Ing. Daniel Čurka, PhD., ENGIE Services a. s., Úsek energetických služieb, Divízia Development
Energetická efektívnosť výroby stlačeného vzduchu v kompresorovej stanici KS. Riadenie kaskády kompresorov v KS. Energetické toky v KS. Spôsob chladenia kompresorov. Využitie tepla z kompresie na prikurovanie alebo predohrev TUV. Potreba tepla v priemyselných prevádzkach. Potreba tepla v objekte verzus potreba chladiť KS. Reálny potenciál úspor využitím tepla z kompresorov.
Úvod
Výroba stlačeného vzduchu patrí medzi energeticky najnáročnejšie, a energeticky najmenej efektívne transformácie jednej formy energie na inú. Účinnosť býva často len okolo 5 %. Nízka účinnosť vyplýva zo samotnej fyzikálnej podstaty procesu výroby, pri ktorej vstupujúca elektrická energia sa v procese stláčania vzduchu premení na teplo. Pri stláčaní vzduchu dochádza k termodynamickému ohrevu, ktorý je daný fyzikálne a prevažná časť vstupnej elektrickej energie na pohon kompresora je premenená na odpadové teplo, ktorého štandardné delenie je na obrázku 1. Dominuje tepelný tok odvádzaný chladením oleja plniaceho v kompresore niekoľko funkcií.
Obrázok 1. Energetická bilancia tepelných tokov z kompresora
Odpadové teplo z rôznych častí kompresora sa môže použiť na ohrev vody, alebo iných technologických tekutín rovnako ako na dokurovanie objektu. Pri návrhu koncepcie kompresorovej stanice treba zvážiť možnosti kam sa tepelné toky vzniknuté chladením KS odvedú. V podstate sú dva základné koncepty chladenia kompresorov, prvý je chladenie vzduchom a druhý koncept vodné chladenie. Najlepšie účinnosti sa dosahujú pri vodou chladených kompresoroch, kde je obehová chladiaca voda priamo spojená s aplikáciou ktorá potrebuje nepretržite teplo, ako je napríklad spätný okruh vykurovacieho kotla.
Prvé riešenie, ktoré výrobcovia kompresorov zvyčajne ponúkajú je využitie priameho odpadového tepla v podobe ohriateho vzduchu z chladenia častí kompresorov pre ohrev priestorov priľahlých budov. Najjednoduchšia možnosť je priamy výfuk ohriateho vzduchu do blízkej budovy. Toto riešenie má výhodu v jednoduchosti a nenáročnosti prevádzky a malej investícii, avšak veľkými nevýhodami sú nerovnomernosť množstva vzduchu, hluk, aplikovateľnosť len na krátke vzdialenosti a predovšetkým sezónnosť využiteľnosti. V letnom období ostáva tento tepelný tok nevyužitý.
Druhý technicky vyspelejší spôsob využitia odpadového tepla je pomocou dodatočného zariadenia prevádzajúceho teplo do teplovodného okruhu vykurovania. Tu je už vyšší komfort využívania napríklad pre UK priamo alebo ako predohrev spiatočky vracajúcej sa k zdroju tepla. Opäť tu negatívne pôsobí sezónne využiteľnosť a zvýšenie investičných nákladov. Z pohľadu súčasnej techniky sa ako optimálne riešenie ponúka ohrev teplej úžitkovej vody. Tu je výhoda v celoročnom využití, ideálne pre ohrev alebo predohrev TUV pre technológiu. Toto riešenie je však aplikovateľné len v malom percente priemyselných podnikov vzhľadom na to, že mnohé podniky nemajú dostatočnú spotrebu TUV. Ohrev TUV pre zamestnancov do spŕch je v malých a stredných podnikoch zvyčajne nezaujímavý vzhľadom k malej spotrebe vody, zložitosti technického riešenia a dlhé návratnosti investície. Ukážeme v našom článku na meraných dátach možnosti takéhoto využitia energie a dáme príklad potenciálu takéhoto riešenia.
Pre potrebu tohto článku sme zadefinovali fiktívnu kompresorovú stanicu vo výrobnom závode. Diskutujeme možnosť využitia tepla z procesu kompresie pri výrobe stlačeného vzduchu ako média, ktoré sa bežne používa vo výrobných procesoch závodu. Vychádzame z reálnych meraní uskutočnených na KS. Popíšeme postup ako by sa malo postupovať pri návrhu efektívneho využitia tepla v procese prípravy TUV, resp. podpore vykurovania objektov závodu. Teplo vznikajúce v kompresii porovnáme s potrebou tepla nameranou v objekte.
Vstupujúce podmienky
Ako sme spomenuli v úvode spotreba elektrickej energie priamo predurčuje množstvo uvoľneného tepla v procese kompresie. Preto ako základný vstupný údaj použijeme meranie spotreby trojice kompresorov v kompresorovej stanici KS.
Použili sme reálne meranie spotreby trojice kompresorov s 200 kW motormi. Jeden kompresor je s FM a dva bez regulácie otáčok iba s reguláciou do odľahčeného stavu. Meranie na obrázku 3 zobrazuje ich reálnu spotrebu počas prevádzky jedného dňa reflektujúcu potrebu média v priemyselnej výrobe.
Obrázok 3 prezentuje spotreby na strane elektrickej energie KS v plnom zaťažení, tieto sú zelenou farbou a prevádzku kompresorov v odľahčenom stave, zobrazené oranžovou farbou. Kde AlMiG je kompresor s možnosťou riadenia otáčok na strane elektromotora pomocou FM s možnosťou prejsť aj do odľahčeného stavu a C1 a C2 sú kompresory s prevádzkou v plnom alebo odľahčenom stave. Táto zostava je riadená iba na základe tlakových snímačov v autonómnej MaR každého z nich bez nadradenej regulácie. Meranie pôvodne vzniklo pre potrebu analýzy efektivity výroby stlačeného vzduchu v závode a ako podklad na audit riadenia KS. Túto problematiku v tomto článku nejdeme riešiť.
Na obrázku 2 uvádzame príklad prepojenia meraní parametrov stlačeného vzduchu na jednom z kompresorov, v modrom grafe na ľavej primárnej osi je prietok vzduchu červená krivka a na ľavej sekundárnej osi je priebeh tlaku v mieste merania za kompresorom a teplota produkovaného média. Os x zobrazuje časovú líniu merania a v hornej časti grafu je spotreba energie nameraná na danom kompresore. Vidieť oranžovou intervaly, kedy kompresor po znížení otáčok motora na minimum prepínal do odľahčeného stavu. Aj v odľahčenom stave spotrebováva stále ešte cca 40 % energie zo spotreby pri maximálnej záťaži. Odľahčený stav slúži k ochrane kompresora pred častým vypínaním v prípade, že potreba stlačeného vzduchu v sústave poklesne pod jeho minimálnu hranicu, ktorú je pri riadení FM schopný dodávať.
Obrázok 2. Meranie 24-hod. tlaku a prietoku stlačeného vzduchu s vloženým grafom spotreby energie
Obrázok 3. Meranie spotreby trojice kompresorov počas 7 dní
Zameriame sa na spotrebu elektrickej energie KS všeobecne a ukážeme ako tento energetický tok previesť do sústavy vykurovania alebo prípravy TUV.
Všeobecný pohľad na spotrebu energie kompresormi (obrázok 3) hovorí o ich striedaní počas jedného pracovného dňa. Je vidieť, že v prevádzke sú prevažne iba dva z trojice kompresorov. Prichádza k ich striedaniu, preto sa dá hovoriť o relatívne konštantnej výrobe vzduchu a tým aj konštantnej potrebe chladiť kompresory. Na okraj iba poznamenáme, že prevádzka tejto KS nie je vôbec optimálna. Meranie na trojici kompresorov, ktoré každý mali motory s príkonom 200 kW trvalo jeden týždeň. Sumár meraní ich prevádzky ukazuje nasledujúci obrázok 4. Prvý graf ukazuje prevádzku kompresora s FM a preto je potrebné jeho údaje vnímať v tom kontexte. Ostatné dva kompresory bežali buď na 100 % svojho príkonu alebo 40 % v odľahčenom stave modrá farba ukazuje koľko času bol ktorý kompresor vypnutý. Z grafov je možné určiť spotrebu energie na prevádzku KS.
Obrázok 4. Bilancia prevádzky troch kompresorov
Na základe merania z obrázku 3 sa dá hovoriť o konštantnej výrobe vzduchu a tým aj konštantnej potrebe chladiť kompresory.
Teplo potrebné odviesť
Prvá časť obrázku 4 ukazuje prevádzku kompresora s FM a preto je potrebné jeho údaje vnímať v tom kontexte. Ostatné dva kompresory bežali buď na 100 % svojho príkonu alebo 40 % v odľahčenom stave. V prípade potreby by bolo možné z grafov určiť spotrebu energie na prevádzku. Spolu KS spotrebuje 71 MWh/týždeň čo je pri cene 110 €/MWh už zaujímavých 7 810 €/týždenne. Ak by sme túto energiu previedli na teplo s 94 % je to 66,74 MWh tepla týždenne. Pri cene variabilnej zložky tepla 50 €/MWh je to úspora 3 337 €/týždeň a za rok je to 180 200 €. Tu je vyjadrený hrubý potenciál úspory daný výkonom kompresorov v KS, ak by sme boli schopní celý tepelný tok z KS spotrebovať. Teraz ale nastupuje druhá podmienka, a to potreba tepla v závode.
Potreba tepla
Pri chladení kompresorovej stanice sa používa riešenie vzduch alebo voda. V oboch prípadoch platí že kompresor treba chladiť a treba mať kam teplo dodávať, resp. mať zásobník do ktorého sa nízkopotencionálne teplo dalo odovzdávať.
Môže to byť priľahlý priestor v podobe haly, skladu alebo jednoducho okolie. Rieši sa to jednoduchou konštrukciou v rámci prevetrávania KS, v lete sa ohriaty vzduch vyvádza do okolia a v zime dokuruje priľahlé priestory. Tu sú návratnosti výrazne rýchlejšie oproti vodnému spôsobu chladenia. Ak nie je potreba kúriť priestor, odkloní sa teplý vzduch von jednoduchou klapkou.
Pri chladením vodou sa treba venovať analýze potreby tepla, nielen v objeme za deň, ale je dobré sa pozrieť aký priebeh má potreba tepla v sústave do ktorej plánujeme teplo dodávať. Ak sa vyprodukované teplo za deň blíži k potrebe tepla TUV sústavy, to ešte neznamená, že ho do nej aj bude možné umiestniť. Charakter potreby TUV v podniku výrazne určuje zmennosť a špičky v čase striedania zmien. Rovnako potreba tepla v priebehu roka kolíše, počítame teda s najnižšou potrebou v lete (čas dovoleniek, menšie straty v cirkulácii).
Pri rozhodovaní o použití tepla do prípravy TUV sa treba pozrieť na spotrebu plynu pre prípravu TUV. Rovnako je potrebné sa zamerať na reálne spotreby vody v sústave, čo sa dá cez meranie doplňovania studenej vody do TUV. Spojením týchto dvoch údajov zistíme koľko pripadne na straty v cirkulácii a koľko je na ohrev čerstvej vody zo sústavy.
Graf na obrázku 5 uvádza spotrebu plynu na potrebu UK a TUV v závode. Tieto údaje ukazujú odber tepla v objekte za rok pri porovnaní 4 rokov. Minimum je samozrejme v letných mesiacoch. Spotreba v lete viazaná iba na potrebu TUV bude preto determinujúca, je to množstvo tepla, ktoré vieme umiestniť v lete bez potreby dodatočne chladiť kompresory iným spôsobom.
Obrázok 5. Ročná spotreba plynu
Údaje o spotrebe však treba pri letnej prevádzke preskúmať podrobnejšie. Uvádzame príklad merania spotreby TUV počas dvoch týždňov merané v 1/4 hodinovom vzorkovaní. Takýto údaj meraný na doplňovaní SV do sústavy TUV na obrázku 6 je potrebný na presné určenie reálnej potreby tepla v lete. Treba samozrejme zohľadniť straty tepla v cirkulácii vody po objekte, ktoré sú často dvojnásobkom potreby tepla na ohrev čerstvo doplňovanej SV. Z profilu merania so špičkami odberov je jasné, že bude treba rátať so zásobníkmi TUV v objekte, pretože potreba chladiť KS nekorešponduje s potrebou ohrevu TUV. Pre 165 m3 studenej vody o teplote 10 °C doplnenej za 14 dní to znamená 15520 MJ/týždeň čo je 4,3 MWh za týždeň pripočítame dvojnásobok potreby tepla na straty v cirkulácii a dostaneme 12,9 MWh týždenne.
Obrázok 6. Dva týždne merania na dopúšťaní SV do ohrevu TUV
Potreba chladiť verzus potreba tepla
Teraz sa pozrime na oba údaje, ponuka tepla v podobe toku z chladenia kompresorov je 66,74 MWh a potreba tepla na krytie prípravy TUV v lete aj so stratami cirkuláciou 12,9 MWh týždenne. Vidíme výraznú disproporciu medzi ponukou /potrebou chladiť a dopytom/ potrebou ohrievať. Teplo potenciálne privedené do sústavy z kompresorov je v letnom období priveľké a preto je potrebné zabezpečiť jeho marenie či už v suchom chladiči, alebo iným spôsobom. Toto navýši investičné náklady pre sústavu vodného chladenia KS. Existuje možnosť osadiť vodné chladenie iba na jeden z troch kompresorov a toto teplo slúži na prípravu TUV a ostatné sa vzduchom v lete vyfúkne do okolitého prostredia, alebo v zime priamo ohriaty vzduch z chladenia kompresorov vedie do priľahlých priestorov s potrebou vykurovania.
V prípade že budeme chladiť vodou všetky tri kompresory je potrebný chladič pre odvod prebytočného tepla do okolia ale počas vykurovacieho obdobia sa teplo z KS, ktoré nie je potrebné na prípravu TUV využije v predohreve spiatočky UK do kotolne. Pri tomto riešení je potrebné pamätať na ovplyvnenie teploty v spiatočke a na to, že tepelný tok z KS nie je konštantný. Pri tvorbe tohto konceptu je dôležité upraviť MaR tak aby reflektovala na tieto skutočnosti. Obrázok 7 zobrazuje merania na výstupe z kotolne a na spiatočke pred privedením takéhoto tepelného toku a po inštalácii prikurovania odpadovým teplom okolo 28. júla v roku 2017. Je výrazne vidieť nárast teploty na spiatočke, preto je potrebné zvážiť, aký to bude mať vplyv na prevádzku tepelného zdroja. V tomto prípade bol ovplyvnený kondenzačný kotol, ktorému zvýšením teploty spiatočky klesla účinnosť. Netvrdíme, že sa takéto riešenie nehodí do kondenzačného okruhu, ale treba odsledovať zmenu po nábehu a prijať v prípade potreby opatrenia vyregulovaním okruhu. Na druhom grafe obrázok 8 je vidieť upravenú teplotu spiatočky tmavomodrej farby po vyregulovaní rovnakého systému v júly 2018. Myslíme si, že sa oplatí mať permanentný prehľad o teplotách na dôležitých okruhoch z dôvodov sledovania príčin a dôsledkov zásahov vykonaných na akejkoľvek sústave. Nie je prípustné, aby dobre mienený zásah zhoršil efektivitu systému z dlhodobého hľadiska. Aj tu platí že čo nemeriate neviete ovplyvniť. Príklad je na dvoch grafoch prvého z roku 2017 prelom júl august a druhý je o rok neskôr 2018, kde na druhom je vidieť porucha v systéme v trvaní jeden deň medzi 26. a 28. júlom.
Obrázok 7. Priebeh teploty výstupu z kotla a spiatočky s nárastom teploty na spiatočke
Obrázok 8. Vyriešený problém na teplote spiatočky
Teplotná hladina spiatočky je ďalším determinujúcim faktorom pri úvahe umiestnenia tepla z chladenia KS. Odporúčame overiť teplotu potrebnú na chladenie kompresorov a teplotu média do ktorého sa chystáme teplo odvádzať. Veľmi často sa toto neberie na vedomie.
Preto je treba výrazne zvážiť očakávania od takéhoto riešenia. Platí čím podrobnejšie a presnejšie údaje namerané na reálnej sústave, tým zodpovednejšie rozhodnutie a návrh. Projektant vychádza zo zadania, ktoré dostane, často sú to hrubé odhady a domnienky. Nebýva obvyklé, že sa takéto veci v bežnej industriálnej prevádzke merajú, nie je na to dôvod pri budovaní novej fabriky sa na to nemyslí respektíve sú tam uvažované teploty, ktoré potom nezodpovedajú realite. V takom prípade je možné osadiť dočasne meranie, ktoré nie je investične náročné a poskytne spresňujúce údaje. Nájsť financie na takéto meranie sa spätne oplatí pri odpovedi či vôbec je potenciál na osadenie využitia tepla z kompresorov a aká bude reálna návratnosť investície.
Záverom
Úspory energie sa určia reálnejšie ak máme na danej prevádzke vykonávané meranie a bilancujeme jej energetické toky. Po uskutočnení mnohých auditov sústav stlačeného vzduchu sa zákazník rozhodol osadiť trvalé meranie. Takéto meranie je dobrým základom k presne cieleným opatreniam.
Podklady ktoré slúžili ako základ pre náš článok sú výsledkom meraní pri audite výrobného závodu. Pri takto podložených vstupoch sú vypočítané úspory reálne. Pomôže to manažovať očakávania zákazníka a reálne dosiahnuť potenciál úspor.
V 21. storočí v ére IoT a digitálnych technológií očakávame, že meranie údajov a ich vyhodnocovanie sa stane nedeliteľnou súčasťou procesov. Nastupujúca Industry 4.0 si tieto opatrenia žiada. Automatizácia zásahov do riadenia procesov a machine learning sú súčasťou nového pohľadu na riešenie problémov, ktoré sa v minulosti často riešili intuitívne a s odhadom.
Pri vykonaní energetického auditu sa často berie problematika stlačeného vzduchu len ako podružná téma. Najčastejšie sa stretávame s návrhom rekuperácie tepla z chladenia kompresorov do UK alebo TUV. Nie raz sú ale úspory sľubované audítormi nereálne. Toto bola jedna z hlavných príčin vzniku nášho článku. Odporúčame vykonať Audit systému stlačeného vzduchu vyškoleným a kvalifikovaným odborníkom na kompresorový systém. Tento pomôže pri výbere najlepších možností a príležitostí, ktoré sú k dispozícii pre konkrétne zariadenie.
Okrem úspor energie je možné uviesť aj dôležitý argument, že činnosti zhodnocovania tepla sú prínosom pre životné prostredie. Výrazné úspory energie nakoniec znamenajú aj zníženie uhlíkovej stopy zariadenia. V kontexte vývoja klimatických zmien sa tieto aspekty stanú dôležitejšími pri argumentácii pre zavedenie opatrení.
