1 просмотров

Ожидаемый потенциал энергосбережения 5-20 %

Принцип: эффективность чиллера повышается за счет вывода из эксплуатации байпасных линий хладоносителя  и максимизации температуры его возврата.

Преимущества: оптимизирует производительность чиллера.

Экономия: ожидаемая экономия энергии на предприятии может составлять от 5 до 20%.

Простота реализации: предполагает установка VSD на насосы и регулирующих клапанов.

Принцип работы

Производительность систем, использующих охлажденную воду или гликоль, зависит от подобранного чиллера, а также от конструкции и работы циркуляционного контура. Там, где сеть постебителей малоэффективна, работа чиллера с частичной нагрузкой и даже с полной нагрузкой может быть нарушена, что приводит к снижению доступной мощности и увеличению энергопотребления.

По сути, конструкция и управление сетью потребителей должны соответствовать чиллеру наиболее эффективным и действенным образом. Если потоки жидкости в системе не модулируются и не балансируются, то может произойти смешение холодных и теплых потоков жидкости. Таким образом, температура возврата жидкости в чиллер снижается без необходимости, что ставит под угрозу как эффективность охлаждения, так и энергоэффективность чиллера.

Чиллеры сконструированы таким образом, что в нормальных условиях эксплуатации перепад температур по испарителю (разница температур между температурой возврата жидкости и температурой подачи) обычно находится в диапазоне от 4°С до 6°С при расчетном значении расхода жидкости. Затем холодопроизводительность чиллера определяется следующим соотношением:

Q = m’ * Cp * ΔT

где:

Q = холодопроизводительность чиллера (кВт)

m’ = массовый расход жидкости (кг/с)

Cp = удельная теплоемкость хладоносителя (кДж/кг К)

ΔT = разница температур на входе и выходе из испарителя чиллера (°C или K).

Справка

Перепад температур необходим для поддержания эффективности чиллера. Если чиллер работает при более низких перепадах температур, то, например, при увеличении расхода жидкости, её средняя температура в чиллере снижается. Это, в свою очередь, приводит к тому, что чиллер работает при более низкой температуре кипения для поддержания холодопроизводительности, тем самым снижая эффективность чиллера и повышая энергопотребление.

Оптимизация циркуляционного контура промежуточного хладоносителя
Рис. 1: Пример управления трехходовым клапаном смешивания теплого и холодного потоков жидкости.

Преимущества для предприятия

Преимущества внедряемых технических решений включают в себя максимальную эффективность системы охлажденной воды при любых условиях нагрузки.

Ожидаемое энергосбережение

Часто сеть потребителей проектируется таким образом, что чиллер подвергается постоянному расходу жидкости и должен использовать байпасное регулирование потока на узлах регулирования для поддержания расхода чиллера. По причинам, изложенным выше, это неэффективно. Существенная экономия энергии достигается за счет преобразования системы на переменный расход и двухстороннее регулирование потока на узлах регулирования. Достижимое сбережение зависит от:

  • Эффективности частичной загрузки на чиллер. Более высокая экономия достигается, если чиллер демонстрирует более высокую эффективность при частичной нагрузке, чем при полной нагрузке;
  • Степени регулирования байпасного потока и постоянного расхода, используемого на узлах регулирования в системе;
  • Годовые и суточные профили нагрузки.

Как правило, экономия энергопотребления чиллера в диапазоне от 5% до 20% достигается за счет максимизации температуры возврата жидкости.

Оптимизация циркуляционного контура промежуточного хладоносителя

Внедрение на предприятии

Главным принципом проектирования и управления сетью потребителей является максимизация температуры возврата жидкости в чиллер при любых условиях эксплуатации. Это имеет несколько существенных последствий для проектирования систем:

  • Расход через испаритель должен быть уменьшен пропорционально фактической холодильной нагрузке. Если нагрузка падает на 50%, то расход также уменьшается на 50%, чтобы поддерживать температуру возврата в чиллер. Это поддерживает или увеличивает эффективность, учитывая, что правильно подобранный чиллер имет более высокую эффективность при частичной нагрузке. Если расход потока не отрегулирован надлежащим образом, более низкие температуры возврата сводят на нет преимущества повышения эффективности от частичной загрузки чиллера;
  • Расход хладоносителя к приборам охлаждения, может контролироваться путем включения или выключения расхода, когда эти устройства используются или выключены, соответственно, или путем модуляции потока к устройству пропорционально мгновенной охлаждающей нагрузке устройства;
  • Все формы байпасного потока в системе должны быть устранены. Байпасное регулирование потока позволяет «неиспользуемой» холодной жидкости возвращаться в чиллер или буферный бак по обратной линии, заставляя холодную жидкость смешиваться с нагретой жидкостью в обратной линии, что приводит к снижению температуры возврата и, следовательно, производительности чиллера, как указано выше (см. рис.1).

В идеале, по мере уменьшения нагрузки на потребители, должен уменьшаться и расход жидкости. Это поддерживает перепад температур по всему чиллеру, поддерживая его эффективность. Это может быть достигнуто с помощью первой схемы (рис. 2) или схемы с первичным/вторичным контуром (рис. 3) со следующими ключевыми модификациями:

  • Уделите приоритетное внимание использованию двухпозиционного модулирующего или включающего–выключающего управления и избегайте использования трехпозиционного байпасного управления или механизмов постоянного потока. Это обеспечивает переменный расход системы пропорционально нагрузке.
  • Используйте насос с переменной скоростью для подачи переменного потока, пропорционального нагрузке
  • Используйте клапан поддержания давления в конце линии для поддержания давления, когда насос достигает минимальной скорости (обычно 20 герц). Это приводит к некоторому неизбежному смешению приточного и обратного потоков.
Оптимизация циркуляционного контура промежуточного хладоносителя
Рис. 2: Типовая базовая система охлажденной воды с различными, обычно применяемыми, механизмами регулирования расхода.

В некоторых случаях невозможно или практически невозможно регулировать поток через испаритель, чтобы он соответствовал потоку через сеть потребителей. Ситуации, когда это может произойти, включают в себя:

  • Там, где нагрузка сети может уменьшиться до очень низких нагрузок, скажем, 10-20% от проектной мощности, но где чиллер не может работать при таком низком расходе, скажем, только до 40% от проектной мощности.
  • Где эффективность чиллера падает при уменьшенной нагрузке, как это применимо к некоторым чиллерам. Вместо того чтобы эксплуатировать чиллер без нагрузки, было бы предпочтительнее периодически эксплуатировать чиллер при полной нагрузке, чтобы работать с оптимальной эффективностью.

В этих условиях и в соответствии с принципом максимизации температуры возврата жидкости требуется установить буферный резервуар или несколько небольших резервуаров, соединенных последовательно сверху вниз, как показано на рис. 3. Первичный и вторичный насосы используются для раздельного обеспечения контролируемого потока жидкости через чиллер и сеть потребителей соответственно. Эффективность поддерживается циклическим включением и выключением чиллера и первичного насоса в ответ на установившийся уровень температуры в буферном баке. В действительности сеть потребляет охлажденную жидкость с переменным расходом в соответствии с фактическим состоянием нагрузки, и чиллер работает с оптимальной эффективностью и циклически включается по мере необходимости для пополнения запаса охлажденной жидкости в резервуаре.

Возможны несколько вариантов этой конструкции: один резервуар с перегородкой, несколько небольших резервуаров последовательно и т. д. Выбор наилучшего расположения резервуара зависит от различных соображений, включая ограничения по площади площадки.

Оптимизация циркуляционного контура промежуточного хладоносителя
Рис. 3: Первичный / вторичный контур системы охлажденной воды с различными устройствами регулирования расхода.

Ожидаемые финансовые результаты

Ожидается, что затраты на внедрение будут минимальными в большинстве случаев, но в некоторых случаях могут потребоваться инвестиции в усовершенствованные системы управления или обширные модификации устройств управления потоком. При некоторых обстоятельствах система может нуждаться в преобразовании в первичную / вторичную систему из-за эксплуатационных ограничений чиллера.

Учитывая масштабы применения этой технологии, невозможно сделать общую оценку достижимой экономии, связанных с ней затрат и сроков окупаемости таких проектов.

Пример: Холодильный склад Radevski

Компания Radevski Cold Stores, Shepparton, улучшила конструкцию своей системы охлаждения жидкостью, и это привело к экономии электроэнергии на 190 мегаватт-часов в год.

Таблица 25: Экономия энергии и окупаемость холодильных камер Radevski

Экономия эл. эн.  (МВт ч/год)Экономия эл. эн.  ($/год)Экономия на других расходах (обслуживание и т.д.) ($/год)Экономия итого  ($/год)Капитальные затраты ($)Срок окупаемости (год)Экономия эл.эн. в пересчете на выброс CO2 тонн/год
19028,000028,00035,0001.3182

Redevski Cold Stores-это семейный бизнес, их предприятие в Шеппартоне эксплуатирует 16 холодильных камер для хранения фруктов, которые охлаждаются через гликолевый контур. Плоды находятся при температуре окружающей среды, когда их собирают в феврале и марте. После полного дня хранения в камерах температура плодов понижается примерно до 2°C для длительного хранения. Из-за такого режима работы система работает только при нагрузке приближенной  к полной в течение примерно двух месяцев и при частичной нагрузке в течение всего остального года.

Первоначально скорость потока охлажденного гликоля в системе была фиксированной, и в конце контура был установлен шаровой кран, полностью открытый для байпаса «неиспользуемой» холодной жидкости, как показано на рис.4. Было подсчитано, что примерно от 10 до 20% общего потока охлажденной воды обходится стороной, и это число может достигать 50% при низкой нагрузке в прохладных помещениях. Это привело к значительному потреблению энергии.

Чтобы исправить ситуацию было выполнено следующее:

  • Вариаторы скорости VSD) были установлены на гликолевых насосах, чтобы обеспечить переменный расход гликоля в системе. Насосы могут замедляться до 40% от их полной скорости.
  • Шаровой кран в конце контура был заменен моторизованным клапаном для поддержания минимального перепускного расхода. В течение большей части рабочего периода клапан закрывается, и расход гликоля регулируется насосом VSD для учета изменения нагрузки в прохладном помещении. При очень малой нагрузке в прохладных помещениях насосы будут работать с минимальной скоростью, а моторизованный клапан будет слегка открываться, чтобы байпасировать небольшую часть потока гликоля.

Эти обновления позволили снизить энергопотребление объекта сверх ожиданий владельца завода.

До этого обновления наша гликолевая система была очень нестабильной. Новая система была разработана и введена в эксплуатацию для борьбы с этими проблемами, но мы также обнаружили, что можем одновременно экономить деньги на электроэнергии. Новая гликолевая система продолжает эффективно работать.

Петр Радевский, Генеральный Директор

Оптимизация циркуляционного контура промежуточного хладоносителя
Рис. 4: До: полностью открытый шаровой кран в конце контура для обхода неиспользуемого расхода
Оптимизация циркуляционного контура промежуточного хладоносителя
Рис. 5: После: моторизованный клапан, установленный в конце контура

Источник: NSW Department of Planning, Industry and Environment environment.nsw.gov.au