Утилизация тепла компрессоров
Утилизация тепла компрессоров позволяет использовать часть энергии, отводимой при работе компрессорного оборудования, для покрытия тепловых потребностей предприятия. Однако техническая возможность отбора тепла ещё не означает, что оно будет полезно использовано. Для оценки необходимо сопоставить тепловыделение компрессоров, график их работы, температурные параметры охлаждения и фактическую потребность подключаемого потребителя в тепле.
Главное условие эффективной утилизации — одновременное совпадение доступной тепловой мощности, необходимого температурного уровня и потребности в тепле. Если компрессор работает, но потребителю тепло не требуется, полезная утилизация может отсутствовать. Если тепловая нагрузка существует, но температура охлаждающего потока недостаточна, прямое использование тепла может оказаться технически невозможным.
Например, в летний период компрессорная станция может работать с высокой загрузкой, но отопительная потребность предприятия отсутствует. В таком случае значительное тепловыделение не превращается автоматически в энергетическую экономию. Необходимо установить, существует ли другой потребитель, способный использовать это тепло в соответствующее время и при доступной температуре.
Результатом анализа становится тепловой баланс потенциальной утилизации с вариантами подключения потребителей. Он показывает, какое количество тепла действительно может быть передано, когда оно востребовано, какие ограничения создаёт теплообменник и какую часть существующего энергопотребления можно обоснованно заместить.
Какие данные определяют возможность утилизации тепла компрессоров
Исходная величина — тепловыделение компрессорного оборудования. Она характеризует энергию, которую необходимо отводить при его работе в соответствующем режиме.
Но одного значения тепловой мощности недостаточно. Компрессорная станция может работать неравномерно: в одни периоды агрегаты обеспечивают значительную подачу воздуха, в другие — находятся при частичной нагрузке, на разгрузке или остановлены.
Поэтому тепловыделение необходимо связывать с действительным графиком работы компрессоров.
Если для оборудования известна тепловая мощность в соответствующем рабочем состоянии и продолжительность этого состояния, количество выделяемого тепла за период можно предварительно определить как:
Qвыд = Σ(Pтепл,i × ti),
где Pтепл,i — тепловая мощность, отводимая от компрессора в режиме i; ti — продолжительность этого режима.
Если тепловая мощность меняется непрерывно, используют соответствующую зависимость от времени:
Qвыд = ∫ Pтепл(t) dt.
При этом важно различать фактическое тепловыделение оборудования и тепловую энергию, доступную для передачи внешнему потребителю.
Эти величины не обязательно совпадают.
Часть тепловой энергии может отводиться через контуры, которые не подключены к системе утилизации. Дополнительные ограничения возникают из-за температуры охлаждения и характеристик теплообмена.
Следовательно, общий тепловой поток необходимо последовательно проверить на пригодность для полезного использования.
Для этого определяют температурные параметры охлаждающего контура в характерных режимах работы компрессора. Необходимо установить, при какой температуре тепло поступает к предполагаемому теплообменнику и до какой температуры соответствующий поток допустимо охлаждать.
Отдельно рассматривают график потребности в тепле. Он показывает, какая тепловая мощность требуется потребителю в разные периоды и какой температурный уровень необходим для выполнения его функции.
Таким образом, четыре исходные зависимости должны быть согласованы по времени: тепловыделение компрессора, его рабочий график, температуры охлаждения и потребность подключаемой нагрузки.
Если один показатель известен только за месяц, а другой — в отдельных рабочих точках, их нельзя непосредственно сопоставлять без проверки соответствия временных интервалов.
Например, месячная сумма тепловыделения не показывает, совпадали ли часы работы компрессоров с часами потребности в тепле.
Для определения полезной утилизации необходимо учитывать именно одновременность источника и потребителя.
Почему вся электрическая мощность компрессора не является доступным полезным теплом
При работе компрессора электрическая энергия преобразуется в механическую работу и далее участвует в процессе сжатия воздуха.
Энергия распределяется между сжатым воздухом, охлаждающими потоками и другими составляющими энергетического баланса оборудования.
Значительная часть энергии может отводиться в виде тепла, однако это не означает, что вся электрическая мощность компрессора доступна для внешнего потребителя.
Электрическая мощность на входе — не то же самое, что пригодная к утилизации тепловая мощность.
Даже если энергетический баланс показывает существенное тепловыделение, для полезного применения необходимо установить, какая часть этого потока действительно может быть отобрана.
Например, тепло может отводиться охлаждающей средой при температуре, не позволяющей нагреть подключаемый потребитель до необходимого значения.
Кроме того, отбор тепла не должен нарушать предусмотренные условия охлаждения компрессора.
Поэтому нельзя рассчитывать потенциальную экономию простым умножением всей электрической мощности станции на часы работы и считать полученную энергию полностью доступной для использования.
Для предварительной оценки допустимо применять подтверждённую тепловую характеристику конкретного оборудования. Если она отсутствует или не соответствует фактическому режиму, требуется уточнение тепловыделения.
Когда известны расход охлаждающей среды и её температурное состояние, отводимую тепловую мощность в применимых условиях можно оценить по зависимости:
Pтепл = G × c × (Tвх − Tвых),
где G — массовый расход охлаждающей среды; c — её применимая удельная теплоёмкость; Tвх и Tвых — температуры потока на входе и выходе рассматриваемой границы в направлении его охлаждения.
Знак температурной разности необходимо выбирать в соответствии с действительным направлением передачи энергии.
Если измерения выполняют непосредственно на стороне компрессора, где охлаждающая среда нагревается, тепловыделение определяют по увеличению её энтальпии.
Для переменных режимов расчёт выполняют по соответствующим временным интервалам.
Но этот расчёт характеризует тепло, передаваемое определённому охлаждающему потоку. Он не доказывает, что всё полученное количество можно передать внешнему потребителю.
Фактическая доступная мощность дополнительно ограничивается теплообменником, температурой подключаемой нагрузки и допустимым режимом охлаждения компрессора.
Тепловой ресурс считается пригодным к утилизации только в той мере, в которой его можно отобрать и передать потребителю без нарушения необходимых условий работы оборудования.
Как согласовать температуры охлаждения с возможностями теплообменника
Даже при совпадении графиков работы компрессора и потребителя полезный теплообмен возможен только при достаточной температурной разности.
Тепло самопроизвольно передаётся от более нагретого потока к менее нагретому.
Поэтому температура охлаждающей среды на стороне компрессора должна обеспечивать необходимый нагрев потребителя с учётом характеристик теплообменника.
Если потребителю требуется температура выше той, которую может обеспечить доступный тепловой поток, прямое подключение не решает поставленную задачу.
В этом случае нельзя считать соответствующую тепловую энергию полностью полезной только потому, что она выделяется компрессором.
Для оценки теплообмена необходимо рассматривать оба температурных режима: источник отдаёт тепло, а потребитель его принимает.
В упрощённом виде передаваемую тепловую мощность теплообменника можно представить как:
Pобм = K × A × ΔTср,
где K — общий коэффициент теплопередачи; A — поверхность теплообмена; ΔTср — соответствующая средняя движущая разность температур.
Для установившейся работы конкретного теплообменника значения определяют по его конструкции и действительным температурным условиям.
При изменении расхода или температур потоков передаваемая мощность также может изменяться.
Поэтому нельзя считать паспортную тепловую мощность теплообменника постоянной при любых условиях эксплуатации.
Необходимо проверить, соответствует ли она рассматриваемому температурному режиму.
Если температурная разность оказывается недостаточной, фактический теплообмен может ограничивать передачу энергии даже при значительном тепловыделении компрессора.
Возможна и обратная ситуация: температурные условия позволяют передавать тепло, но доступная поверхность теплообменника недостаточна для всей предполагаемой нагрузки.
В обоих случаях расчётная энергия полезной утилизации будет меньше общего тепловыделения.
Ограничение теплообменника необходимо учитывать до расчёта годовой экономии, а не после получения результата по полной тепловой мощности компрессоров.
Если фактические параметры теплообмена неизвестны, следует обозначить доступное тепловыделение как потенциальный ресурс, но не как подтверждённое количество полезно передаваемого тепла.
Как сезонная потребность ограничивает использование тепла компрессоров
Тепловыделение компрессорной станции определяется режимом её работы, а потребность предприятия в тепле может существенно изменяться по сезонам.
Эти графики не обязательно совпадают.
Например, компрессоры могут работать круглый год, тогда как определённая тепловая нагрузка существует преимущественно в отопительный период.
В таком случае годовая сумма тепловыделения будет больше количества тепла, которое реально востребовано данным потребителем.
Поэтому рассчитывать полезную утилизацию необходимо по периодам совпадения источника и нагрузки.
Для каждого интервала определяют доступную тепловую мощность компрессоров и потребность в тепле при фактическом режиме.
Если тепловыделение превышает потребность, непосредственно использовать можно не больше того количества, которое требуется подключённому потребителю.
Если потребность выше доступного теплового ресурса, компрессорное тепло способно покрыть только часть нагрузки.
Если потребность отсутствует, непосредственная полезная утилизация в этот интервал равна нулю независимо от величины тепловыделения.
Что происходит летом, когда компрессоры продолжают работать
Летний период представляет важное ограничение при оценке утилизации.
Компрессорная станция может сохранять значительную производственную загрузку и выделять тепло, но отопительная потребность отсутствует.
В результате тепло продолжает отводиться через систему охлаждения, не замещая энергопотребление отопительного контура.
Если расчёт предполагает полное годовое использование этого тепла, полученная экономия окажется завышенной.
Для корректного вывода необходимо проверить наличие тепловой нагрузки, которая действительно действует в летние месяцы и способна принять соответствующий температурный уровень.
Если такого потребителя нет, летнее тепловыделение не следует включать в полезную утилизацию.
Если потребитель существует, необходимо отдельно согласовать его график с работой компрессоров и проверить возможности теплообменника.
Таким образом, летняя работа станции сама по себе не является доказательством круглогодичной экономии тепловой энергии.
Почему годовые суммы не заменяют совпадение графиков
Предположим, что за год компрессоры выделили значительное количество тепла, а предприятие за тот же год потребило сопоставимое количество тепловой энергии.
Равенство или близость двух годовых величин не доказывает, что одна могла заместить другую.
Часть тепловыделения могла приходиться на периоды без потребности. В другие интервалы тепловая нагрузка могла возникать при остановленных компрессорах.
Кроме того, источник и потребитель могут иметь несовместимые температурные графики.
Поэтому для оценки необходима временная модель, в которой тепловыделение, температурные ограничения и спрос относятся к одним интервалам.
Годовой потенциал определяется суммой фактически возможных совпадений, а не меньшей из двух независимых годовых сумм.
Как учитывать температурное несоответствие, потери контура и уже используемое тепло
Даже если у предприятия существует потребность в тепле и компрессоры работают одновременно с ней, фактический энергетический результат может оказаться ниже первоначальной оценки.
Для проверки необходимо учитывать три взаимосвязанных ограничения: температурную пригодность источника, передачу энергии по контуру и существующее использование вторичного тепла.
Температурное несоответствие уменьшает количество тепла, которое может быть передано потребителю в необходимом режиме.
Например, если температурный уровень источника позволяет лишь частично нагреть потребительский поток, оставшаяся потребность должна обеспечиваться другим источником, если это предусмотрено технологической схемой.
В таком случае полезная утилизация ограничивается фактической теплопередачей, а не полным тепловыделением компрессора.
Следующее ограничение связано с потерями между точкой отбора тепла и потребителем.
Часть переданной энергии может рассеиваться в процессе транспортировки через соответствующий тепловой контур.
Поэтому тепловая энергия, полученная на стороне компрессора, не обязательно равна энергии, доставленной потребителю.
Для оценки требуется согласовать границы измерения: точку отбора тепла, границу теплообменника и место фактического полезного использования.
Если потери определены обоснованно, доставленную энергию можно представить следующим образом:
Qдост = Qотоб − Qпот,
где Qотоб — энергия, действительно отобранная у источника; Qпот — потери в рассматриваемом контуре; Qдост — энергия, поступившая к потребителю.
При этом нельзя назначать универсальную долю потерь без сведений о соответствующем режиме и измерительной границе.
Третье ограничение возникает, если предприятие уже использует тепло из другого внутреннего источника.
В такой ситуации подключение компрессорного тепла не обязательно уменьшает потребление покупного энергоресурса на всю величину переданной энергии.
Новый поток может частично вытеснять ранее используемое вторичное тепло, а не тепло, которое до модернизации обеспечивалось внешним источником.
Поэтому необходимо определить, какую именно нагрузку замещает предлагаемая утилизация.
Если компрессорное тепло поступает потребителю вместо тепла, уже получаемого от другого внутреннего потока, соответствующее замещение нельзя автоматически считать дополнительной экономией внешнего энергоресурса.
Иначе одна и та же тепловая потребность будет фактически учтена как экономия дважды.
Полезная теплопередача и снижение потребления внешнего энергоресурса — разные показатели.
Первый характеризует количество тепла, полученного потребителем от компрессоров.
Второй показывает, насколько уменьшилась необходимость в другом энергетическом источнике с учётом ранее действовавшей схемы теплоснабжения.
Если такая схема неизвестна, величину замещения можно считать только предварительной.
Как составить тепловой баланс потенциальной утилизации
Итоговый расчёт должен последовательно связывать тепловыделение компрессоров с фактически используемой энергией.
Для этого тепловую мощность рассматривают в каждом значимом интервале работы.
Первоначально определяется тепло, которое может быть отобрано у компрессора при сохранении необходимых условий охлаждения.
Затем проверяется максимальная передаваемая мощность теплообменника в соответствующем температурном режиме.
После этого учитываются потери передачи и фактическая тепловая потребность.
Условную границу полезной мощности можно записать следующим образом:
Pпол,i ≤ min(Pдост,i; Pобм,i − Pпот,i; Pпотр,i),
где Pдост,i — подтверждённая доступная тепловая мощность источника; Pобм,i — мощность, которую теплообменник способен передать в рассматриваемом режиме; Pпот,i — соответствующие потери на пути к потребителю; Pпотр,i — действительная тепловая потребность.
Эта запись применяется при согласованном определении величин и не допускает отрицательной полезной мощности. Если доступная после потерь мощность отсутствует, полезное использование принимают равным нулю.
Для количественного расчёта необходимо также учитывать, что фактический тепловой поток ограничивается энергетическим балансом обеих сторон теплообменника.
Поэтому нельзя использовать указанную зависимость как замену теплотехнического расчёта при неизвестных характеристиках оборудования.
Количество полезной теплоты за расчётный период определяется суммированием по согласованным интервалам:
Qпол = Σ(Pпол,i × ti).
В результате учитываются только периоды, когда компрессор работает, тепло пригодно для передачи и у потребителя действительно существует соответствующая нагрузка.
Если расчёт выполняется по сезонам, необходимо учитывать фактические рабочие часы компрессоров и теплового потребителя в каждом сезоне.
Если графики различаются внутри суток или смены, сезонного суммирования может оказаться недостаточно.
В этом случае необходимо использовать более подробное временное согласование.
Если характеристики теплообменника не подтверждены, показатель Qпол не может считаться достоверным результатом только по известному тепловыделению.
Если неизвестны потери контура, необходимо отдельно указать величину тепла, отобранного у компрессора, и неопределённость его доставки.
Если уже существуют другие источники вторичного тепла, дополнительно устанавливают, какая часть Qпол действительно уменьшает потребность во внешнем теплоснабжении.
Как выбрать вариант подключаемой тепловой нагрузки
Вариант подключения необходимо оценивать по тому, насколько график и параметры потребителя соответствуют доступному теплу компрессоров.
Тепловая нагрузка может быть технически пригодной по температуре, но недостаточно продолжительной по времени.
В другом случае потребность существует длительно, однако требуемый температурный уровень превышает возможности прямого теплообмена.
Эти варианты необходимо различать при выборе схемы.
Если нагрузка совпадает с работой компрессоров и её температурные требования выполняются, можно оценивать непосредственную передачу доступного тепла в соответствующие интервалы.
Если совпадение наблюдается преимущественно в определённый сезон, необходимо рассчитывать сезонную, а не условно круглогодичную утилизацию.
Если часть тепловой нагрузки сохраняется и летом, необходимо определить, действительно ли она способна принимать тепло компрессоров в летнем режиме.
Если температурные требования не выполняются, прямое использование тепла в рассматриваемой конфигурации не подтверждено. Для дальнейшего решения требуется отдельный расчёт допустимого способа согласования температур, а не перенос полной тепловой мощности компрессора в ожидаемую экономию.
Если у потребителя уже используется вторичное тепло, необходимо определить фактическую величину дополнительного замещения внешнего энергоресурса.
Таким образом, сравнение вариантов должно учитывать не только максимальную мощность подключаемой нагрузки, но и её продолжительность, температурную совместимость и существующий энергетический баланс.
Предпочтительным для дальнейшего технического рассмотрения является вариант, при котором подтверждённая тепловая энергия действительно используется потребителем и уменьшает потребление другого ресурса без нарушения охлаждения компрессоров.
Если несколько вариантов отвечают этим требованиям, их сравнивают по полезной теплопередаче и фактически замещаемому энергоресурсу. Если ни один вариант не обеспечивает достаточного совпадения графиков и температур, необходимо зафиксировать ограниченный потенциал утилизации, а не назначать экономию по полному тепловыделению станции.
Когда требуются дополнительные измерения и расчёты
В некоторых случаях известны только электрическая мощность компрессорной станции и предполагаемая тепловая нагрузка.
Этого недостаточно для определения полезной утилизации.
Прежде всего необходимо установить действительное тепловыделение и его распределение по режимам работы компрессоров.
Если температура охлаждения неизвестна, нельзя подтвердить, способен ли источник обеспечить необходимый температурный уровень потребителя.
Если отсутствует график тепловой потребности, невозможно определить, какая часть доступного тепла действительно востребована.
Если не подтверждена характеристика теплообменника, нельзя считать всю тепловую мощность охлаждающего потока передаваемой внешнему контуру.
Если отсутствуют сведения о потерях передачи, количество тепла на стороне компрессора нельзя без проверки приравнивать к энергии, поступившей потребителю.
Если неясно, чем покрывается рассматриваемая тепловая нагрузка в существующей схеме, невозможно достоверно определить уменьшение внешнего энергопотребления.
Поэтому следующую проверку выбирают по конкретному недостающему звену теплового баланса.
Например, при известном графике работы компрессоров, но неподтверждённой тепловой мощности необходимо уточнить тепловыделение соответствующих режимов.
Если тепловыделение известно, но не установлена температурная совместимость, требуется проверка температур охлаждения и допустимых параметров передачи тепла.
Если источник и теплообменник охарактеризованы, но неизвестна сезонная загрузка потребителя, необходимо уточнить график его тепловой потребности.
Если полезная теплопередача рассчитана, но не установлено замещение действующего теплоснабжения, необходимо согласовать результат с существующим энергетическим балансом предприятия.
Точность расчёта ограничивается наиболее существенной неподтверждённой величиной, влияющей на фактически полезное использование тепла.
Какой результат даёт анализ утилизации тепла компрессоров
Результатом технического анализа должен стать тепловой баланс, в котором последовательно отражены тепловыделение компрессоров, пригодная к отводу энергия, возможности теплообменника, потери контура и потребность подключаемого потребителя.
Баланс необходимо составлять на согласованных временных интервалах с учётом сезонности.
Если компрессоры работают летом, но полезная тепловая нагрузка отсутствует, соответствующее тепловыделение не включают в подтверждённую полезную утилизацию.
Если температурный уровень источника недостаточен, расчёт ограничивают действительными возможностями теплообмена.
Если часть тепла теряется между компрессором и потребителем, полезную энергию уменьшают на подтверждённые потери.
Если новое тепло замещает энергию, которая уже поступала из другого внутреннего источника, этот поток не следует автоматически считать дополнительной экономией покупного энергоресурса.
После согласования этих условий можно определить варианты подключаемой нагрузки, для которых существует подтверждённое совпадение тепловой мощности, температур и времени потребления.
Для каждого варианта необходимо показывать отдельно количество отобранного тепла, энергию, доставленную потребителю, и действительно замещаемый энергетический ресурс.
Итоговый технический результат — тепловой баланс потенциальной утилизации и обоснованные варианты подключения потребителей с учётом сезонной потребности и ограничений теплообменника.
Главное ограничение оценки: нельзя считать всю электрическую мощность компрессора доступной полезной теплотой и рассчитывать экономию только по установленной мощности и годовым часам работы. Для такого вывода необходимо подтвердить реальный отбор тепла, возможность его передачи и востребованность в соответствующие периоды.
Если данных недостаточно, итогом становится конкретное следующее действие: уточнение тепловыделения, проверка температур охлаждения, расчёт теплообменника, согласование сезонного графика потребителя либо оценка замещения существующего источника тепла.
Параметры охлаждения, тепловыделение и фактический график работы определяют при обследовании компрессорного оборудования и систем сжатого воздуха. Тепловой баланс потенциальной утилизации и сопоставление вариантов подключаемой нагрузки используют для подготовки к модернизации инженерных систем и оборудования, чтобы обосновывать применение вторичного тепла по фактической потребности, а не по номинальной мощности компрессорной станции.