Сравнение затрат на заправку баллонов с производством кислорода PSA на месте

Comparing Cylinder Filling Costs with On-Site PSA Oxygen Production

Для заводов, которые потребляют кислород каждый день, разница в стоимости между доставленными баллонами и производством кислорода на месте зависит не только от заявленной цены на газ. Система на основе баллонов переносит производство, сжатие, хранение и транспортировку кислорода за пределы завода, тогда как система PSA на месте переносит большинство этих функций на производственное предприятие. В результате структура затрат меняется с модели покупки и доставки на модель электроэнергии, компрессора, технического обслуживания и использования оборудования.

Кислород в промышленных баллонах обычно поступает к пользователю через последовательность процессов производства, сжатия, наполнения, транспортировки, хранения и снижения давления. Кислород производится на центральном газовом заводе и сжимается в стальные или алюминиевые баллоны. В зависимости от конструкции баллона и местных норм промышленные баллоны можно наполнять на заправочной станции до давления примерно 150–200 бар.

На заводе баллоны подключаются индивидуально или через коллекторный коллектор группируют несколько баллонов в блоки, чтобы операторы могли переключаться с пустого банка на заполненный, не прерывая процесс немедленно. Затем регуляторы давления снижают давление в баллоне до рабочего давления, необходимого для горелок, режущего оборудования, систем аэрации или другого оборудования, потребляющего кислород.

Количество полезного кислорода определяется не только номинальным давлением в баллоне. Объем воды в баллоне, давление наполнения, температура газа и остаточное давление при замене баллона — все это влияет на фактическое использование. Если баллоны заменены, а внутри остается значительное количество газа, завод оплатил газ, не вошедший в производственный процесс.

На местекислородная система PSAгенерирует кислород из сжатого атмосферного воздуха. Типичная установка содержит воздушный компрессор, воздушный ресивер, сажевые и коалесцентные фильтры, адсорбционные резервуары, переключающие клапаны, ресивер кислорода, анализатор кислорода, систему управления ПЛК, регулятор давления и трубопроводы распределения кислорода.

Адсорбционные сосуды содержат материал молекулярного сита, обычно цеолит. Материал по-разному взаимодействует с азотом и кислородом в условиях давления. На стадии адсорбции в один сосуд поступает сжатый воздух, азот преимущественно удерживается молекулярным ситом, а обогащенный кислородом газовый поток выходит в сторону ресивера кислорода.

В системе обычно используются два или более адсорбционных резервуара. Пока один сосуд производит кислород, другой сосуд подвергается разгерметизации и регенерации. Переключающие клапаны управляют потоком газа в соответствии с запрограммированным циклом. Такое расположение позволяет одному сосуду адсорбировать азот, в то время как другой высвобождает ранее удерживаемый азот.

Ресивер кислорода отделяет производство от мгновенной потребности процесса. Он может поглощать кратковременные колебания расхода и стабилизировать давление на выходе вместо того, чтобы требовать, чтобы адсорбционные слои отслеживали каждое изменение потребления кислорода.

Как работает цикл разделения PSA

СРПЦикл состоит в основном из стадий повышения давления, адсорбции, сброса давления и регенерации. Сжатый воздух сначала проходит через секцию очистки воздуха, где вода, масляные аэрозоли и твердые частицы удаляются, прежде чем воздух достигнет молекулярного сита.

Во время адсорбции рабочий сосуд остается под давлением, в то время как азот преимущественно адсорбируется. Кислород и аргон проходят через слой и образуют продукт-газ. Когда адсорбционная способность приближается к своему рабочему пределу, система управления меняет путь прохождения газа и отправляет сосуд в режим регенерации.

Во время регенерации давление в резервуаре снижается, и адсорбированный азот покидает молекулярное сито. В некоторых конфигурациях PSA используется часть полученного кислорода для продувки или выравнивания, тогда как в других конфигурациях используется выравнивание давления между емкостями для уменьшения потерь газа. Точный цикл зависит от размера сосуда, характеристик молекулярного сита, целевой чистоты, степени извлечения и необходимого потока кислорода.

Поэтому для целей закупок чистоту кислорода следует оценивать вместе с рекуперацией кислорода и удельным энергопотреблением. Повышение требуемой чистоты кислорода может увеличить количество сжатого воздуха, необходимое на единицу получаемого кислорода, что может увеличить потребление энергии компрессором.

Баллонный кислород создает несколько повторяющихся компонентов затрат. Завод может оплатить сам кислород, аренду или обслуживание баллонов, транспортировку, погрузку и разгрузку, хранение, а также работу операторов по замене баллонов. Эти затраты увеличиваются с увеличением частоты родов и потребления кислорода.

Производство PSA переносит текущие расходы на электроэнергию и техническое обслуживание оборудования. Компрессор обычно потребляет большую часть электроэнергии, поскольку атмосферный воздух необходимо сжимать перед попаданием в адсорбционные резервуары. Фильтры, клапаны, анализаторы кислорода, уплотнения и материалы молекулярных сит также влияют на стоимость жизненного цикла.

Компонент затрат	Подача цилиндра	PSA на месте
Закупка кислорода	Периодическая заправка газом	Не требуется для нормального производства
Транспорт	Необходимый	Обычно удаляется
Обращение с цилиндром	Необходимый	Удаленный
Компрессорное электричество	Сторона поставщика	Заводская сторона
Инвестиции в оборудование	Низкий уровень на заводе	Необходимый
Очистка воздуха	Сторона поставщика	Требуется на месте
Хранилище	Инвентаризация цилиндров	Ресивер кислорода
Обслуживание	Регуляторы, клапаны, коллектор	Компрессор, клапаны, фильтры, анализатор
Резервный источник питания	Дополнительные цилиндры	Цилиндр или другой резервный источник

При сравнении следует использовать одинаковое количество кислорода, его чистоту, давление и период работы. Сравнение стоимости баллона в долларах за баллон с ценой на электроэнергию PSA в долларах за кВтч без преобразования стоимости обеих систем в стоимость Нм3 полезного кислорода может привести к неправильному выводу.

Потребление кислорода является одной из самых сильных переменных в экономическом сравнении. Завод, использующий 10 Нм³/ч в течение короткой производственной смены, имеет совсем другой рабочий профиль, чем завод, потребляющий 100 Нм³/ч непрерывно в течение 24 часов.

Что касается снабжения баллонами, более высокий расход напрямую увеличивает количество баллонов, которые необходимо доставить, хранить, подключить и заменить. Если ежедневное потребление превышает возможности существующего коллектора, могут потребоваться дополнительные блоки баллонов или более частые поставки.

При производстве PSA более высокая непрерывная нагрузка может повысить коэффициент использования оборудования и распределить основные капитальные затраты на больший объем кислорода. Однако размер компрессора и адсорбционных сосудов должен соответствовать требуемому расходу, а работа на максимальной мощности может изменить удельное потребление энергии и степень восстановления кислорода.

Таким образом, при практическом сравнении потребление кислорода должно рассчитываться как:

Годовая потребность в кислороде=Расход кислорода × Часы работы × Дни работы

Полученное годовое значение в Нм3 обеспечивает общую основу для сравнения поставляемого кислорода с производством на месте.

В локальной системе на потребление электроэнергии сильно влияют давление компрессора, температура входящего воздуха, эффективность компрессора, падение давления на очистке воздуха, конфигурация цикла адсорбции и рекуперация кислорода.

Например, если система потребляет 0,8 кВтч/Нм³ кислорода, а промышленная электроэнергия стоит 0,10 долл. США/кВтч, компонент электроэнергии составит примерно 0,08 долл. США/Нм³. Эта цифра не включает техническое обслуживание компрессора, фильтры, замену клапанов, анализ кислорода или возмещение капитальных затрат.

Качество сжатого воздуха также влияет на эксплуатационные расходы. Вода, попадающая в адсорбционные слои, может изменить характеристики молекулярных сит, а загрязнение маслом может повредить поверхность адсорбента. Таким образом, воздушные фильтры не только защищают последующие компоненты; они также контролируют состояние адсорбционного материала.

Инженерам по закупкам следует запросить у поставщика удельную потребляемую мощность при заданном расходе и чистоте кислорода, а не использовать номинальную мощность двигателя компрессора в качестве себестоимости производства кислорода.

Чистоту кислорода и давление подачи необходимо указывать вместе, поскольку они влияют на конструкцию системы. В процессе, требующем примерно 90–93% кислорода, может использоваться другая конфигурация PSA, чем в процессе, требующем содержания кислорода выше 95%.

Баллонный кислород обеспечивает большое количество хранимого газа под высоким давлением, в то время как системы PSA обычно генерируют кислород при более низком давлении, подходящем для непосредственного использования в процессе или повышения давления на выходе. Если процесс требует существенно более высокого давления, может потребоваться дополнительный кислородный компрессор.

Стабильность потока является еще одним фактором. Горелка или режущий станок могут испытывать быстрые изменения потребности в кислороде, в то время как аэрация сточных вод может поддерживать относительно стабильный поток в течение длительных периодов времени. Ресивер кислорода может смягчать краткосрочные изменения спроса, но его объем должен соответствовать разнице между выходом PSA и технологическим потреблением.

Не каждая фабрика потребляет кислород с постоянной скоростью. Производственная линия может работать с высоким потреблением кислорода во время резки или сжигания и падать до более низкого потребления во время загрузки, технического обслуживания или смены смен.

В случае баллонов производительность определяется количеством подключенных баллонов и их остаточным давлением. Если потребление неожиданно увеличивается, оператору может потребоваться подключить еще один блок цилиндров.

При производстве КЦА адсорбционная установка обычно работает по запрограммированному циклу, а ресивер кислорода поглощает кратковременные разницы между производством и потреблением. Если спрос остается выше номинальной производственной мощности в течение длительного периода, давление в ресивере в конечном итоге упадет. Поэтому системе требуется определенная пропускная способность пикового расхода, а не только расчет среднего расхода.

Для закупок важными показателями являются не только средний Нм³/ч, но также минимальный расход, нормальный расход, пиковый расход, продолжительность пика и профиль суточной нагрузки.

Баллонные системы хранят кислород непосредственно внутри сосудов под давлением. Завод может обеспечить запасы на несколько дней, если на месте хранится достаточное количество баллонов, но это увеличивает требуемую площадь хранения и рабочую нагрузку. Запасы баллонов также должны меняться в соответствии с процедурами поставщика и применимыми требованиями к сосудам под давлением.

АнPSA на местеСистема обычно хранит кислород в ресивере, а не поддерживает большой запас заполненных баллонов. Ресивер обеспечивает газовый буфер между циклом адсорбции и технологической линией.

Для непрерывного производства по-прежнему важен резервный источник кислорода. Если компрессор PSA останавливается из-за неисправности электрооборудования, перегрева, технического обслуживания или неисправности управления, накопленный кислород может поддерживать процесс только в течение ограниченного периода времени. Таким образом, к выходу можно подключить резервный коллектор баллонов, чтобы можно было продолжать производство во время проверки оборудования PSA.

Замена баллонов на производстве РСА требует внесения изменений в газовую инфраструктуру завода. В установке должно быть предусмотрено место для компрессора, воздушного ресивера, фильтрационного узла, адсорбционных сосудов, кислородного ресивера, шкафа управления и соответствующих трубопроводов.

Прежде чем попасть в адсорбционные сосуды, сжатый воздух должен пройти указанные ступени фильтрации. Конденсат необходимо сливать из воздушного ресивера и фильтров, чтобы жидкая вода не попала на молекулярное сито. Затем кислородный трубопровод соединяет ресивер с системой регулирования давления и технологического распределения.

Электрическая система должна питать компрессор и оборудование управления в соответствии с номинальными напряжением и током, указанными производителем. Также следует учитывать вентиляцию, поскольку компрессоры выделяют тепло во время непрерывной работы, а выхлопные газы PSA выделяют богатый азотом газ во время регенерации.

Перед вводом в эксплуатацию инженеры обычно проверяют чистоту трубопроводов, целостность давления, работу клапана, чистоту кислорода, давление на выходе, пропускную способность и функции сигнализации. Анализатор кислорода должен подтвердить, что полученный газ соответствует заданной чистоте, прежде чем технологическое оборудование получит газ.

Системы баллонов в основном требуют проверки клапанов баллонов, регуляторов, гибких шлангов, соединений коллектора и уплотнений. Утечка в клапане или соединении может привести к непрерывному выделению кислорода и увеличению потребления без увеличения производительности.

Системы PSA имеют более широкий диапазон механических и технологических отказов. Перегрев компрессора может снизить подачу воздуха, засорение фильтров может увеличить падение давления, износ переключающего клапана может нарушить последовательность адсорбции, а загрязнение молекулярных сит может снизить способность к адсорбции азота.

Снижение чистоты кислорода может указывать на проблемы с циклом адсорбции, состоянием подаваемого воздуха, фазами газораспределения, состоянием молекулярного сита или чрезмерным потреблением продукта. Падение давления на фильтрах может указывать на загрязнение, а аномальная температура нагнетания компрессора может указывать на проблемы с охлаждением или механические проблемы.

Поэтому техническое обслуживание должно включать проверку компрессора, замену фильтра, удаление конденсата, мониторинг цикла работы клапанов, калибровку анализатора кислорода, измерение падения давления и проверку адсорбционной системы в соответствии с часами работы и требованиями производителя.