Производството на сгъстен въздух е едно от най-енергоемките и в същото време най-малко енергийно ефективни преобразувания на една форма на енергия в друга, ефективността често е само около 5%. Ниската ефективност е резултат от самата физическа същност на производствения процес, при който постъпващата електрическа енергия се превръща в топлина в процеса на компресиране на въздуха.

Когато въздухът се компресира, се получава термодинамично нагряване, което се дава физически - по-голямата част от входната електрическа енергия за задвижване на компресора се преобразува в отпадъчна топлина, чието стандартно разделяне е показано на фиг. 1. Доминира топлинният поток, разсейван при охлаждане на маслото, който изпълнява няколко функции в компресора.

Отпадъчната топлина от различни части на компресора може да се използва за отопление на вода или други технологични течности, както и за отопление на сградата. При проектирането на концепцията за компресорната станция е необходимо да се разгледат възможностите, при които топлинните потоци, генерирани от охлаждането на KS, ще бъдат отклонени.

По принцип има две основни концепции за охлаждане на компресора - първото е въздушно охлаждане, второто е водно охлаждане. Най-добрата ефективност се постига с водно охладени компресори, при които циркулиращата охлаждаща вода е директно свързана с приложение, което изисква непрекъсната топлина, като връщаща верига на котела.

Първото решение, което производителите на компресори обикновено предлагат, е използването на директна отпадъчна топлина под формата на нагрят въздух от охлаждането на частите на компресора за отопление на помещенията на съседни сгради. Най-простият вариант е да насочите нагрятия въздух към близката сграда.

Това решение има предимството от простотата и лекотата на работа и малките инвестиции, но големите недостатъци са неравномерният обем на въздуха, шумът, приложимостта само за къси разстояния и особено сезонността на използваемостта.

През лятото този топлинен поток остава неизползван. Вторият, по-усъвършенстван в техническо отношение начин за използване на отпадъчна топлина се реализира с помощта на допълнително устройство, подаващо топлина към отоплителния кръг на топлата вода.

Вече има по-висок комфорт при използване, например директно за централното отопление или като предварително подгряване на връщащото се връщане към източника на топлина. Отново обаче сезонната използваемост и увеличените инвестиционни разходи имат отрицателен ефект. От гледна точка на съвременните технологии, приготвянето на топла вода се предлага като оптимално решение.

Предимството е целогодишната употреба, идеалната употреба е за приготвяне или предварително загряване на топла вода (телевизор) за технология. Това решение обаче е приложимо само в малък процент от индустриалните компании поради факта, че много компании нямат достатъчна консумация на топла вода.

Отоплението на вода за душовите работници обикновено е непривлекателно в малките и средни предприятия поради ниската консумация на вода, сложността на техническото решение и продължителната възвръщаемост на инвестициите. Следователно в статията ще покажем възможностите за използване на енергия върху измерените данни и ще посочим потенциала на такова решение.

За нуждите на статията избрахме измервания в компресорната станция в производственото предприятие. Ние обсъждаме възможността за използване на топлина от процеса на компресия при производството на сгъстен въздух като среда, която обикновено се използва в производствените процеси на централата.

Ние се основаваме на реални измервания, извършени в компресорна станция (KS). Ще опишем процедурата как да се процедира при проектирането на ефективно използване на топлината в процеса на подготовка на телевизора, съответно. при подпомагане на отоплението на съоръженията на завода Сравняваме топлината, генерирана при компресия, с топлинната нужда, измерена в сградата.

  • производство

Условия за влизане

Както бе споменато във въведението, консумацията на електроенергия директно определя количеството топлина, отделено в процеса на компресия, така че като основни входни данни ще използваме измерването на консумацията на три компресора в компресорната станция.

Използвахме измерване на реалния разход на три компресора с двигатели от 200 kW. Един компресор е с FM, два са без контрол на скоростта - само с управление до светлинното състояние. Измерването на фиг. 3 показва реалното им потребление през един оперативен ден, отразяващо нуждата от медии в индустриалното производство.

На фиг. 3 представя консумацията на KS от страна на електричеството при пълно натоварване (зелен цвят) и в светло състояние (оранжев цвят). Вярно е, че AlMiG е компресор с възможност за регулиране на скоростта отстрани на електродвигателя с помощта на FM с възможност за преминаване в олекотено състояние и C1 и C2 са компресори с работа в пълно или олекотено състояние.

Този монтаж се контролира само въз основа на сензори за налягане в автономния MaR на всеки от тях без превъзходно регулиране. Първоначално измерването е създадено за нуждите от анализ на ефективността на производството на сгъстен въздух в завода и като основа за одита на управлението на KS. Ние обаче не разглеждаме този проблем в тази статия.

На фиг. 2 показва пример за свързване на измерванията на параметрите на сгъстен въздух на един от компресорите, в синята графика на лявата първична ос е въздушният поток (червена крива), а на лявата вторична ос налягането в точката на измерване зад компресор и температурата на произведената среда.

Оста x показва времевата линия на измерването, в горната част на графиката се измерва консумацията на енергия на дадения компресор. Оранжевият цвят показва интервалите, през които компресорът е преминал в намалено състояние след намаляване на оборотите на двигателя до минимум.

Въпреки това, дори в леко състояние, той все още консумира около 40% от енергията от консумация при максимално натоварване. Осветеното състояние служи за защита на компресора от чести изключвания, в случай че нуждите от сгъстен въздух в системата спаднат под минималната граница, която той може да подава по време на FM управление.

След това ще се съсредоточим върху консумацията на електроенергия KS като цяло и ще покажем как този енергиен поток може да бъде прехвърлен към отоплителната система или подготовката на БГВ. Общ изглед на консумацията на енергия на компресорите (фиг. 3) говори за тяхното редуване през един работен ден.

Вижда се, че само два от трите компресора работят. Те се редуват, така че можем да говорим за относително постоянно производство на въздух, т.е. за постоянна нужда от охлаждане на компресорите. В кулоарите отбелязваме само, че работата на тази KS изобщо не е оптимална.

Измерването на три компресора, всеки от които с двигател от 200 kW, продължи една седмица. Обобщение на измерванията от тяхното действие е показано на ФИГ. 4. Първата графика показва работата на компресора с FM, поради което е необходимо да се възприемат данните му в този контекст.

Останалите два компресора работеха или при 100% от входната си мощност, или при 40% в светло състояние (синият цвят показва колко дълго е изключен всеки от компресорите). От графиките е възможно да се определи консумацията на енергия за работа на KS. Въз основа на измерването на ФИГ. 3 можем да говорим за постоянно производство на въздух, т.е. също за постоянна нужда от охлаждане на компресорите.

Фиг. Пример за взаимно свързване на измервания на параметри на сгъстен въздух на един от компресорите

Необходима топлина за разсейване

Първата част на ФИГ. Фигура 4 показва работата на компресора с FM, другите два компресора работят или на 100% от входната си мощност, или на 40% в олекотено състояние. Ако е необходимо, би било възможно да се определи консумацията на енергия за работа от графиките.

Компресорната станция консумира общо 71 MWh/седмица, което вече е интересно 7810 €/седмица на цена от 110 €/MWh. Ако преобразуваме тази енергия в топлина с ефективност от 94%, това е 66,74 MWh топлина на седмица.

С цената на променливия топлинен компонент 50 €/MWh, това би спестило 3,337 €/седмично, което е 180 200 € годишно. Това изразява брутния потенциал за икономия, даден от производителността на компресорите в KS, ако успяхме да консумираме целия топлинен поток от KS. Възниква обаче второто условие, а именно необходимостта от топлина в централата.

Нуждата от топлина

За охлаждане на компресорната станция се използва въздушен или воден разтвор. И в двата случая компресорът трябва да се охлади и трябва да има къде да подава топлина, респ. имат резервоар за съхранение, в който може да се прехвърля топлина с нисък потенциал.

Това може да бъде съседно пространство под формата на зала, склад или просто околността. Това се решава чрез проста конструкция в рамките на вентилацията KS - през лятото нагрятият въздух се изхвърля към околността, през зимата той регулира съседните пространства.

В този случай възвръщаемостта е значително по-бърза от метода на водно охлаждане. Ако не е необходимо да се отоплява пространството, топлият въздух се отклонява от обикновена амортисьорка. При охлаждане с вода е необходимо да се обърне внимание на анализа на потребностите от топлина, не само в обема на ден, а също така е подходящо да се разгледа ходът на потреблението на топлина в системата, към която планираме да доставяме топлина.

Ако топлината, произведена на ден, е близка до нуждите от топлина на телевизионната система, това не означава, че ще бъде възможно да се постави в нея. Естеството на нуждата от телевизия в компанията се определя значително от промените и пиковете по време на тяхното въртене.

По същия начин нуждата от топлина се колебае през годината, така че през лятото е необходимо да се разчита на най-ниската нужда (време за почивка, по-малки загуби в циркулацията). Когато се взема решение относно използването на топлина за приготвяне на БГВ, трябва да се има предвид и консумацията на газ за приготвяне на БГВ.

Също така е необходимо да се съсредоточите върху реалната консумация на вода в системата, което може да се направи чрез измерване на добавянето на студена вода (SV) към телевизора. Чрез комбинирането на тези две данни можем да разберем колко от загубите в циркулацията и колко за отопление на прясна вода от системата.

Графиката на ФИГ. 5 показва разхода на газ за нуждите на CH и DH в инсталацията. Тези данни показват потреблението на топлина в сградата годишно в сравнение с четири години. Минимумът е, разбира се, през летните месеци.

Следователно консумацията през лятото (обвързана само с нуждата от телевизор) ще бъде решаваща - това е количеството топлина, което можем да поставим през лятото, без да е необходимо допълнително да охлаждаме компресорите по друг начин.
Данните за потреблението обаче трябва да бъдат разгледани по-подробно по време на лятната експлоатация.

Представяме пример за измерване на потреблението на телевизия през две седмици (измерванията се провеждаха в рамките на четвъртчасово вземане на проби). Тези данни, измерени за попълването на SV в телевизионната система на фиг. 6 е необходимо за точно определяне на действителното потребление на топлина през лятото.

Разбира се, необходимо е да се вземат предвид топлинните загуби по време на циркулацията на водата около сградата, които често са два пъти по-големи от нуждите от топлина за отопление на прясно попълнените SV. От профила на измерване с пикова консумация става ясно, че ще е необходимо да се вземат предвид резервоарите за съхранение на телевизора в сградата, тъй като необходимостта от охлаждане на KS не съответства на необходимостта от подготовка на телевизора.

С 165 m 3 студена вода с температура 10 ° C, попълнена за 14 дни, това означава 15 520 MJ/седмица, което е 4,3 MWh седмично; ако добавим два пъти топлинното търсене за загуби в циркулацията, получаваме 12,9 MWh седмично.

Фиг. 6 Измерване на потреблението на телевизия за две седмици

Трябва да се охлади vs. търсене на топлина

Нека да разгледаме и двете данни сега. Доставката на топлина под формата на поток от охлаждането на компресорите е 66,74 MWh, а необходимостта от топлина за покриване на подготовката на БГВ през лятото, дори при загуби на циркулация, е 12,9 MWh/седмица. Вижте значителна диспропорция между предлагането/необходимостта от охлаждане и търсенето/необходимостта от отопление.

Топлината, която потенциално се подава към системата от компресорите, е твърде голяма през лятото, така че е необходимо да се осигури нейното разсейване - независимо дали в сух охладител или по друг начин. Това обаче ще увеличи инвестиционните разходи за системата за водно охлаждане KS.

Възможно е да се инсталира водно охлаждане само на един от трите компресора, докато тази топлина се използва за подготовка на телевизора, останалата част се издухва в околната среда през лятото или през зимата директно нагрятият въздух от охлаждането на компресора се отвежда в съседен площи с отопление.

Ако ще охлаждаме и трите компресора с вода, е необходим охладител за отвеждане на излишната топлина към околната среда, но по време на отоплителния период топлината от KS, която не е необходима за приготвяне на БГВ, ще бъде използвана за предварително загряване на централното отопление върнете се в котелното.

В това решение е необходимо да се има предвид влиянието на температурата на връщане и факта, че топлинният поток от KS не е постоянен. Когато създавате тази концепция, е важно да коригирате M&R, за да вземете предвид тези факти.

На фиг. 7 виж измервания на изхода на котелното помещение и при връщането преди въвеждането на такъв топлинен поток и след инсталирането на топлинна обработка на отпадъци около 28 юли 2017 г. При връщането има очевидно повишаване на температурата, така че трябва да се има предвид как това ще повлияе на работата на източника на топлина.

В този случай беше засегнат кондензационният котел, чиято ефективност намаляваше с увеличаване на температурата на връщане. Ние обаче не твърдим, че такова решение не се вписва в кондензационната верига, но е необходимо да се проследи промяната след пускане и, ако е необходимо, да се вземат мерки чрез регулиране на веригата.

В графиката на фиг. 8, за да видите коригираната температура на връщане (тъмно синьо) след регулирането на същата система през юли 2018 г. Смятаме, че си струва да имаме постоянен преглед на температурите на важни вериги, за да следим причините и последиците от интервенциите, извършени на всяка система.

Не е допустимо добронамерената намеса да наруши дългосрочната ефективност на системата. Дори в този случай това, което не се измерва, не може да бъде повлияно. Примери могат да се видят на графиките от 2017 г. (завой от юли и август, фиг. 7) и 2018 г. (между 26 и 28 юли, за да се види провал в системата с продължителност един ден, фиг. 8).

Нивото на температурата на връщане е друг определящ фактор при разглеждане на местоположението на топлината от охлаждането на KS. Препоръчваме да проверите температурата, необходима за охлаждане на компресорите, и температурата на средата, до която ще разсейваме топлината. Много често това не се взема предвид.

Предвид гореизложеното, очакванията на такова решение трябва да бъдат силно обмислени. Вярно е, че колкото по-подробни и точни са данните, измерени на реалната система, толкова по-отговорно е решението и предложението.

Дизайнерът се основава на заданието, което получава, често груби оценки и предположения. Не е обичайно такива неща да се измерват при нормална промишлена експлоатация, няма причина за това и при изграждането на нова фабрика не се мисли, респ. След това се вземат предвид температурите, които след това не отговарят на реалността.

В такъв случай е възможно да се инсталира временно измерване, което не е инвестиционно интензивно, но ще предостави по-точни данни. Намирането на пари за такова измерване се отплаща в отговор дали има потенциал за използване на топлина от компресори и каква ще бъде реалната възвръщаемост на инвестицията.

Фиг. 7 Измервания на изхода на котелното и при връщането преди въвеждането на топлинен поток и след инсталирането на топлинна обработка на отпадъци около 28 юли 2017 г. |

В заключение

Икономиите на енергия ще бъдат определени по-реалистично, ако измерването се извършва в дадена операция и енергийните му потоци са балансирани. След извършване на много одити на системи за сгъстен въздух, в този случай клиентът реши да инсталира постоянно измерване, което е добра основа за точно насочени мерки.

Документите, послужили като основа за нашата статия, са резултат от измервания по време на одита на производственото предприятие. При входовете, базирани по този начин, изчислените спестявания са реалистични. Това ще помогне да се управляват очакванията на клиентите и да се реализира потенциалът за спестявания.

През 21 век, в ерата на IoT и цифровите технологии, очакваме измерването и оценката на данните да станат неразделна част от процеса. Предстоящата Индустрия 4.0 също призовава за тези мерки. Автоматизацията на интервенциите в управлението на процесите и машинното обучение са част от нов поглед към решаването на проблеми, който в миналото често е бил решаван интуитивно и чрез оценка.

При провеждането на енергиен одит въпросът за сгъстения въздух често се разглежда само като второстепенна тема. Най-често срещаме предложение за рекуперация на топлина от охлаждане на компресора до централно отопление или за подготовка на БГВ.

Икономиите, обещани от одиторите, обаче често са нереалистични, което беше една от основните причини за тази статия. Препоръчваме системата за сгъстен въздух да бъде ревизирана от обучен и квалифициран специалист по компресорната система.

Това ще ви помогне да изберете най-добрите опции и възможности, налични в рамките на конкретно съоръжение. В допълнение към спестяването на енергия може да се посочи важен аргумент, че възстановяването на топлината е полезно за околната среда.

Значителните икономии на енергия в крайна сметка означават намаляване на въглеродния отпечатък на устройството. В контекста на изменението на климата тези аспекти също ще станат по-важни в аргумента за въвеждане на подходящи мерки.

Статията е публикувана в списание TZB Haustechnik 4/2019.