Виробництво стисненого повітря є одним з найбільш енергоємних і в той же час найменш енергоефективних перетворень однієї форми енергії в іншу, ефективність часто становить лише близько 5%. Низька ефективність обумовлена ​​самою фізичною природою виробничого процесу, при якому надходить електрична енергія перетворюється на тепло в процесі стиснення повітря.

При стисненні повітря відбувається термодинамічне нагрівання, яке дається фізично - більша частина введеної електричної енергії для приводу компресора перетворюється у відпрацьоване тепло, стандартний поділ якого наведено на рис. 1. Домінує тепловий потік, що розсіюється при охолодженні масла, який виконує кілька функцій у компресорі.

Відходи тепла від різних деталей компресора можуть використовуватися для нагрівання води або інших технологічних рідин, а також для обігріву будівлі. При розробці концепції компресорної станції необхідно враховувати можливості, коли теплові потоки, що утворюються в результаті охолодження КС, будуть перенаправлені.

В основному існує дві основні концепції охолодження компресора - перша - це повітряне охолодження, друга - водяне. Найкраща ефективність досягається за допомогою компресорів з водяним охолодженням, де циркуляційна охолоджуюча вода безпосередньо підключена до програми, яка вимагає постійного нагрівання, наприклад, до контуру зворотного котла.

Першим рішенням, яке зазвичай пропонують виробники компресорів, є використання прямого відпрацьованого тепла у вигляді нагрітого повітря від охолодження деталей компресора для обігріву приміщень сусідніх будівель. Найпростіший варіант - направити нагріте повітря до сусідньої будівлі.

Це рішення має перевагу в простоті та простоті експлуатації та невеликих інвестиціях, але великими недоліками є нерівномірний об’єм повітря, шум, застосовність лише на короткі відстані та особливо сезонність використання.

Влітку цей тепловий потік залишається невикористаним. Другий, більш технічно вдосконалений спосіб використання відпрацьованого тепла реалізується за допомогою додаткового пристрою, що подає тепло в контур опалення гарячої води.

Вже є вищий комфорт використання, наприклад, безпосередньо для центрального опалення або як попередній нагрів зворотного потоку, що повертається до джерела тепла. Однак знову ж таки сезонна придатність та збільшення інвестиційних витрат мають негативний ефект. З точки зору сучасних технологій, приготування гарячої води пропонується як оптимальне рішення.

Перевагою є цілорічне використання, ідеальне використання - для приготування або попереднього підігріву гарячої води (телевізора) для технології. Однак це рішення застосовується лише в невеликому відсотку промислових компаній через те, що багато компаній не мають достатнього споживання гарячої води.

Водяне опалення для душових працівників зазвичай непривабливе для малих та середніх підприємств через низьке споживання води, складність технічного рішення та тривалу рентабельність інвестицій. Отже, у статті ми покажемо можливості використання енергії на виміряних даних та заявляємо про потенціал такого рішення.

Для потреб статті ми вибрали вимірювання на компресорній станції на виробничому заводі. Ми обговорюємо можливість використання тепла від компресійного процесу при виробництві стисненого повітря як середовища, яке зазвичай використовується у виробничих процесах заводу.

Ми базуємось на реальних вимірах, проведених на компресорній станції (КС). Ми опишемо процедуру, як діяти при проектуванні ефективного використання тепла в процесі підготовки телевізора, відповідно. при підтримці опалення заводських приміщень. Ми порівнюємо тепло, яке утворюється при стисненні, із потребою тепла, виміряною в будівлі.

  • тепло

Умови вступу

Як згадувалось у вступі, споживання електроенергії безпосередньо визначає кількість тепла, що виділяється в процесі стиснення, тому в якості основних вхідних даних ми будемо використовувати вимірювання споживання трьох компресорів у компресорній станції.

Ми використовували вимірювання реального споживання трьох компресорів з двигунами потужністю 200 кВт. Один компресор з FM, два без регулювання швидкості - тільки з регулюванням до світлового стану. Вимірювання на фіг. 3 показано їх реальне споживання протягом одного робочого дня, що відображає потребу в середовищах для промислового виробництва.

На фіг. 3 представлено споживання KS на стороні електроенергії при повному навантаженні (зелений колір) та у світлому стані (оранжевий колір). Це правда, що AlMiG - це компресор з можливістю регулювання швидкості на боці електродвигуна за допомогою FM з можливістю переходу в освітлений стан, а C1 і C2 - компресори з роботою в повному або полегшеному стані.

Цей вузол контролюється лише на основі датчиків тиску в автономному MaR кожного з них без вищого регулювання. Вимірювання спочатку було створене для потреб аналізу ефективності виробництва стисненого повітря на заводі та як основа для аудиту управління КС. Однак ми не розглядаємо це питання в цій статті.

На фіг. 2 наведено приклад з'єднання вимірювань параметрів стисненого повітря на одному з компресорів, на синьому графіку на лівій первинній осі знаходиться потік повітря (червона крива), а на лівій вторинній осі тиск у точці вимірювання за компресора і температури виробленого середовища.

Вісь x показує часову лінію вимірювання, у верхній частині графіку вимірюється споживання енергії на даному компресорі. Помаранчевий колір показує інтервали, через які компресор перейшов у зменшений стан після зменшення частоти обертання двигуна до мінімуму.

Однак навіть у легкому стані він все одно споживає близько 40% енергії від споживання при максимальному навантаженні. Освітлений стан служить для захисту компресора від частих відключень у випадку, якщо потреба у стисненому повітрі в системі опускається нижче мінімальної межі, яку він може подавати під час управління FM.

Далі ми зосередимося на споживанні електроенергії KS загалом і покажемо, як цей енергетичний потік може бути переданий системі опалення або підготовці ГВП. Загальний вигляд енергоспоживання компресорів (рис. 3) говорить про їх чергування протягом одного робочого дня.

Видно, що з двох компресорів працюють лише два. Вони чергуються, тому можна говорити про відносно постійне виробництво повітря, тому про постійну потребу в охолодженні компресорів. У кулуарах ми лише зауважимо, що робота цього КС зовсім не оптимальна.

Вимірювання на трьох компресорах, кожен з яких мав двигун потужністю 200 кВт, тривав один тиждень. Підсумок вимірювань за час їх роботи показано на фіг. 4. Перший графік показує роботу компресора з FM, тому в цьому контексті необхідно сприймати його дані.

Два інших компресори працювали або на 100% від споживаної потужності, або на 40% у світлому стані (синій колір вказує, як довго кожен з компресорів був вимкнений). За графіками можна визначити споживання енергії для роботи КС. На основі вимірювань на фіг. 3 можна говорити про постійне виробництво повітря, тобто також про постійну потребу в охолодженні компресорів.

Фіг. Приклад взаємозв'язку вимірювання параметрів стисненого повітря на одному з компресорів

Тепло, необхідне для розсіювання

Перша частина фіг. На фіг.4 показана робота компресора з FM, інші два компресори працюють або на 100% від споживаної потужності, або на 40% у полегшеному стані. За необхідності можна було б визначити споживання енергії для роботи за графіками.

Компресорна станція споживає в цілому 71 МВт-год. ​​/ Тиждень, що вже становить цікавих 7810 євро/тиждень за ціною 110 €/МВт-год. Якщо перетворити цю енергію на тепло з ефективністю 94%, це 66,74 МВт-год теплоти на тиждень.

При ціні змінної теплової складової 50 €/МВт-год це би заощадило 3337 €/тиждень, що становить 180200 € на рік. Це виражає валовий потенціал економії, який дає продуктивність компресорів у КС, якби ми змогли спожити весь тепловий потік від КС. Однак виникає друга умова, а саме потреба в теплі в рослині.

Потреба в теплі

Для охолодження компресорної станції використовується повітряний або водний розчин. В обох випадках компресор повинен охолоджуватися і мати десь для подачі тепла, відповідно. мати накопичувальний бак, в який може передаватися тепло з низьким потенціалом.

Це може бути сусідній простір у вигляді залу, складу або просто оточення. Це вирішується простою конструкцією вентиляції KS - влітку нагріте повітря скидається в навколишнє середовище, взимку воно регулює прилеглі простори.

У цьому випадку віддача значно швидша, ніж при водному охолодженні. Якщо немає необхідності обігрівати простір, тепле повітря відводиться простою заслінкою. При охолодженні водою необхідно звертати увагу на аналіз попиту на тепло не тільки в обсязі на добу, а також доцільно розглянути хід потреби в теплі в системі, до якої ми плануємо подавати тепло.

Якщо тепло, що виробляється на добу, наближається до потреби тепла в телевізійній системі, це не означає, що його можна буде розмістити в ній. Характер потреби в ТБ у компанії суттєво визначається змінами та піками в момент їх обертання.

Так само потреба в теплі коливається протягом року, тому влітку потрібно розраховувати на найменшу потребу (час відпусток, менші втрати в циркуляції). Вирішуючи питання використання тепла для приготування гарячої води, слід також враховувати споживання газу для приготування гарячої води.

Також необхідно зосередитись на реальному споживанні води в системі, що можна зробити, вимірявши додавання холодної води (SV) до телевізора. Поєднавши ці два дані, ми можемо з’ясувати, скільки втрат у циркуляції та скільки для підігріву прісної води з системи.

Графік на фіг. Фіг.5 показує споживання газу для потреб CH і DH в установці. Ці дані показують споживання тепла в будівлі на рік порівняно з чотирма роками. Мінімум - це, звичайно, в літні місяці.

Тому споживання влітку (пов’язане лише з потребою в телевізорі) буде вирішальним - це кількість тепла, яке ми можемо помістити влітку, не потребуючи додаткового охолодження компресорів іншим способом.
Однак дані про споживання потребують більш детального вивчення під час роботи влітку.

Ми представляємо приклад вимірювання споживання телевізора протягом двох тижнів (вимірювання проводились за вибіркою за чверть години). Ці дані, виміряні щодо поповнення СВ у телевізійну систему на рис. 6 необхідний для точного визначення фактичної потреби в теплі влітку.

Звичайно, необхідно враховувати тепловтрати під час циркуляції води навколо будівлі, які часто вдвічі перевищують потребу в теплі для опалення свіжопоповненого СВ. З профілю вимірювання з піковим споживанням стає ясно, що потрібно буде враховувати резервуари для зберігання телевізорів у будівлі, оскільки потреба в охолодженні КС не відповідає потребі у підготовці телевізора.

Коли 165 м 3 холодної води з температурою 10 ° C поповнюється за 14 днів, це означає 15520 МДж/тиждень, що становить 4,3 МВт-год на тиждень; якщо додати вдвічі попит на тепло для втрат в циркуляції, ми отримуємо 12,9 МВт-год на тиждень.

Фіг. 6 Вимірювання споживання телевізора протягом двох тижнів

Потрібно охолодити проти потреба в теплі

Давайте розглянемо обидва дані зараз. Подача тепла у вигляді потоку від охолодження компресорів становить 66,74 МВт-год, а потреба в теплі для покриття підготовки ГВП влітку навіть при втратах циркуляції становить 12,9 МВт-год. ​​/ Тиждень. Вбачають значну диспропорцію між пропозицією/потребою охолодження та потребою/потребою обігріву.

Тепло, яке потенційно надходить до системи від компресорів, занадто велике влітку, тому необхідно забезпечити його відведення - чи в сухому охолоджувачі, чи іншим способом. Однак це збільшить інвестиційні витрати на систему водяного охолодження KS.

Можна встановити водяне охолодження лише на одному з трьох компресорів, тоді як це тепло використовується для підготовки телевізора, решта продувається в навколишнє середовище влітку, або взимку безпосередньо нагріте повітря від охолодження компресора ведеться до сусіднього ділянки з опаленням.

Якщо ми будемо охолоджувати водою всі три компресори, потрібен охолоджувач для відводу надлишкового тепла в навколишнє середовище, але протягом опалювального періоду тепло від КС, яке не потрібно для приготування ГВП, буде використано для попереднього нагріву центрального опалення повернутися в котельню.

У цьому рішенні необхідно мати на увазі вплив температури зворотного струменя та той факт, що тепловий потік від КС не є постійним. Створюючи цю концепцію, важливо скоригувати M&R, враховуючи ці факти.

На фіг. 7 див. Вимірювання на виході з котельні та на зворотному шляху до введення такого теплового потоку та після установки термообробки відходів приблизно 28 липня 2017 р. При поверненні спостерігається очевидне підвищення температури, тому слід враховувати, як це вплине на роботу джерела тепла.

У цьому випадку постраждав конденсаційний котел, ефективність якого знижувалася за рахунок підвищення температури зворотного струму. Однак ми не стверджуємо, що таке рішення не вписується в конденсаційний контур, але необхідно відстежувати зміни після запуску та, якщо потрібно, вживати заходів, регулюючи контур.

На графіку фіг. 8, щоб побачити відрегульовану температуру зворотного ходу (темно-синій) після регулювання тієї самої системи в липні 2018 року. Ми вважаємо, що варто мати постійний огляд температур у важливих контурах, щоб відстежувати причини та наслідки втручань, проведених на будь-яка система.

Неприпустимо доброзичливе втручання, яке погіршить ефективність системи в довгостроковій перспективі. Навіть у цьому випадку на те, що не вимірюється, не можна впливати. Приклади можна побачити на графіках 2017 року (поворот липня та серпня, рис. 7) та 2018 року (між 26 та 28 липня, щоб побачити збій у системі, що тривав один день, рис. 8).

Рівень температури зворотної лінії є ще одним визначальним фактором при розгляді місця розташування тепла від охолодження KS. Ми рекомендуємо перевірити температуру, необхідну для охолодження компресорів, і температуру середовища, до якого ми збираємося відводити тепло. Дуже часто це не враховується.

З огляду на вищевикладене, очікування такого рішення потрібно суттєво враховувати. Це правда, що чим детальніші та точніші дані, виміряні на реальній системі, тим відповідальніше рішення та пропозиція.

Дизайнер базується на дорученні, яке він отримує, часто грубих оцінок і припущень. Це не звичайно, щоб такі речі вимірювались у звичайній промисловій експлуатації, для цього немає причин, і при будівництві нового заводу про це не замислюються, відповідно. Потім враховуються температури, які потім не відповідають дійсності.

У такому випадку можна встановити тимчасове вимірювання, яке не вимагає інвестицій, але забезпечить більш точні дані. Пошук грошей для такого вимірювання окупається при відповіді, чи існує потенціал для використання тепла від компресорів і яка буде реальна віддача інвестицій.

Фіг. 7 Вимірювання на виході з котельні та на зворотному шляху до введення теплового потоку та після установки термообробки відходів близько 28 липня 2017 |

На закінчення

Економія енергії визначатиметься більш реально, якщо вимірювання виконується в певній операції та потоки її енергії збалансовані. Провівши багато перевірок систем стисненого повітря, в цьому випадку замовник вирішив встановити постійний вимірювальний прилад, що є хорошою основою для точно націлених заходів.

Документи, що послужили основою для нашої статті, є результатом вимірювань під час аудиту виробничого заводу. При вхідних даних, заснованих таким чином, розрахована економія є реалістичною. Це допоможе керувати очікуваннями споживачів та усвідомити потенціал економії.

У 21 столітті, в епоху IoT та цифрових технологій, ми очікуємо, що вимірювання та оцінка даних стануть невід’ємною частиною процесу. Наступна Індустрія 4.0 також закликає до цих заходів. Автоматизація втручань в управління процесами та машинне навчання є частиною нового погляду на вирішення проблем, який у минулому часто вирішувався інтуїтивно та за оцінкою.

При проведенні енергетичного аудиту питання стисненого повітря часто розглядається лише як другорядна тема. Найчастіше ми стикаємося з пропозицією щодо рекуперації тепла від охолодження компресора до центрального опалення або для приготування ГВП.

Однак економія, обіцяна аудиторами, часто нереальна, що було однією з основних причин цієї статті. Ми рекомендуємо перевірити систему стисненого повітря кваліфікованим та кваліфікованим фахівцем компресорної системи.

Це допоможе вам вибрати найкращі варіанти та можливості, доступні в межах конкретного закладу. Окрім економії енергії, можна навести важливий аргумент, що рекуперація тепла є корисною для навколишнього середовища.

Значна економія енергії в кінцевому рахунку означає зменшення вуглецевого сліду пристрою. В контексті зміни клімату ці аспекти також стануть більш важливими в аргументі щодо запровадження відповідних заходів.

Стаття опублікована в журналі TZB Haustechnik 4/2019.