Выбор эффективного решения для холодоснабжения крупных объектов

Что такое энергоэффективность с точки зрения холодоснабжения? Самый распространенный на данный момент вариант получения холода - использование процессов сжатия и расширения фреона с изменением фазового состояния. При этом сердцем парокомпрессионной машины является компрессор, работающий от электричества. А что делать, если электричества нет? Как быть, если подключение дополнительных мощностей стоит баснословных денег или по каким-либо причинам невозможно? Есть целый ряд регионов, где электроэнергию на объектах необходимо вырабатывать самостоятельно. Конечно, существуют так называемые абсорбционные холодильные машины, работающие на газе или горячей воде, но так ли они доступны и всегда ли их использование оправдано? Комплексное решение задачи получения холода в сложных условиях жесткой экономии тех или иных ресурсов, будь то электричество, вода или еще что-то, требует энергоэффективного подхода.

Рис. 1. Абсорбционная холодильная машина Carrier 16 DN.

В данной статье мы рассмотрим несколько вариантов холодильного центра и выберем наиболее экономичный способ получения холода на конкретном объекте, где отсутствует централизованное энергоснабжение и электричество вырабатывается газотурбинными установками (ГТУ) на природном газе.

Рассматриваемый объект находится в южном регионе, что накладывает свои требования и ограничения. Во первых, отсутствие свободных мощностей в центральных электросетях региона не позволяет подключать к ним новые промышленные объекты и крупные торгово развлекательные центры с большим потреблением электроэнергии. Во вторых, регион испытывает дефицит воды, которая к тому же содержит большое количество солей, что ведет к преждевременному выходу оборудования из строя по причине загрязнения и коррозии.

Ситуация на объекте

Ресурсы, которыми обладает заказчик, — подключение к газопроводу и собственная водяная скважина. Электроснабжение полностью автономное — электричество вырабатывается несколькими ГТУ на природном газе.

Ограничений по шумам и каких-либо специальных требований к оборудованию нет, то есть имеется возможность использовать любые холодильные машины, применяемые для кондиционирования на гражданских объектах.

Задача

Заявленная холодопроизводительность центра, предназначенного для кондиционирования административных и производственных помещений - 2600 кВт.

Для оценки стоимости эксплуатации считаем, что система кондиционирования работает 12 часов в сутки в течение 120 суток теплого периода.

Необходимо помнить о таком явлении, как переменная нагрузка на холодильный центр, и проанализировать ее реальное влияние. Этот параметр оценивается как среднесезонное потребление энергоресурсов и соответствует европейскому коэффициенту ESEER (European seasonal energy efficiency ratio — Европейский сезонный холодильный коэффициент). В отличие от EER (Energy efficiency ratio — холодильного коэффициента) ESEER позволяет оценить эффективность работы установки с учетом неполной нагрузки. Согласно проведенным исследованиям, чиллеры в наших широтах при расчетных условиях загружены на 100% только в течение 3% от всего времени работы, на 75% — 33% времени, загружены наполовину — 41% времени, на 25% — 23% времени.

Варианты холодильного центра

Для начала отбросим варианты, не подходящие для заданных условий.

На объекте уже установлены несколько установок ГТУ для выработки электричества для нужд производства. ГТУ в качестве входящего ресурса использует природный газ, энергия сгорания которого дает нам определенное количество электричества и как побочный продукт горячую воду и выхлопные газы с высокой температурой, которые мы должны охладить, дабы не допустить тепловое загрязнение среды и преждевременное прогорание выхлопных труб. Получаемую в процессе охлаждения этих газов тепловую энергию мы можем использовать в своих нуждах.

Рис. 2. Холодильная машина Carrier 23 XRV.

В классической схеме тригенерации ГТУ, потребляя газ, вырабатывает электричество, горячую воду и, посредством абсорбционной холодильной машины (АБХМ) на горячей воде, — холод. Но на данном предприятии вся тепловая энергия с ГТУ используется в технологических процессах, поэтому использовать бросовую горячую воду для работы абсорбционного чиллера невозможно.

Применение в данном проекте любых парокомпрессионных машин требует определенного количества электрической энергии. При этом установленные на предприятии ГТУ нагружены практически на 100 %, и организация холодильного центра на парокомпрессионных холодильных машинах повлечет за собой установку новых энергетических установок, а их мощность, типоразмер и стоимость будут напрямую зависеть от потребления электричества холодильным центром. Поэтому в оценке стоимости холодильного центра нужно учитывать стоимость 1 кВт электричества, которая будет составляться из капитальных затрат на дополнительные ГТУ, их эксплуатацию и стоимость газа для их работы.

Рис. 3. Холодильная машина Carrier 30 XW-P.

Рассмотрим три варианта холодильного центра (ХЦ), уместных в данном случае.

1-й вариант

Холодильный центр на основе двух высокоэффективных парокомпрессионных двухвинтовых холодильных машин Carrier серии 30 XW-P1462 холодопроизводительностью 1348 кВт каждая. Для охлаждения конденсатора данной холодильной машины используют сухие охладители. В расчете использовались сухие охладители производства Carrier-FinCoil (Финляндия) — три устройства модели 09 GHCA 306–7.

В контуре конденсатора будет использоваться 40%-ный водный раствор этиленгликоля, что позволит при необходимости легко обеспечить свободное охлаждение (фрикулинг) в зимнее время. Кроме того, наличие в контуре этиленгликоля не требует регулярного слива жидкости из уличного контура. При консервации машины на зимний период достаточно просто остановить систему без боязни повреждения трубок теплообменника льдом. Несмотря на то что применение раствора этиленгликоля ведет к падению производительности и увеличению энергопотребления, альтернатива в виде использования чистой воды потребует дополнительных мер по недопущению замерзания жидкости в контуре и повреждения трубок теплообменника. Кроме того, будет необходима мощная система продувки для просушки сухих охладителей после слива воды на зиму.

Рис. 4. Винтовой компрессор холодильной машины Carrier 30XW-P.

2-й вариант

Холодильный центр на основе трехвинтовых парокомпрессионных машин Carrier серии 23 XRV. Показатели энергоэффективности этих чиллеров превышают предусмотренные для класса «А».

Отличительной особенностью данной машины наряду с ее высокими энергетическими показателями является возможность эффективно разгружаться до 10%, в то время как обычно нижняя граница эффективной разгрузки — около 30 %, далее снижение производительности идет без уменьшения энергопотребления.

Также к достоинствам этой холодильной машины можно отнести ее способность быстро реагировать на изменения входных параметров. При существенном увеличении температуры входящей в конденсатор охлаждающей жидкости большинство машин остановятся и запустятся повторно лишь через несколько минут. Данная же модель плавно снизит производительность. Это крайне важно в условиях безостановочных производственных процессов, где необходимо постоянно поддерживать жизнеспособность системы и простои недопустимы.

В рассматриваемом варианте используются два чиллера модели 23XRV5757, холодопроизводительность каждого — 1300 кВт. Для охлаждения конденсатора данных холодильных машин используются открытые градирни. В расчете использовались две открытые градирни FXT 250 компании Baltimore Air Coil (США).

Данный холодильный центр будет работать на воде в обоих контурах — и конденсатора, и испарителя. Открытая градирня может работать со штатной системой защиты от замерзания до –18°С, после чего системы просто опорожняют и консервируют на зиму.

Энергопотребление открытых градирен составляет лишь 15 % от энергопотребления сухих охладителей из первого варианта. С учетом того, что сами холодильные машины требуют только 63% от энергии, необходимой для чиллеров из первого варианта, экономия электричества получается весьма существенной.

Рис. 5. Соотношение эксплуатации оборудования с учетом затраченных ресурсов.

Однако оба рассмотренных варианта требуют вырабатывать электричество при помощи дополнительных ГТУ. Если учитывать, что ГТУ при работе дает еще и горячую воду в количестве, избыточном для применения в технологических процессах, то получается, что часть энергии, выделяющейся при сжигании газа, тратится впустую. Выход из ситуации - сжигать газ непосредственно в генераторе абсорбционной холодильной машины (АБХМ).

3-й вариант

Рассмотрим двухступенчатую АБХМ на природном газе модели Carrier 16 DNH 080. Ее холодопроизводительность - 2600 кВт. Для охлаждения конденсатора данной машины используют открытые градирни. В расчете использовались три открытые градирни производства Baltimore Air Coil (США) модели FXT 250.

В основе принципа работы абсорбционных холодильных машин - не сжатие хладагента в компрессоре с последующим испарением, а химическая реакция. При этом расход воды на охлаждение конденсатора тут на 43% выше, чем в первом варианте, что требует более мощных насосов и увеличенных градирен, однако электропотребление самой АБХМ составляет всего 4% от потребления холодильных машин из второго варианта и 2,5% — от первого. Расчетные данные по ресурсопотреблению при работе на максимальной нагрузке сведены в таблицу №1.

Рис. 6. Капитальные затраты.

На диаграммах (рис. 5–6) наглядно показано соотношение капитальных затрат и эксплуатационных расходов для разных вариантов с учетом затраченных ресурсов и сервисного обслуживании. Очевидно, что третий вариант наиболее предпочтителен.

Вывод

Итак, более экономичным вариантом на данном объекте является применение абсорбционной холодильной машины 16 DNH 080 Carrier. Однако нельзя забывать о плохом качестве воды на объекте и о наличии в ней большого количества примесей. Для защиты внутреннего контура любой холодильной машины, работающей с открытой водой, необходимо ставить станцию водоподготовки и автоматической фильтрации, жестко следуя рекомендациям по качеству воды, так как осадок на внутреннем контуре холодильной машины толщиной 1 мм может привести к потере производительности до 30%.

Абсорбционные холодильные машины давно заняли свою нишу в Европе и странах Восточной Азии, а теперь получают все большее распространение и на российском рынке холодильной техники.

К сложностям, которые зачастую пугают заказчиков, можно отнести отсутствие в штате специалистов, которые могут профессионально эксплуатировать данный тип машин. Это обязывает заключать сервисные контракты с сертифицированными компаниями, имеющими опыт в данной сфере. Однако при надлежащем контроле состояния химического состава реагентов и наличии систем водоподготовки и фильтрации такие машины отличаются долгим жизненным циклом из-за отсутствия движущихся частей (исключая насосы), что является неоспоримым достоинством абсорберов. Есть примеры, когда абсорбционные холодильные машины Carrier непрерывно эксплуатировались свыше 50 лет и затем заменялись как морально устаревшие, при этом полностью сохранив работоспособность.

Нужно отметить, что абсорберы довольно инертны. Если парокомпрессионной машине для выхода на режим нужно несколько минут, то абсорберу требуется до получаса. В случаях, когда это является существенным недостатком, можно рассмотреть гибридную схему, состоящую из абсорбционной и парокомпрессионной холодильных машин. Основную нагрузку в тандеме возьмет на себя абсорбер, а парокомпрессионная машина будет играть вспомогательную роль, используясь лишь в случаях, когда работа абсорбера нецелесообразна.

Комплексное решение должно включать в себя систему автоматизации и диспетчеризации, которая не только упростит управление, но и надежно защитит оборудование. Централизованный контроль над функционированием холодильного центра позволяет перераспределять ресурсы в зависимости от меняющейся ситуации на объекте. Это особенно важно на крупных объектах и промышленных предприятиях.

В целом выбор концепции холодоснабжения необходимо осуществлять каждый раз индивидуально, рассматривая целый ряд факторов, однако каждый раз это должен быть общий взгляд на весь холодильный комплекс. Нельзя рассматривать холодильный центр и холодильные машины в отдельности друг от друга и тем более от объекта. В наши дни часто встречается «слепое копирование» удачных проектов без учета особенностей конкретного объекта, что порой приводит к неэффективной работе холодильного центра, который показывал в других условиях великолепные результаты.

Правила использования материалов сайта