов «Энергосбережение -теория и практика» докл , -М, 2004, -С 353 - 356

21 Жучков АВ, Гончар ЮА, Калинин НВ Принципы рационального выбора степени децентрализации систем воздухоснабжения //13-я международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» Тез докл -М , 2007 -том 2 -С 489 - 490

22 Жучков А В, Гончар Ю.А., Калинин Н В Обобщение характеристик компрессоров на основе автоматизированной базы данных //13-я международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» Тез докл -М, 2007 -том 2-С 490-491

23 Калинин Н В , Жучков А В Энергопотребление и энергосбережение в промышленных системах воздухоснабжения Глава 5 в книге "Энергосбережение на промышленных предприятиях к жилищно-коммунальном хозяйстве"/ -М Техпромстрой, 2006 -С 161-184

Подписано в печать В-ОЧ-0Чзак Ш Тир /00 Пл Полиграфический центр МЭИ (ТУ) Красноказарменная ул, д 13

Введение.

Глава 1. Обзор современных способов производства, распределения и потребления энергоносителей, в том числе сжатого воздуха, на промышленных предприятиях

1.1. Анализ существующих схемных решений распределения сжатого воздуха.

1.1.1. Централизованное распределение сжатого воздуха.

1.1.2. Локальное и частично децентрализованное воздухоснабжение.

1.2. Анализ основных типов оборудования применяемого в СВС промышленных предприятий.

1.2.1. Оборудование подготовки воздуха.

1.2.2. Компрессорное оборудование.

1.3. Выводы.

Глава 2. Метод решения задачи выбора оптимальной структуры СВС.

2.1. Условия применимости метода структурной оптимизации СВС.

2.2. Показатели энергетической эффективности СВС при разной степени децентрализации системы.

2.3. Решение задачи выбора оптимальной степени децентрализации.

2.4. Выводы.

Глава 3. Автоматизированный метод оптимизации СВС на основе обобщенной характеристики компрессора.

3.1 Автоматизированная база данных по компрессорному оборудованию.

3.2. Обобщенная характеристика компрессора.

3.3. Дополнительные возможности автоматизированной базы данных.

3.3.1. Затраты на охлаждение компрессоров.

3.3.2. Расчет магистральных воздухопроводов.

3.4. Автоматизированный метод структурной оптимизации СВС.

3.4.1. Алгоритм работы программы оптимизации СВС.

3.4.2. Описание программной идентификации и перебора связей между пунктами.

3.5. Выводы.

Глава 4. Практическая реализация предложенных мероприятий.

4.1. Типичные примеры реконструкции СВС.

4.1.1. Пример успешного проведения реконструкции для предприятий группы "А".

4.1.2. Пример успешного проведения реконструкции СВС для предприятий группы "Б", путем снижения затрат на транспорт энергоносителя при неизменной централизованной структуре СВС.

4.1.3. Пример успешного проведения реконструкции СВС для предприятий группы "В", путем проведения частичной децентрализации.

4.1.4. Типичный пример результатов проведения децентрализации, без систематизированного подхода к решению данной задачи.

4.1.4.1 Типичный пример результатов проведения децентрализации, без систематизированного подхода к решению данной задачи.

4.1.4.2 Типичный пример результатов проведения децентрализации с использованием автоматизированной методики определения оптимальной степени децентрализации.

4.2. Обобщенные результаты практической реализации и исследования предприятий.

4.3. Анализ тенденции изменения полученных результатов выбора оптимальной степени децентрализации СВС при различном прогнозе изменения тарифов на электроэнергию.

4.4. Выводы.

Заключительные выводы по работе.

Актуальность работы. В настоящее время актуальность энергосбережения не вызывает сомнений. Это связано с комплексом различных факторов, одним из которых является возможность исчерпания невозобновляемых источников энергии.

При реконструкции или новом строительстве системы энергообеспечения предприятия, необходимо определять экономическую целесообразность выбора структуры распределения энергоносителя, подбор и месторасположения оборудования.

Распределение таких энергоносителей, как газ и электроэнергия осуществляется централизованным способом. Для теплоснабжения и воздухоснабжения можно рассматривать различные варианты генерации, распределения и использования, т.к. имеется техническая возможность их производства непосредственно на предприятии. Для сжатого воздуха в нашей стране в основном применяется централизованная схема распределения, но в настоящее время все более актуальными становятся локальное и частично-децентрализованное воздухоснабжение.

Локальное воздухоснабжение, широко распространенное за рубежом, имеет ряд положительных аспектов по сравнению с централизованным. Это:

- возможность сократить утечки в магистральных воздухопроводах

- снижение гидравлических потерь на транспорт энергоносителя

- возможность более четкого соответствия потребности и производства

- повышения качества воздуха

- возможность применять компрессоры с воздушным охлаждением

Но при этом существуют и некоторые проблемы, избежать которые позволяет разработанный автором подход к решению задачи оптимизации СВС.

Существующие методики проектирования и выбора структуры СВС не в полной мере учитывают важные экономические факторы эксплуатации, а использование компрессоров с водяным охлаждением подразумевает выбор оптимального варианта из различных комбинаций централизованных схем воздухоснабжения и исключает возможность рассмотрения альтернативных централизованной схем распределения энергоносителя, что стало возможно в настоящее время ввиду широкого распространения новых типов компрессорного оборудования.

С появлением компрессоров охлаждаемых воздушным способом и имеющим достаточно высокую производительность, в совокупности с широким распространением автономных систем управления, появилась возможность выбора между централизованной или децентрализованными схемами воздухоснабжения исходя из экономической целесообразности их внедрения и эксплуатации.

Решение задачи выбора оптимальной структуры системы воздухоснабжения на практике часто решается без четкого обоснования, что приводит к снижению энергетического эффекта от децентрализации, вплоть до отрицательных результатов.

Определение условий, при которых выгодно использование локальной, централизованной или частично децентрализованой системы воздухоснабжения является важной и требующей решения задачей. При этом, работам посвященным экономическому анализу при выборе структуры системы воздухоснабжения в нашей стране уделялось недостаточное внимание и в настоящее время этот вопрос стал чрезвычайно актуален.

Целью диссертационной работы является повышение энергетической эффективности промышленных систем воздухоснабжения и снижение эксплуатационных затрат на производство и распределение сжатого воздуха на основе разработки и выбора оптимальных схемно-параметрических решений СВС в совокупности с использованием возможностей современного технологического оборудования.

Для этого требуется:

- разработать метод структурной оптимизации СВС промышленных предприятий на основе рационального сочетания централизованного и локального способа распределения сжатого воздуха.

- разработать метод сравнения различных схемных решений структуры СВС на основе обобщения данных по оборудованию и материалам, используемых для решения задачи комплексного подхода к реконструкции СВС.

Научная новизна. Разработан метод структурной оптимизации на основе минимизации эксплуатационных расходов и капитальных затрат промышленных систем воздухоснабжения, включающих централизованные или локальные источники, потребители сжатого воздуха, а также традиционные системы охлаждения компрессоров, магистральные и внутрицеховые воздухопроводы, применимый как для нового строительства, так и для реконструкции существующих систем воздухоснабжения.

Выявлена целесообразность и возможность отказа от водяного способа охлаждения путем использования компрессоров с воздушным охлаждением, позволяющая рассматривать все варианты размещения компрессорного оборудования, в том числе в зоне расположения потребителей, без ограничений связанных с особенностями транспорта охлаждающей воды и расположения градирен.

Разработан метод сравнения различных схемных решений структуры СВС путем использования в расчетах в качестве источника воздухоснабжения компрессора с обобщенными характеристиками, позволяющий снизить влияние типа используемого оборудования на результат анализа различных структур СВС.

Получена и математически выражена сравнительная характеристика потребляемой и удельной мощности, стоимостных показателей, затрат на охлаждение компрессоров от производительности, на основе разработанной базы данных по оборудованию и материалам, применяемым при реконструкции СВС.

Практическая ценность. Разработанный метод и полученные результаты, позволяет выбрать рациональную структуру СВС ПП, на основе минимизации эксплуатационных и капитальных затрат.

Представленный метод и полученные результаты работы могут быть использованы при проектировании и модернизации систем воздухоснабжения предприятий, а также проведения энергоаудиторских обследований.

Результаты исследования показывают, что использование воздушного охлаждения вместо водяного существенно снижает ущерб окружающей среде, исключает затраты на водоподготовку и позволяет полезно использовать тепло сжатия.

Установленное влияние изменения тарифов на электроэнергию и стоимости оборудования на экономический эффект от мероприятий структурной оптимизации СВС могут быть использованы для оценки реальной картины СВС предприятия с точки зрения ее реальной эффективности в современных условиях.

Отдельные разделы диссертации использованы в практических занятиях и лекционном курсе «Технологические энергоносители и энергосистемы».

Материалы диссертации вошли в отчет о научно-исследовательской работе "Повышение энергетической эффективности промышленных систем воздухоснабжения посредством оптимального сочетания централизованного и децентрализованного распределения". Шифр работы 2370040 ПТС. УДК 620.91/.98 (047.2),-М., 2005.

Достоверность и обоснованность результатов диссертационной работы обоснована использованием методологии системного подхода в промышленной теплоэнергетике, фундаментальных законов технической термодинамики и газодинамики, достоверных справочных данных, апробированных методов математического моделирования, совпадением полученных теоретических и практических результатов.

Автор защищает:

- разработанный метод выбора оптимальной структуры СВС на основе минимальных эксплуатационных расходов и капитальных затрат, позволяющий также оперативно оценивать состояние показателей энергоэффективности СВС предприятия при изменении цен на оборудование и тарифов.

- разработанную сравнительную характеристику стоимостных и технических параметров компрессорного оборудования полученную на основе обобщенного анализа характеристик наиболее распространенных моделей компрессоров.

- выявленную целесообразность и возможность отказа в ряде случаев от водяного охлаждения компрессоров, путем внедрения компрессорного оборудования с воздушным охлаждением.

- результаты анализа внедрения локальных и частично децентрализованных схем СВС с целью повышения энергетической эффективности СВС.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на XIX, XX, XXI, XXII, XXIII международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2003 г, 2004 г., 2005 г., 2006 г., 2007 г.); опубликованы и представлены на второй всероссийской школе-семинаре молодых ученых и специалистов «Энергосбережение-теория и практика» (г.

Москва, 2004 г.); IV Межрегиональной конференции-выставке по энергосбережению (г. Киров, 2004 г.); Научно-технической конференции "Современная машиностроительная и энерготехническая продукция - основ стабильности и экологической безопасности производств в топливно -энергетическом комплексе" (Федеральное агентство по энергетике, г. Москва, 2005 г.); 5-ой Всероссийской научно - практической конференции «Ресурсосбережение и экологическая безопасность» (г. Смоленск, 2006.); Материалы работы использованы рядом промышленных предприятий при реконструкции систем воздухоснабжения.

Публикации. Основные результаты диссертации были изложены в 23 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 141 странице машинописного текста, состоит из введения, 4 глав, выводов по работе, списка литературы из 84 наименований и 12 приложений.

4.4 Выводы.

Автором осуществлено исследование более 40 предприятий, осуществивших или планирующих провести реконструкцию СВС.

Предложенная методика решения задачи оптимизации систем воздухоснабжения промышленных предприятий опробована на 12 предприятиях различных отраслей промышленности. Результаты, полученные на ее основе, доказывают ее правомерность и работоспособность. Из 11 предприятий исследованных с использованием разработанной методики, для 8 промышленных объектов получен положительный результат, заключающийся в снижении эксплуатационных затрат на СВС от 35 до 71% за счет снижения затрат на привод и охлаждение компрессоров, гидравлических и потерь с утечками, более четком соответствии производства и распределения. Для 1 предприятия, проводившего реконструкцию СВС без использования предложенного метода, выявлен отрицательный результат по причине работы локальных компрессоров в общую сеть, что делает невозможным получить эффект от ликвидации утечек и гидравлических потерь в магистральных воздухопроводах, необходимости поддерживать давление во всей сети при отсутствии потребления отдельных потребителей. По двум предприятиям получен положительный результат при неизменной централизованной структуре воздухоснабжения, путем изменения месторасположения центральной компрессорной станции в центр нагрузок потребителей, а также перехода к воздушному охлаждению. Использование современных средств автоматизированного расчета и анализа, позволяют использовать разработанный алгоритм без глубокого знания рассматриваемого вопроса, в т.ч. заинтересованными службами предприятий. Предложенная автоматизированная форма расчетов обеспечивает корректность результатов при изменении тарифов, а также позволяет использовать в каждом расчете существующий тариф для данного объекта, т.к. данный параметр задается в качестве исходных данных. .:. I • ■■;,!! w! > л'. . i j ■ ■ '.Д. ^ t / j: v • .;. . На основании проведенного анализа предприятий самостоятельно осуществивших в той или иной форме мероприятия по децентрализации, выявлено отсутствие закономерности полученных результатов. Несмотря на наличие объектов получивших желаемый экономический эффект от проведенной собственными силами децентрализации, этот результат является удачным стечением обстоятельств и проявляется для предприятий имеющих однозначные предпосылки к децентрализованной структуре воздухоснабжения. Выявленные и рассмотренные примеры децентрализации СВС с отрицательным результатом, показательно свидетельствуют что положительный эффект может быть достигнут благодаря применению систематизированного подхода к решению подобных задач.

Заключительные выводы по работе.

1. Разработан автоматизированный метод выбора оптимальной структуры СВС промышленных предприятий, направленный на повышение энергетической эффективности промышленных систем воздухоснабжения и минимизацию эксплуатационных затрат.

2. Разработан метод сравнения различных схемных решений структуры СВС путем использования в расчетах в качестве источника воздухоснабжения условного компрессора, позволяющий снизить влияние типа используемого оборудования на результат анализа различных структур СВС.

3. Доказано, что моделирование структуры СВС на основе выбора оптимальной степени децентрализации, позволяет повысить энергетическую эффективность системы от 30 до 70%, что обеспечивает снижение себестоимости производства сжатого воздуха с 0.37 Руб./куб.м до 0.22 Руб./куб.м.

4. Доказано, что правильный подбор компрессорного оборудования в заданном диапазоне мощностей с использованием разработанной автоматизированной базы данных по компрессорному оборудованию, пбзволяёт бптймйзйровать, как капитальные затраты на внедрение, так и эксплуатационные затраты, в том числе снизить удельные затраты электроэнергии на 39%.

5. Получены характеристики систем воздухоснабжения, при которых использование компрессоров с воздушным охлаждением вместо водяного, позволяет рассматривать все варианты размещения компрессорного оборудования, в том числе в зоне расположения потребителей, без ограничений связанных с особенностями транспорта охлаждающей воды и расположения градирен, что обеспечивает

1!'"'"!15оляег онтимизнпонгм ь. к-t'c ir-Hii''''!.:; ■■ снижение затрат электроэнергии в систему охлаждения в диапазоне от 55 до 85%.

6. Полученные на основе базы данных результаты, позволяют при проектировании СВС применять в качестве источника воздухоснабжения компрессор с обобщенными характеристиками. Это дает возможность определить оптимальную структуру СВС без учета влияния характеристик используемого в расчетах оборудования.

7. Установлено изменение энергетической эффективности разных моделей компрессоров винтового типа для каждого значения производительности. При давлении нагнетания до 10 бар удельная мощность изменяется от 10 до 20%, а для давления нагнетания 13 бар варьируется в диапазоне от 5 до 10%.

8. Выявлено, что величина затрат на охлаждение компрессоров составляет от 1 до 7% от установленной мощности привода компрессора и зависит от способа охлаждения и производительности компрессора. Доказано, что для компрессоров мощностью менее 300 кВт, энергетическая эффективность воздушного способа охлаждения выше, чем водяного на 2 - 5%. Для более мощных компрессоров наблюдается обратный эффект.

9. Выявлено, что экономический эффект от проведения реконструкции СВС растет при увеличении тарифов на электроэнергию и снижается при обратной тенденции.

10. Разработан удобный алгоритм использования методики на основе автоматизированного метода расчетов, что позволяет использовать последний без дополнительного изучения и подготовки.

1. Борисов Б.Г., Калинин Н. В., Михайлов В.А. Системы воздухоснабжения промышленных предприятий. М.: Издательство МЭИ, 1989. С. 22-24.

2. Рахмилевич 3.3. Компрессорные установки. -М.: Химия, 1989. С. 45-48.

3. Давыдов А.Н. Экономическая эффективность ликвидации ЦТП// Новости теплоснабжения. 2004,- №12.

4. Ионин А.А. Газоснабжение: Учебник для вузов. 3-е изд., перераб. и доп. -М.: Стройиздат, 1981.-415 е., ил.

5. Сеннова Е.В., Сидлер В.Г. Математическое моделирование и оптимизация развивающихся теплоснабжающих систем/ Отв.ред. А.П. Меренков. -М.: Наука, 1987.-219 е., ил.

6. Федяев А.В., Федяева О.Н. Комплексные проблемы развития теплоснабжающих систем. Новосибирск: Наука, 2000. -С. 18-21.

7. Хрилев Л.С., Смирнов JT.Aj Оптимизация систем теплофикации ицентрализованного теплоснабжения / под. ред. Е.Я.Соколова. М.: Энергия, 1978. - 197 с.

8. П.И. Пластинин, Э.Б Мазурин. Какой тип стационарного компрессора лучше выбрать: поршневой или винтовой?// Техномир. -2002- № 2 -С.38-41.

9. П.И. Пластинин. Поршневые компрессоры: теория и расчет. -М.: Колосс, 2000. -455 с. ,г ^

10. Отчет справочник. Производство компрессорного оборудования в России и СНГ. Санкт-Петербург.: ЛЕННИИХИММАШ, 2002. -87 с.

11. П.Франк Триш. Создание современной системы распределительных сетей централизованного теплоснабжения путем внедрения индивидуальных тепловых пунктов.// Новости теплоснабжения. -2004- №11. С. 22-23.

12. В.М. Черкасский, Н.В. Калинин, Ю.В. Кузнецов, В.И. Субботин. Насосы, вентиляторы, компрессоры. -М, Энергоатомиздат, 1997.-297 с.

13. А.К. Михайлов, В.П. Ворошилов. Компрессорные машины. -М, Энергоатомиздат, 1989. 287 с.

14. Промышленная теплоэнергетика и теплотехника: справочник. Книга 4. Раздел седьмой. Промышленные теплоэнергетические системы / Бродянский В.М., Галактионов В.В., Калинин Н.В. -М.: Издательство МЭИ, 2004. С. 162-212.

15. Волков Е.А. Численные методы: Учебное пособие для вузов -М.: Наука, 1987.rrv212c. • ^!: nf V Г ■ '

16. Монахова Н. Международный конгресс по нетрадиционной энергетике // Энергия. Экономика. Техника. Экология. -2000. -№2. -С. 10-12.

17. Козлов В., Хеккила М. Использование возобновляемых источников энергии в рыночных условиях // Теплоэнергетика. -2000. №2. -С. 64-67.

18. Везиришвили О., Меладзе Н. Энергосберегающие теплонасосные системы тепло- и хладоснабжения. -М.: Издательство МЭИ, 1994, 156 с.

19. Орехов И., Тимофеевский Л., Караван С. Абсорбционные преобразователи теплоты. -Л.: Химия, 1989, 208 с.

20. Бутузов В.А. Проектирование систем ГВС. Анализ российского опыта и нормативных документов// Промышленная теплоэнергетика. -2003. -№1. -С 17-21.

21. Ценообразование и тарифы на перевозки грузов автомобильным транспортом. -М.: Транспорт, 1991. 56 с.

22. Дэвинс Д. Энергия. -М.: Энергоатомиздат, 1985. 314 с.

23. Бродянский В.М. Эксергетический метод термодинамического анализа.1. П Л П. Т--7-;,--.- . .:-М.: Энергия, 1973. 178 с.

24. Прунзер C.JI. К вопросу о критерии эффективности капиталовложений при использовании нетрадиционных источников энергии // Труды МЭИ. -1981. -Вып. 518. -С. 84-90.

25. Проектирование компрессорных станций с использованием автоматизированного банка данных. Учебное пособие./Кабанова И.А., Калинин Н.В., Михайлов В.А., Никифоров А.Г., Силейкин М.В.; под. ред. Тихонова В.В. М.: Издательство МЭИ, 2002. - 28 с.

26. Дейт К. Введение в систему баз данных. -М.: Диалектика, 1998.

27. Кончаловский М.Р. Технология баз данных на персональных ЭВМ. М.: Финансы и статистика, 1997. - С. 16-27.

28. Нагнетатели и тепловые двигатели / Черкасский В.М., Калинин Н.В., Кузнецов Ю.В., Субботин В.И. М.: Энергоатомиздат, 1997. - 118 с.

29. Кабанова И.А. Совершенствование методов анализа систем воздухоснабжения промышленных предприятий на основе математического моделирования и использования автоматизированных банков данных. -М.: Издательство МЭИ, 1994. 28 с.

30. Системы воздухоснабжения промышленных предприятий / Под ред. В.А. Германа. М.: Издательство МЭИ, 1991. - С. 26-32.

31. Марчук Г.И. Методы вычислительной математики. -М.: Наука, 1993. -123 с.

32. Системы ' охлаждения компрессорных установок / Берман Я.А., Маньковский О.Н., Марр Ю.Н., Рафалович А.П. JL: Машиностроение, 1984.-С. 36-40.

33. Каталог. Центробежные компрессорные машины и приводные турбины к ним. М.: НИИЭИНФОРМЭНЕРГОМАШ, 1987. - 82 с.

34. Отраслевой каталог. Центробежные и осевые компрессорные машины. -М.: ЦНИИТЭИТЯЖМАШ, 1992. 118 с.!. ЛКЦ'ЧуК 1 .И. Ые'ШЛЫ Ы,!Ч!:СЛ!:!С.:::>;:.::: . '

35. Микеров А.В. Сжатый воздух от компании Gardner Denver// Компрессорная техника и пневматика. -2001. -№10. С. 32.

36. Воронецкий А.В. Сравнительный анализ жизненного цикла для воздушных компрессоров различных типов.// Компрессорная техника и пневматика. -2002. -№10.-С. 18-19.

37. Turbo Air 3000 Centrifugal ccompressors // 2002. Cooper Turbocompressor.

38. Turbo Air 2000 Centrifugal ccompressors // 2002. Cooper Turbocompressor.

39. Turbo Air 6000 Centrifugal ccompressors // 2002. Cooper Turbocompressor.

40. New PoleStar Refrigeration dryers // Engineering Data Manual // Hiross Compressed Air Treatment.

41. Evapco. LSWA/LRW/PMWA. Closed Circuit Coolers // 2001. Evapco, Inc.

42. Dry compressed air the cleanest solution guaranteed // Ultrafilter and more.

43. Large Direct Expansion Dryers "QUASAR'V/Engineering Data Manual // Hiross Compressed Air Treatment-March. -2001.

44. Слодарж М.И. Режимы работы, релейная защита и автоматика синхронных электродвигателей. М.: Энергия, 1977. - 98 е.

45. Иванов К.В., Клешов Б.А. Промышленные компрессоры новые ■ возможности1 энёргЬсберёжения; // Энергосбережение. -2005.- №3. -С. 4244.

46. Калинин Н.В., Ратников А.Н. и др. Определение потребности в сжатом воздухе и расчет показателей компрессора. М.: Издательство МЭИ. 2002. -28 с.

47. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения. Учебное пособие./ Бродянский В.М., Соколов Е.Я., Калинин Н.В. М.: Энергоатомиздат. 1981. - 156 с.

48. Мареев А.А. Повышение эффективности систем обеспечения потребителей сМтШиос^Шйп,Ш°(базёс комплекснойг оптимизации по внешним и внутренним факторам: Автореферат диссертации кандидата технических наук. - М.: Издательство МЭИ, 1992. - 20 с.

49. Методические материалы для энергоаудита. Методическое пособие / Данилов О.Д., Калинин Н.В., Вакулко А.Г. М.: Амипресс, 1999. - 96 с.

50. Вентиляторы, компрессоры и насосы. Учебное пособие / Калинин Н.В., Никифоров А.Г., Кабанова И.А. М.: Издательство МЭИ, 1999. - С. 27-34.

51. Сакун И.А. Винтовые компрессоры. Д.: Машиностроение, 1970. - 400 с.

52. Носков А.Н., Сакун И.А., Пекарев В.И. Исследование рабочего процесса холодильного винтового компрессора сухого сжатия // Холодильная техника. 1985. - №6. - С. 20 - 24.

53. Д. Мак-Кракен, У. Дорн. Численные методы и программирование на Фортране / Пер. с английского Б.Н. Казака. М: Мир, 1977. - 584 с.

54. Пекарев В.И., Ануфриев' А.В; Исследованйе процесса сжатия холодильного компрессора с регулируемой производительностью // Турбины и компрессоры. 2004. -N 3,4.

55. Кузнецов Ю. В., Кузнецов М. Ю. Сжатый воздух. -Екатеринбург: УрО РАН, 2003.- 131 с.

56. Жучков А.В. Рациональное сочетание локального и централизованного воздухоснабжения // ИнновацииТехнологииРешения. -2006.- N 10- С. 4243.

57. Жучков А.В. Выбор числа компрессорных участков на предприятии.// Компрессорная тё?шйка и'гаевматика.-2006.-N7- С. 18.

58. Жучков А.В. Децентрализация воздухоснабжения ключ к снижению затрат // Техномир. -2005. -N 3- С.52-54.

59. Pressure news. Gardner Denver Oy, 2007.

60. Жучков А.В. Преимущества локальных схем воздухоснабжения// Техномир. -2005. -N 2- С.70-72.

61. Практическое пособие по выбору и разработке энергосберегающих проектов, справочник / коллектив авторов под ред. Данилова О.Д., Костюченко П.А. -М.: Техпромстрой, 2007. С. 161-184.

62. Жучков А.В., Калинин Н.В., Быстрицкий Г.Ф. Особенности определения потребности в сжатом воздухе // Компрессорная техника и пневматика. -2005.-N10- С. 33-35.

63. Жаров Д.В. Анализ и повышение эффективности промышленных систем воздухоснабжения. Автореферат диссертации кандидата технических наук. М.: Издательство МЭИ, 2003. - 16 с.

64. Федяев А.А., Калинин Н.В., Данилов O.JI. Технологические энергосистемы предприятий. Расчет системы производства и распределения газообразных энергоносителей. Братск,'2005.

65. Мастепанова А.М., Коган Ю.Н. Повышение эффективности использования энергии в промышленности Дании. М.: Нефтяник, 1999. -21 с.

66. Назаренко У.П. Экономия электроэнергии. М.: Энергия, 1976. - с. 70.

67. Карабин А.И. Сжатый воздух. М.: Машиностроение, 1964. - С. 164-171.

68. Анчарова Т.В., Гамазин С.И., Шевченко В.В. Экономия электроэнергии на промышленных предприятиях. М.: Высшая школа, 1990. - С. 28-37, ил.

69. Минин Г.П., Копылов Ю.В. Справочник по электропотреблению в промышленности.-М.: Энергия, 1978.-С. 127-133.

70. Шински Ф. Управление процессами по критерию экономии энергии. -М.: Мир, 1981:-64 с.' :

71. Шерстюк А.Н. Насосы, вентиляторы, компрессоры. М.: Высшая школа, 1972.-С. 56-70.

72. Шерстюк А.Н. Компрессоры. М.: Госэнергоиздат, 1959. -31 с.

73. Попов В.А., Лисин В.Р., Корнюшенко М.Н., Сабхангулов Н.С., Яргин В.П., Банников A.M., Патрик А.А. Повышение эффективности производствасжатого воздуха и работы системы воздухоснабжения. // Промышленная теплоэнергетика. 1999. - №9. - С .45.

74. Мареев А.А., Калинин Н.В. Определение экономической эффективности утилизации тепла сжатия в системах компримирования газов. // Промышленная теплоэнергетика. 1998. -№9. -С. 18-20.

75. Бахмат Г.В., Еремин Н.В., Степанов О.А. Аппараты воздушного охлаждения газа на компрессорных станциях. Санкт-Петербург: Недра, 1994.-231 с.

76. Ситдиков Р.Х., Сафин А.Х., Гильченок А.Н. Компрессорное оборудование с воздушным охлаждением. М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1983. -78 с.

77. Саух С.Е.; Гершгорин А.Е. Моделирование режимов работы многоцеховых компрессорных станций. Киев: ИПМЭ, 1989. -38 с.

78. Оптимизация режимов работы компрессорных станций промышленных предприятий: Учебное пособие / Стогней В.Г., Бараков А.В. Воронеж: Воронежский политехнический институт, 1987. - С. 457-464.

79. Тарасов В.М. Эксплуатация компрессорных установок. М.: Машиностроение, 1987.-С. 154-155.

80. Хашпулян М.М. Технико-экономические показатели современных компрессоров и установок. М.: Недра, 1974. - 69 с.83; Штёрн Л.Я.,сБёйзеров С.М./Плавнйк В.Г. Регулирование и автоматизация воздуховодных и компрессорных станций. М.: Металлургиздат, 1963.

81. Ястребова Н.А., Кондаков А.И., Спектор Б.А. Техническое обслуживание и ремонт компрессоров. М.: Машиностроение, 1991. -С. 45-49.i'-jj;!! JL/L b'ethepoa C.:Yi. ; Ьимпи:-: И