Marex Klimatyzacja i wetylacja

Postęp w chłodnictwie zasilanym parą

 

Chłodnictwo zasilane parą jest uznaną technologią, która oferuje często niedostrzeganą alternatywę dla chłodnictwa zasilanego elektrycznie. Chociaż technologia ta rozwinęła się znacząco w ostatnich latach, poświęcono jej daleko mniejszą uwagę niż dominującej opcji – chłodnictwu zasilanemu gazem. Dla lepszego zrozumienia problematyki związanej z urządzeniami dla chłodnictwa parowego, artykuł ten prezentuje niektóre jego podstawowe zasady i porównuje najczęściej stosowane typy wytwornic wody chłodniczej stosowane w instalacjach o dużej wydajności.

 

Porównanie wytwornic zasilanych energią elektryczną i parą

 

Tradycyjnie, urządzenia chłodzące w dużych zakładach to zasilane elektrycznie odśrodkowe wytwornice wody chłodniczej, ze względu na ich względnie niskie koszty inwestycyjne i wysoką sprawność. W ciągu kilku ostatnich lat, koszty energii w okresie szczytowego zapotrzebowania i cena czasu rzeczywistego (RTP) dla energii elektrycznej stanowiły wyraźną zachętę dla efektywnego zarządzania obciążeniem elektrycznym, w szczególności w godzinach szczytu. Ponieważ praca w godzinach szczytu zasadniczo odpowiada szczytowemu zapotrzebowaniu dla klimatyzacji, projektanci urządzeń do ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji zastanawiają się jak zastosować wytwornice nieelektryczne w celu zmniejszenia zużycia kosztownej w godzinach szczytu energii elektrycznej.

Wybrane dane wytwornic elektrycznych i parowych zestawione są w tabeli 1, która porównuje sprawność ogólną (całkę wartości obciążenia częściowego [IPLV]) i koszt inwestycyjny. Ponieważ porównujemy wytwornice zasilane z różnych źródeł energii, wartości IPLV są określone jako wartości współczynnika wydajności chłodniczej (COP). Wszystkie wielkości bazują na średnich przemysłowych.

 

Koszty energii

 

Prosta odpowiedź brzmi: jeżeli koszt elektryczności jest wystarczająco wysoki w porównaniu do kosztu pary, koszty wytwornicy zasilanej parą w ciągu całego okresu eksploatacji mogłyby być niższe pomimo jego wyższego kosztu inwestycyjnego i niższej IPLV.

Taki scenariusz nie jest rzadkością. Mając możliwość pokrycia ze źródła parowego szczytowych zapotrzebowań na chłód, można obniżyć koszty związane ze stałymi opłatami za zużycie energii elektrycznej. Unika się wtedy niebezpieczeństwa, że nieprzewidziany szczyt, przekraczający ustalony limit, spowoduje naliczenie przez elektrownię wysokich kar.

Z drugiej strony, tanią parę można uzyskać z lokalnych urządzeń generujących moc, które mogą być również instalowane z myślą o zmniejszeniu zapotrzebowania w godzinach szczytu. Dostrzega się zarówno rosnące koszty korzystania ze źródeł energii dla wszystkich wytwornic jak i obawy o stabilność jej dostaw w niektórych regionach.

To skłania wielu inżynierów do rozważenia kombinacji wytwornic elektrycznych i nieelektrycznych, w celu osiągnięcia najkorzystniejszych cen energii i zapewnienia ochrony przed przyszłą niepewnością co do cen energii i jej dostaw.

 

Urządzenia z zastosowaniem wytwornic Hybrydowych

 

W zależności od lokalnych struktur kosztów i stawek energii, kombinacja wytwornic elektrycznych i nieelektrycznych (to znaczy instalacja hybrydowa) może zapewnić najniższy koszt w całym okresie eksploatacji [1]. Oczywiście nie ma dwóch identycznych instalacji chłodniczych, ani identycznych kosztów energii, więc określenie optymalnej kombinacji wytwornic i najlepszej strategii działania wiąże się z kompleksowymi obliczeniami. Szczęśliwie, programy komputerowej analizy kosztów mogą szybko analizować wiele zmiennych i dopomóc zawęzić obszar wyboru sprzętu. Programy te mogą dokonać szczegółowej analizy w celu ukazania skutków wahań kosztów energii i pomóc zdecydować na przykład o punktach granicznych dla przełączenia z wytwornic elektrycznych na parowe.

 

Dostawy pary

 

Niniejszy artykuł celowo pomija szczegółową dyskusję na temat wytwornic absorpcyjnych jednostopniowych, które zasilane są parą o niskim ciśnieniu (lub gorącą wodą). Ta technologia chłodnicza jest stabilna i bardziej pasuje do zastosowań z odzyskiem ciepła niż do użycia pary jako zasadniczego źródła energii. Zamiast tego, uwaga skierowana jest na wytwornice stosowane w układach o średnim ciśnieniu pary, zawierającym się w zakresie od 100 do 200 psi (690 do 1380 kPa). Wytwornice te mają wyższe koszty inwestycyjne, ale oferują lepsze wartości IPLV niż wytwornice zasilane parą o niskim ciśnieniu. Dodatkowo, technologia ta została rozwinięta tak, że wytwornice na parę o średnim ciśnieniu są łatwiejsze do zainstalowania i obsługi niż bywało dawniej.

Para o średnim ciśnieniu dostarczana jest zwykle z jednego z trzech źródeł: 1) Komunalne układy dystrybucji pary, spotykane w pewnych obszarach miejskich (na przykład New York, Philadelphia lub Minneapolis/St. Paul);

2) Niekomunalne zakłady produkujące parę, obsługujące własny system dystrybucji, realizujące zwykle jednoczesne wytwarzanie elektryczności przez turbinę gazową i ciepła z gazów wylotowych turbiny, wykorzystywanego do produkcji pary, traktowanego jako integralna część sprawności cyklu (rozwiązanie spotykane w dużych instalacjach, na przykład miasteczka akademickie);

3) Kocioł, który użyty jest dla wytwarzania mocy albo dla celów technologicznych / ogrzewania w danym zakładzie lub przeznaczony jest wyłącznie dla wytwornicy parowej. Układy skojarzonej gospodarki cieplnej i kotły działają zwykle przez okrągły rok, aby pokryć lokalne zapotrzebowanie, ale ich sprawność jest niska latem, kiedy produkują parę przy niskim obciążeniu. W niektórych przypadkach najbardziej ekonomicznie jest utrzymywać wyższy poziom spalania latem i produkować parę dla chłodnictwa.

Dodatkowe oszczędności mogą powstać na skutek stosowanej strategii zarządzania zapotrzebowaniem w celu uniknięcia szczytowych stawek za energię elektryczną, uzyskania konkurencyjnych stawek za dostawy nieciągłe, czy upustów komunalnych. Organizacje przemysłowe takie jak np. District Energy Associaton w USA bronią ekonomicznych i środowiskowych korzyści wynikających z eksploatacji takich parowych systemów ogrzewania / chłodzenia komunalnego [2].

 

Wytwornice wody lodowej zasilane parą o średnim ciśnieniu

 

Dwoma najbardziej podobnymi do siebie typami wytwornic wody lodowej zasilanych parą o średnim ciśnieniu są wytwornice absorpcyjne dwustopniowe i wytwornice odśrodkowe z turbiną parową. Zasadniczo wytwornica absorpcyjna wykorzystuje parujący czynnik chłodniczy (zwykle wodę) do odebrania ciepła od chłodzonej cieczy i roztwór absorbentu (zwykle bromku litu) do regeneracji czynnika chłodniczego. W przypadku wytwornicy odśrodkowej z turbiną parową, para napędza turbinę, ta zaś sprężarkę w celu realizacji cyklu mechanicznego sprężania par. Bardziej szczegółową analizę zawiera podręcznik ASHRAE [3]. Porównajmy te dwa systemy w oparciu o niektóre istotne parametry.

 

Wydajność

 

Dwustopniowe wytwornice absorpcyjne dostępne są w szerokim zakresie wydajności: od około 100 do powyżej 1500 ton (350 do 5300 kW). Wytwornice odśrodkowe z turbiną parową dostępne są w zakresie od kilkuset aż do 5000 ton (17600 kW). Zatem zakresy powyższych typów wytwornic pokrywają się, co należy rozważyć przy każdym potencjalnym zastosowaniu.

Koszt turbin parowych jest względnie stabilny z uwagi na znaczący udział obróbki mechanicznej. Z drugiej strony koszt dwustopniowej wytwornicy absorpcyjnej jest zasadniczo proporcjonalny do jej wydajności. Ogólnie rzecz biorąc, charakterystyki te oznaczają że wytwornice absorpcyjne są zasadniczo bardziej efektywne pod względem kosztów dla wydajności mniejszych niż 1000 ton (3500 kW), podczas gdy wytwornice odśrodkowe z turbiną parową charakteryzują się większą efektywnością kosztową dla wydajności powyżej 1000 ton (3500 kW).

 

Sprawność

 

Dla obydwu typów wytwornic zużycie energii mierzone jest w ten sam sposób: entalpia dostarczanej pary minus entalpia skroplin powracających do źródła pary. Dla dwustopniowych wytwornic absorpcyjnych, para jest całkowicie skroplona, ale sprawność cyklu jest niska. Dla wytwornic odśrodkowych z turbiną parową, para opuszczająca turbinę jest tylko częściowo skroplona. Przy temperaturze poniżej 115oF (46oC), entalpia pary nie jest zwykle wystarczająca do użycia jej jako kolejnego źródła energii ale, aby mogła być przeniesiona z powrotem do źródła wytwarzania pary, musi nastąpić całkowite jej skroplenie w skraplaczu. Z punktu widzenia termodynamiki, jest to nieunikniony wydatek energii. Pomimo tej straty, IPLV 1.8 dla wytwornic z turbiną parową jest wyższa w porównaniu z 1.3 dla urządzeń absorpcyjnych. Dzieje się tak dzięki ich bardziej wydajnej pracy w warunkach niezgodnych z projektowymi, co wyjaśniono poniżej.

Czynnikiem mającym znaczący wpływ na parametry w warunkach pracy urządzenia niezgodnych z projektowymi jest temperatura wody na wejściu do skraplacza (ECWT). Jest praktyczną regułą, że niższa ECWT oznacza mniej energii dostarczanej do wytwornicy, dla zadanego obciążenia chłodniczego. Wytwornice odśrodkowe z turbin ą parową mogą działać przy temperaturach ECWT tak niskich jak 55oF (13oC), podczas gdy dwustopniowe wytwornice absorpcyjne mają minimalną temperaturę ECWT na poziomie 70oF (21oC). Rysunek 2 pokazuje typowy wykres ECWT w funkcji obciążenia chłodniczego i pokazuje wymagania dla utrzymania ECWT powyżej poziomu minimalnego dla małych obciążeń. Przy równych wartościach wszystkich pozostałych czynników, wytwornica odśrodkowa z turbiną parową zużywa mniej energii, gdy ECWT jest pomiędzy 70oF i 55oF (21oC i 13oC).

Drugim czynnikiem, mającym znaczący wpływ na parametry w warunkach pracy urządzenia niezgodnych z projektowymi, jest napęd o zmiennych obrotach. Najbardziej skutecznym sposobem sterowania sprężarką odśrodkową jest napęd zmiennoobrotowy. W wytwornicach elektrycznych napęd jest dodatkowym komponentem. Z drugiej strony turbiny parowe posiadają naturalne możliwości zmiany obrotów. Tak więc, przy zmniejszonym obciążeniu chłodniczym i zmniejszonej ECWT, wytwornica odśrodkowa z turbiną parową staje się bardzo efektywna.

W warunkach zgodnych z projektowymi obydwa typy wytwornic charakteryzują się podobnym COP. Jednak wytwornica odśrodkowa z turbiną parową oferuje wyższe parametry w warunkach pracy urządzenia niezgodnych z projektowymi. W rezultacie wartości IPLV są również wyższe.

 

Zajmowana powierzchnia podłogi

 

Ulepszona powierzchnia rur parownika i skraplacza w znacznym stopniu poprawia wymianę ciepła dla czynników chłodniczych na bazie freonu, ale tam gdzie woda jest czynnikiem chłodzącym, zysk jest niewielki. Ponieważ w wytwornicach odśrodkowych z turbin ą parową stosuje się czynnik chłodniczy na bazie freonu, rury o ulepszonej powierzchni pozwalają na uzyskanie zwartego płaszcza wymiennika ciepła. W wytwornicy absorpcyjnej, gdzie jako czynnika chłodniczego używa się wody, płaszcz jest zwykle większy przy tej samej wydajności. Na przykład, zajmowana powierzchnia podłogi dla dwustopniowej wytwornicy absorpcyjnej 1500 ton (3500 kW) wynosi około 310 stóp kwadratowych (28,8 m2), podczas gdy wytwornica odśrodkowa o takiej samej wydajności z turbiną parową zajmuje powierzchnię tylko 170 stóp kwadratowych (15,8 m2), co daje 80% oszczędności.

Współczesne modele odśrodkowe wykorzystują również zestawy komponentów fabrycznych, aby zmniejszyć zajmowaną powierzchnię podłogi, wymaganą dla ich starszych wersji. Skraplacz pary może być zamontowany na skraplaczu czynnika chłodniczego – opcja dostępna od niedawna.

 

Instalacja

 

W porównaniu z wytwornicami elektrycznymi, obydwa typy wytwornic parowych wymagają nieco więcej uwagi przy instalacji. Użycie pary pociąga za sobą więcej połączeń rurowych (dostarczanie pary, powrót skroplin, dostarczanie powietrza) dodanych do zwykłego układu rur wody lodowej i układu skraplacza. Jeżeli wydajność wytwornicy absorpcyjnej jest duża, może być wymagany transport w dwóch podzespołach, co wymusza konieczność montażu w miejscu instalacji. Wytwornica odśrodkowa z turbiną parową wymaga montażu skraplacza pary (zwykle wysyłanego niezależnie od wytwornicy) i podłączenia układu parowego od wylotu turbiny do wlotu skraplacza pary. Z drugiej jednak strony, w porównaniu ze starszymi wytwornicami odśrodkowymi z turbiną parową, ilość prac montażowych wymagana dla wytwornic obecnej generacji jest dużo mniejsza dzięki częściej stosowanej konstrukcji pakietowej.

 

Sterowanie

 

Mikrokomputerowe sterowniki dla obydwu typów ochładzalników stały się standardowymi elementami ich wyposażenia i zapewniają zaawansowane funkcje sterowania. W dwustopniowej wytwornicy absorpcyjnej, funkcja „pulldown demand” umożliwia liniowy wzrost wydatku pary dopływającej podczas rozruchu. Nastawy programowe obejmują początkowe położenie zaworu i czas trwania stanu uzyskiwania wartości zadanej („pulldown demand”). Zabezpiecza to skutecznie wytwornicę przed pobieraniem podczas rozruchu większej ilości pary niż system jest w stanie dostarczyć. W rezultacie wytwornica unika nagłego spadku ciśnienia pary w układzie i związanych z tym problemów, takich jak porywanie wody kotłowej. Zdalne sterowanie ograniczeniem wydatku pary jest możliwe w oparciu o sygnał generowany przez układ automatyki budynku (BAS). BAS może, w zależności od potrzeb, nadawać wytwornicy lub innym procesom wyższy priorytet wykorzystania pary bez ingerencji operatora. W przypadku wytwornic odśrodkowych z turbiną parową, wprowadzenie sterowników mikroprocesorowych pozwala wszystkim podzespołom systemu pracować razem w bardziej efektywny sposób – zadanie niewykonalne dla starszych technologii sterowania. W starszych systemach mieliśmy niezależne układy sterowania agregatem wody lodowej, turbiną parową i skraplaczem. Większa integracja podzespołów powoduje większą integrację sterowania. Chociaż nowe, mikroprocesorowe, graficzne układy sterowania wyświetlają więcej danych, są one bardziej intuicyjne i prostsze w użyciu.

 

Obszarem, gdzie sterowniki mikroprocesorowe mają być może największe znaczenie dla wytwornic odśrodkowych z turbiną parową jest faza rozruchu. W przypadku starszych typów wytwornic, operatorzy musieli być specjalnie przeszkoleni w zakresie procedury rozruchu ręcznego. Gorąca para wchodząca do chłodnej turbiny powodowała skroplenie się pewnej ilości wody, która musiała być odprowadzona przed rozruchem turbiny. Para mogła również powodować gradienty temperatury wewnątrz turbiny, które mogły być przyczyn ą uszkodzeń, o ile nie zostały wyrównane. Wobec powyższego turbina musiała być powoli obracana, aby podgrzać wszystkie jej części do właściwej temperatury.

W odróżnieniu od takiej sytuacji, dzisiejsze układy sterownicze mogą „prowadzić” operatora poprzez cały proces rozruchu, co zmniejsza wymagania w zakresie wyszkolenia. Dostępna jest również opcja rozruchu „w pełni automatyczna”. Dzięki temu omawiane wytwornice są równie łatwe w obsłudze jak elektryczne.

 

Podsumowanie

 

Wysokie koszty energii elektrycznej (spowodowane przez opłaty za pokrycie żądanego zapotrzebowania lub strukturę stawek RTP) i/lub niski koszt pary mogą uczynić hybrydowe, elektryczno- parowe urządzenie finansowo atrakcyjnym. średniociśnieniowe, dwustopniowe wytwornice absorpcyjne oraz odśrodkowe z turbiną parową oferuj ą najlepsze wartości IPLV i najnowsze zdobycze techniki. Zatem, o ile para o średnim ciśnieniu jest dostępna na obszarze instalacji chłodniczej i stawki za energię są korzystne, najnowsza technologia wytwornic zasilanych parą jest warta rozważenia przy projektowaniu instalacji nowych i modernizowaniu istniejących.