Технічні заходи по економії електроенергії в холодильному обладнанні та компресорах.

 

      Холодильне обладнання

Холодильні системи, схема якої показана на рис.3.8, споживають велику частину електроенергії в різних галузях промисловості. Більшість холодильних установок працює на основі стандартного циклу випару компресії, як це показано на рисунку. Значної економії енергії можна досягти шляхом поліпшення конструкції, експлуатації й обслуговування холодильних установок.

Навантаження холодильників складається із декількох складових:

- втрати при передачі;

- втрати на вентиляцію, або пропускання повітря;

- внутрішні джерела тепла (освітлення, вентилятори, насоси, пристрої розморожування, люди в холодильній камері, вантажівки, і т.д.);

- охолодження товарів від початкової високої температури до кінцевої низької.

На рис. 3.9 показана схема холодильної системи і напрямки основних втрат енергії.

 

Рисунок 3.8 – Схема простою одноступінчатої холодильної системи

1 – компресор; 2 – конденсатор; 3 – розширювальний клапан; 4 – випарник; 5 – насос чи вентилятор для охолодження конденсатора; 6 – насос чи вентилятор для холодної сторони

 

 

Рисунок 3.9 Схема холодильної системи і напрямки основних втрат.

1- компресор; 2- конденсатор з повітряним охолодженням; 3- випарник; 4- втрати через протікання повітря; 5- втрати через теплопередачу; 6- втрати через наявність джерел тепла усередині холодильної камери.

 

Аналізуючи навантаження холодильного устаткування, можна знизити споживання енергії в холодильній установці. В першу чергу - це типові маловитратні заходи (наприклад, зменшення часу, протягом якого відкриті двері в холодильній камері). Типові можливості для економії найчастіше зв'язані зі стратегією керування. Дуже важливо уникати роботи при частковому завантаженні.

Часто можна локалізувати деяку економію на "гарячій стороні" холодильної машини, тобто біля конденсатора. Іноді можна зменшити температуру конденсації за рахунок поліпшення теплопередачі (наприклад, на практиці часто зустрічаються сильно засмічені чи заржавілі форсунки випарника). На кожному градусі, на якому ми знижуємо температуру конденсатора, ми заощаджуємо 2 - 5 % енергії.

Типові можливості для економії енергії:

- уникати навантаження (чи принаймні зменшувати його), яке створюється за рахунок охолодження, чи переохолодження без технологічної необхідності заморожування;

- зменшувати холодильне навантаження шляхом поліпшення термоізоляції холодильних камер і зменшення їхньої внутрішньої вентиляції;

- підвищувати ефективність шляхом збільшення рівня температури на холодній стороні і зниження рівня температури на гарячій стороні. (кожний градус такої зміни приведе до зниження загального споживання енергії на 2 - 5 %);

- поліпшувати розмороження системи (ефективність обмерзлого випарника вкрай низка);

- уникати відкритих дверей і прорізів, а також інших витоків у холодильних камерах; якщо за технологією двері та прорізи неминучі, то час, протягом якого вони відкриті, повинен бути зведений до мінімуму; де тільки можливо, потрібно використовувати автоматичні двері чи хоча б теплоізолюючі завіси; оптимізувати транспортні потоки через холодильну камеру(рисунок 3.10 характеризує втрати через відкритий дверний проріз);

- продуктивність холодильних машин повинна мати автоматичне керування (наприклад, за допомогою термостата, особливо, у випадку, якщо навантаження змінне);

- зменшувати теплові втрати в мережі передачі хладогента за рахунок поліпшення термоізоляції;

- зменшувати кількість тепла, що віддається в холодильній камері різними об'єктами - насосами, освітленням, присутніми там людьми і т.д; освітлення в холодильній камері повинне бути виключено, і краще застосовувати "холодні" джерела світла, наприклад, люмінесцентні лампи.

Втрати, кВт

Різниця температур зовні й усередині камери, ºС

 

Рисунок 3.10 - Втрати енергії через відкритий дверний проріз 2хЗ м з холодильної чи морозильної камери при різних значеннях різниці температури зовні й усередині камери

- перевіряти, щоб теплопередача на випарнику і на конденсаторі була якнайкращої (тобто перевіряти, чи гарний до них доступ повітря, чи немає намерзання) (якщо це можливо, уникати роботи компресорів у напівнавантаженому стані(особливо це стосується гвинтових компресорів);

- у випадку, якщо тиск у конденсаторі контролюється термостатом, необхідно переконатися, що він не зафіксований на рівні високого тиску(при необхідності зменшити встановлене значення);

- у випадку низькотемпературних систем на основі аміаку, необхідно перевірити повітряно-вентиляційну систему конденсатора.

Крім того, холодильна система повинна бути включена в сферу інтересів загального енергетичного менеджменту на підприємстві. Рекомендується оснастити холодильну систему постійно діючим вимірювальним устаткуванням.

 

Компресори

 

Компресорні установки – це механізми, що призначені для отримання та транспортування стиснутого повітря або іншого газу.

Для виробництва стисненого повітря необхідні значні витрати електричної енергії. Виробництво стиснутого повітря – це процес, який може споживати до 30% від загального балансу споживання електроенергії підприємства. У зв’язку з цим скорочення витрат електроенергії в компресорних пристроях повинно бути одним з головних завдань експлуатації. Ця обставина потребує щоденної уваги до таких питань:

1). організація і експлуатація повітряного господарства підприємства;

2). скорочення втрат стисненого повітря до мінімуму;

3). максимальне використання встановленої продуктивності компресорної установки;

4). питання технічного удосконалення.

На рис. 3.11 представлена схема роботи компресора.

Рисунок 3.11 – Принципова схема установки високого тиску

1 - всмоктувальний повітряний фільтр;2 - компресори;3 – охолоджувач на виході;4 - вологовідділювач;5 – повітроприймач;6 - додаткова повітряна сушарка;7 - розподільча мережа;8 – пневмоінструмент.

Рисунок 3.12 – Енергетична діаграма компресора

 

Енергетична діаграма процесу виробництва стиснутого повітря (рис.3.12) показує, як іде процес перетворення підведеної електричної енергії до установки високого тиску в енергію стиснутого повітря.

 

Заходи по економії електричної енергії в компресорах,

 

I.Технічні заходи, що використовуються в процесі експлуатації:

а) заходи, що для своєї реалізації потребують суттєвих капіталовкладень:

- введення в роботу нового компресора;

- рекуперація тепла.

б) заходи, що не потребують додаткових капіталовкладень:

- розділення живильних повітротоків;

- контроль енергетичних показників;

- профілактично-ремонтні заходи;

- заходи по технічному та експлуатаційному удосконаленню;

 

Введення в роботу нового компресора.

 

У випадку, якщо підприємство вирішує придбати або установити нову систему стиснутого повітря, то необхідно звернути увагу на наступні важливі моменти:

а) необхідно запобігти збільшенню тиску в системі вище 5 Бар. (зниження тиску в системі на 1 Бар дозволяє знизити витрати електроенергії на 5-10%);

б) необхідно передбачити автоматичне відключення компресора при нульовому навантаженні;

в) у компресор повинне всмоктуватися повітря, охолоджене до мінімально можливої температури (збільшення температури всмоктуваного компресором повітря на кожні 4⁰С збільшує витрату енергії на 1%).

У сучасних компресорах споживання енергії при холостому ході складає усього 30% від споживання при повному навантаженні. У типових компресорах старих конструкцій ця цифра складає 90 %.

При заміні компресорів застарілої конструкції на нові з більш високими значеннями ККД річна економія електроенергії (кВт·год/рік) може бути визначена за виразом

 

ΔW=(P₁-P₂)·T                                             (3.6)

де P₁, P₂ — фактична потужність, що споживається двигунами компресора із мережі відповідно старої і нової конструкції, кВт;

Т - кількість годин роботи компресора на рік, год/рік.

В гвинтових компресорах підвищення ефективності може бути здійснено шляхом вдосконалення їх масляних охолоджувачів, в яких втрачається 20-30% електроенергії, що споживається компресорами.

 

Рекуперація тепла.

 

Температура стисненого повітря на виході поршневого компресора становить приблизно 125°С, турбокомпресора - 150°С. Утилізація цієї теплової енергії може значно підвищити ефективність системи стисненого повітря. Досвід експлуатації показує, що використання тепла стисненого повітря для підігріву води на технологічні потреби збільшує енергетичний ККД компресора на 4-5%.

 

Розділення живильних повітротоків.

 

Одним з шляхів зниження витікання повітря є розділення живильних повітротоків. У більшості випадків для споживачів високого і низького тиску використовується повітроток високого тиску, що пов'язано з додатковими втратами. Використання повітротокової мережі низького і високого тисків для відповідних споживачів дасть певний економічний ефект. В окремих випадках може бути використане дроселювання повітря у споживачів низького тиску при живленні від мережі високого тиску.

Як будь-яке відгалуження в електричній мережі повинно мати захист від коротких замикань, так і будь-яке відгалуження повітротоку повинно мати вентиль. Це забезпечить перекриття повітротоку в неробочий час і зменшить втрати стисненого повітря. В деяких випадках ефективним є розділення повітротоків для живлення споживачів з рівномірним і змінним режимом роботи. До останнього випадку можна застосувати перекриття повітротоку в режимі відключення. Зниження витікання стисненого повітря досягається також герметизацією фланцевих з'єднань, замикально-з'єднувальної апаратури, магістральних і гнучких повітротоків.

Якщо в одній і тій же системі використовуються різні рівні тиску, то можна розглянути можливість поділу цієї системи на дві або більше систем, що дозволяє скоротити витрати енергії.

 

Контроль енергетичних показників.

 

Для контролю роботи компресорної установки треба мати облік стисненого повітря, що витрачається. Рекомендується включати до складу системи стиснутого повітря набір постійно діючого вимірювального устаткування. Воно повинно ввійти до складу загальної системи енергетичного менеджменту на підприємстві. Наведемо приблизний перелік необхідного устаткування:

- два лічильники на кожний компресор, один з яких проводив би вимірювання в навантаженому стані, а інший - на холостому ходу;

- лічильник вмикань/вимикань компресора;

- портативне вимірювальне устаткування.

У випадку, якщо ніяке стаціонарне устаткування не встановлене, то можна скористатися портативними переносними приладами:

- вимірювач електричного навантаження (Вт) або струму (А) для перевірки споживання під час роботи під навантаженням і під час холостого ходу;

- термометр для виміру температури повітря на вході і виході компресора;

- секундомір для перевірки продуктивності (тобто часу підйому тиску з початку і до кінця при нульовому навантаженні).

Облік можна робити за допомогою витратомірів, які встановлюються на головній магістралі повітротоку і відгалуженнях (на окремі частини). Це дозволить:

 - аналізувати споживання стисненого повітря технологічними частинами і окремими пневмоспоживачами;

 - визначати причини недоцільної витрати стисненого повітря і прийняття відповідних рішень;

 - нормувати споживання пневмоенергії.

Контроль витікання стисненого повітря необхідно вести систематично і своєчасно. Найпростішим способом визначення витікання повітря за час випробовування V (м³/с) є заповнення повітротоку і визначення параметрів повітря до і після випробування без вмикання споживачів. Розрахунок ведеться за виразом

 

                                        (3.8)

 

де V₀ - об'єм системи, м³;

     P₁, P₂ - тиск повітря перед випробуванням і наприкінці випробування, МПа;

     Т₁, Т₂; - температура повітря перед випробуванням і після випробування, К;

   - термін випробування, с.

Після цього проводиться визначення місця витікання і його локалізація.

Проміжні системи охолодження компресора значною мірою впливають на електроспоживання. Температура стисненого повітря, що виходить з проміжної системи охолодження, не повинна перевищувати для турбокомпресорів 70°С, для поршневих компресорів — 60°С. Зниження температури стисненого повітря на кожні 6°С знижує електроспоживання на 1%.

Температура охолоджуючої води на виході повинна бути не більше 5-10°С від температури стисненого повітря на виході з проміжної системи охолодження. Якщо перепад температур збільшується до 20°С, то додаткові витрати електроенергії можуть становити до 14%.

 

Профілактично-ремонтні заходи

 

Основна можливість заощадити електроенергію, якою заживлюються компресори системи стиснутого повітря - це усунути витоки з цієї системи. Втрати стисненого повітря відбуваються через зазори пневмоспоживачів, нещільності в різьбах сальників, прокладках фланців, несправних шлангах, труботоках, вентилях з'єднувальних частин тощо. Витік повітря відбувається як під час роботи споживачів, так і при простоюванні обладнання і невідключеному повітротоку. При цьому величина витіку тим більша, чим вищий тиск. Зниження витоків і перетоків повітря в компресорах, витікання в повітроточних мережах є найбільш ефективним заходом щодо зниження питомої витрати енергії, оскільки тільки в пневмосистемі внаслідок прямого витоку втрачається до 20-30% енергії, що використовується.

Для пошуку витоків зручно користуватися ультразвуковими витокошукачами. Перевірка на наявність витоків повинна проводитися щорічно. Витік повітря через отвір діаметром 1,6 мм при тиску в системі 7 Бар складає 3 дм3/с або додатковій витраті енергії - 1 кВт·год. 

Необхідно проводити систематичні випробування на спеціальних стендах пневмодвигунів і пневмоінструменту, робити своєчасний профілактичний ремонт пневмообладнання із зміною зношених деталей.

Слід звертати увагу на регулярне очищення всмоктуючих фільтрів. Допустимі втрати тиску для матерчатих фільтрів становлять 10 мм вод. ст., для металевих — 25 мм вод. ст. Збільшення опору фільтра на кожні 10 мм вод. ст. збільшує витрати електроенергії на 0,1% і настільки ж знижує продук­тивність компресора. Використання жалюзійних фільтрів, а також фільтрів, що самі очищуються, підігрів масла в зимовий період - все це забезпечує економію електроенергії на 1-1,5% при збільшенні продуктивності компресора.

 

Заходи по технічному і експлуатаційному удосконаленню.

 

Всі споживачі стисненого повітря отримують живлення від загальної повітропотокової мережі, однак для багатьох процесів роботи необхідний різний тиск. При тиску повітря, вище необхідного значення, мають місце перевитрати енергії, що витрачається на вироблення стисненого повітря. Отже, для зниження витрат електроенергії потрібно підтримувати найменший необхідний тиск в системі. Зниження тиску у споживачів стисненого повітря можна здійснити за допомогою редуктора, інжектора дроселювання і регуляторів тиску (останні мають найбільшу ефективність).

В цілому досліди показують, що зниження тиску стисне­ного повітря на 1% знижує витрату елек­троенергії на 0,5%.

При забезпеченні цехів з різкозмінним навантаженням стисненим повітрям мають місце вібрації повітротоків і пульсації в них повітря. При встановленні ресивера на вводі в подібні цехи, усуваються вказані негативні явища і має місце економія електричної енергії на 20%.

На повітрерозгалуджуючих пристроях для підключення шлангів пневмоінструмента, а також на самих пневмоспоживачах доцільно встановлювати замість вентилів самозакриваючі клапани, які мають високу швидкодію і герметичність, що знижує витікання стисненого повітря.

Експлуатаційні заходи по покращенню роботи компресорних установок:

- якщо навантаження компресора змінне в часі, то його продуктивність повинна контролюватися й управлятися;

- зниження навантаження шляхом відключення пневмоінструменту, що не використовується;

- запобігання холостої роботи при постійному нульовому навантаженні (по можливості, компресори повинні відключатися повністю);

- регулярне очищення всмоктувального фільтра (падіння тиску на кожні 25 мБар через засмічений фільтр знижують ефективність роботи компресора на 2%).

Місце прийому повітря для компресора має бути поза зоною пилоутворення, у віддаленні від цехів, будівель і стін з великим тепловиділенням, тому прокладати всмоктуючий повітроток необхідно в затінених місцях, з північного боку будівлі. Якщо прокладання всмоктуючого повітротоку через зону тепловиділення неминуче, повітроток в цій зоні ізолюється. В деяких конкретних випадках використовується штучне охолодження всмоктуючого повітря. Зниження температури повітря, що всмоктується, на кожні 2,5°С забезпечить зниження витрат електроенергії на вироблення стисненого повітря на 1%.

При використанні стисненого повітря в робочих приміщеннях (цехах) повітроток доцільно розміщати поблизу місць зі значним тепловиділенням, що дозволить подати споживачу стиснене повітря підвищеної температури, а, отже, й тиску. При прокладанні повітротоків поза приміщень або в холодних приміщеннях для збереження температури стисненого повітря повітротоки доцільно теплоізолювати.

Річна економія електроенергії (кВт·год/рік) за рахунок збільшення температури стисненого повітря може бути розрахована за виразом     

ΔW = 0,22·Q·Т°·w·Т                                            (3.7)

 де Q - витрата стисненого повітря, м³/хв;

Т° - середнє підвищення температури у споживача, °С;

w — питома витрата електроенергії на вироблення 1 м³ стисненого повітря, кВт·год/м³;

Т - кількість годин роботи компресорної установки на рік, год/рік.

При використанні вторинних енергоресурсів, що забез­печують підігрів стисненого повітря з 20°С до 150°С перед споживачем, економія електроенергії становитиме 15-20% залежно від виду пневмоспоживачів. Підігрів стисненого повітря навіть на 30-50°С у порівнянні з початковою температурою дасть економію електроенергії до 10%.

 

На кожній компресорній станції доцільно мати графік раціонального режиму роботи, можливого зменшення продуктивності і тиску компресорної станції від максимальних значень протягом роботи, тобто в функції часу. Наявність такого графіку і його дотримування при плавному або дискретному регулюванні роботи компресорної станції дасть значну економію електричної енергії. В більшості випадків складання такого графіку можна зробити на основі статистичних даних щодо роботи компресорної станції.

В поршневому компресорі швидкість поршня змінюється за цикл роботи від нуля до максимального значення і від максимуму до нуля. В результаті цього у всмоктуючій системі компресора, що має власну частоту коливань, виникають коливання повітря, що всмоктується. При співпаданні або кратності частоти коливань стовпа повітря з частотою всмоктуючого повітротоку виникає резонансне явище, в результаті якого у клапанів в кінці ходу всмоктування збільшується тиск повітря, збільшуючи продуктивність компресора.Резонансне наповнення поршневих компресорів зменшує питому витрату електроенергії на 3-5% при одночасному збільшенні продуктивності на 5-8%.

Річна нераціональна витрата електроенергії (кВт·год/рік) при роботі компресора з нерезонансною довжиною всмоктуючого повітротоку визначається за виразом

 

ΔW=0,05·P·T                                            (3.9)

 

де Р - потужність, що її споживає компресор з електромережі, кВт;

Т - кількість годин роботи компресора за рік, год/рік.

 

Побудова раціональних схем постачання стиснутого повітря.

 

Рекомендована довжина нагнітальної магістралі від компресора до ресивера становить 25 м. Зменшення цієї довжини дає економію електроенергії до 3%, при довжині повітротоку більше 25 м витрати електроенергії збільшуються на 1,5-3%. Збільшення діаметру нагнітального повітротоку на окремих ділянках дає економію електроенергії до 6%. При достатній кількості мастиловологовідділювачів збільшується загальний переріз труб, що зменшує опір повітротоку. Використання автоматичного мастиловологовідділювача дозволяє значно знизити витік стисненого повітря і виключити необхідність ручного періодичного продування повітропотоків. При нераціональній схемі мережі стисненого повітря є доцільним скоротити до мінімуму її довжину і демонтувати зайву розподільчу апаратуру. Для значно віддалених від основної повітрерозподільчої магістралі споживачів стисненого повітря бажано використати пересувні компресори невеликої продуктивності.

В окремих випадках є сенс вивчити можливість заміни пневмоінструменту, наприклад, інструментом з електроприводом. У кінцевому рахунку сумарне споживання електроенергії при цьому може знизитися.

Також необхідно досліджувати можливість добору (відновлення) тепла при наявності теплового навантаження. Наприклад, ефективно відбираючи тепло від компресорів системи стиснутого повітря, можна опалювати виробничі приміщення.