Повышение эффективности работы чиллера

Эффективность большинства водоохлаждающих холодильных установок (чиллеров), срок служб которых уже превысил 5 лет, может быть повышена при помощи одного из семи зарекомендовавших себя методов. Кроме того, инженеры-механики смогут сделать чиллеры значительно более экономичными и надежными, продлить срок службы оборудования, осуществлять более четкий контроль над элементами чиллера.

Семь методов:

1. Регулирование температуры охлажденной и конденсаторной воды;
2. Перераспределение нагрузки между несколькими чиллерами;
3. Оснащение центробежных охладителей регулируемыми приводами;
4. Модернизация средств управления охладителями;
5. Оснащение центробежных охладителей автоматикой;
6. Модернизация охладителя и оснащение его новым приводом компрессора;
7. Замена охладителей.

Эти методы предназначены, прежде всего, для центробежных чиллеров высокой мощности с электрическим приводом и включают в себя как незначительные изменения в конструкции чиллера, так и сложные работы по модернизации и замене оборудования. Мы исходим из того, что на установке реализуются основные методы обслуживания (например, ежедневное ведение журнала).

Работа с охладителями, насосами и градирнями выполняется при соблюдении техники безопасности и в заданной технологической последовательности для эффективного функционирования при различных охлаждающих нагрузках.

Первые два метода связаны с изменениями в работе установки по сравнению с исходной конструкцией путем относительно простой модификации оборудования (в некоторых случаях она вообще не требуется); остальные пять методов предполагают более существенную модификацию оборудования для достижения высоких рабочих показателей.

Метод 1. Выбор значений температуры охлажденной и конденсаторной воды

Как правило, охладители работают в расчетном режиме менее 1% от общего времени работы. В остальное время они работают в условиях, отличающихся от расчетных, например, при средней температуре атмосферного воздуха и/или при более низком уровне его влажности. Когда охладитель работает в нерасчетных условиях, охлаждающая нагрузка может быть ниже той, что предусмотрена расчетами, и температура оборотной воды в конденсаторе также может быть ниже расчетной. Благодаря этому, установку можно сделать более экономичной в плане энергопотребления.

Принцип выбора значения температуры охлажденной воды известен уже долгое время. При более низких нагрузках воздухоохладитель может давать необходимое охлаждение, даже если температура охлажденной воды на входе несколько выше, поскольку необходимость в удалении влаги меньше. В целом, при повышении температуры охлажденной воды на выходе чиллера, нагрузка компрессора понижается, в результате чего энергопотребление уменьшается. Этот метод можно применять к центробежным водоохладителям с постоянной частотой вращения при рабочей нагрузки от 40% до 80% для экономии энергии от 0,5% до 0,75% на градус повышения температуры охлажденной воды на выходе чиллера.

С другой стороны, центробежные водоохладители могут быть оборудованы приводом с электронным регулированием частоты вращения (см. Метод 3), и для них выбор значения температуры охлажденной воды имеет больше преимуществ. При нагрузках ниже 80% водоохладитель с электронным регулируемым приводом будет потреблять на 2-3% меньше энергии при повышении температуры охлажденной воды на выходе на 0,8°C. Это соотношение остается верным при снижении нагрузки вплоть до 10%.

Выбор значения температуры охлажденной воды позволяет достичь указанной экономии энергии в системах кондиционирования с непрерывной циркуляцией охлажденной воды. Однако если для системы была предусмотрена переменная циркуляция охлажденной воды, прежде чем прибегнуть к выбору значения температуры охлаждающей воды, необходимо провести дополнительные исследования. Повышение температуры охлажденной воды на выходе позволяет снизить расход энергии охладителем и приводит к повышению потребления энергии насосом, поскольку для необходимого охлаждения до той же температуры требуется больше охлаждающей воды. Будет ли экономия энергии в охладителе более существенной по сравнению с дополнительными затратами энергии в насосе — зависит от особенностей системы.

Аналогичные преимущества в плане энергопотребления дает выбор более низкого значения температуры конденсаторной воды на входе.

Большинство производителей указывают минимальную температуру конденсаторной воды на входе. Стремясь сэкономить энергию, производители разрабатывают проекты охладителей с более низкими температурами конденсаторной воды на входе — вплоть до 13°C, вместо обычного 21°C, что позволяет снизить температуру конденсации и давление хладагента.

В результате понижения давле ния компрессора, его двигатель потребляет меньше энергии.

При полной нагрузке экономия энергии составляет 1,5% при каждом снижении температуры конденсаторной воды на входе на 1 градус. Еще большей экономии можно достичь, если установка работает в режиме неполной мощности, особенно в случае с охладителями, оснащенными приводом с электронным регулированием частоты (см. Метод 3).

Метод 2. Перераспределение нагрузки между несколькими чиллерами

Пожизненный член Американского общества отопления, охлаждения и кондиционирования воздуха Гил Эйвери исследовал еще один способ, при помощи которого можно извлечь выгоду из работы установки в условиях, отличающихся от расчетных. Эйвери описал работу центробежных охладителей водяного охлаждения в диапазоне повышенной мощности, когда действительная мощность охладителя превышает номинальную. Работа с подобной мощностью — вплоть до 40% больше по сравнению с номинальной — возможна, если температура конденсаторной воды на входе ниже расчетной (как правило, 29°C), и расход энергии (кВт/т) также оказывается ниже.

На основании результатов исследования Эйвери приходит к следующим выводам:

1. Один охладитель, работающий в диапазоне повышенной мощности, более экономичен в плане энергопотребления, по сравнению с двумя, работающими в режиме неполной нагрузки;
2. Экономия достигается благодаря тому, что вторая градирня и насос конденсаторной воды не задействованы;
3. Многие существующие установки могут быть модифицированы для получения преимуществ эксплуатации в режиме повышенной мощности.

Встречаются различные принципиальные схемы холодильных станций с несколькими чиллерами. Эйвери полагает, что «это очень некстати, поскольку некоторые системы не могут работать в диапазоне максимальных нагрузок, так как охладители обычно работают при постоянном потоке охлаждающей жидкости».

Чтобы исправить положение, следует преобразовать систему в одноконтурную с переменным расходом воды через чиллеры.

При этом появится возможность работы при любых условиях, поскольку поток охлаждающей жидкости и изменения температуры переменные. Для модификации системы необходимо установить обратный клапан на байпасной линии и изменить программу управления охладителем. Эйвери предполагает, что, в среднем, благодаря этому, эффективность работы охладителя увеличится на 15%. При этом также удастся сэкономить 25% затрат на энергообеспечение, благодаря чему расходы на модификацию системы быстро окупятся.

Метод 3. Оснащение центробежных охладителей регулируемыми приводами

Поскольку преобладающее большинство существующих охладительных установок работают в условиях, отличающихся от расчетных, следует всерьез задуматься об их оснащении приводом с электронным регулированием частоты вращения.

Это поможет сократить энергопотребление охладителей в год в среднем на 30%. Регулируемый привод приводит скорость двигателя компрессора в соответствие с действительной потребностью в охлаждении, и контролирует лопасти для предварительной закрутки потока, изменяя объем потока хладагента через компрессор. Таким образом, охладитель, оснащенный регулируемым приводом, является исключительно эффективным при работе в нерасчетных условиях: расход энергии снижается при нерасчетной нагрузке и температуре воды.

Рассмотрим пример. Охладитель, оснащенный регулируемым приводом, установлен в здании Sony Disc Manufacturing в Спрингфилде, Орегон. В этих помещениях необходимо круглосуточное охлаждение. Сначала охладитель мощностью 2400 кВт, оснащенный регулируемым приводом, являлся вспомогательным оборудованием, но вскоре стал основным, поскольку он менее дорогостоящий в обслуживании по сравнению с охладителем с мощностью 1400 кВт и постоянной частотой вращения, даже в периоды низкой нагрузки зимой. За счет наличия регулируемого привода и регулировки температуры, потребление энергии охладителем достигло рекордно низкой отметки в 0,054 кВт/т при нагрузке 50%. В результате ежегодная экономия электроэнергии на охладительной установке составила 460 000 кВт в год, что позволило компании Sony ежегодно экономить более 20 000 долларов США.

Современное поколение регулируемых приводов, разработанных специально для оснащения центробежных охладителей, имеет функцию контроля адаптивной мощности (ACC), которая определяет оптимальную частоту вращения компрессора при любых условиях работы охладителя. В течение первого года работы эта система контроля создает собственную карту работы компрессора, а затем постоянно регулирует частоту вращения компрессора в зависимости от условий работы охладителя. Функция контроля адаптивной мощности задает частоту вращения компрессора и настройки работы лопастей предварительной закрутки потока для того, чтобы определить до какой отметки можно снизить скорость регулируемого привода. За счет этого, соответственно, снизится потребление энергии, поддерживая работу охладителя в безопасном диапазоне (без перенапряжений в сети).

Когда появляется необходимость в охлаждении помещения, регулируемый привод плавно запускает охладитель, не превышая 100% амплитуды полной нагрузки. Частота вращения охладителя линейно нарастает до полной, при этом лопасти предварительной закрутки потока настраиваются таким образом, чтобы соответствовать требуемой нагрузке.

Охладитель контролирует движение потока в петле охлажденной воды. При помощи ACC система оценивает рабочие параметры и определяет соответствующее снижение скорости. Затем ACC снижает частоту вращения охладителя и задает необходимые настройки лопастям предварительной закрутки потока, при которых поддержи вается заданная величина температуры охлажденной воды на выходе. При этом, частота вращения снижается до минимального необходимого для поддержания установленного режима значения ACC и заносит в память оптимальные значения скорости для различных комбинаций. Когда эти условия повторяются, ACC передает сигнал на регулируемый привод о задании нужной частоты вращении и настройках лопастей закрутки.

Метод 4. Модернизация средств управления охладителями

Рабочие характеристики бывших в использовании охладителей, находящихся в хорошем техническом состоянии могут быть улучшены посредством модернизации средств управления. Современные пульты управления с дисплеем позволяют операторам получать данные в режиме реального времени через графический интерфейс и открывают им быстрый доступ ко всем рабочим пара метрам и переменным цикла.

Операторам легче производить настройку охладителей. Они быстрее получают информацию о необходимости обслуживания и ремонта оборудования, прежде чем неполадки приведут к внеплановому простою или возрастанию ремонтных расходов. Ведение журнала дает возможность анализировать, распечатывать и хранить данные о рабочих режимах и настройках.

При необходимости, многие системы управления позволяют автоматизировать ряд функций.

Например, алгоритмы управления включают определение перенапряжения в сети, функцию плавного запуска и ограничения энергопотребления, что позволяет снизить расходы на обслуживание и сократить время простоя охладителя, не пренебрегая безопасностью.

Локальные системы управления охладителя могут быть полностью интегрированы в единую систему автоматического управления здания, что позволяет осуществлять мониторинг работы охладителя на расстоянии. Усовершенствованные средства управления могут входить в комплект системы автоматического управления охладителя, как описано в Методе 5.

Метод 5. Оснащение центробежных охладителей автоматикой

Система управления охлаждающей установкой представляет собой систему управления энергопотреблением, предназначенную для оптимизации работы компонентов системы охлаждения — охладителей, насосов и градирен, которая зачастую включена в более крупную систему управления целым сооружением или зданием. Базовая система управления охладительной установкой может осуществлять контроль над одной или несколькими из следующих функций:

Ограничение энергопотребления: система отслеживает объем энергопотребления в здании в целом, и, используя предварительно заданные стратегии, автоматически ограничивает энергопотребление охладительной установки;

Регулировка температуры охлажденной воды: производится автоматическая регулировка температуры охлажденной воды на выходе, и, при соответствующих условиях, снижение энергопотребления (см. Метод 1);

Включение и выключение в зависимости от времени суток: система осуществляет контроль над включением и выключением оборудования на основании данных о температуре атмосферного воздуха и других факторах, предвосхищая потребности в охлаждении, что позволяет управлять установкой наиболее экономичным образом;

Оптимизация последовательности: в зависимости от режима нагрузки, система определяет последовательность и порядок работы охладителей, насосов и градирен;

Необходимость в обслуживании: система определяет и передает сигнал о необходимости обслуживания на основа нии данных о предшествующих рабочих показателях. Таким образом, охладительная установка работает с максимальной производительностью.

Член Американского общества отопления, охлаждения и кондиционирования воздуха Томас Хартман предлагает разработать и использовать простую и экономичную сеть управления охладительными установками, объединяющую охладители, насосы, и градирни с вентиляторами. «Система Хартмана» автоматически управляет и задает последовательность работы всего оборудования при конкретной нагрузке, что позволяет повысить производительность.

Хартман называет свой подход «стратегией управления установкой, ориентированной на повышение эффективности» и считает, что эта стратегия может быть реализована вручную на небольших установках.

Хартман полагает, что и в том, и в другом случае экономия расходов на энергоснабжение в год составит 5,69–28,43 долларов США на кВт, в зависимости от климата, способа применения стратегии и тарифов на электроэнергию. Такой подход является стоимостно–эффективным и в то же время экологически приемлемым.

Метод 6. Модернизация чиллера и оснащение его новым приводом компрессора

Оснащение бывшего в использовании чиллера новым приводом компрессора без замены теплообменных аппаратов практикуется не часто, однако заслуживает рассмотрения по следующим причинам:

1. Мощность охладителя больше, чем существующая максимальная тепловая нагрузка здания за счет принятия мер по энергосбережению. В этом случае, благодаря уменьшению мощности нового привода, производитель ность охладителя соот ветствует реальной тепловой нагрузке, в результате чего эффективность его работы повышается. При оснащении охладителя новым компрессором меньшей мощности, без замены имеющихся теплообменников, эффективность работы установки также повышается.

Размеры теплообменных аппаратов значительно больше размеров компрессора, создается большая поверхность теплообмена, в результате чего нагрузка на компрессор уменьшается. Новый двигатель также отличается большей производительностью по сравнению со своим предшественником.

2. Поскольку охладитель уже был в употреблении, затраты на обслуживание, ремонт и запасные части, возрастают.

Поскольку большая часть деталей привода компрессора часто требуют ремонта, оснащение новым приводом позволить усовершенствовать охладитель, что значительно дешевле установки совершенно новой системы охлаждения. Например, в некоторых новых компрессорах функция контроля над уровнем масла исключена из работы охладителя, за счет чего его модернизация становится еще более экономически выгодной.

Как правило, в ходе модерниза ции также производится перевод оборудования на новую, более современную систему управления (см. Метод 4).

3. Доступ к машинному залу обычно затруднен. Для того, чтобы демонтировать многие ранее установленные охладители из подвальных помещений или других труднодоступных участков здания, зачастую необходимо выполнить ряд сложных работ, включающих иногда частичное разрушение и реконструкцию здания. Возможное решение проблемы – не менять кожухи теплообменников, поскольку они являются самым крупным компонентом системы охлаждения. Части нового привода, как правило, имеют относительно небольшие габариты и могут быть внесены в помещение через дверные проемы.

4. Охладитель необходимо перевести на озонобезопасные (HFC) хладагенты. Перевести на новый хладагент центробежный охладитель старого образца, оснащенный новым приводом, дешевле, нежели заменить полностью сам охладитель. Этот подход особенно заслуживает рассмотрения, когда необходимо учесть одновременно все три перечисленные выше соображения.

Метод 7. Замена охладителей

И, наконец, если значительно повысить эффективность работы устаревшей системы охлаждения невозможно, следует рассмотреть возможность замены охладителя. Эффективность охладителей была значительно улучшена в последние годы за счет высокоэффективных теплообменников, компрессоров, двигателей и вышеописанных систем управления. Охладители современного типа приспособлены к работе на хладагентах, не разрушающих озоновый слой, таких как R-134a.

Кроме того, существует широкий выбор охладителей без электропривода, которые могут работать от альтернативных источников энергии и использоваться в проектах гибридных охладительных установок. Охладители без электропривода включают абсорбционные установки, работающие на пару или с газовыми горелками, а также центробежные чиллеры с паровыми турбинами и газовыми двигателями.

Конечно, замена охладителя связана со значительными материальными затратами, которые нужно тщательно оценить. Необходимо проанализировать существующие затраты на тонну охлаждаемой жидкости и сравнить с прогнозируемыми затратами при переходе на новый охладитель. Затем нужно сравнить начальные капитальные затраты с суммой средств, сэкономленных за счет замены охладителя.

Подводя итог, следует отметить, что любые предлагаемые модификации охладительной системы или возможность оснащения ее новым оборудованием, необходимо рассматривать в контексте общих эксплуатационных потребностей и целей системы. Ее владельцы и инженеры-техники должны следить за выполнением принципиальных правил обслуживания и работы. Кроме того, инженеры должны взвесить возможности повышения эффективности работы системы и усовершенствования ее компонентов и оборудования. Оптимальный подход состоит в том, чтобы сочетать эти методы, и инженеры должны найти наиболее подходящие технические решения.