Postęp w chłodnictwie zasilanym parą

Chłodnictwo zasilane parą jest uznaną technologią, która oferuje często niedostrzeganą alternatywę dla chłodnictwa zasilanego elektrycznie. Chociaż technologia ta rozwinęła się znacząco w ostatnich latach, poświęcono jej daleko mniejszą uwagę niż dominującej opcji – chłodnictwu zasilanemu gazem. Dla lepszego zrozumienia problematyki związanej z urządzeniami dla chłodnictwa parowego, artykuł ten prezentuje niektóre jego podstawowe zasady i porównuje najczęściej stosowane typy wytwornic wody chłodniczej stosowane w instalacjach o dużej wydajności.

Porównanie wytwornic zasilanych
energią elektryczną i parą
Tradycyjnie, urządzenia chłodzące
w dużych zakładach to zasilane elektrycznie
odśrodkowe wytwornice wody
chłodniczej, ze względu na ich względnie
niskie koszty inwestycyjne i wysoką sprawność. W ciągu kilku ostatnich
lat, koszty energii w okresie szczytowego
zapotrzebowania i cena czasu
rzeczywistego (RTP) dla energii elektrycznej
stanowiły wyraźną zachętę dla
efektywnego zarządzania obciążeniem
elektrycznym, w szczególności w godzinach
szczytu. Ponieważ praca
w godzinach szczytu zasadniczo odpowiada
szczytowemu zapotrzebowaniu
dla klimatyzacji, projektanci urządzeń
do ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji
zastanawiają się jak zastosować wytwornice
nieelektryczne w celu zmniejszenia
zużycia kosztownej w godzinach
szczytu energii elektrycznej.
Wybrane dane wytwornic elektrycznych
i parowych zestawione są w tabeli
1, która porównuje sprawność ogólną
(całkę wartości obciążenia częściowego
[IPLV]) i koszt inwestycyjny. Ponieważ porównujemy wytwornice zasilane
z różnych źródeł energii, wartości IPLV
są określone jako wartości współczynnika
wydajności chłodniczej (COP).
Wszystkie wielkości bazują na średnich
przemysłowych.
Tabela 1. Typowe sprawności i koszty wytwornic chłodzonych wodą

Jak pokazuje tabela 1, wszystkie
wytwornice zasilane parą mają zarówno
wyższe koszty inwestycyjne, jak
i niższe wartości IPLV w porównaniu
do elektrycznych. Zatem więc, kiedy
ma sens użycie wytwornicy zasilanej
parą?
Koszty energii
Prosta odpowiedź brzmi: jeżeli koszt
elektryczności jest wystarczająco wysoki
w porównaniu do kosztu pary, koszty
wytwornicy zasilanej parą w ciągu
całego okresu eksploatacji mogłyby
być niższe pomimo jego wyższego kosztu
inwestycyjnego i niższej IPLV.
Taki scenariusz nie jest rzadkością.
Mając możliwość pokrycia ze źródła
parowego szczytowych zapotrzebowań
na chłód, można obniżyć koszty
związane ze stałymi opłatami za zużycie
energii elektrycznej. Unika się wtedy
niebezpieczeństwa, że nieprzewidziany
szczyt, przekraczający ustalony
limit, spowoduje naliczenie przez elektrownię
wysokich kar.
Z drugiej strony, tanią parę można
uzyskać z lokalnych urządzeń generujących moc, które mogą być również
instalowane z myślą o zmniejszeniu
zapotrzebowania w godzinach szczytu.
Dostrzega się zarówno rosnące koszty
korzystania ze źródeł energii dla
wszystkich wytwornic jak i obawy o stabilność
jej dostaw w niektórych regionach.
To skłania wielu inżynierów do rozważenia kombinacji wytwornic elektrycznych
i nieelektrycznych, w celu osiągnięcia
najkorzystniejszych cen energii i zapewnienia
ochrony przed przyszłą niepewnością co do cen energii i jej dostaw.


Urządzenia z zastosowaniem wytwornic
Hybrydowych
W zależności od lokalnych struktur
kosztów i stawek energii, kombinacja
wytwornic elektrycznych i nieelektrycznych
(to znaczy
instalacja hybrydowa)
może
zapewnić najniższy koszt w całym
okresie eksploatacji
[1]. Oczywiście
nie ma
dwóch identycznych
instalacji
chłodniczych, ani
identycznych kosztów
energii,
więc określenie
optymalnej kombinacji
wytwornic i najlepszej strategii działania wiąże
się z kompleksowymi obliczeniami.
Szczęśliwie, programy komputerowej
analizy kosztów mogą szybko analizować
wiele zmiennych i dopomóc zawęzić
obszar wyboru sprzętu. Programy
te mogą dokonać szczegółowej
analizy w celu ukazania skutków wahań
kosztów energii i pomóc zdecydować
na przykład o punktach granicznych
dla przełączenia z wytwornic
elektrycznych na parowe.
Dostawy pary
Niniejszy artykuł celowo pomija
szczegółową dyskusję na temat wytwornic
absorpcyjnych jednostopniowych,
które zasilane są parą o niskim
ciśnieniu (lub gorącą wodą). Ta technologia
chłodnicza jest stabilna i bardziej
pasuje do zastosowań z odzyskiem
ciepła niż do użycia pary jako
zasadniczego źródła energii. Zamiast
tego, uwaga skierowana jest na wytwornice
stosowane w układach o średnim
ciśnieniu pary, zawierającym się
w zakresie od 100 do 200 psi (690 do
1380 kPa). Wytwornice te mają wyższe koszty inwestycyjne, ale oferują
lepsze wartości IPLV niż wytwornice
zasilane parą o niskim ciśnieniu. Dodatkowo,
technologia ta została rozwinięta
tak, że wytwornice na parę
o średnim ciśnieniu są łatwiejsze do
zainstalowania i obsługi niż bywało
dawniej.
Para o średnim ciśnieniu dostarczana
jest zwykle z jednego z trzech
źródeł:
1) Komunalne układy dystrybucji pary,
spotykane w pewnych obszarach
miejskich (na przykład New York,
Philadelphia lub Minneapolis/St.
Paul);
2) Niekomunalne zakłady produkujące parę, obsługujące własny system
dystrybucji, realizujące zwykle
jednoczesne wytwarzanie elektryczności
przez turbinę gazową
i ciepła z gazów wylotowych turbiny,
wykorzystywanego do produkcji
pary, traktowanego jako integralna
część sprawności cyklu (rozwiązanie
spotykane w dużych instalacjach,
na przykład miasteczka akademickie);
3) Kocioł, który użyty jest dla wytwarzania
mocy albo dla celów technologicznych
/ ogrzewania w danym zakładzie lub przeznaczony jest wyłącznie dla wytwornicy parowej.
Układy skojarzonej gospodarki cieplnej
i kotły działają zwykle przez okrągły rok, aby pokryć lokalne zapotrzebowanie,
ale ich sprawność jest niska latem,
kiedy produkują parę przy niskim
obciążeniu. W niektórych przypadkach
najbardziej ekonomicznie jest utrzymywać
wyższy poziom spalania latem
i produkować parę dla chłodnictwa.
Dodatkowe oszczędności mogą powstać
na skutek stosowanej strategii
zarządzania zapotrzebowaniem w celu
uniknięcia szczytowych stawek za
energię elektryczną, uzyskania konkurencyjnych
stawek za dostawy nieciągłe, czy upustów komunalnych. Organizacje
przemysłowe takie jak np. District
Energy Associaton w USA bronią
ekonomicznych i środowiskowych korzyści
wynikających z eksploatacji takich
parowych systemów ogrzewania /
chłodzenia komunalnego [2].
Wytwornice wody lodowej zasilane
parą o średnim ciśnieniu
Dwoma najbardziej podobnymi do
siebie typami wytwornic wody lodowej
zasilanych parą o średnim ciśnieniu są
wytwornice absorpcyjne dwustopniowe
i wytwornice odśrodkowe z turbiną parową. Zasadniczo wytwornica absorpcyjna
wykorzystuje parujący czynnik
chłodniczy (zwykle wodę) do odebrania
ciepła od chłodzonej cieczy i roztwór
absorbentu (zwykle bromku litu)
do regeneracji czynnika chłodniczego.
W przypadku wytwornicy odśrodkowej
z turbiną parową, para napędza
turbinę, ta zaś sprężarkę w celu realizacji cyklu
mechanicznego sprężania
par. Bardziej szczegółową
analizę zawiera podręcznik
ASHRAE [3]. Porównajmy te
dwa systemy w oparciu
o niektóre istotne parametry.

Wydajność
Dwustopniowe wytwornice
absorpcyjne dostępne są
w szerokim zakresie wydajności:
od około 100 do powyżej 1500 ton (350 do
5300 kW). Wytwornice odśrodkowe
z turbiną parową
dostępne są w zakresie od
kilkuset aż do 5000 ton
(17600 kW). Zatem zakresy
powyższych typów wytwornic
pokrywają się, co należy
rozważyć przy każdym potencjalnym
zastosowaniu.
Koszt turbin parowych
jest względnie stabilny z uwagi na znaczący udział obróbki mechanicznej.
Z drugiej strony koszt dwustopniowej
wytwornicy absorpcyjnej jest zasadniczo
proporcjonalny do jej wydajności.
Ogólnie rzecz biorąc, charakterystyki
te oznaczają że wytwornice absorpcyjne
są zasadniczo bardziej efektywne
pod względem kosztów dla wydajności
mniejszych niż 1000 ton (3500 kW),
podczas gdy wytwornice odśrodkowe
z turbiną parową charakteryzują
się większą efektywnością kosztową
dla wydajności powyżej 1000 ton
(3500 kW).

Sprawność
Dla obydwu typów wytwornic zużycie
energii mierzone jest w ten sam
sposób: entalpia dostarczanej pary minus
entalpia skroplin powracających
do źródła pary. Dla dwustopniowych
wytwornic absorpcyjnych, para jest całkowicie skroplona, ale sprawność cyklu
jest niska. Dla wytwornic odśrodkowych
z turbiną parową, para opuszczająca turbinę jest tylko częściowo skroplona.
Przy temperaturze poniżej
115oF (46oC), entalpia pary nie jest
zwykle wystarczająca do użycia jej jako
kolejnego źródła energii ale, aby
mogła być przeniesiona z powrotem do
źródła wytwarzania pary, musi nastąpić
całkowite jej skroplenie w skraplaczu.
Z punktu widzenia termodynamiki, jest
to nieunikniony wydatek energii. Pomimo
tej straty, IPLV 1.8 dla wytwornic
z turbiną parową jest wyższa w porównaniu
z 1.3 dla urządzeń absorpcyjnych.
Dzieje się tak dzięki ich bardziej
wydajnej pracy w warunkach niezgodnych
z projektowymi, co wyjaśniono
poniżej.
Czynnikiem mającym znaczący
wpływ na parametry w warunkach pracy
urządzenia niezgodnych z projektowymi
jest temperatura wody na wejściu
do skraplacza (ECWT). Jest praktyczną regułą, że niższa ECWT oznacza
mniej energii dostarczanej do wytwornicy,
dla zadanego obciążenia chłodniczego.
Wytwornice odśrodkowe z turbin
ą parową mogą działać przy temperaturach
ECWT tak niskich jak
55oF (13oC), podczas gdy dwustopniowe
wytwornice absorpcyjne mają minimalną temperaturę ECWT na poziomie
70oF (21oC). Rysunek 2 pokazuje typowy
wykres ECWT w funkcji obciążenia
chłodniczego i pokazuje wymagania
dla utrzymania ECWT powyżej poziomu
minimalnego dla małych obciążeń.
Przy równych wartościach wszystkich
pozostałych czynników, wytwornica odśrodkowa
z turbiną parową zużywa
mniej energii, gdy ECWT jest pomiędzy
70oF i 55oF (21oC i 13oC).
Drugim czynnikiem, mającym znaczący wpływ na parametry w warunkach
pracy urządzenia niezgodnych
z projektowymi, jest napęd o zmiennych
obrotach. Najbardziej skutecznym
sposobem sterowania
sprężarką odśrodkową jest napęd
zmiennoobrotowy. W wytwornicach
elektrycznych napęd
jest dodatkowym komponentem.
Z drugiej strony turbiny
parowe posiadają naturalne
możliwości zmiany obrotów.
Tak więc, przy zmniejszonym
obciążeniu chłodniczym
i zmniejszonej ECWT, wytwornica
odśrodkowa z turbiną parową staje się bardzo efektywna.
W warunkach zgodnych
z projektowymi obydwa typy
wytwornic charakteryzują się
podobnym COP. Jednak wytwornica
odśrodkowa z turbiną
parową oferuje wyższe parametry
w warunkach pracy
urządzenia niezgodnych z projektowymi.
W rezultacie wartości
IPLV są również wyższe.
(Rys. 3).

Rys. 2. Zakres roboczy temperatury na wejściu do skraplacza

Rys. 3. Porównanie współczynników wydajności chłodniczej

Zajmowana powierzchnia podłogi
Ulepszona powierzchnia rur parownika
i skraplacza w znacznym stopniu
poprawia wymianę ciepła dla czynników
chłodniczych na bazie freonu, ale
tam gdzie woda jest czynnikiem chłodzącym, zysk jest niewielki. Ponieważ
w wytwornicach odśrodkowych z turbin
ą parową stosuje się czynnik chłodniczy
na bazie freonu, rury o ulepszonej
powierzchni pozwalają na uzyskanie
zwartego płaszcza wymiennika ciepła.
W wytwornicy absorpcyjnej, gdzie jako
czynnika chłodniczego używa się wody,
płaszcz jest zwykle większy przy tej
samej wydajności. Na przykład, zajmowana
powierzchnia podłogi dla dwustopniowej
wytwornicy absorpcyjnej
1500 ton (3500 kW) wynosi około 310
stóp kwadratowych (28,8 m2), podczas
gdy wytwornica odśrodkowa o takiej
samej wydajności z turbiną parową zajmuje powierzchnię tylko 170 stóp kwadratowych
(15,8 m2), co daje 80%
oszczędności.
Współczesne modele odśrodkowe
wykorzystują również zestawy komponentów
fabrycznych, aby zmniejszyć
zajmowaną powierzchnię podłogi, wymaganą dla ich starszych wersji. Skraplacz
pary może być zamontowany na
skraplaczu czynnika chłodniczego –
opcja dostępna od niedawna.

Instalacja
W porównaniu z wytwornicami elektrycznymi,
obydwa typy wytwornic parowych
wymagają nieco więcej
uwagi przy instalacji.
Użycie pary pociąga za sobą
więcej połączeń rurowych
(dostarczanie pary, powrót
skroplin, dostarczanie powietrza)
dodanych do zwykłego układu rur wody lodowej
i układu skraplacza. Jeżeli wydajność wytwornicy
absorpcyjnej jest duża, może być wymagany transport
w dwóch podzespołach, co
wymusza konieczność montażu w miejscu instalacji.
Wytwornica odśrodkowa
z turbiną parową wymaga
montażu skraplacza pary (zwykle wysyłanego niezależnie od wytwornicy)
i podłączenia układu parowego od wylotu
turbiny do wlotu skraplacza pary.
Z drugiej jednak strony, w porównaniu
ze starszymi wytwornicami odśrodkowymi
z turbiną parową, ilość prac montażowych wymagana dla wytwornic
obecnej generacji jest dużo mniejsza
dzięki częściej stosowanej konstrukcji
pakietowej.

Sterowanie
Mikrokomputerowe sterowniki dla
obydwu typów ochładzalników stały się
standardowymi elementami ich wyposażenia i zapewniają zaawansowane funkcje
sterowania. W dwustopniowej wytwornicy
absorpcyjnej, funkcja „pulldown
demand” umożliwia liniowy wzrost wydatku
pary dopływającej podczas rozruchu.
Nastawy programowe obejmują początkowe położenie zaworu i czas trwania
stanu uzyskiwania wartości zadanej
(„pulldown demand”). Zabezpiecza to
skutecznie wytwornicę przed pobieraniem
podczas rozruchu większej ilości
pary niż system jest w stanie dostarczyć.
W rezultacie wytwornica unika nagłego
spadku ciśnienia pary w układzie i związanych z tym problemów, takich jak porywanie
wody kotłowej.
Zdalne sterowanie ograniczeniem
wydatku pary jest możliwe w oparciu
o sygnał generowany przez układ automatyki
budynku (BAS). BAS może,
w zależności od potrzeb, nadawać wytwornicy
lub innym procesom wyższy
priorytet wykorzystania pary bez ingerencji
operatora. W przypadku wytwornic
odśrodkowych z turbiną parową,
wprowadzenie sterowników mikroprocesorowych
pozwala wszystkim
podzespołom systemu pracować razem
w bardziej efektywny sposób – zadanie
niewykonalne dla starszych
technologii sterowania. W starszych
systemach mieliśmy niezależne układy
sterowania agregatem wody lodowej,
turbiną parową i skraplaczem. Większa
integracja podzespołów powoduje
większą integrację sterowania. Chociaż nowe, mikroprocesorowe, graficzne
układy sterowania wyświetlają więcej
danych, są one bardziej intuicyjne
i prostsze w użyciu. (Rys. 4).

Rys. 4. Przykład interfejsu graficznego
Obszarem, gdzie sterowniki mikroprocesorowe
mają być może największe
znaczenie dla wytwornic odśrodkowych
z turbiną parową jest faza rozruchu.
W przypadku starszych typów wytwornic,
operatorzy musieli być specjalnie
przeszkoleni w zakresie procedury
rozruchu ręcznego. Gorąca para wchodząca do chłodnej turbiny powodowała
skroplenie się pewnej ilości wody, która
musiała być odprowadzona przed rozruchem
turbiny. Para mogła również
powodować gradienty temperatury wewnątrz turbiny, które mogły być przyczyn
ą uszkodzeń, o ile nie zostały wyrównane.
Wobec powyższego turbina
musiała być powoli obracana, aby podgrzać
wszystkie jej części do właściwej
temperatury.
W odróżnieniu od takiej sytuacji, dzisiejsze
układy sterownicze mogą „prowadzić”
operatora poprzez cały proces
rozruchu, co zmniejsza wymagania
w zakresie wyszkolenia. Dostępna jest
również opcja rozruchu „w pełni automatyczna”.
Dzięki temu omawiane wytwornice
są równie łatwe w obsłudze
jak elektryczne.
Podsumowanie
Wysokie koszty energii elektrycznej
(spowodowane przez opłaty za pokrycie
żądanego zapotrzebowania lub
strukturę stawek RTP) i/lub niski koszt
pary mogą uczynić hybrydowe, elektryczno-
parowe urządzenie finansowo
atrakcyjnym. średniociśnieniowe, dwustopniowe
wytwornice absorpcyjne
oraz odśrodkowe z turbiną parową oferuj
ą najlepsze wartości IPLV i najnowsze
zdobycze techniki. Zatem, o ile para
o średnim ciśnieniu jest dostępna na
obszarze instalacji chłodniczej i stawki
za energię są korzystne, najnowsza
technologia wytwornic zasilanych parą
jest warta rozważenia przy projektowaniu
instalacji nowych i modernizowaniu
istniejących.
Zastosowania praktyczne

Klimatyzacja obiektu sportowego
zasilana parą
Zespół boisk do koszykówki Comcast
Center, University of Maryland
USA, o powierzchni 470 000 stóp kwadratowych
(43700 m2) jest wyposażony
w 2100 tonową (7400 kW) instalację
chłodniczą z jedną elektryczną wytwornicą odśrodkową wody lodowej i jedną
wytwornicą odśrodkową z turbiną parową, z których każda wykorzystuje
czynnik chłodniczy R 134a i każda jest
wielkości 1050 ton (3700 kW). Ośrodek
mieści 18 000 miejsc widowni głównej,
biura administracji, pomocniczy ośrodek
akademicki z salami gimnastycznymi
na 1500 osób i pomieszczenia
socjalne o wielorakim przeznaczeniu.
Główne wydarzenia, włącznie z meczami
koszykówki, odbywają się
w ośrodku około 100 razy w roku, głównie
od września do maja.
Podczas projektowania układów
ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji inżynierowie musieli rozważyć to zmienne,
zróżnicowane obciążenie. Projektowany
koszt całego okresu eksploatacji
instalacji hybrydowej w porównaniu
z instalacją całkowicie elektryczną pokazał, że układ hybrydowy może dać
oszczędności energii na poziomie prawie
70 000 $ w skali roku.
Uniwersytet kupuje energię z zakładu
komunalnego, który zapewnia elektryczność,
gaz i parę jak również możliwości skojarzonej gospodarki cieplnej.
Elektryczność z elektrociepłowni
zużywana jest na pokrycie głównego
zapotrzebowania miasteczka akademickiego
(18–19 MW) i dla zmniejszenia
ilości kupowanej energii uzupełniającej w okresach wysokiego zapotrzebowania
(szczytowe obciążenie
miasteczka akademickiego wynosi
35 MW).
Utrzymując elektrociepłownię w zakresie
maksymalnej sprawności, miasteczko
akademickie produkowało
nadmiar pary (niepotrzebnej do ogrzewania
podczas ciepłych miesięcy). Ponieważ para ta dostępna jest dla instalacji
Comcast Center, powstał plan
wykorzystania wytwornicy z turbiną parową jako urządzenia pokrywającego
zapotrzebowanie podstawowe przy
wyższych temperaturach otoczenia,
a następnie wytwornicy elektrycznej do
pokrycia zapotrzebowania na chłodzenie
podczas pozostałych miesięcy. Ta
strategia działania może jednak ulegać
zmianom wraz z cenami energii i struktur
ą stawek.
W tym hybrydowym urządzeniu zastosowano
konwencjonalny, stały przepływ w obiegu pierwotnym i zmienny
w obiegu wtórnym (ze zmiennym
w 100% wydatkiem pomp). Wytwornica
z turbiną parową wykorzystuje parę
o ciśnieniu 110 do 120 psi (760 do
830 kPa), dostarczaną z miejscowej
elektrociepłowni.
Woda lodowa o temperaturze
44oF (7oC) dostarczana jest do 29 central
klimatyzacyjnych, wyposażonych
w elektroniczne napędy o zmiennych
obrotach. Osiem głównych central,
każda o wydajności 45000 cfm
(76400 m3/h), obsługuje zespół boisk
do koszykówki. Zespół boisk został zaprojektowany
tak, aby utrzymać wydatek
powietrza w wentylacji na poziomie
7,5 cfm (12,7 m3/h) na osobę, na godzinę.
Jest to zgodne z normami ASHRAE
ze względu na krótki czas trwania
meczu koszykówki (nie dłużej niż 3 godziny).
Przy pominięciu automatyki, system
wentylacyjny może dostarczyć aż
100% powietrza zewnętrznego, jeżeli
poziom CO2 w obiekcie osiągnie 1200
ppm.


Autor: Ian SPANSWICK – Product Manager Applied Chiller Group at York International Corp.,
Tłumaczył: mgr inż. Jarosław MIRKOWICZ – ESG Product Manager, York International Chłodnictwo i Klimatyzacja
LITERATURA
[1] SMITH, B. 2002. „Economic analysis of hybrid
chiller plants” ASHRAE Journal 46(7).
[2] International District Energy Association,
www.districtenergy.org.
[3] 2002 ASHRAE Handbook — Refrigeration,
Chapter 41: Absorption Chillers; 2000
ASHRAE Handbook — HVAC Systems and
Equipment, Chapter 7: Steam Turbines.