Прогнозируемый потенциал энергосбережения для традиционных систем холодоснабжения до 12%.

Общие сведения:

  • Принцип работы: давление нагнетания установки или промежуточное давление изменяются в зависимости от условий окружающей среды и нагрузки на установку, а не фиксируются при определенных значениях.
  • Преимущества: уменьшает потребление энергии установкой и стабилизирует давления в системе.
  • Сбережения: для типового холодильника — сбережения могут быть до 12%, с возможным периодом окупаемости дополнительных инвестиций меньше чем один год.
  • Реализация: предполагает внесение изменений в логику управления установкой для систем, оснащенных вентиляторами конденсатора с преобразователями частоты вращения (VSD).
Переменное давление нагнетания и переменное промежуточное давление

Общие положения

Управление переменным давлением нагнетания и переменным межступенчатым давлением (VIPC) — это методы, которые направлены на повышение энергоэффективности установки путем оптимизации, как напорного давления, так и промежуточного  (межступенчатого) давления холодильной системы, основанные на текущей нагрузке на установку и внешних условиях эксплуатации.

Регулируемое давление нагнетания

Давление нагнетания холодильной установки — это давление нагнетания компрессоров верхней ступени,  оно немного выше или равно давлению, при котором конденсируется холодильный агент. В обычном традиционном решении, давление фиксировано и система управления  пытается поддерживать это фиксированное значение.

Если уставка напорного давления слишком низка для заданной температуры окружающей среды и условий загрузки установки, конденсаторы достигают мощности, и напорное давление будет колебаться с нагрузкой, потенциально вызывая колебания температуры в установке. Если уставка давления нагнетания высокая, то происходит увеличение потребляемой мощности компрессора.

Регулирование переменного давления нагнетания направлено на его оптимизацию в любой момент времени с учетом таких эксплуатационных факторов, как минимальные коэффициенты сжатия и сепарации масла, а также таких переменных, как внешние условия и нагрузка на установку. Когда давление нагнетания оптимизировано, совмещенный расход энергии компрессора высокой ступени и вентилятора конденсатора уменьшается.

Переменное давление нагнетания и переменное промежуточное давление

Рисунок 2: Типичное давление нагнетания установки при переменной логике управления напором (VHPC)

Испарительные конденсаторы спроектированы для того, чтобы справиться с самыми плохими возможными условиями, оперируя понятиями нагрузки на холодильную систему и температур влажного термометра окружающего воздуха. Таким образом, в течение большей части года конденсаторы установки подвержены более низким нагрузкам на установку и температурам влажного термометра. Это означает, что в течение большей части года конденсаторы переразмеренны для конкретной  задачи и давление конденсации, в свою очередь, может быть уменьшено для более низкого энергопотребления.

Кроме того, температура окружающей среды по мокрому термометру обычно стабильна в течение нескольких периодов дня и имеет тенденцию колебаться только при изменении погоды. По мере того, как переменное управление давлением нагнетанием (VHPC) зависит от температуры влажного термометра и нагрузки на холодильник, четкая логика VHPC минимизировала давление нагнетания. Напорное давление на обычную в остальном установку имеет тенденцию колебаться в зависимости от нагрузки установки. Поэтому VHPC, помимо снижения давления нагнетания, когда это возможно, также стабилизирует давление нагнетания установки, что приводит к более эффективной и устойчивой работе установки в течение года.

Информационное поле

Давление напора установки часто намеренно повышается, чтобы облегчить оттаивания испарителя горячим газом. Этот подход по своей сути неэффективен, поскольку общая производительность завода снижается,  он выполняет относительно редкую и незначительную функцию. В логике VHPC  оттаивание  горячим газом осуществляется за счет обеспечения минимального давления нагнетания установки в течение периода оттаивания и переключения в режим VHPC в течение других периодов. Таким образом, система может получить преимущества логики VHPC, все еще добиваясь надлежащего оттаивания горячим газом.

Регулируемое промежуточное давление

Как и в случае с давлением нагнетания, давление между ступенями установки также  влияет на энергопотребление системы.

Межступенчатое давление холодильной установки — это промежуточное давление между компрессорами низкой и высокой ступеней. Оптимальное межступенчатое давление будет варьироваться в зависимости от нагрузки на холодильник и давления нагнетания.

Переменное межступенчатое регулирование давления направлено на оптимизацию межступенчатого давления в соответствии с изменениями давления нагнетания. В системе, где давление напора переменно, межступенчатое давление также должно быть изменено, чтобы оптимизировать баланс между низким и высоким энергопотреблением ступени.

Заметка

Переменное межступенчатое регулирование давления возможно только там, где можно изменять температуру промежуточного давления системы и где компрессора имеют регулируемую степень сжатия. Если промежуточный сосуд используется для обеспечения потребителей, то давление между ступенями может поддерживаться на фиксированном уровне или изменяться только в узком диапазоне.

Преимущества

Хорошо настроенное переменное давление нагнетания VIPC позволяет:

  • обеспечить повышение эффективности и производительности системы;
  • продлить жизнь компрессора;
  • включение более устойчивой и надежной работы установки путем стабилизации давления нагнетания.

Достижимая потенциальная экономия

Регулируемое давление нагнетания

Сравнительно к системе с фиксированным давлением нагнетания, VHPC может привести к годовому энергосбережению:

  • в сравнении с фиксированным давлением нагнетания на уровне 25°C — от 9% до 12% потребления мощности компрессором высокой ступени;
  • в сравнении с фиксированным давлением нагнетания на уровне 30°C — от 20% до 25% потребления мощности компрессором высокой ступени;
  • в сравнении с фиксированным давлением нагнетания на уровне 35°C — от 30% до 35% потребления мощности компрессором высокой ступени.

Достижимая экономия также зависит от области применения, мощности оборудования для отвода теплоты и маслоотделителей и других факторов.

Регулируемое промежуточное давление

По сравнению с двухступенчатой системой с фиксированным межступенчатым давлением, VIPC может генерировать ежегодную экономию энергии около 2%.

Применение

Исходные данные

Для контроля давления нагнетания Вам необходимо знать:

  • количество компрессоров;
  • тип компрессора — винтовой или поршневой;
  • марка и модель каждого компрессора;
  • количество конденсаторов;
  • тип конденсатора — с воздушным охлаждением, с водяным охлаждением или испарительный.

Для управления промежуточным давлением вам нужно знать:

  • рабочее давление всасывания, промежуточное и давление нагнетания для текущей установки;
  • характер нагрузки на систему;
  • тип компрессорного оборудования.

Требования к оборудованию

Вам понадобится:

  • датчик температуры и относительной влажности для расчета температуры по мокрому термометру;
  • датчики давления всасывания, промежуточной ступени и давления нагнетания; для винтовых компрессоров: потенциометры золотников, подключенные к главному контроллеру установки;
  • для поршневых компрессоров: соленоиды управления производительностью, подключенные к главному контроллеру системы;
  • частотный преобразователь (VSD) для каждого вентилятора конденсатора
  • достаточные аппаратные и программные возможности системы управления для определения логики.

Заметка

Для достижения наилучших результатов, логика регулирования давления переменным давлением должна быть оптимизирована по всему спектру условий эксплуатации установки. Как правило, это требует наблюдения за работой установки в диапазоне нагрузок и климатических условий, а также тонкой настройки различных параметров.

Расчетная финансовая прибыль

Переменное давление нагнетания

Капитальные затраты на осуществление регулирования переменным давлением нагнетания зависят от:

  • количество и размер необходимых VSD; это зависит от количества конденсаторов и размеров двигателя вентилятора;
  • расположения VSD относительно двигателей вентилятора; если расстояние велико, по практическим соображениям, капитальные затраты возрастут из-за необходимости в большем количестве экранированных кабелей.

Для оценки экономии энергии были использованы следующие параметры:

Таблица 4: Параметры, используемые для оценки экономии энергии – при управлении переменным давлением нагнетания

Параметр Значение
Применениехолодильный склад
Нагрузка на высокую ступень1000 кВт
Потребляемая мощность высокой ступени (-10°С; 35°С)250 кВт
Проектная температура конденсации35°С
Температура окружающего воздуха по влажному термометру24°С
Количество испарительных конденсаторов2
Мощность двигателя вентилятор в конденсаторе15 кВт
Средняя стоимость электроенергии$ 0.15 за кВт*ч

Таблица 5а:Затраты, используемые для оценки экономии энергии при регулировании давления нагнетания

Статья сметные расходы
Оборудование$10,000 — $ 25,000
Работа$5,000 — $15,000
Инжиниринг$8,000
Программирование$6,000
Итого $29,000 — $ 54,000

Таблица 5b: Энергосбережение и окупаемость энергии при регулировании давления нагнетания

Температура конденсации при фиксированном давлении нагнетания (°С)Потребление энергии при фиксированном давлении нагнетания (кВт час/год)Потребление электроэнергии плавающем давлении нагнетания (кВт час/год)Экономия электроэнергии (кВт ч/год)Экономия электроэнергии ($/год)Стоимость внедрения технологии ($)Срок окупаемости (лет)
25°С1,382,0001,250,000132,00019,80029,000– 54,0001.5–2.7
30°С1,584,0001,250,000334,00050,10029,000– 54,0000.6-1.1
35°С1,820,0001,250,000570,00085,50029,000– 54,0000.3–0.6

Управление переменным промежуточным давлением

В общем случае затраты, связанные с реализацией логики переменного промежуточного давления, включают только затраты на проектирование и программирование, а достижимая экономия зависит от степени изменения промежуточного давления на конкретном предприятии.

Пример исследования: McCain Foods

McCain Foods, Lisarow, внедрили логику VHPC для своей холодильной системы и сократили свои затраты на электроэнергию на 13%, экономя около $49 000 в год.

Таблица 6: Энергосбережение и окупаемость McCain Foods

Экономии электроэнергии

(МВт*ч в год)

Экономия затрат на энергию ($ в год

Капитальные затраты ($)

Срок окупаемости (лет)

Сбережения СО2 тонн в год

320

49,000

22,000

0.5

307

McCain Foods, Lisarow, эксплуатировало несколько производств продуктов питания и технологических линий за прошлые 40 лет, включая хлебопекарню, переработку плодоовощной продукции и заморозку продуктов питания. Ежегодное потребление электроэнергии предприятия составляет около 13 ГигаВатт-часов, причем более 50% приходится на холодильные установки.

Холодильная установка (см. рис.3) состоит из одноступенчатой аммиачной системы с тремя винтовыми компрессорами и двумя испарительными конденсаторами, скорость вращения вентиляторов которых регулируется VSD. Охлаждение применяется  для того, чтобы охладить гликоль через 2-а теплообменных аппарата по типу аммиак/гликоль (ПТО).

Перед модернизацией была зафиксирована уставка давления нагнетания системы, что означало, что установка может эффективно работать только при максимальной нагрузке. В выходные дни нагрузка была уменьшена, а энергия была потрачена впустую, поддерживая высокое давление.

Поскольку конденсаторные вентиляторы уже были оснащены VSD, проект требовал только установки датчика температуры и относительной влажности, а также реализации логики VHPC на системе программируемого логического контроллера (PLC) завода.

Проект имел впечатляющую отдачу от инвестиций: он привел примерно к 320 МегаВатт -часам ежегодной экономии электроэнергии, что эквивалентно экономии затрат в размере 49 000 долл. США при инвестициях менее 22 000 долл. США. Никаких серьезных изменений в оборудовании не потребовалось. Следовательно, холодильная установка не должна была останавливаться в течение значительного периода времени.

Переменное давление нагнетания и переменное промежуточное давление

Рисунок 3: Схема системы аммиачной холодильной установки в McCain Foods, Lisarow

Переменное давление нагнетания и переменное промежуточное давление

Конденсаторы и пластинчатые теплообменники на McCain Foods в Lisarow

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