Совершенствование системы промежуточного охлаждения кислородного компрессора

На сегодняшний день производство кислорода для технологических и хозяйственных нужд потребляет большое количество электрической и тепловой энергии. К примеру, энергозатраты для производства криогенных продуктов составляют 60-90% от себестоимости самих компонентов. Это связано с тем, что большое количество электроэнергии в воздухоразделительной установке (ВРУ) тратится на привод компрессора, так как сжимаемый воздух необходимо охладить до заданной температуры. Одним из способов совершенствования системы промежуточного охлаждения компрессора является метод впрыска азота или кислорода в поток охлаждаемого газа на входе в ступень сжатия [1].

В состав воздухоразделительной установки входит оборудование для сжатия воздуха – поршневые компрессоры или турбокомпрессоры и оборудование для очистки воздуха. Добиться высокого давления в компрессоре с одной ступенью очень затруднительно, именно поэтому используют несколько ступеней. В конце сжатия температура воздуха достигает больших значений, так как конструкция компрессора не позволяет произвести достаточно интенсивный отвод теплоты. В связи с этим для эффективного охлаждения газа применяют промежуточные охладители. В противном случае, если сжимаемый газ не охладить до необходимой температуры, в ВРУ будет повышенный расход энергии на привод компрессора.

Одним из методов дополнительного охлаждения газа является метод впрыска азота или кислорода в поток охлаждаемого газа на входе в ступень сжатия [2]. Таким образом, уменьшая температуру до необходимой, затрачивается меньше электроэнергии на сжатие.

Для оценки эффективности работы реального компрессора, был рассмотрен кислородный турбокомпрессор КТК-12,5/35 со следующими характеристиками (таблица).

Таблица

В первой ступени компрессора кислород сжимается, а затем входит в промежуточный газоохладитель. Перед второй ступенью компрессора осуществляется впрыск жидкого кислорода в поток сжимаемого газа. Тоже самое производится в следующих ступенях. В результате жидкий кислород заберет теплоту парообразования и нагреется от температуры насыщения до температуры кислорода на входе в ступень сжатия, а сжатый газ охладится до требуемой температуры.

Для того чтобы оценить энергосберегающий эффект от подачи жидкого кислорода были проведены расчеты по определению более экономичного режима работы компрессора вследствие понижения температуры получаемого вещества. Было принято, что в турбокомпрессоре сжатие происходило без теплообмена с окружающей средой.

На рис.1 показано количество жидкого кислорода необходимого для предотвращения недоохлаждения.

Рис. 1. Зависимость необходимого количества жидкого кислорода для впрыска от величины недоохлаждения

На рис.2 показано количество сэкономленной энергии на сжатие при впрыске жидкого кислорода.

Рис. 2. Зависимость экономии энергии на сжатие при впрыске жидкого кислорода, кДж/кг жидкого кислорода

На основании рис. 2 можно сделать вывод, что при подаче жидкого кислорода с ростом величины недоохлаждения увеличивается экономия энергии на сжатие. Для рассматриваемого компрессора эффект может составить более 106 кДж/кг для кислорода.