Как высота над уровнем моря влияет на производительность и выбор размера кислородного генератора PSA

В воздухе на высоте 4,000 метров содержится примерно на 40% меньше кислорода на кубический метр, чем в воздухе на уровне моря. Кислородный генератор PSA, рассчитанный на прибрежную установку, будет подавать значительно меньше кислорода на высокогорном руднике в Андах или в больнице на Тибетском плато. Разреженный воздух снижает массовый расход компрессора, смещает равновесие адсорбции в цеолитовых слоях и изменяет производительность системы охлаждения. Игнорирование высоты при выборе оборудования приводит к созданию установки недостаточной мощности, которая не сможет удовлетворить потребность в кислороде. Правильный учет высоты гарантирует, что установленная система будет обеспечивать номинальную производительность независимо от высоты.

I. Фундаментальная проблема: снижение плотности воздуха с высотой.

Главная проблема высокогорья PSA Принцип действия прост: с увеличением высоты атмосферное давление уменьшается. Среднее барометрическое давление на уровне моря составляет 1,013 миллибар. На высоте 3,000 метров оно падает примерно до 700 миллибар — снижение на 30%. На высоте 5,000 метров оно снижается примерно до 540 миллибар — почти до половины давления на уровне моря.

Это снижение давления напрямую влияет на плотность воздуха. В кубическом метре воздуха на высоте 3,000 метров содержится примерно на 30% меньше молекул, чем в том же кубическом метре на уровне моря. Концентрация кислорода остается постоянной на уровне 21%, но при этом уменьшается количество молекул кислорода, доступных для разделения. Для получения той же массы кислородсодержащего продукта установка PSA должна перерабатывать больший объем разреженного воздуха.

Практический вывод для расчета размеров компрессора с псевдоожиженным слоем прост: компрессор, обеспечивающий подачу 100 Нм³ подаваемого воздуха в час на уровне моря, на высоте обеспечивает значительно меньший массовый расход. Объемная производительность компрессора на входе может оставаться примерно постоянной, но каждый кубический метр этой производительности содержит меньше воздуха. Массовый расход подаваемого воздуха — а следовательно, и массовый расход кислорода, который может производить компрессор с псевдоожиженным слоем, — уменьшается пропорционально снижению плотности воздуха.

II. Количественная оценка потерь пропускной способности

Снижение уровня кислорода, выделяемого аппаратом PSA, с высотой подчиняется предсказуемой зависимости, что позволяет применять корректирующие коэффициенты при подборе оборудования.

Поправочный коэффициент производительности с учетом высоты приблизительно равен отношению барометрического давления в месте установки к барометрическому давлению на уровне моря. Для установки, расположенной на высоте 2,500 метров, где среднее барометрическое давление составляет 747 миллибар, поправочный коэффициент составляет приблизительно 0.74. Установка, работающая на уровне моря и производящая 100 Нм³ кислорода в час в этом месте, будет производить примерно 74 Нм³ кислорода в час — потеря производительности составит 26%.

Эта линейная аппроксимация подходит для большинства задач расчета размеров до высоты примерно 4,000 метров. На больших высотах вторичные эффекты — изменения объемной эффективности компрессора, сдвиги в адсорбционном равновесии и снижение мощности системы охлаждения — делают простое барометрическое соотношение несколько завышенным. Для установок на высоте более 4,000 метров следует обратиться к данным производителя или применить консервативный дополнительный запас.

Потеря мощности не является признаком неисправности. Правильно функционирующая установка PSA на большой высоте обеспечивает именно ту производительность, которая необходима для имеющейся плотности воздуха. Операторы, незнакомые с влиянием высоты, иногда подают жалобы на производительность, не имеющие механической основы, и обнаруживают, что мощность установки изначально была неправильно рассчитана для данной высоты.

III. Расчет размеров компрессора для подачи воздуха на большой высоте

Основная нагрузка по компенсации высоты ложится на компрессор. Его размеры должны соответствовать требуемому массовому расходу подаваемого воздуха в условиях конкретной площадки, а не в условиях, стандартных для уровня моря.

На паспортной табличке компрессора обычно указываются стандартные условия на входе на уровне моря. На большой высоте тот же компрессор обрабатывает более разреженный воздух и обеспечивает пропорционально меньший массовый расход. Для компенсации этого требуется выбрать компрессор большей мощности, чем это необходимо для обеспечения подачи воздуха на уровне моря. Коэффициент выбора мощности является обратным коэффициенту поправки на высоту — для площадки с коэффициентом поправки 0.74 компрессор должен быть примерно на 35% больше, чем номинальная потребность на уровне моря.

Выбор компрессора на большой высоте предполагает учет дополнительных факторов, помимо производительности. При расчете мощности двигателя необходимо учитывать снижение плотности охлаждающего воздуха. Двигатель с воздушным охлаждением на большой высоте получает меньший поток охлаждающего воздуха при той же скорости вращения вентилятора, что может потребовать увеличения габаритов или использования отдельного вентилятора охлаждения. Для компрессоров с двигателями внутреннего сгорания мощность двигателя снижается пропорционально плотности воздуха, если он не оснащен турбонаддувом. Дизельный двигатель на высоте 3,000 метров может развивать только 65–70% от своей номинальной мощности на уровне моря без турбонаддува.

Максимальная допустимая высота над уровнем моря для компрессора не зависит от высоты так же, как массовый расход. Компрессор, рассчитанный на давление 10 бар на уровне моря, обычно может достичь этого давления на высоте, поскольку степень сжатия регулируется в зависимости от разреженности входящего воздуха. Однако мощность, необходимая для достижения этого давления при уменьшенном массовом расходе, ниже, и компрессор может работать в другой точке своей кривой эффективности.

IV. Адсорбционное поведение при пониженном давлении

На сам процесс разделения методом PSA влияет высота над уровнем моря, поскольку в подаваемом воздухе снижается парциальное давление кислорода и азота.

Движущей силой адсорбции азота на цеолите является разница парциальных давлений азота между газовой фазой и адсорбированной фазой. При пониженном атмосферном давлении парциальное давление азота, поступающего в адсорбер, ниже, даже если компрессор подает то же избыточное давление, что и на уровне моря. Это снижение парциального давления азота уменьшает количество азота, которое цеолит может адсорбировать за цикл.

Этот эффект частично самокомпенсируется. Поскольку на большой высоте из каждой единицы объема подаваемого воздуха необходимо удалять меньше азота, снижение движущей силы примерно компенсирует снижение нагрузки азота. В результате эффективность разделения методом адсорбции под давлением (PSA) — чистота продукта и степень извлечения при заданных условиях эксплуатации — не претерпевает существенных изменений с высотой, если адсорбер работает при одинаковом абсолютном давлении.

Изменяется производительность за цикл. Адсорбционный сосуд обрабатывает больший объем газа для подачи той же массы кислорода. Это означает, что время цикла может потребовать корректировки для оптимальной работы на большой высоте. Некоторые высотные установки адсорбции на сжатом воздухе работают с несколько измененным временем по сравнению с аналогичными установками на уровне моря, особенно в отношении продолжительности этапа адсорбции и скорости повышения давления.

V. Снижение мощности системы охлаждения

На большой высоте системы охлаждения теряют свою эффективность одновременно с уменьшением массового расхода компрессора. Это касается как установок с воздушным, так и с водяным охлаждением.

Воздушные теплообменники используют массовый поток охлаждающего воздуха, проходящий через их ребра, для отвода тепла. На большой высоте охлаждающий воздух менее плотный, поэтому при той же скорости вращения вентилятора и объемном расходе воздуха доступна меньшая масса охлаждающего воздуха. Для сохранения той же теплоотдачи теплообменник должен быть увеличен в размерах пропорционально снижению плотности. Компрессорная установка с воздушным охлаждением, предназначенная для работы на большой высоте, должна включать в себя увеличенный по размеру охладитель с большей площадью поверхности.

Системы с водяным охлаждением менее подвержены влиянию высоты, поскольку плотность жидкой воды не меняется с высотой. Однако, если охлаждающая вода в конечном итоге отводит тепло в атмосферу через градирню, то на производительность градирни снижение плотности воздуха влияет так же, как и на любое устройство с воздушным охлаждением. Градирню необходимо увеличить в размерах с учетом высоты.

Сниженная температура окружающей среды на большой высоте частично компенсирует снижение эффективности охлаждения. В шахте на высоте 3,500 метров средняя температура окружающей среды может быть на 15–20 °C ниже, чем на объекте, расположенном на уровне моря. Более низкая температура окружающей среды обеспечивает большую температурную движущую силу для отвода тепла, что компенсирует часть потери плотности. Детальный тепловой расчет для высотных объектов должен учитывать как отрицательный эффект плотности, так и положительный эффект температуры окружающей среды.

VI. Методология расчета размеров установок, расположенных на большой высоте

Системный подход к расчету размеров оборудования с учетом высоты над уровнем моря гарантирует соответствие установленной установки требованиям к производительности.

Процесс начинается с определения требуемого количества кислорода в массовом или скорректированном объемном выражении. Это количество кислорода, фактически необходимое для процесса или применения, выраженное независимо от высоты над уровнем моря. На основе этого рассчитывается требуемый массовый расход подаваемого воздуха, исходя из ожидаемого коэффициента извлечения PSA при рабочих условиях.

Атмосферное давление на площадке определяется на основе метеорологических данных или рассчитывается исходя из высоты над уровнем моря с использованием стандартной модели атмосферы. Это давление определяет поправочный коэффициент высоты, применяемый к номинальному массовому расходу компрессора.

Затем выбирается компрессор, обеспечивающий требуемый массовый расход подаваемого воздуха при условиях на входе в установку. Производители компрессоров предоставляют данные о снижении номинальной мощности на высоте, которые позволяют перевести номинальные характеристики на уровне моря в соответствие с фактической высотой установки. Это снижение учитывает как влияние плотности на массовый расход, так и любые изменения объемной эффективности компрессора на высоте.

Для учета специфических для объекта переменных, включая сезонные колебания барометрического давления, пылевую нагрузку и будущие потребности в мощности, применяется запас по размерам — обычно от 10% до 15% выше расчетной потребности. Совокупная поправка на высоту и запас по размерам могут привести к тому, что номинальная мощность компрессора будет на 40–60% больше, чем номинальная потребность на уровне моря для установки на большой высоте.

Расчет размеров адсорбера PSA производится на основе спецификации компрессора. Адсорберы должны справляться с фактическим объемным расходом при условиях на выходе компрессора, которые определяются давлением на выходе компрессора и эффективностью промежуточного охлаждения. Диаметр сосуда и глубина слоя должны обеспечивать объемный расход без чрезмерного падения давления или риска псевдоожижения.

FAQ

В1: На какой высоте мне следует начать учитывать снижение производительности?

Влияние высоты становится заметным на высоте примерно 500 метров, где плотность воздуха примерно на 5% ниже уровня моря. Ниже этой высоты потеря мощности находится в пределах нормальных допусков при расчете размеров и, как правило, не требует явной корректировки. На высотах от 500 до 1,000 метров корректировка рекомендуется для точного расчета размеров, но ее влияние незначительно. На высотах более 1,000 метров снижение номинальной мощности из-за высоты следует учитывать во всех расчетах размеров оборудования.

В2: Можно ли компенсировать влияние высоты, увеличив давление на выходе компрессора?

Повышение давления на выходе может частично компенсировать снижение массового расхода за счет увеличения массы воздуха, обрабатываемого за один оборот компрессора. Однако этот подход имеет свои ограничения. Компрессор имеет максимальное расчетное давление. Адсорберы PSA имеют номинальное расчетное давление. Повышение давления увеличивает потребление энергии на единицу произведенного кислорода. Хотя умеренная регулировка давления может помочь, она не исключает необходимости правильного подбора оборудования с учетом высоты над уровнем моря.

Вопрос 3: Влияет ли высота над уровнем моря на чистоту кислорода на установке PSA?

Чистота кислорода, получаемого на правильно настроенной установке PSA, существенно не зависит от высоты над уровнем моря. Механизм разделения зависит от относительной адсорбции азота и кислорода, на которую влияют парциальные давления, изменяющиеся пропорционально высоте. Для оптимальной работы на большой высоте может потребоваться корректировка времени цикла, но достижимая чистота остается сопоставимой с работой на уровне моря.

Вопрос 4: Как высота над уровнем моря влияет на точку росы продукта — кислорода?

Точка росы кислорода в продукте определяется процессом адсорбции под давлением (PSA) и последующей сушкой, а не напрямую высотой над уровнем моря. Однако влажность подаваемого воздуха на высоте ниже, поскольку абсолютная влажность холодного воздуха на большой высоте обычно ниже, чем теплого воздуха на уровне моря. Это снижение влажности может положительно сказаться на сроке службы осушителя и состоянии адсорбционного слоя.

В5: Существуют ли особые требования к техническому обслуживанию установок PSA, расположенных на большой высоте?

Техническое обслуживание компрессоров аналогично обслуживанию установок на уровне моря, с учетом влияния увеличенного объемного расхода на фильтры и охладители. Входные фильтры могут быстрее засоряться, поскольку компрессор обрабатывает больший объем воздуха. Чистота системы охлаждения имеет большее значение, поскольку запас по холодопроизводительности на высоте может быть меньше. Персонал должен учитывать, что нормальный ток потребления компрессора будет ниже, чем номинальные значения на уровне моря, из-за пониженной плотности воздуха; это нормально и не указывает на проблему.

В6: Можно ли перенести установку по производству активированного угля, расположенную на уровне моря, на высокогорную площадку?

Установка адсорбции под давлением (PSA), рассчитанная на работу на уровне моря, окажется значительно менее мощной, если её перенести на большую высоту. Компрессор будет обеспечивать меньший массовый расход, а адсорберы будут производить пропорционально меньше кислорода. Приемлемость получаемой мощности зависит от конкретной высоты и потребности в кислороде на новом месте. В большинстве случаев перенос на значительно большую высоту требует замены или добавления компрессора для восстановления необходимой производительности по кислороду. Сами адсорбционные установки PSA могут быть достаточно мощными, если первоначальный проект предусматривал значительный запас мощности.

Заключение

Высота над уровнем моря влияет на производительность кислородного генератора PSA за счет фундаментальных физических принципов снижения плотности воздуха. Компрессор обеспечивает меньший массовый расход, адсорберы обрабатывают более разреженный воздух, а системы охлаждения теряют эффективность. Эти эффекты предсказуемы и могут быть компенсированы за счет правильного подбора оборудования. Для установки PSA на большой высоте требуется более мощный компрессор, а также может потребоваться большая или дополнительная мощность системы охлаждения по сравнению с аналогичной установкой на уровне моря. Методика расчета размеров учитывает поправочные коэффициенты, основанные на барометрическом давлении на площадке, с дополнительным запасом на эксплуатационные переменные. При правильном выборе оборудования кислородная установка PSA на большой высоте обеспечивает надежную работу в течение всего срока службы.

At МИННУОНаши генераторы кислорода PSA рассчитаны на фактическую высоту установки, а не на уровень моря. Наши инженеры-технологи рассчитывают поправочные коэффициенты для вашего объекта, подбирают компрессоры и охладители соответствующего размера и проверяют, что вся система — от входного фильтра до выхода кислорода — рассчитана на плотность воздуха на вашей высоте. Независимо от того, устанавливаете ли вы оборудование на прибрежном предприятии или на высокогорном руднике на высоте более 4,000 метров, MINNUO предоставляет оборудование, обеспечивающее необходимую для вашего процесса производительность по кислороду. Каждая система MINNUO включает в себя документацию по производительности, специфичную для вашей высоты, подтверждающую ожидаемую производительность в условиях вашего объекта.