Технико-экономическое обоснование применения автоматических и регенерируемых фильтров

В условиях модернизации производства и повышения его конкурентоспособности в промышленности все чаще применяется дорогое высокопроизводительное оборудование. Для продления его службы и повышения ресурса очень важным становится решение проблемы фильтрации различных сред. И здесь перед проектными и эксплуатационными организациями встает проблема правильного выбора фильтровального оборудования.

За последнее время получили распространение новые фильтровальные материалы и технологии фильтрации, разработанные на их основе:

  • Появление щелевых незасоряемых решеток с клиновидным профилем привело к созданию автоматических фильтров;
  • Появление синтетических (полимерных) фильтровальных материалов низкой себестоимости привело к созданию фильтров картриджных с одноразовыми фильтроэлементами;
  • Появление пружинных нержавеющих фильтроэлементов привело к созданию регенерируемых и высокотемпературных фильтров.

Все эти типы фильтров имеют свои преимущества и недостатки. Поэтому зачастую, сэкономив на капитальных затратах, можно очень сильно проиграть в эксплуатационных .

Тип фильтра

Преимущества

Недостатки

Фильтр сетчатый дренажный жидкостный

Низкая цена закупки.

Трудоемкость регенерации.

Фильтр щелевой автоматический

Автоматический режим работы. Незасоряемый клиновидный профиль решетки. Низкие эксплуатационные затраты независимо от загрязненности среды (до 500 мг/литр)

Высокая закупочная стоимость.

Фильтр рукавный

Возможность регенерации без разборки фильтра. Низкая трудоемкость обслуживания.

Средняя закупочная цена.

Фильтр кассетный (патронный)

Низкая закупочная цена. Удобство регенерации.

 

Высокая стоимость обслуживания. Необходимость утилизации фильтропатронов.

В данной статье рассматривается 4 различных типа фильтров и условия их применения с учетом загрязненности фильтруемой среды, скорости фильтрации, грязеемкости фильтропатронов и самого фильтра и условий эксплуатации принимая во внимание экономическую составляющую.

Рассмотрим 4 технологические схемы, в которых альтернативно используются фильтры со следующими параметрами:

  • производительность 200 м3/час;
  • тонкость фильтрации 100 мкм;
  • давление 10 кг/см2.

Средняя плотность загрязнений 1,5 г/см3.

Гранулометрия фильтруемой среды: частицы ≤ 100 мкм – 10 %; частицы ≥ 100 мкм –90 %

При эксплуатации фильтровального оборудования важную роль играет такой показатель, как грязеемкость – масса загрязняющих веществ, которую способен задержать фильтр. При определении грязеемкости следует иметь в виду что в нашем случае из 100 % фильтруемых загрязнений:

  • примерно 30 % оседают на дно фильтра (в дальнейшем смываются в дренаж);
  • примерно 60 % задерживаются на фильтрующих поверхностях;
  • остальные 10 % частиц имеют размер меньше 100 мкм и, следовательно, не задерживаются фильтрующей поверхностью.

Исходя из рекомендованной скорости фильтрации жидкости 0,2-0,4 м/с рассчитываем площадь фильтрации и подбираем типоразмер фильтра под наши условия с учетом одинаковой грязеемкости. Средняя площадь фильтрации Sобщ составит 1,5 м2 при эффективной площади Sэф = 40 %.

При расчете грязеемкости стандартно принимаем максимальную толщину слоя загрязнений t = 0,5 см. Таким образом, упрощенно считаем грязеемкость по формуле:

G = Sобщ ∙ t ∙ p = 1,5 м2 ∙ 0,005 м ∙ 1500 кг/м3 = 11,25 кг

Грязеемкость одного фильтра при мах ∆Р= 1,5 кг/см2:

G = 18 кг, где 30 % (6 кг) – донный осадок, 60 % (12 кг) – фильтрованные отложения на фильтруемой поверхности.

При расчете грязеемкости принимаем, что одноразовые фильтропатроны, как правило, имеют в силу конструктивных особенностей грязеемкость в 1,5 раза большую.

 

Исходя из условия непрерывности фильтрации, рассмотрим следующие схемы:

Схема 1. Два фильтра сетчатых дренажный жидкостных

Фильтр сетчатый дренажный жидкостный (ФСДЖ) представляет собой вертикальный аппарат, устанавливаемый на трех опорных стойках. Штуцеры входа и выхода среды располагаются на одной линии и позволяют встроить фильтр в существующий трубопровод. Фильтрующий элемент представляет собой опорный каркас с натянутой на него фильтрующей сеткой. Загрязненная среда поступает через патрубок входного штуцера во внутреннюю полость фильтрующего элемента.

При прохождении через фильтроэлемент твердые частицы задерживаются на поверхности фильтрующей сетки. Часть примесей и загрязнений попадает в нижнюю зону корпуса, при этом их концентрация с течением времени возрастает. Очищенная фильтрующим элементом жидкость отводится из корпуса фильтра через выходной штуцер. Регенерация фильтрующей сетки осуществляется механическим способом посредством демонтажа фильтроэлемента и очистки его поверхности.

ФСДЖ 200-100-10:

  • цена закупки – 200 тыс. руб.
  • диаметр корпуса – Dy = 600 мм
  • площадь фильтрации –1,5 м2
  • грязеемкость одного фильтра при max ∆Р = 1,5 кг/см2: G = 18 кг. 

Схема 2. Один фильтр автоматический щелевой

Фильтр щелевой автоматический с обратной промывкой (ФЩА) представляет собой вертикальный аппарат, в корпусе которого между верхней и нижней трубными досками по концентрическим окружностям установлены фильтрующие элементы – цилиндрические щелевые решетки с внутренней рабочей поверхностью.

Загрязненная среда поступает через входной штуцер во внутреннюю полость фильтроэлементов. При прохождении рабочей среды через щелевые решетки механические примеси задерживаются на внутренней поверхности фильтроэлементов. Очищенная рабочая среда из корпуса фильтра через выходной штуцер поступает в трубопровод. После запуска процесса регенерации мотор-редуктор начинает вращать барабан с фильтроэлементами. При совмещении промывочного патрубка с фильтроэлементом открывается дисковый затвор обратной промывки и механические примеси из внутренней полости фильтроэлементов удаляются через промывочный штуцер обратным потоком очищенной жидкости. Периодически осуществляемый процесс обратной промывки восстанавливает работоспособность щелевых решеток и приводит к уменьшению перепада давлений в аппарате на входе и выходе. Способность к саморегулированию позволяет фильтру работать длительное время при простом обслуживании и низких эксплуатационных затратах.

ФЩА 200-100-10:

  • цена закупки – 600 тыс. руб.
  • диаметр корпуса – Dy = 400 мм
  • площадь фильтрации при Sэф – 10 %: Sобщ = 2,4 м2
  • грязеемкость одного фильтра при max ∆Р = 1,5 кг/см2: G = 18 кг.

Схема 3. Два фильтра регенерируемых

Фильтр регенерируемый ФР предназначен для очистки жидкостей от механических примесей с размером частиц от 20 до 100 мкм. Главным преимуществом данного фильтра является возможность быстрой регенерации через газовый штуцер для обратной продувки пружинного фильтроэлемента ФЭК паром, воздухом или инертным газом. Регенерация происходит без разборки фильтра и занимает минимум времени.

ФР 200-100-10:

  • цена закупки – 350 тыс. руб.
  • диаметр корпуса Dy = 800 мм
  • площадь фильтрации при Sэф - 24 %: Sобщ = 2,4 м2
  • грязеемкость одного фильтра при max ∆Р = 1,5 кг/см2: G = 18 кг.

Схема 4. Два фильтра катриджных

 

Фильтр картриджный (ФК) представляет собой вертикальный аппарат, устанавливаемый на трех опорных стойках. Фильтроэлементы представляют собой тканые картриджи, объединенные в единую кассету, устанавливаются между опорными кольцами, разделяя тем самым внутренний объем корпуса на две полости – для загрязненной и очищенной среды.

Загрязненная среда поступает через патрубок входного штуцера, попадает на наружную поверхность фильтрующих элементов. Механические примеси удерживаются картриджами, а очищенная жидкость отводится из корпуса фильтра через выходной штуцер. Фильтрующие картриджи не являются регенерируемыми и подлежат замене при загрязнении.

ФК 200-100-10:

  • цена закупки – 200 тыс. руб. В фильтре стоят 20 одноразовых глубинных фильтропатронов диаметром 63 мм и длиной 1000 мм по цене 800 руб. за единицу
  • диаметр корпуса – Dy = 600 мм
  • площадь фильтрации – 4,2 м2
  • грязеемкость одного глубинного фильтропатрона при ∆Р = 1,5 кг/см2 составляет Gп1= 1,8 кг. Грязеемкость одного фильтра при мах ∆Р = 1,5 кг/см2 - ∑G – 42 кг = 6 кг. - осадок + Gп = 36 кг – фильтрованные отложения на глубинных фильтропатронах.

 

Исходя из имеющегося оборудования рассчитаем фильтроцикл (время работы в часах до регенерации) фильтра при разной загрязненности фильтруемой жидкости.

Крег – количество технических обслуживаний (регенераций) в год.

= Gп/Qпрф/J, где

  • Gп – грязеемкость фильтруемой поверхности, мг
  • Q – расход, л/час
  • Кпр – коэффициент, учитывающий процент частиц, прошедших сквозь фильтрующую поверхность (Кпр=0,9)
  • Кф – коэффициент учитывающий количество частиц задержанных фильтрующей поверхностью (Кф=0,6)
  • J – количество механических примесей, мг/л

Крег = 365 ∙ 24/W

 

Данные сведены в таблицу 1.

Марка фильтра

Площадь фильтрации, S, м2

Количество механических примесей, J, мг/л

Кол-во фильтров в установке

Грязеемкость фильтра G/ грязеемкость фильтрующей поверхности Gп, кг

Фильтроцикл W (рабочий пробег между техническими обслуживаниями), час

Количество технических обслуживаний (регенераций) в год, Крег

ФСЖ

1,4

0,5

2

18/12

220

40

2,5

44

200

5

22

398

ФЩА

2,4

0,5

1

18/12

220

4 технических. обслуживания в год

2,5

44

5

22

ФР

2,4

0,5

2

18/12

220

40

2,5

44

200

5

22

398

ФК

2,5

0,5

2

54/36

660

13

2,5

132

66

5

60

146

 

Годовые эксплуатационные затраты – показатель, характеризующий степень технико-экономической эффективности техники и оборудования, учитывающий прямые расходы в единицу времени на амортизацию, оплату труда, ГСМ, ТО и ремонт, хранение, проценты за кредит, налоги, страховые платежи, накладные расходы и прочие расходы, связанные с ее эксплуатацией.

Экономические свойства любого объекта, равно как и его физические свойства (вес, габариты, срок службы и т. д.), должны зависеть только от технических и конструктивных параметров самого объекта и быть постоянными или относительно постоянными в течение всего срока службы данного объекта. Таким свойством обладает критерий годовых эксплуатационных затрат (ГЭЗ). Для любой машины этот критерий определяют по формуле:

Агэз = Сз/Н + Арф, где

  • Агэз – годовые эксплуатационные затраты, руб./год
  • Арф=(Сн/час ∙ Тфрасх)   Крег – годовые затраты на регенерацию фильтра
  • Сз – закупочная цена , руб.
  • Н = 10 – средний срок службы, лет
  • Сн/час – стоимость нормочаса, руб
  • Тф – трудоемкость обслуживания фильтра, час
  • Крег – количество регенераций в год
  • Срасх – стоимость расходных материалов, руб.

 

. При этом важнейшим фактором, который влияет на эксплуатационные затраты, является Тф – трудоемкость обслуживания фильтра. Тф показывает, сколько часов необходимо затратить на обслуживание фильтра для восстановления его фильтрационной способности.

ТФСЖ= 2 чел ∙ 1,5 часа = 3 часа

ТФЩА = 4 обслуживания в год ∙ 2 чел ∙ 8 часов = 64 часа в год

ТФР = 2 чел ∙ 0,5 часа = 1 час

ТФК = 2 чел ∙ 1 час = 2 часа

Таким образом, годовые затраты на техническое обслуживание фильтра для восстановления его фильтрующей способности составят:

  • АФСЖ = (320 ∙ 3+500) ∙ Крег = 1460 ∙ Крег руб/год

где Срасх – стоимость прокладок.

  • АФЩА = (320 ∙ 16 + 1000) ∙ 4 = 20 880 руб./год,

где Срасх - стоимость прокладок

  • АФР = (320 ∙ 1) ∙ Крег г = 320 ∙ Крег руб/год
  • Афк = (320 ∙ 2 + Скартр ∙ N) ∙ Крег =(320 ∙ 2+20 ∙ 800) ∙ Крег = 16 640 ∙ Крег руб/год

где Скартр = 800 руб – стоимость одноразового фильтроэлемента, N = 20 – количество фильтроэлементов.

Частота обслуживания фильтров напрямую зависит от загрязненности технологической жидкости. Так, например, при фильтрации оборотной воды на металлургическом комбинате автоматический фильтр становился на промывку по перепаду давления Р = 1 кг/см2 не реже 1 раза в час. Таким образом, в сутки выходило не менее 24 регенераций.

Экономические свойства любого объекта должны зависеть от технических и конструктивных параметров самого объекта и быть относительно постоянными в течение всего срока службы.

Экономическая эффективность применения разных типов фильтров зависит от загрязненности фильтруемой среды, грязеемкости фильтра и, соответственно, частоты и трудоемкости обслуживания. Приведенные ниже график и таблица показывают зависимость эффективности фильтра от этих параметров.

 

Марка фильтра

Амортизация, Сз/Н, руб.

Годовые затраты на регенерацию фильтра, Арег, руб.

Кол-во механических примесей, J, мг/л

Кол-во технических обслуживаний (регенераций) в год, Крег

Годовые эксплуатационные затраты, Агэз, руб.

СЖД

2 ∙ 200 000/10 = 40 000

1 460 ∙ Крег

0,5

40

72 000

2,5

200

104 000

5

400

362 000

ФЩА

1 ∙ 600 000/10 = 60 000

20 880

0,5

4 плановых технических обслуживания в год

80 880

2,5

80 880

5

80 880

ФР

2 ∙ 300 000/10 = 60 000

320 ∙ Крег

0,5

40

67 680

2,5

200

74 080

5

400

130 400

ФК

2 ∙ 200 000/10 = 40 000

16 640 ∙ Крег

0,5

13

256 320

2,5

66

1 098 240

5

146

2 429 440

 

График сравнительной экономической эффективности разных типов фильтров в зависимости от загрязненности фильтруемой жидкости


Такми образом, щелевой автоматический фильтр является оптимальным решением, обеспечивая выгоду в эксплуатации, несмотря на достаточно высокие первоначальные капитальные затраты. При этом выгода возрастает с ростом загрязенённости рабочей среды.

Наверх