Využiteľné teplo z procesov výroby stlačeného vzduchu

Výroba stlačeného vzduchu patrí medzi energeticky najnáročnejšie a zároveň 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 sa vstupujúca elektrická energia premení v procese stláčania vzduchu na teplo.

Pri stláčaní vzduchu dochádza k termodynamickému ohrevu, ktorý je daný fyzikálne – prevažná časť vstupnej elektrickej energie na pohon kompresora sa premení na odpadové teplo, ktorého štandardné delenie je na obr. 1. Dominuje tepelný tok odvádzaný chladením oleja, ktorý plní v kompresore niekoľko funkcií.

Odpadové teplo z rôznych častí kompresora sa môže použiť na ohrev vody alebo iných technologických tekutín, rovnako aj na dokurovanie objektu. Pri návrhu koncepcie kompresorovej stanice treba zvážiť možnosti, kam sa tepelné toky vzniknuté chladením KS odvedú.

V podstate existujú dva základné koncepty chladenia kompresorov – pri prvom ide o chladenie vzduchom, pri druhom o 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, predstavuje využitie priameho odpadového tepla v podobe ohriateho vzduchu z chladenia častí kompresorov na ohrev priestorov priľahlých budov. Najjednoduchšiu možnosť predstavuje priamy výfuk ohriateho vzduchu do blízkej budovy.

Toto riešenie má výhodu v jednoduchosti a nenáročnosti prevádzky a v malej investícii, veľkými nevýhodami sú však nerovnomernosť množstva vzduchu, hluk, aplikovateľnosť len na krátke vzdialenosti a predovšetkým sezónnosť využiteľnosti.

V letnom období zostáva tento tepelný tok nevyužitý. Druhý, technicky vyspelejší spôsob využitia odpadového tepla sa realizuje pomocou dodatočného zariadenia privádzajúceho teplo do teplovodného okruhu vykurovania.

Tu je už vyšší komfort využívania, napríklad priamo pre ÚK alebo ako predohrev spiatočky vracajúcej sa k zdroju tepla. Opäť tu však negatívne pôsobia sezónna využiteľnosť a zvýšenie investičných nákladov. Z pohľadu súčasnej techniky sa ako optimálne riešenie ponúka príprava teplej vody.

Výhoda je v celoročnom využití, ideálne využitie je na prípravu alebo predohrev teplej vody (TV) pre technológiu. Toto riešenie je však aplikovateľné len v malom percente priemyselných podnikov vzhľadom na to, že mnohé podniky nemajú dostatočnú spotrebu teplej vody.

Ohrev vody pre zamestnancov do spŕch je v malých a stredných podnikoch zvyčajne nezaujímavý vzhľadom na malú spotrebu vody, zložitosť technického riešenia a dlhé návratnosti investície. V článku preto ukážeme na meraných dátach možnosti využitia energie a uvedieme potenciál takéhoto riešenia.

Pre potreby článku sme vybrali merania na kompresorovej stanici vo výrobnom závode. Diskutujeme o možnosti využitia tepla z procesu kompresie pri výrobe stlačeného vzduchu ako média, ktoré sa bežne používa vo výrobných procesoch závodu.

Vychádzame z reálnych meraní uskutočnených v kompresorovej stanici (KS). Opíšeme postup, ako by sa malo postupovať pri návrhu efektívneho využitia tepla v procese prípravy TV, resp. pri 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.

Použili sme reálne meranie spotreby trojice kompresorov s motormi s príkonom 200 kW. Jeden kompresor je s FM, dva sú bez regulácie otáčok – iba s reguláciou do odľahčeného stavu. Meranie na obr. 3 zobrazuje ich reálnu spotrebu počas jedného prevádzkového dňa, reflektujúc potrebu média v priemyselnej výrobe.

Na obr. 3 sú prezentované spotreby KS na strane elektrickej energie v plnom zaťažení (zelenou farbou) a v odľahčenom stave (oranžovou farbou). Platí, že AlMiG je kompresor s možnosťou riadenia otáčok na strane elektromotora pomocou FM s možnosťou prechodu aj do odľahčeného stavu a C1 i C2 sú kompresory s prevádzkou v plnom alebo v odľahčenom stave.

Táto zostava je riadená iba na základe tlakových snímačov v autonómnom MaR každého z nich bez nadradenej regulácie. Meranie vzniklo pôvodne pre potreby analýzy efektivity výroby stlačeného vzduchu v závode a ako podklad na audit riadenia KS. Túto problematiku však v tomto článku nejdeme riešiť.

Na obr. 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 priebeh tlaku v mieste merania za kompresorom a teplota produkovaného média.

Os x zobrazuje časovú líniu merania, v hornej časti grafu je spotreba energie nameraná na danom kompresore. Oranžová farba znázorňuje intervaly, v ktorých kompresor po znížení otáčok motora na minimum prepínal do odľahčeného stavu.

Aj v odľahčenom stave však spotrebováva stále ešte približne 40 % energie zo spotreby pri maximálnej záťaži. Odľahčený stav slúži na ochranu kompresora pred častým vypínaním v prípade, že potreba stlačeného vzduchu v sústave poklesne pod minimálnu hranicu, ktorú je pri riadení FM schopný dodávať.

Ďalej sa zameriame na spotrebu elektrickej energie KS všeobecne a ukážeme, ako možno tento energetický tok previesť do sústavy vykurovania alebo prípravy TV. Všeobecný pohľad na spotrebu energie kompresormi (obr. 3) hovorí o ich striedaní počas jedného pracovného dňa.

Vidieť, že v prevádzke sú prevažne iba dva z trojice kompresorov. Dochádza k ich striedaniu, preto sa dá hovoriť o relatívne konštantnej výrobe vzduchu, čiže aj konštantnej potrebe chladiť kompresory. Na okraj iba poznamenáme, že prevádzka tejto KS nie je vôbec optimálna.

Meranie na trojici kompresorov, z ktorých mal každý motor s príkonom 200 kW, trvalo jeden týždeň. Sumár meraní z ich prevádzky ukazuje obr. 4. Prvý graf ukazuje prevádzku kompresora s FM, preto je potrebné jeho údaje vnímať v tomto kontexte.

Ostatné dva kompresory bežali buď na 100 % svojho príkonu, alebo na 40 % v odľahčenom stave (modrá farba ukazuje, aký čas bol ktorý z kompresorov vypnutý). Z grafov možno určiť spotrebu energie na prevádzku KS. Na základe merania na obr. 3 sa dá hovoriť o konštantnej výrobe vzduchu, čiže aj o konštantnej potrebe chladiť kompresory.

Teplo potrebné na odvedenie

Prvá časť obr. 4 ukazuje prevádzku kompresora s FM, ostatné dva kompresory bežali buď na 100 % svojho príkonu, alebo na 40 % v odľahčenom stave. V prípade potreby by bolo možné z grafov určiť spotrebu energie na prevádzku.

Kompresorová stanica ­spotrebuje spolu 71 MWh/týždeň, čo je pri cene 110 €/MWh už zaujímavých 7 810 €/týždeň. Ak by sme túto energiu previedli na teplo s účinnosťou 94 %, je to 66,74 MWh tepla týždenne.

Pri cene variabilnej zložky tepla 50 €/MWh by išlo o úsporu 3 337 €/týždeň, čo je za rok 180 200 €. Takto je vyjadrený hrubý potenciál úspory daný výkonom kompresorov v KS v prípade, ak by sme boli schopní spotrebovať celý tepelný tok z KS. Nastupuje však druhá podmienka, a to potreba tepla v závode.

Potreba tepla

Pri chladení kompresorovej stanice sa používa riešenie vzduchom alebo vodou. V oboch prípadoch platí, že kompresor treba chladiť a treba mať kam teplo dodávať, resp. mať zásobník, do ktorého by sa dalo nízkopotenciálne teplo 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 odvádza do okolia, v zime dokuruje priľahlé priestory.

V tomto prípade sú návratnosti oproti vodnému spôsobu chladenia ­výrazne ­rýchlejšie. Ak nie je potrebné vykurovať priestor, odkloní sa teplý vzduch von jednoduchou klapkou. Pri chladení vodou sa treba venovať analýze potreby tepla, a to nielen v objeme za deň, vhodné je pozrieť sa tiež, aký priebeh má potreba tepla v sústave, do ktorej plánujeme teplo dodávať.

Ak sa vyprodukované teplo za deň blíži k potrebe tepla sústavy TV, ešte to neznamená, že ho do nej bude možné aj umiestniť. Charakter potreby TV v podniku výrazne určujú zmeny a špičky v čase ich striedania.

Rovnako potreba tepla kolíše aj počas roka, v lete treba preto počítať s najnižšou potrebou (čas dovoleniek, menšie straty v cirkulácii). Pri rozhodovaní o použití tepla na prípravu TV sa treba pozrieť aj na spotrebu plynu na prípravu TV.

Rovnako sa treba zamerať na reálne spotreby vody v sústave, čo sa dá cez meranie doplňovania studenej vody (SV) do TV. Spojením týchto dvoch údajov zistíme, koľko pripadne na straty v cirkulácii a koľko na ohrev čerstvej vody zo sústavy.

Graf na obr. 5 uvádza spotrebu plynu pre potreby ÚK a TV v závode. Tieto údaje ukazujú odber tepla v objekte za rok pri porovnaní štyroch rokov. Minimum je, samozrejme, v letných mesiacoch.

Spotreba v lete (viazaná iba na potrebu TV) bude preto determinujúca – je to množstvo tepla, ktoré vieme umiestniť v lete bez potreby dodatočne chladiť kompresory iným spôsobom.
Údaje o spotrebe však treba pri letnej prevádzke preskúmať podrobnejšie.

Uvádzame príklad merania spotreby TV počas dvoch týždňov (merania prebiehali v štvrťhodinovom vzorkovaní). Tento údaj meraný na doplňovaní SV do sústavy TV na obr. 6 je potrebný na presné určenie reálnej potreby tepla v lete.

Treba, samozrejme, zohľadniť straty tepla pri 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 TV v objekte, pretože potreba chladiť KS nekorešponduje s potrebou prípravy TV.

Pri 165 m³ studenej vody s teplotou 10 °C doplnenej za 14 dní to znamená 15 520 MJ/týždeň, čo je 4,3 MWh za týždeň; ak pripočítame dvojnásobok potreby tepla na straty v cirkulácii, dostaneme 12,9 MWh týždenne.

Potreba chladiť vs. potreba tepla

Pozrime sa teraz na oba údaje. Ponuka tepla v podobe toku z chladenia kompresorov je 66,74 MWh a potreba tepla na krytie prípravy TV v lete aj so stratami cirkuláciou je 12,9 MWh/týždeň. Vidieť výraznú disproporciu medzi ponukou/potrebou chladiť a dopytom/potrebou ohrievať.

Teplo potenciálne privedené do sústavy z kompresorov je v letnom období priveľké, preto je potrebné zabezpečiť jeho marenie – či už v suchom chladiči, alebo iným spôsobom. To však navýši investičné náklady pre sústavu vodného chladenia KS.

Existuje možnosť osadiť vodné chladenie iba na jeden z troch kompresorov, pričom toto teplo súži na prípravu TV, zvyšok sa v lete vyfúkne vzduchom do okolitého prostredia, alebo v zime sa 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 na odvod prebytočného tepla do okolia, no počas vykurovacieho obdobia sa teplo z KS, ktoré nie je potrebné na prípravu TV, využije v predohreve spiatočky ÚK 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 zohľadňovalo tieto skutočnosti.

Na obr. 7 vidieť 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. Na spiatočke je zrejmý nárast teploty, preto treba zvážiť, aký to bude mať vplyv na prevádzku tepelného zdroja.

V tomto prípade bol ovplyvnený kondenzačný kotol, ktorému zvýšením teploty spiatočky klesla účinnosť. Netvrdíme však, že sa takéto riešenie nehodí do kondenzačného okruhu, ale treba vysledovať zmenu po nábehu a v prípade potreby prijať opatrenia vyregulovaním okruhu.

Na grafe na obr. 8 vidieť upravenú teplotu spiatočky (tmavomodrá farba) po vyregulovaní rovnakého systému v júli 2018. Myslíme si, že sa oplatí mať permanentný prehľad o teplotách na dôležitých okruhoch z dôvodu sledovania príčin a dôsledkov zásahov vykonaných na ­akejkoľvek sústave.

Nie je prípustné, aby dobre mienený zásah zhoršil efektivitu systému z dlhodobého hľadiska. Aj v tomto prípade platí, že čo sa nemeria, sa nedá ovplyvniť. Príklady vidieť na grafoch z roku 2017 (prelom júla a augusta, obr. 7) a 2018 (medzi 26. a 28. júlom vidieť poruchu v systéme v trvaní jeden deň, obr. 8).

Teplotná hladina spiatočky je ďalším determinujúcim faktorom pri úvahe o umiestnení 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 do úvahy.

Vzhľadom na uvedené skutočnosti treba výrazne zvážiť očakávania od takéhoto ­riešenia. Platí, že čím sú podrobnejšie a presnejšie údaje namerané na reálnej sústave, tým sú zodpovednejšie rozhodnutie a návrh.

Projektant vychádza zo zadania, ktoré dostane, pričom často ide o hrubé odhady a domnienky. Nebýva obvyklé, že sa takéto veci v bežnej industriálnej prevádzke merajú, nie je na to dôvod a pri budovaní novej fabriky sa na to nemyslí, resp. sa počíta s teplotami, ktoré potom nezodpovedajú realite.

V takom prípade možno osadiť dočasne meranie, ktoré nie je investične náročné, no poskytne spresňujúce údaje. Nájsť financie na takéto meranie sa oplatí – spätne pri odpovedi, či je vôbec potenciál na využitie tepla z kompresorov a aká bude reálna návratnosť investície.

Záverom

Úspory energie sa určia reálnejšie, ak sa v danej prevádzke vykonáva meranie a bilancujú sa jej energetické toky. Po uskutočnení mnohých auditov sústav stlačeného vzduchu sa v danom prípade zákazník rozhodol osadiť trvalé meranie, čo je dobrý základ presne cielených opatrení.

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 neoddeliteľnou súčasťou procesov. Aj 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 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 ÚK alebo na prípravu TV.

Neraz sú však úspory sľubované audítormi nereálne, čo bola aj jedna z hlavných príčin vzniku tohto článku. Odporúčame vykonať audit systému stlačeného vzduchu vyškoleným a kvalifikovaným odborníkom na kompresorový systém.

Ten pomôže pri výbere najlepších možností a príležitostí, ktoré sú k dispozícii v rámci konkrétneho zariadenia. Okrem úspor energie možno uviesť aj dôležitý argument, že zhodnocovanie tepla je prínosom pre životné prostredie.

Výrazné úspory energie nakoniec znamenajú aj zníženie uhlíkovej stopy zariadenia. V kontexte vývoja klimatických zmien sa tieto aspekty tiež stanú dôležitejšími pri argumentácii za zavedenie príslušných opatrení.

Článok bol uverejnený v časopise TZB Haustechnik 4/2019.