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. 

 

   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.
(...) 

Rys. 1. Przykładowa instalacja

   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.
(...) 


Rys. 2. Zakres roboczy temperatury na wejściu do skraplacza

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 115^oF (46^oC), 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.
(...) 


Rys. 3. Porównanie współczynników wydajności chłodniczej

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

Ian SPANSWICK

Więcej informacji na łamach miesięcznika Chłodnictwo&Wentylacja nr 11/2004. 

www.chlodnictwo.euro-media.pl