Przemysłowe systemy chłodzenia są stosowane powszechnie w wielu zakładach produkcyjnych, od branży spożywczej po farmaceutyczną. Instalacje te są tam odpowiedzialne za zużycie największej ilości energii – jej koszty często stanowią nawet 60% całkowitych kosztów operacyjnych fabryki. Ponieważ ceny energii ciągle rosną, inżynierowie poszukują sposobów zarządzania kosztami energii oraz narzędzi i technologii sprzyjających bardziej efektywnemu działaniu tego typu instalacji.
Zintegrowane podejście do optymalizacji instalacji mechanicznej – wraz z opracowaniem strategii działania automatyki – jest jednym z najbardziej skutecznych sposobów ograniczenia kosztów zużycia energii. Zbyt często jednak inżynierowie poszukują sposobów na optymalizację każdego pojedynczego elementu instalacji, zamiast traktować ją jako całość, jako jednostkę zintegrowaną. Zawsze gdy do instalacji zostanie wprowadzony nowy sprzęt i nie będzie on prawidłowo zoptymalizowany, z uwzględnieniem warunków pracy całej instalacji, efektem będzie marnotrawstwo energii i niewydolność operacyjna. Przed dodaniem nowego sprzętu ważne jest ustalenie poziomu odniesienia ilości energii pobieranej przez instalację. To jedyny sposób na dokładne zmierzenie wpływu nowego wyposażenia na całą instalację.
Podstawowymi czynnikami wpływającymi na efektywność energetyczną instalacji chłodniczej są: efektywność konstrukcji instalacji i zastosowanego czynnika chłodniczego, stan sprzętu, strategia regulacji oraz profil obciążenia instalacji (odchylenie roboczych obciążeń chłodniczych od projektowanych).
Sprężarki i skraplacze to elementy instalacji chłodniczych, które są głównymi konsumentami energii.
Sprężarki
Są to urządzenia pochłaniające większość energii pobieranej przez instalacje chłodnicze, a zatem powinny być starannie dobrane, by zapewnić ich dopasowanie do obciążenia i efektywne stopniowanie oraz sekwencjonowanie. Sprężarki śrubowe osiągają największą sprawność przy pełnym obciążeniu, natomiast przy obciążeniu częściowym ich sprawność znacznie spada. Dodanie przemienników częstotliwości (Variable Frequency Drive – VFD) do sprężarek śrubowych zwiększa ich sprawność przy obciążeniu częściowym. Sprężarki tłokowe natomiast mają znacznie wyższą sprawność przy obciążeniu częściowym i mogą być dobrym wyborem przy instalacjach, w których występują małe obciążenia.
Skraplacze
To kategoria urządzeń znajdująca się zwykle na drugim miejscu pod względem zużycia energii w omawianych instalacjach. Dodanie przemienników częstotliwości w układzie zasilania wentylatorów skraplaczy może przynieść korzyści i zapewnić lepszą regulację ciśnienia skraplania, a w efekcie – bardziej płynne działanie instalacji. Wydajność cieplna skraplacza powinna być dobrana do obciążeń szczytowych, co oznacza, że z wyjątkiem kilku ekstremalnych warunków pracy skraplacz ma zbyt dużą wydajność. Tak więc zmniejszanie prędkości obrotowej wentylatora tak, aby dopasować wydajność skraplacza do aktualnego obciążenia, przyniesie znaczne oszczędności pobieranej energii.
Poniżej przedstawiono działania, które mogą wykonać inżynierowie w celu optymalizacji instalacji chłodniczej i osiągnięcia jej najwyższej efektywności energetycznej.
1. Należy zoptymalizować punkty nastaw, ponieważ ciśnienie skraplania powinno zwykle być utrzymywane na jak najniższym poziomie. Ciśnienie ssania natomiast powinno być utrzymywane na takim poziomie, aby różnica pomiędzy ciśnieniem ssania a tłoczenia była jak najmniejsza, przy jednoczesnym utrzymywaniu żądanych temperatur otoczenia/produktu. Zwiększenie temperatury zasysanego czynnika chłodniczego i związane z tym zwiększenie ciśnienia ssania może oznaczać oszczędność energii 1,5% na każdy stopień Celsjusza.
2. Wydajność sprężarek powinna być jak najdokładniej dopasowana do obciążeń. Dobrą praktyką jest posiadanie w instalacji urządzeń o różnej wydajności i używanie ich w prawidłowy sposób, zależnie od potrzeb całego układu, tak aby ich obciążenie było jak najbardziej zbliżone do pełnego. W dużych instalacjach duże sprężarki obsługują większość obciążeń, a ponadto wykorzystywana jest mniejsza sprężarka, dopasowująca wydajność instalacji do aktualnego zapotrzebowania (trim compressor). Sprężarka ta umożliwia ciągłe utrzymy-wanie pełnego obciążenia większej sprężarki. Sprężarka dopasowująca może być wyposażona w przemiennik częstotliwości, co przyniesie dalsze oszczędności energii. Dwie jednakowe pod względem parametrów sprężarki, które pracują na 50% swojej wydajności, mogą wymagać łącznie nawet 30% więcej mocy, niż jedna z nich pracująca na 100% swojej wydajności, tak więc ważny jest prawidłowy dobór urządzeń na wstępie przy ich planowaniu i instalacji oraz dobre wykorzystywanie sprzętu w okresach eksploatacyjnych.
3. W sprężarkach śrubowych należy zainstalować przemienniki częstotliwości, aby zoptymalizować sprawność mechaniczną tych maszyn. Najlepszym podejściem jest ustawienie położenia zaworu suwakowego na 100% i regulacja prędkości obrotowej silnika napędowego według zapotrzebowania na moc chłodniczą maszyny, co pozwala na bardziej efektywną pracę.
4. W skraplaczach należy zainstalować przemienniki częstotliwości do zasilania silników, w celu stabilizacji ciśnienia w skraplaczach i zabezpieczenia silników przed ciężkimi rozruchami oraz intensywnymi cyklami start/stop. To pozwoli na regulację prędkości obrotowej wentylatorów – nie będą one ciągle ruszać i zatrzymywać się, co wymaga dodatkowej energii i powoduje nadmierne zużycie mechaniczne. Największy zwrot z inwestycji w przemienniki częstotliwości wystąpi w instalacjach o zmiennych obciążeniach (niektóre instalacje pracują cały czas na 100% wydajności i w nich przemienniki częstotliwości będą właściwie mniej wydajne, ponieważ urządzenia te mają straty własne energii).
5. Ważne jest zastosowanie płynnej regulacji ciśnienia w instalacji (floating head pressure) do utrzymywania idealnej temperatury pracy sprężarki i skraplacza. Wyższe temperatury skraplania wymagają intensywniejszej pracy sprężarek, podczas gdy niższe potrzebują mniej mocy. Należy znaleźć optymalny punkt równowagi, w którym sprężarki i skraplacze łącznie pobierają najmniej mocy.
6. W instalacjach o niższych temperaturach należy starannie rozważyć sprawność systemu dwustopniowego lub nawet kaskadowego. W zależności od warunków, oszczędności w porównaniu z systemem jednostopniowym mogą być znaczące.
7. Maszynownia może być sterowana przez całkowicie zintegrowany system automatyki, w celu zapewnienia wysokiej efektywności energetycznej i automatycznej regulacji temperatury w poszczególnych strefach. Automatyczne cykle odszraniania, wykonywane sekwencyjnie w różnych odstępach czasu, mogą dać w efekcie znaczne oszczędności energii. System zautomatyzowany może dokonywać ciągłych obliczeń i prowadzonych na bieżąco dostrojeń parametrów, podczas gdy system sterowany ręcznie wymaga stałej uwagi operatora, jest podatny na błąd ludzki i reaguje znacznie wolniej.
8. Zdalny monitoring może mieć znaczny wpływ na efekt końcowy działania systemu, zmniejszając koszty zużytej energii, utrzymania ruchu i całkowite koszty operacyjne. Jeżeli w danym zakładzie niedawno zmodernizowano system sterowania instalacją chłodniczą lub trwa proces tej modernizacji, to ważne jest zapewnienie, aby nowy system oferował możliwość zdalnego dostępu. Pozwoli to na szybką diagnostykę, zdalne rozwiązywanie problemów i ciągły monitoring – wszystko to z pełnym obrazem całego systemu – a ponadto na tworzenie raportów w czasie rzeczywistym, obejmujących analizę trendów, logi alarmów oraz dane dotyczące zarządzania energią. Współpraca z dostawcą, który ma wiedzę fachową z chłodnictwa, sterowania i regulacji, pomoże personelowi zakładu w identyfikowaniu niezgodności i trendów, które mogą być przyczyną marnotrawstwa energii. W ten sposób w zakładzie można dokonać niezbędnych zmian, aby poprawić efektywność energetyczną.
Autor: Luke Facemyer jest dyrektorem działu projektowego firmy Stellar.
Tekst pochodzi z dodatku „ENERGIA 2016”. Jeśli Cię zainteresował, ZAREJESTRUJ SIĘ w naszym serwisie, a uzyskasz dostęp do darmowej prenumeraty w formie drukowanej i/lub elektronicznej.
