Фактическая годовая стоимость электроэнергии для полной системы генерации азота методом адсорбционного разделения воздуха: полный энергетический анализ

Многие промышленные операторы упускают из виду важнейший нюанс при расчёте эксплуатационных затрат на азотные генераторы методом адсорбции с переменным давлением (PSA): основной блок производства азота потребляет крайне мало электроэнергии. Основная нагрузка на электросеть приходится на систему предварительной очистки и сжатия воздуха на входе. В этой статье подробно анализируется фактическое годовое энергопотребление полной системы генерации азота в стандартных промышленных условиях эксплуатации, что позволяет предоставить точные ориентиры по затратам для производственных предприятий.

Основной принцип работы азотных генераторов PSA

Разделение азота методом адсорбционной псевдоскачкообразной (PSA) технологии основано на различии в скоростях адсорбции молекул азота и кислорода в атмосферном воздухе с помощью углеродных молекулярных сит. Автоматическое переключение клапанов позволяет системе отделять азот от кислорода, водяного пара и воздушных примесей. Примечательно, что основной блок генератора азота не содержит высокоэнергетических электродвигателей, нагревательных элементов или деталей, работающих под высоким давлением. Единственными рабочими компонентами являются системы программируемого логического управления (PLC), электромагнитные направляющие клапаны, датчики давления и другие вспомогательные низкомощные компоненты, благодаря чему энергопотребление устройства практически незаметно в общем энергобалансе промышленной системы.

Стандартные условия проведения испытаний

Для обеспечения точных и соответствующих отраслевым стандартам данных об энергопотреблении все расчёты выполнены при фиксированных стандартных промышленных условиях: расход азота на выходе — 100 Нм³/ч, чистота азота — 99,99 %, точка росы готового газа — −60 °C, давление азота на выходе — 0,6 МПа, температура окружающей среды — 20 °C, высота над уровнем моря — 200 м, соотношение «воздух : азот» — 4,0; энергопотребление циркуляционного насоса охлаждающей воды не учитывается.

Распределение энергопотребления полной системы

1. Воздушный компрессор (86 % от общего энергопотребления)

Атмосферный воздух нельзя подавать напрямую в азотные генераторы. Для получения стабильного исходного газа для производства азота требуется сжатие атмосферного воздуха воздушным компрессором до давления 0,7–0,8 МПа. При указанных выше стандартных рабочих условиях используется воздушный компрессор мощностью 37 кВт, доля которого составляет 86 % от общего энергопотребления системы  — это безусловно основной энергопотребляющий элемент всей системы.

2. Холодильный осушитель воздуха (5,3 % от общего энергопотребления)

Как основное очистное устройство, рефрижераторный осушитель удаляет из сжатого воздуха жидкую воду и крупнодисперсный водяной пар, заранее снижает влажность воздуха и значительно уменьшает рабочую нагрузку на последующий адсорбционный осушитель. Соответствующее энергопотребление этого оборудования составляет 2,3 кВт и составляет 5,3 % от общего энергопотребления системы.

3. Микротермальный адсорбционный осушитель (8,3 % от общего энергопотребления)

Энергопотребление микротермального адсорбционного осушителя обусловлено не непрерывной работой, а периодическим регенерационным нагревом. Регулярный нагрев, сброс давления и продувка необходимы для удаления глубоко адсорбированного водяного пара молекулярными ситами, поддержания сверхнизкой точки росы −60 °C и защиты срока службы и рабочей эффективности углеродных молекулярных сит в генераторе азота. Его соответствующее энергопотребление составляет 3,6 кВт и составляет 8,3 % от общего энергопотребления системы.

Следует отметить, что рефрижераторный осушитель сам по себе не способен обеспечить глубокую точку росы −60 °C, необходимую для производства азота высокой чистоты, поэтому адсорбционный осушитель является незаменимым основным устройством очистки при высоких эксплуатационных требованиях.

Скрытые факторы, влияющие на энергопотребление системы

1. Влияние высоты над уровнем моря

Стандартный расчёт основан на высоте 200 м, где снижение плотности воздуха минимально, а запас мощности обычного оборудования компенсирует незначительные потери объёма всасываемого воздуха. В условиях эксплуатации на высоте свыше 300 м каждое увеличение высоты на 100 м приводит к потере 1 % объёма всасываемого воздуха; для компенсации требуется дополнительная выходная мощность, что повышает общие затраты электроэнергии.

2. Колебания температуры окружающей среды

20 ℃ — это оптимальная температура проектирования для оборудования по генерации азота: при этой температуре воздух имеет высокую плотность и стабильную влажность, что обеспечивает стандартное энергопотребление. Если температура в цеху повышается до 35–40 ℃, плотность воздуха снижается, а содержание влаги в нём резко возрастает, что напрямую увеличивает общее энергопотребление системы более чем на 10 %.

3. Расхождение в соотношении «воздух : азот»

Стандартный расчёт основан на соотношении «воздух : азот» 4,0. Любое отклонение от этого оптимального соотношения приводит к существенному росту энергопотребления и формирует заметную разницу в эксплуатационных затратах при длительной работе.

Главный вывод

Для промышленных предприятий, использующих системы генерации азота методом адсорбции под давлением (PSA), повышение энергоэффективности и снижение расходов на электроэнергию должны быть направлены в первую очередь на модернизацию и настройку воздушных компрессоров и оборудования предварительной очистки воздуха, а не на энергоэкономичный блок генератора азота. Высота над уровнем моря, температура окружающей среды и соотношение «воздух : азот» также являются ключевыми переменными, которые нельзя игнорировать при ежедневном контроле энергозатрат.