КОМПРЕССОРНАЯ УСТАНОВКА
COMPRESSOR PLANT

Изобретение относится к управлению компрессорными установками, эксплуатируемыми в различных отраслях народного хозяйства, находящихся в климатических условиях с длительным воздействием отрицательных температур, и особенно для шахтных предприятий горной промышленности.
Известна компрессорная установка (см. патент РФ №2169294 МПК F04D 29/58 опубл. 20.06.2001), содержащая установленные на линии нагнетания теплообменник-утилизатор, концевой холодильник, воздухосборник, соединенные между собой основными и дополнительными трубопроводами, которые снабжены клапанами, электрически связанными с блоками управления, и пневмосеть.
Недостатком является повышение энергозатрат на производство сжатого воздуха в зимне-весенний и осенне-зимний периоды эксплуатации при увеличении аэродинамического сопротивления прохождению всасываемого воздуха через элементы воздушного фильтра из-за обмерзания внутренней поверхности суживающегося сопла, а также замерзание конденсата в нижней части днища корпуса вследствие присутствия в атмосферном воздухе жидкости как в каплеобразном, так и в твердом (снег, иней) фазовом состоянии.
Известна компрессорная установка (см. патент РФ №2396469 МПК F04D 29/28 опубл. 10.08.2010, Бюл. №22), содержащая компрессор, установленные на линии нагнетания теплообменник-утилизатор, концевой холодильник, воздухосборник, соединенные между собой основными и дополнительными трубопроводами, которые снабжены клапанами, электрически связанными с блоком управления, и пневмосеть, компрессор посредством всасывающего трубопровода соединен с воздушным фильтром, представляющим собой корпус с крышкой и коническое днище, в нижней части которого установлен поплавок-конденсатор, в верхней части корпуса расположено устройство в виде суживающегося сопла, к входному отверстию которого прикреплена сетка, а после его выходного отверстия установлена отражательная перегородка, при этом всасывающий трубопровод соединен с крышкой корпуса фильтра, кроме того, корпус фильтра дополнительно снабжен рубашкой, образующей полость для наполнения горячим сжатым воздухом, при этом в нижней части конического днища полость соединена посредством клапана и дополнительного трубопровода с линией нагнетания, а в верхней части корпуса - с суживающимся соплом.
Недостатком является энергоемкость производства сжатого воздуха, особенно для шахтных предприятий горной промышленности, находящихся преимущественно вдали от энергоисточников, а, как известно, компрессор является одним из основных энергоемких элементов оборудования по производству пневмоэнергии. При этом часть электроэнергии тратится на освещение, особенно в темное время суток, а также для энергопитания систем автоматизации компрессорной установки, что в целом удорожает ее эксплуатацию.
Технической задачей изобретения является снижение энергоемкости производства сжатого воздуха путем сокращения энергозатрат на освещение помещения, в котором расположена компрессорная установка, особенно в темное время суток, путем выработки электрической энергии термоэлектрическим генератором, использующим тепловой потенциал горячего сжатого воздуха, поступающего из компрессора в линию нагнетания, а это в конечном итоге повышает эффективность работы компрессорной установки.
Технический результат по снижению энергоемкости производства сжатого воздуха достигается тем, что компрессорная установка содержит компрессор, установленные на линии нагнетания теплообменник-утилизатор, концевой холодильник, воздухосборник, соединенные между собой основными и дополнительными трубопроводами, которые снабжены клапанами, электрически связанными с блоком управления, и пневмосеть, компрессор посредством всасывающего трубопровода соединен с воздушным фильтром, представляющим собой корпус с крышкой и коническое днище, в нижней части которого установлен поплавок-конденсатор, в верхней части корпуса расположено устройство в виде суживающегося сопла, к входному отверстию которого прикреплена сетка, а после его выходного отверстия установлена отражательная перегородка, при этом всасывающий трубопровод соединен с крышкой корпуса фильтра, кроме того, корпус фильтра дополнительно снабжен рубашкой, образующей полость для наполнения горячим сжатым воздухом, при этом в нижней части конического днища полость соединена посредством клапана и дополнительного трубопровода с линией нагнетания, а в верхней части корпуса - с суживающимся соплом, при этом на линии нагнетания, соединенной дополнительными трубопроводами с компрессором, установлен термоэлектрический генератор, выполненный в виде корпуса с проходным каналом для горячего сжатого воздуха и комплекта дифференциальных термопар, «горячие» концы которых расположены в проходном канале для горячего сжатого воздуха, а их «холодные» концы укреплены на наружной поверхности корпуса термоэлектрического генератора вне расположения проходного канала для горячего сжатого воздуха, при этом вход проходного канала для горячего сжатого воздуха соединен с линией нагнетания компрессора, а выход проходного канала горячего сжатого воздуха соединен с полостью нижней части конического днища воздушного фильтра.
На фиг.1 представлена принципиальная схема компрессорной установки, на фиг.2 - общий вид воздушного фильтра.
Компрессорная установка состоит из компрессора 1, установленных на линии нагнетания 2 посредством основного трубопровода 3 и клапана 4 концевого холодильника 5 и воздухосборника 6, причем последний через клапан 7 соединен с пневмосетью 8. Теплообменник-утилизатор 9 дополнительным трубопроводом 10 и клапаном 11 соединен с линией нагнетания 2, а дополнительным трубопроводом 12 и клапаном 13 соединен с концевым холодильником 5, кроме того, теплообменник-утилизатор 9 дополнительным трубопроводом 14 и клапаном 15 соединен с воздухосборником 6, а дополнительным трубопроводом 16 и клапаном 17 соединен с пневмосетью 8. Блок управления 18 электрически соединен с датчиками давления и температуры 19, установленными на всасывающем трубопроводе 20, и датчиками давления и температуры 21, установленными на пневмосети 8. На всасывающем трубопроводе 20 укреплен воздушный фильтр 22, состоящий из корпуса с крышкой 23 и конического днища 24, в нижней части которого установлен поплавок-конденсатор 25, а в верхней части корпуса расположено устройство в виде суживающегося сопла 26, к входному отверстию 27 которого прикреплена сетка 28. После выходного отверстия 29 суживающегося сопла 26 установлена отражательная перегородка 30, кроме того, всасывающий трубопровод 20 соединен с корпусом с крышкой 23 воздушного фильтра 22. Корпус с крышкой 23 дополнительно снабжен рубашкой 31, образующей полость 32 для наполнения горячим сжатым воздухом, а в нижней части конического днища 24 полость 32 соединена посредством клапана 33 и дополнительного трубопровода 34 с линией нагнетания 2 компрессора 1, а в верхней части корпуса с крышкой 23 полость 32 рубашки 31 соединена с суживающимся соплом 26.
На линии нагнетательной 2, соединенной дополнительным трубопроводом 34 с компрессором 1, установлен термоэлектрический генератор 35, выполненный в виде корпуса 36 с проходным каналом 37 для горячего сжатого воздуха и комплекта дифференциальных термопар 38. При этом «горячие» концы 39 дифференциальных термопар 38 расположены в проходном канале 37 для горячего сжатого воздуха, а их «холодные концы» укреплены на наружной поверхности 40 корпуса 36 термоэлектрического генератора 35 вне расположения проходного канала 37 для горячего сжатого воздуха. Вход 41 проходного канала 37 для горячего сжатого воздуха соединен дополнительным трубопроводом 34 с линией нагнетания 2 компрессора, а выход 42 проходного канала 37 для горячего сжатого воздуха соединен через клапан 33 дополнительным трубопроводом 43 с полостью 32 нижней части конического днища 24 воздушного фильтра 22.
Компрессорная установка работает следующим образом.
После сжатия атмосферного всасываемого воздуха в компрессоре 1 поток горячего сжатого воздуха с температурой около 120°С (см., например, Попов В.М. Улучшение экологической обстановки в зоне работы компрессорных установок на железорудных предприятиях. Горный журнал, 1990, №3 или Курчавин В.М., Мезенцев А.П. Экономия тепловой и электрической энергии в поршневых компрессорах. - М.: Энергоатомиздат, 1985. 85 с.) в нагнетательной магистрали 1 разделяется на два потока. Основной поток сжатого воздуха направляется в основной трубопровод 3, меньшая часть горячего сжатого воздуха по дополнительному трубопроводу 34 поступает на вход 41 проходного канала 37 для горячего сжатого воздуха, где контактирует с «горячими концами» концами 39 дифференциальных термопар 38, которые выполнены, например, из хромель-копеля, «холодные» концы которых укреплены на внешней поверхности 40 корпуса 36 вдали от проходного канала 37 для горячего сжатого воздуха. Выполнение элементов термоэлектрического генератора 35 из хромель-копелевых дифференциальных термопар 38 позволяет на каждом элементе получать термо-ЭДС до 6,96 В (см., например, Гордов A.M. и др. Основы температурных измерений. - М.: Энергоатомиздат, 1992. 304 с). А это при использовании комплекта из нескольких дифференциальных термопар 38 обеспечивает постоянную величину напряжения (12÷26) на выходе из термоэлектрического генератора 35, достаточного для дежурного освещения помещения (см., например, Технические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент: справочник. Под ред. В.М. Зорина. - М.: Энергоатомиздат, 1988. 560 с), в котором размещена компрессорная установка. Кроме того, данный источник электрической энергии, т.е. термоэлектрический генератор 35 может успешно использоваться в системе автоматизации компрессорной установки при изменяющейся температуре окружающей среды.
При отрицательных температурах окружающей среды и высокой относительной влажности атмосферного воздуха, особенно часто наблюдаемой при зимне-весеннем периоде и фиксируемой датчиками 19, всасываемый поток, насыщенный твердыми частицами жидкости в виде снега, инея и/или каплеобразной влаги, через сетку 28 и входное отверстие 27 поступает в суживающееся сопло 26. Воронкообразное движение всасываемого атмосферного воздуха в суживающемся сопле 26 приводит к укрупнению и коагуляции замерзшей влаги в виде льда и снега и/или каплеобразной влаги, которая после выходного отверстия 29, внезапно расширяясь, ударяется об отражательную перегородку 30 и скапливается в коническом днище 24. По мере накопления влаги в коническом днище 24 она воздействует на поплавок-конденсатор 25 и выбрасывается из воздушного фильтра 22. Наличие отрицательной температуры всасываемого атмосферного воздуха приводит к образованию инея на внутренней поверхности суживающееся сопла 26 с последующим накоплением обледенений, уменьшающих в конечном итоге проходное сечение по всей длине суживающегося сопла 26. Кроме этого, накапливаемый в коническом днище 24 конденсат замерзает, что приводит к невозможности его удаления через поплавок-конденсатор 25. В результате наблюдается резкое возрастание аэродинамического сопротивления воздушного фильтра 22 и, как следствие, увеличение энергозатрат на привод компрессора для обеспечения поступления на сжатие необходимого объема атмосферного воздуха.
Для устранения указанного явления корпус с крышкой 23 помещают в рубашку 31 таким образом, чтобы образовалась полость 32, и через клапан 33 дополнительным трубопроводом 34 соединяют с линией нагнетания 2, при этом полость 32 в верхней части корпуса с крышкой 23 соединяют суживающимся соплом 26.
Очищенный от влаги всасываемый воздух по всасывающему трубопроводу 20 поступает в компрессор 1, где сжимается и по нагнетательной линии 2, основному трубопроводу 3 через открытый клапан 4 поступает с температурой около 120°С в концевой холодильник 5 для частичного охлаждения и далее в воздухосборник 6. Одновременно частично открывается клапан 33 (в зависимости от величины отрицательной температуры атмосферного воздуха) на дополнительном трубопроводе 34 и горячий сжатый воздух с температурой около 120°С поступает от нагнетательной линии 2 через клапан 33 в полость 32 рубашки 31 корпуса с крышкой 23. Расход горячего сжатого воздуха, поступающего в полость 32 и предотвращающего как обмерзание внутренней поверхности суживающегося сопла 26, так и замерзание конденсата в коническом днище 24 с обеспечением удаления конденсата через поплавок-конденсатор 25, регулируется величиной открытия клапана 33, необходимой для поддержания температурного режима внутри корпуса с крышкой 23.
Для устранения потерь сжатого воздуха полость 32 в верхней части корпуса с крышкой 23 соединена с суживающимся соплом 26, в результате горячий сжатый воздух после отдачи тепла рубашке 31 и элементам корпуса с крышкой 23 не выбрасывается в окружающую среду, а эжектируется потоком всасываемого атмосферного воздуха, отдавая ему оставшееся количество тепла, чем также снижает вероятность обмерзания как внутренней поверхности суживающегося сопла 26, так и конденсата на отражательной перегородке 30 и в нижней части конического днища 24.
В воздухосборнике 6 осуществляется процесс конденсации паров влаги, не отделенной в воздушном фильтре 22. Сжатый воздух с температурой, на 10-20°С превышающей температуру окружающей среды, через открытый клапан 7 поступает пневмосеть 8. В результате воздействия на пневмосеть 8 окружающей среды с отрицательными температурами происходит интенсивное охлаждение сжатого воздуха с конденсацией паров влаги, а появившаяся в трубопроводах жидкость, охлаждаясь, замерзает. Это приводит к резкому увеличению гидравлического сопротивления трубопроводов пневмосети. В этом случае наряду с изменением температуры сжатого воздуха изменяется его давление, что фиксируется датчиками давления и температуры 21 и передается на блок управления 18.
В результате воздействия блока управления 18 на электрически связанные с ним клапаны осуществляются следующие операции: открываются клапаны 11, 13 15 и 17, закрываются клапаны 4 и 7. Тогда сжатый воздух из компрессора 1 с температурой около 120°С через открытый клапан 11 по дополнительному трубопроводу 10 поступает в теплообменник-утилизатор 9, где отдает часть тепла и по дополнительному трубопроводу 12 через клапан 13 направляется в концевой холодильник 5. Совместное охлаждение в теплообменнике-утилизаторе 9 и в воздухосборнике 6 обеспечивает дополнительное снижение температуры сжатого воздуха до значений, близких к температуре окружающей среды, т.е. в воздухосборнике 6 осуществляется практически полная конденсация паров влаги. Из воздухосборника 6 сжатый воздух по дополнительному трубопроводу 14 через клапан 15 поступает в теплообменник-утилизатор 9, где нагревается на 10-20°С (отбирая тепло от потока сжатого воздуха, движущегося непосредственно от компрессора 1) и по дополнительному трубопроводу 16 через клапан 17 направляется в пневмосеть 8.
Поступление в пневмосеть 8 подогретого воздуха с уменьшенным количеством влаги обеспечивает надежность прохождения потока без охлаждения до температуры окружающей среды и, соответственно, без выпадения конденсата по длине пневмосети. В результате в пневмосеть 8 поступает сжатый воздух заданного нормированного давления и несколько повышенной температуры, что фиксируется датчиками 21 и контролируется блоком управления 18.
При положительных температурах окружающей среды в осенне-зимний период с высокой относительной влажностью и соответствующими параметрами по давлению и температуре, фиксируемыми датчиками 19, установленными на всасывающем трубопроводе 20, атмосферный воздух поступает через сетку 28 во входное отверстие 27 суживающегося сопла 26, где в результате образования воронки закручивается и после выходного отверстия 29, внезапно расширяясь, ударяется в отражательную перегородку 30. Закручивание в суживающемся сопле 26 атмосферного воздуха с каплеобразными частицами способствует их коагуляции и частичной конденсации соприкасающихся с укрупненными каплями паров влаги. Смесь атмосферного воздуха с каплеобразной влагой окружающей среды, скоагулированной как в суживающемся сопле 26, так и при внезапном расширении на выходе из отверстия 29, после удара об отражательную перегородку 30 огибает ее. При этом капли под воздействием силы тяжести выпадают в коническое днище 24, где накапливаются и, воздействуя на поплавок-конденсатор 25, выбрасываются из корпуса воздушного фильтра 22.
Очищенный от каплеобразной влаги атмосферный воздух, огибая отражательную перегородку 30, по всасывающему трубопроводу 20 поступает в компрессор 1, где осуществляется его сжатие с меньшими энергозатратами, чем если бы наряду с воздухом в компрессор поступила бы каплеобразная влага, требующая дополнительных затрат на сжатие пара (температура при сжатии воздуха резко возрастает и каплеобразная влага превращается в пар). Под воздействием блока управления 18 клапаны 11, 13, 15, 17 закрываются, а клапаны 4 и 7 открываются. После сжатия воздух с температурой свыше 120°С направляется по нагнетательной линии 2, основному трубопроводу 3 и через клапан 4 в концевой холодильник 5, где охлаждается до температуры около 100°С. Далее процесс охлаждения сжатого воздуха продолжается в воздухообменнике 6, где происходит конденсация паров влаги, находящихся в сжатом воздухе. Из воздухосборника 6 через открытый клапан 7 сжатый воздух с температурой, превышающей температуру окружающей среды на 20-40°С, поступает в пневмосеть 8. По длине пневмосети 8 не наступает теплового равновесия, т.е. равенства температур сжатого и воздуха и окружающей среды. В результате практически не происходит конденсации оставшихся паров влаги и сжатый воздух с заданной температурой и давлением, фиксируемыми датчиками 21, поступает в пневмосеть 8. Регулирование работы компрессора 1 осуществляется на основании известных схем блоком управления 18 по соотношению температуры и давления, фиксируемому датчиками давления и температуры 19, установленными на всасывающем трубопроводе 20, и датчиками давления и температуры 21, установленными на пневмосети 8.
Оригинальность предлагаемого изобретения по снижению энергозатрат на производство сжатого воздуха, особенно для шахтных предприятий, находящихся вдали от энергоисточников, заключается в том, что как источник электрической энергии используется тепловой потенциал горячего сжатого воздуха непосредственно после компрессора посредством применения термоэлектрического генератора, что не только уменьшает потребление электрической энергии для дежурного освещения, но и может сокращать энергоемкость автоматизированных систем производства пневмоэнергии для горной промышленности.