Modernizacje układów chłodzenia procesów przemysłowych – o czym nie wolno zapomnieć

Układ wody chłodzącej w instalacji przemysłowej stanowi podstawowy element zakładu, ponieważ odprowadzając ciepło odpadowe do środowiska, decyduje równocześnie o efektywności produkcji. Modernizacje układów chłodzenia związane są przede wszystkim z ich dostosowaniem do zmieniających się potrzeb instalacji przemysłowych i wiążą się zwykle z rozbudową zakładu o dodatkową moc produkcyjną, optymalizacją pracy układu pod kątem zmniejszenia zużycia energii na potrzeby własne oraz dostosowaniem się do zmieniających się warunków użytkowania wody chłodzącej.

Charakterystyka układów chłodzenia procesów przemysłowych

Woda chłodząca w zależności od dostępności jest wykorzystywana w systemach chłodzenia:

  • otwartych (pozyskiwanie surowej wody chłodzącej bezpośrednio do chłodzenia urządzeń np. z jeziora, rzeki albo z wykorzystaniem obiegu pośredniego w oparciu o wymienniki ciepła),
  • zamkniętych (obieg wody chłodzącej z wykorzystaniem chłodni wentylatorowych lub chłodni kominowych).

W zakładach przemysłowych woda chłodząca stosowana jest głównie w celu:

  • chłodzenia kondensatorów turbin parowych,
  • chłodzenia chłodnic międzystopniowych sprężarek gazowych,
  • odprowadzenia ciepła z reakcji egzotermicznych lub przemian fazowych,
  • zabezpieczenia przed przegrzaniem urządzeń mechanicznych i elektrycznych (np. odprowadzanie ciepła z chłodnic oleju smarnego, chłodnic wodoru).

Dla każdego z powyższych zastosowań wody chłodzącej wpływ jej temperatury na proces przemysłowy jest odmienny. Zależności te muszą być znane przed podjęciem decyzji o modernizacji układu chłodzenia.

Przygotowania do modernizacji

Przed przystąpieniem do planowanej modernizacji warto wykonać kompleksową analizę pozwalającą na ocenę stanu technicznego układu chłodzenia. Uzyskane na tej podstawie wyniki posłużą do prognozowania wpływu planowanej modernizacji na układ wody chłodzącej, a tym samym na efektywność pracy całego zakładu przemysłowego. Analiza ta może mieć charakter kompleksowego audytu energetycznego. Pozwoli on na ocenę pracy wszystkich urządzeń tworzących proces wraz ze szczegółowym wyznaczeniem wpływu temperatury wody chłodzącej na ich pracę lub też może skupić się wyłącznie na układzie wody chłodzącej, obejmując w szczególności:

  • analizę dostępnej dokumentacji projektowej,
  • pomiary rzeczywistych charakterystyk pracy pomp wody chłodzącej wraz z oceną ich stanu
  • technicznego zarówno w warunkach współpracy, jak również pracy indywidualnej,
  • pomiary rozpływów wody chłodzącej w układzie chłodzenia do poszczególnych odbiorców,
  • pomiary dyspozycji ciśnienia wody chłodzącej u poszczególnych odbiorców,
  • pomiary oporów hydraulicznych poszczególnych urządzeń procesowych,
  • pomiary temperatur wody chłodzącej w całym układzie,
  • pomiary stanu technicznego urządzeń wyprowadzających ciepło do środowiska (chłodnie kominowe, chłodnie wentylatorowe, wymienniki ciepła).

Wykonane pomiary należy przeprowadzić w reprezentatywnym stanie cieplnym układu (praca instalacji z obciążeniem zbliżonym do nominalnego). Dodatkowo w celu oceny układu chłodzenia dla wszystkich możliwych warunków pracy instalacji niezbędna jest analiza danych historycznych obejmujących minimum rok pracy instalacji, czyli pracę instalacji w zmiennych warunkach środowiskowych. Uzyskane w ten sposób informacje pozwalają na oszacowanie potencjalnych rezerw występujących w układzie chłodzącym, jak również pozwalają zidentyfikować i szczegółowo wykazać miejsca ewentualnych strat energii, a także nadmierne opory hydrauliczne poszczególnych elementów układu chłodzenia.

Modelowanie układu chłodzenia procesu przemysłowego

Uzyskane wyniki pomiarów oraz dane projektowe instalacji pozwalają stworzyć model hydrauliczny oraz model cieplny całego układu wody chłodzącej. Przygotowany model hydrauliczny w pierwszej kolejności podlega walidacji w oparciu o wyniki pomiarów. Jeżeli uzyskane wyniki są na zadowalającym poziomie, model hydrauliczny może być wykorzystany do obliczenia rozpływów wody po wprowadzeniu zmian w układzie.

Na rysunku 1 przedstawiono przykładowy model hydrauliczny. Kolor linii odwzorowujących przebieg rurociągów obrazuje natężenie przepływu wody chłodzącej (kolor czerwony oznacza maksymalny przepływ, kolor zielony – minimalny lub brak przepływu).

(kliknij w grafikę, aby powiększyć)

Rys. 1 Model hydrauliczny rozpływów wody w układzie chłodzenia.

Rys. 1 Model hydrauliczny rozpływów wody w układzie chłodzenia.

Uzyskane wyniki obliczeń rozpływów wody chłodzącej przenoszone są następnie do części cieplnej modelu opartej o bilans masy i energii poszczególnych wymienników ciepła w układzie chłodzenia. Model cieplny umożliwia wykonanie obliczeń dla:

  • zmiennych warunków otoczenia (związanych z temperaturą otoczenia wpływającą w znaczący sposób na temperaturę wody chłodzącej),
  • zmiennego obciążenia instalacji produkcyjnych.

W modelu cieplnym w obliczeniach wykorzystywane są rzeczywiste charakterystyki wymienników ciepła zainstalowanych na instalacjach produkcyjnych, jak również urządzeń wyprowadzających ciepło z układu do środowiska np. rzeczywiste krzywe chłodzenia chłodni kominowych i wentylatorowych.

Obliczenia można wykonać dla wielu wariantów planowanej modernizacji związanych m.in. z obniżeniem oporów hydraulicznych, zmianą wydajności pomp wody chłodzącej, różną trasą przebiegu rurociągów do nowych wymienników, zmiennym obciążeniem cieplnym poszczególnych urządzeń.

W oparciu o tak przygotowany model cieplno-hydrauliczny uzyskuje się wyniki temperatury i rozpływów wody chłodzącej w nowych warunkach pracy zarówno w głównych kolektorach, jak również na dolocie i wylocie z poszczególnych urządzeń chłodzonych instalacji produkcyjnej. Przykładowe zestawienie wyników obliczeń zmian temperatury wody w stosunku do układu przed modernizacją (związaną z rozbudową zakładu przemysłowego o dodatkową moc produkcyjną) przedstawiono na rysunku 2. Wykonana analiza wykazała, że jedynie wariant 5 zapewniał utrzymanie temperatury wody chłodzącej na poziomie niższym od obecnie stosowanego w eksploatacji, stanowiąc istotny wniosek o konieczności przeprowadzenia inwestycji.

(kliknij w grafikę, aby powiększyć)

Rys. 2 Wyniki obliczeń zmian temperatury w kolektorach wody obiegowej i wody chłodzącej w stosunku do stanu przed modernizacją.

Rys. 2 Wyniki obliczeń zmian temperatury w kolektorach wody obiegowej i wody chłodzącej w stosunku do stanu przed modernizacją.

Wpływ układu chłodzenia na efektywność procesu przemysłowego

Wpływ obliczonych zmian temperatury i rozpływów wody chłodzącej na efektywność procesu przemysłowego należy rozpatrywać indywidualnie dla każdego z urządzeń zasilanych z układu wody chłodzącej. W poniższej części artykułu przedstawiono przykładowe zależności związane z wpływem temperatury i krotności chłodzenia na efektywność procesu przemysłowego.

Chłodzenie kondensatorów turbin parowych

W przypadku chłodzenia kondensatorów turbin parowych temperatura wody chłodzącej na dolocie do skraplacza wpływa na sprawność bloku energetycznego. Teoretycznie obniżenie temperatury wody chłodzącej wpływa równocześnie na obniżenie próżni w skraplaczu, a tym samym większy jest spadek entalpii pary w części niskoprężnej turbiny powodując wzrost sprawności produkcji energii elektrycznej. Podobnie jest z krotnością chłodzenia, a więc wydajnością pomp wody chłodzącej. Ilość wody chłodzącej na dolocie do kondensatora w głównej mierze zależy od: stanu technicznego pomp wody chłodzącej, oporów hydraulicznych rurociągów dolotowych i wylotowych, oporów hydraulicznych skraplacza oraz armatury.

Optymalne ciśnienie pary wylotowej nie zawsze jest związane jednak z najniższą temperaturą i najwyższą krotnością chłodzenia. Każdy turbozespół kondensacyjny posiada swoją charakterystykę zmiany mocy w funkcji zmiany ciśnienia pary wylotowej. Przykładową krzywą strat mocy turbozespołu w zależności od ciśnienia pary wylotowej (zależnej od temperatury i przepływu wody chłodzącej) przedstawiono na rysunku 3. Krzywa obrazuje straty mocy turbozespołu 220MW w zależności od obciążenia turbozespołu. Próżnia optymalna w tym przypadku zmienia się w granicach 2,25 … 4,10kPa.

(kliknij w grafikę, aby powiększyć)

Rys. 3 Krzywa strat mocy bloku 220MW w zależności od próżni optymalnej i obciążenia turbozespołu.

Rys. 3 Krzywa strat mocy bloku 220MW w zależności od próżni optymalnej i obciążenia turbozespołu.

Wprowadzając regulację wydajności pomp wody chłodzącej, można ograniczyć zużycie energii na potrzeby własne. W tym celu należy zbudować algorytm optymalizacyjny w oparciu o rzeczywistą charakterystykę zmian mocy turbozespołu oraz zużycie energii elektrycznej przez pompy wody chłodzącej (zależne od rzeczywistych charakterystyk pomp, jak również oporów hydraulicznych układu wody chłodzącej). Algorytm optymalizacyjny zawiera zestaw krzywych określających zysk energetyczny w postaci różnicy pomiędzy oszczędnością energii elektrycznej wynikającą z regulacji obrotów pomp a stratą mocy turbozespołu wynikającą z podwyższonej temperatury wody. Przykładowy zestaw krzywych optymalizacyjnych dla mocy turbozespołu 220MW z otwartym systemem chłodzenia przedstawiono na rysunku 4.

(kliknij w grafikę, aby powiększyć)

Rys. 4 Efekt energetyczny regulacji ilości wody chłodzącej w zależności od temperatury wody chłodzącej.

Rys. 4 Efekt energetyczny regulacji ilości wody chłodzącej w zależności od temperatury wody chłodzącej.

Znajomość powyższych zależności pozwala na zaplanowanie modernizacji w sposób odpowiadający rzeczywistym warunkom na danym obiekcie w aspekcie zarówno układu wody chłodzącej, turbiny, jak i pomp wody chłodzącej umożliwiając przeprowadzenie modernizacji w odpowiednim zakresie.

Chłodzenie chłodnic międzystopniowych sprężarek gazowych

Obniżenie temperatury gazu przed poszczególnymi stopniami sprężarki zmniejsza jego objętość początkową. Przy stałym strumieniu gazu oraz stałym stosunku sprężania obniżenie temperatury początkowej gazu pozwala na względną oszczędność energii napędowej sprężarki zgodnie z zależnością:

wzór zależność

gdzie:
N’, N – moc napędowa sprężarki przed i po wstępnym ochłodzeniu gazu,
T’, T – temperatura bezwzględna gazu przed i po wstępnym ochłodzeniu gazu.

W przypadku sprężarek wielostopniowych oszczędność energii używanej do napędu sprężarki zależy od stosunku sprężania oraz od temperatury gazu przed poszczególnymi stopniami sprężania. Efekt energetyczny modernizacji układów chłodzenia sprężarek zależy wobec tego od optymalizacji zarówno strumienia wody chłodzącej, jak i temperatury wody chłodzącej oraz od parametrów konstrukcyjnych chłodnic międzystopniowych. Optymalizację układu wody chłodzącej chłodnic międzystopniowych należy rozpatrywać biorąc pod uwagę wszystkie powyższe elementy układu.

W niniejszym artykule opisano główne obszary działań, jakie należy poddać analizie przed przeprowadzeniem inwestycji. Aby osiągnąć spodziewany efekt modernizacji układu wody chłodzącej, konieczna jest starannie wykonana kompleksowa analiza pracy układu chłodzenia oparta o inwentaryzację stanu obecnego, poparta pomiarami oraz analizą wpływu temperatury wody chłodzącej na poszczególne urządzenia procesowe. Poprawnie wykonana analiza pozwoli znacznie zminimalizować ryzyko związane z przeprowadzeniem inwestycji, wpływając równocześnie na efektywność produkcji całego zakładu.

LITERATURA

  1. Kozioł J., Stechman A.: Przemysłowa woda chłodząca, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2006
  2. Zembaty W.: Systemy i urządzenia chłodzące elektrowni cieplnych, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1993.
  3. Dokument referencyjny BAT dla najlepszych dostępnych technik w przemysłowych systemach chłodzenia, Ministerstwo Środowiska, Warszawa 2004.
  4. Szargut J.: Termodynamika techniczna. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1991.
  5. Słupik T.: Modernizacja układu chłodzenia – jak ją dobrze zaplanować?, „Chemia przemysłowa” 2014, nr 1.
  6. Kasprzyk M.: Poprawa wskaźników techniczno-ekonomicznych: rezerwy w układach chłodzenia, Konferencja „Efektywność energetyczna w energetyce i przemyśle – podejście praktyczne”. Pułtusk 7–9.06.2010.

Autor: Mariusz Kusa, „ENERGOPOMIAR” Sp. z o.o., Zaklad Techniki Cieplnej

Źródło rys.: „ENERGOPOMIAR” Sp. z o.o.

Artykuł został także opublikowany w magazynie „Energetyka” nr 9/2014