Modernizacja układu chłodzenia – jak ją dobrze
advertisement
Modernizacja układu chłodzenia – jak ją dobrze zaplanować? Autor: Tomasz Słupik, „ENERGOPOMIAR” Sp. z o.o., Zakład Techniki Cieplnej („Chemia Przemysłowa” nr 1/2014) Układy wody chłodzącej w instalacjach przemysłowych, a w szczególności w instalacjach chemicznych, stanowią istotny element zapewniający funkcjonowanie głównych linii technologicznych. Ich poprawne działanie przekłada się nie tylko na efektywność produkcji tych instalacji, ale również w skrajnych warunkach pogodowych może prowadzić do ograniczeń produkcyjnych. Pracujące w krajowych instalacjach chemicznych układy są pod względem filozofii budowy, zaawansowania technicznego oraz zastosowanych elementów składowych dość podobne. Obecnie wiele z tych instalacji jest na etapie modernizacji lub działania takie są planowane w najbliższej przyszłości. Jak wskazuje dobra praktyka inżynierska w tym obszarze, planowanie działań modernizacyjnych powinno być poprzedzone starannie wykonaną analizą obiektową ujmującą aktualną kondycję układu wody chłodzącej wspartą inwentaryzacją obecnego i przyszłego zapotrzebowania instalacji produkcyjnych na wodę chłodzącą oraz oczekiwanych parametrów układu chłodzącego. Takie kompleksowe działanie może być nazwane również audytem energetycznym układu wody chłodzącej. W niniejszym artykule opisano główne obszary działań, jakie powinna w sobie zawierać wspomniana powyżej analiza. Przesłanki do modernizacji Układy wody chłodzącej w instalacjach chemicznych, jeżeli są układami centralnie zaopatrującymi instalacje w wodę chłodzącą, są rozwiązaniami dosyć typowymi zarówno jeśli chodzi o ich filozofię działania, jak i budowę. Schemat przykładowego układu obrazuje rysunek nr 1. Najczęstszymi przyczynami decydującymi o modernizacji układów wody chłodzącej są: zbyt niska wydajność pracy, nasilająca się przy wysokich temperaturach otoczenia; zbyt duża energochłonność układu wody chłodzącej; rozbudowa linii/kombinatu o nowe moce produkcyjne; brak wystarczających rezerw w skali kombinatu gwarantujących bezpieczną pracę instalacji; uwarunkowania formalno-prawne (np. związane z koniecznością utylizacji elementów układów zawierających azbest); dostępność technologii – uzasadniona ekonomicznie – pozwalająca na obniżenie kosztów eksploatacji układów wody chłodzącej. Większość z powyżej wymienionych niedomagań układów wody chłodzącej jest następstwem nieoptymalnej pracy elementów składowych tych układów, do których należą: wymienniki ciepła pracujące w układzie woda surowa - woda uzdatniona w układzie zamkniętym; chłodnie wentylatorowe; układy pompowe pracujące w obrębie układu wody surowej, jak również pracujące w obrębie wody uzdatnionej w układzie zamkniętym; rurociągi i kanały – głównie w obszarach komór ssawnych pomp. W ostatnich latach zwiększyła się także dostępność, w kontekście efektywności inwestycyjnej, technologii regulacji dla silników zarówno nisko-, jak i średnionapięciowych. Daje to niejednokrotnie duże możliwości obniżenia kosztów eksploatacji przedmiotowych układów, gdyż pozwala na łatwiejszą optymalizację pracy takich urządzeń jak pompy czy np. wentylatory w celkach chłodni wentylatorowych. Kompozycja dwóch parametrów Niezależnie od głównej przyczyny, która wpływa na podjęcie decyzji o przeprowadzeniu działań modernizacyjnych układu wody chłodzącej, w każdej praktycznie sytuacji mamy do czynienia z dwoma przeciwstawnymi parametrami: wielkością budżetu zadania oraz efektywnością techniczną funkcjonowania układu po modernizacji. Kompozycja w głównej mierze tych dwóch parametrów daje nam wskaźnik efektywności inwestycyjnej zadania, z którego coraz częściej są rozliczane osoby odpowiedzialne za realizację i nadzór nad modernizacją. Mając na uwadze powyższe, przed przystąpieniem do planowania zadań modernizacyjnych określić należy najważniejszy parametr, który jako parametr gwarantowany powinien zostać należycie opisany w SIWZ na dostawę modernizacji, a następnie potwierdzony przez dostawcę modernizacji w kontrakcie. Do głównych parametrów należeć mogą: niezawodność układu i jego elementów składowych – wyrażona np. poprzez wskaźnik dyspozycyjności; efektywność energetyczna układu – wyrażona np. poprzez parametry sprawnościowe poszczególnych elementów układu; efektywność inwestycyjna – ujmująca optymalną proporcję takich parametrów jak: efektywność energetyczna, koszty realizacji zadania, dyspozycyjność, koszty eksploatacji bieżącej (w analizowanym okresie czasu). Przedstawione powyżej parametry nie wyczerpują pełnej ich gamy, gdyż może istnieć wiele innych wielkości zależnych od specyfiki kombinatu, w których pracują konkretne układy wody chłodzącej. Rzeczywista kondycja układu W odniesieniu do jasno sprecyzowanego celu modernizacji powinna jednak zostać wykonana analiza obiektowa identyfikująca rzeczywistą kondycję układu. Elementy takiej analizy mogą stanowić także materiały wsadowe do części technicznej SIWZ na dostawy w ramach modernizacji. W większości podejmowanych działań modernizacyjnych odrębnie są realizowane działania na określonych węzłach technologicznych tj. na chłodniach wentylatorowych, pompowaniach i wymiennikach ciepła. Wspomniana powyżej analiza powinna zatem być zrealizowana na początku działań modernizacyjnych. Należycie wykonana pozwoli bowiem na określenie spodziewanych efektów modernizacji w wymiarze wskaźników technicznych, a także szacunkowo w wymiarze wskaźników ekonomicznych. To z kolei pozwoli służbom nadzorującym działania modernizacyjne określić bezpiecznie poziom wskaźników techniczno-ekonomicznych, takich jak parametry gwarantowane i wielkość budżetu, aby zmieścić się z zadaniem w dopuszczalnych w korporacji ramach przewidzianych dla działań modernizacyjnych. Pełna analiza stanu aktualnego powinna obejmować co najmniej: 1. Inwentaryzację układu – działanie takie powinno obejmować obszar planowanej modernizacji wraz z elementami, na które modernizacja ta wpłynie w znaczący sposób. W ramach tego działania powinno się dokonać pobieżnej oceny stanu technicznego urządzeń i rurociągów łączących, a także armatury, zebrać informacje nt. wyposażenia układów w aparaturę kontrolno-pomiarową, zasobów danych archiwalnych, dostępności punktów pomiarowych dla potrzeb zainstalowania aparatury zewnętrznej, dostępności dokumentacji technicznej i opracowań oraz analiz w zakresie problematyki technicznej układu. Należy także uzyskać informacje w temacie prowadzonej polityki remontowej w zakresie głównych urządzeń, a także dokonać wywiadu z obsługą ruchową nt. doświadczeń eksploatacyjnych. 2. Inwentaryzację w zakresie zapotrzebowania na wodę chłodzącą instalacji produkcyjnych – zakres inwentaryzacji powinien obejmować zarówno stan obecny, jak i prognozę w odpowiednim horyzoncie czasowym, najlepiej zbieżnym z okresem, w jakim jest analizowana zasadność ekonomiczna podjęcia działań modernizacyjnych. Dane jakie w tym zakresie należy zebrać stanowią główne parametry, takie jak: najniższa i najwyższa temperatura, jaką można doprowadzić do instalacji bez konsekwencji skutkujących zaburzeniami produkcyjnymi, wymagany strumień wody chłodzącej, ewentualne zależności mówiące o wpływie temperatury wody chłodzącej na wydajność i efektywność energetyczną istotnych w instalacji urządzeń. Istotną z punktu widzenia optymalizacji jest również informacja nt. temperatury optymalnej dla pracy głównych urządzeń w instalacji. Optimum to jest tożsame z temperaturą, poniżej której dalsze obniżanie nie ma już pozytywnego wpływu na pracę urządzeń. Wiedza taka jest bardzo istotna dla potrzeb optymalizacji pracy układu wody chłodzącej, szczególnie w zimowych warunkach. 3. Analizę dostępnej dokumentacji w zakresie układu – w ramach tych działań istotne jest określenie dostępności dokumentacji dla głównych urządzeń układu wody chłodzącej, takich jak: pompy – dostępność charakterystyk przepływowych producenta, dane znamionowe pomp, silników itp.; wymienniki ciepła – głównie dane w zakresie znamionowych wartości przepływu, temperatur i ciśnień na dolocie do wymiennika, oporu hydraulicznego, znamionowego współczynnika wnikania ciepła „k”; chłodnie wentylatorowe – parametry znamionowe celek i osprzętu oraz krzywe chłodzenia; rurociągi i armatura – dostępna dokumentacja powykonawcza wraz ze zmianami wniesionymi w trakcie eksploatacji. 4. Zaplanowanie i wykonanie pomiarów obiektowych – pomiary obiektowe, jakie należy wykonać, powinny: zostać zaplanowane w sposób umożliwiający dostarczenie informacji o aktualnych osiągach pomp (wyznaczenie charakterystyk pracy bądź w wersji minimalnej punktu pracy) i ich nadwyżce antykawitacyjnej, ciśnieniach i strumieniach w charakterystycznych punktach układu, oporach hydraulicznych i osiąganej mocy cieplnej przez wymienniki pracujące w układzie. być zrealizowane w sposób zgodny z dostępnymi standardami (uznane normy i wytyczne), zwłaszcza w zakresie pomp, które będą podlegać modernizacji. Zalecane jest, aby raport z takich pomiarów stał się załącznikiem do załącznika technicznego do SIWZ na dostawę nowych pomp lub usługę modernizacji istniejących. W całym układzie wody chłodzącej pompowanie jest bardzo często najbardziej energochłonnym procesem i dlatego podejście do tego węzła technologicznego powinno cechować się dochowaniem szczególnej staranności. Raport z takich pomiarów powinien również określać sposób wykonania pomiarów gwarancyjnych na układzie już zmodernizowanym, do których podejście powinno być analogiczne do pomiarów realizowanych na etapie omawianej analizy. Podejście takie powinno przekładać się na sformułowanie kryteriów oceny najkorzystniejszej oferty na dostawę nowych pomp bądź modernizację istniejących. Kryterium takie powinno być kompozycją co najmniej dwóch parametrów, takich jak cena i parametry sprawnościowe i/lub inne wynikające z celów modernizacji. Jednym z rozwiązań zabezpieczających przed dostawą urządzeń o niepożądanych parametrach technicznych jest podanie w SIWZ poziomu sprawności urządzeń, klasyfikowanej jako gwarancja bezwzględna, tzn. wielkość, której dostawca musi dotrzymać bezwzględnie. Przedział pomiędzy wartością gwarantowaną na etapie oferty przez dostawcę a gwarancją bezwzględną uzyskaną w czasie pomiarów gwarancyjnych stanowiłby zakres, dający podstawę do naliczenia odpowiednio określonych kar umownych. Rozbicie gwarancji w taki sposób pomaga w zabezpieczeniu ociągnięcia celów biznesowych związanych z modernizacją. Szacowanie wielkości gwarancji bezwzględniej nie jest sprawą łatwą, ponieważ musi obejmować wiele aspektów, takich jak: określenie akceptowalnego poziomu sprawności dla osiągnięcia założonego NPV w projekcie, niepewności wyznaczenia wielkości gwarantowanej, dostępność urządzeń na rynku itd. Tego typu podejście ma jedną bardzo istotną zaletę – uciekając od badań na stanowiskach odbiorczych minimalizujemy ryzyka wynikające z możliwości nieosiągnięcia założonych celów biznesowych realizowanego przedsięwzięcia. Urządzenie jest bowiem badane na stanowisku, na którym pracuje w sposób w pełni transparenty. Wadą takiego podejścia jest natomiast to, że wykonanie pomiarów w ramach analizy i cała droga związana z przygotowaniem procedury pomiarów gwarancyjnych musi zostać zrealizowana wyjątkowo starannie przez specjalistów posiadających należyte doświadczenie. 5. Wykonanie analiz na podstawie modelu dla pełnego zakresu temperaturowego (temperatur zewnętrznych) – przeprowadzone pomiary obiektowe zazwyczaj są zrealizowane w stosunkowo krótkim odcinku czasowym, w ramach którego nie ma pełnej dostępności temperatur otoczenia występujących w ciągu roku. Równocześnie istniejące zazwyczaj opomiarowanie obiektowe nie pozwala na realizację potrzebnych analiz dla różnych warunków pogodowych bazując na danych archiwalnych. Niedogodność ta jest możliwa do rozwiązania poprzez opracowanie modelu cieplno-przepływowego bazującego na dostępnej dokumentacji i informacjach z wykonanej inwentaryzacji. Zbudowany model podlegać musi walidacji w oparciu o wykonane pomiary obiektowe. Właściwie zwalidowany model posłuży analizie możliwych do wystąpienia stanów, np. analizy dla dowolnych warunków pogodowych, różnego stopnia zabrudzenia powierzchni wymiany ciepła, a także modelowania rozpływów w instalacji po dołożeniu dodatkowych odbiorów (nowe instalacje) lub dodatkowych powierzchni wymiany ciepła. Model taki pozwoli również na określenie krytycznych miejsc w instalacji (jeżeli takie występują) – dla stanów prognozowanych – po przyłączeniu dodatkowych odbiorców bądź dołożeniu dodatkowych powierzchni wymiany ciepła. Wyniki w ten sposób uzyskane znacząco ułatwią sformułowanie wytycznych w zakresie modernizacji układów pompowych. 6. Analizę optymalizacyjną dla każdego z węzłów technologicznych, takich jak pompownie, chłodnie wentylatorowe, czy wymienniki ciepła, w kontekście zapewnienia parametrów dla scenariusza prognozowanej pracy instalacji – taka kompleksowa analiza opisana w niniejszym artykule, jak wspomniano wcześniej, powinna zostać zrealizowana na samym początku, tzn. przed podjęciem istotnych (pociągających za sobą określone rozwiązania techniczne i formalne) kroków związanych z modernizacją. W zasadzie wspominana już analiza realizowana wg klucza zgodnego z powyższymi punktami powinna doprowadzić do momentu, w którym założony cel modernizacji będzie można przełożyć na wymagania dla konkretnych węzłów technologicznych. 7. Określenie wariantów modernizacji z wyborem wariantu optymalnego – osiągnięcie celów modernizacji możliwe jest zazwyczaj w kilku wariantach implikujących określone rozwiązania techniczne w węzłach technologicznych. Każdy z wariantów powinien ujmować także analizę ekonomiczną zbudowaną na bazie informacji cenowych zebranych od potencjalnych dostawców modernizacji. Wariant rekomendowany powinien być tym wariantem, który najlepiej wpisuje się w cele modernizacji i posiada zarazem najlepsze wskaźniki ekonomiczne. 8. Opracowanie części technicznych specyfikacji na dostawy w obszarach węzłów technologicznych układu wody chłodzącej w zakresie parametrów gwarantowanych i sposobu ich wyznaczania – przeprowadzona kompleksowa analiza powinna zawierać konkretne wytyczne do dalszych działań modernizacyjnych, tzn. określać, jakie kroki należy podjąć, aby osiągnąć założony cel. Jednocześnie w niektórych węzłach technologicznych analiza powinna zakończyć się określeniem parametrów gwarantowanych, na jakie układ powinien być zakontraktowany, a także sposobem wyznaczania tych parametrów zwanych inaczej procedurą pomiarów gwarancyjnych. Przykład tego typu szczegółowego postępowania opisano w pkt. 4 niniejszego artykułu. *** Celem realizacji opisanych w niniejszym artykule analiz jest właściwe ukierunkowanie aktywności w procesie modernizacji dla osiągnięcia założonych celów modernizacji, w tym także efektywności inwestycyjnej. Należy pamiętać, że klarowne określenie celu modernizacji jest elementem niezbędnym do podjęcia dalszych działań, a dla jasno określonego celu warto jest przeprowadzić kompleksową analizę stanu aktualnego zwaną inaczej audytem energetycznym układu. Jego opracowanie ze starannością ujmującą minimalizację ryzyka inwestorskiego zapewnia spełnienie innych wymagań od strony merytorycznej dla tego typu opracowania (np. wytycznych ws. audytu efektywności energetycznej w systemie białych certyfikatów czy w programie NFOŚiGW pn. Efektywne Wykorzystanie Energii). Działanie takie pozwoli na doprecyzowanie oczekiwań w zakresie planowanej modernizacji, a także zmniejszy ryzyko związane z nieosiągnięciem założonych efektów.
