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冷卻水塔運轉最佳化

2017/12/8 上午 09:30:07
案例名稱

冷卻水塔運轉最佳化

案例說明

該廠為使冷卻水塔運轉最佳化,進行以下之措施:1)冷卻水系統風車加裝變頻器以控制輸出功率,依使用端負載之需求,自動調整風量之供應,以減少能源之消耗。2)降低冷卻水出水溫度,提昇5℃及9℃冰水主機運轉效率,減少壓縮機負載以達到節能之目的。

改善前狀況

該廠改善前冷卻水塔並未進行最佳化運轉。

改善後狀況

該廠改善手法如下:

1)風車加裝變頻器:

加裝變頻器,根據主機負載調整風車轉速,在冷卻水風車運轉台數不變情況下,夏月冷卻水風車約運轉在67%---40Hz(全載為60Hz),春、秋季運轉在58%---35Hz,冬季運轉在42%---25Hz,預估每年可省電653 MWh,節省電費約980 仟元/年,抑制CO2排放 437 公噸/年。

2)強制降低冷卻水出水溫度:

降低冷卻水出水溫度,可有效降低冰水主機之冷凝壓力,進而提昇冰機之運轉效率。以冷媒R-123而言,每降低1℃冷卻水溫度,則約可節省3%冰機之運轉效率。Fab14冷卻水系統控制方式從2005年之外氣濕球溫度控制方式(以外氣濕球溫度 + 3℃控制冷卻水塔運轉台數)改善為2006年之強制冷卻水出水溫度控制(強制冷卻水出水溫度之設定控制)。其優點為有效降低出水溫度,明顯提昇主機效率。缺點則為冷卻水風車加載運轉,造成風車耗能,但以省能的角度而言,冰水主機省能的效益則遠遠超過風車增加的耗能,預估每年可省電 3,321MWh,節省電費約4,980仟元/年,抑制CO2排放 2,225公噸/年。

3)總節約電力:3,974 MWh/年

原理說明(flow chart):

冷卻水系統風車加裝變頻器以控制輸出功率,依使用端負載之需求,自動調整風量之供應,以減少能源之消耗。

根據風車定律,風車消耗的功率與風車轉速三次方成正比,也就是說,降低風車轉速,可有效減少風車功率之消耗。

描述: http://www.energypark.org.tw/_admin/_upload/expand/success/771/file/fig3-2-1-%E9%A2%A8%E8%BB%8A%E9%81%8B%E8%BD%89%E6%95%88%E8%83%BD%E6%9B%B2%E7%B7%9A%E5%9C%96.JPG

如上圖 所示,風車每增加10%轉速,則風車增加約33%的功。
描述: http://www.energypark.org.tw/_admin/_upload/expand/success/771/file/fig3-2-2-%E5%85%AC%E5%BC%8F.JPG

(風車定律,H:消耗功率 D:impeller直徑 N:轉速ρ:空氣密度)

目前該廠,冷卻水系統分為5℃及9℃兩個系統,總共有13座冷卻水塔,每台風車的功率(Fan power)為91.68 kW。

以年平均運轉時數而言,夏天全載(13台)運轉時間約4個月,春、秋季約80%

(10台)運轉,冬季約50%(7台)運轉,因此全年冷卻水塔耗電為:

(13台 x 120天 x 24時/天 + 10台 x 150天 x 24時/天+ 7台 x 95天 x 24時/天) x 91.68 kW/台 = 8,196,192 kWh.

加裝變頻器後,根據主機負載調整風車轉速,在冷卻水風車運轉台數不變情況下,夏月冷卻水風車約運轉在67%---40Hz(全載為60Hz),春、秋季運轉在58%---35Hz(全載為60Hz),冬季運轉在42%---25Hz(全載為60Hz)。

根據風車定律估算:

夏月可節能約 13台x 120天x 24時/天x 91.68 kW/台x (1- 67%)3=123,354 kWh.

春、秋季節能約 10台x 150天x 24時/天x 91.68 kW/台x (1- 58%)3=244,526 kWh.

描述: http://www.energypark.org.tw/_admin/_upload/expand/success/771/file/fig3-2-3-%E5%AF%A6%E9%AB%94%E8%AA%AA%E6%98%8E-1.JPG

描述: http://www.energypark.org.tw/_admin/_upload/expand/success/771/file/fig3-2-4-%E5%AF%A6%E9%AB%94%E8%AA%AA%E6%98%8E-2.JPG

降低冷卻水出水溫度,提昇5℃及9℃冰水主機運轉效率,減少壓縮機負載以達到節能之目的。

描述: http://www.energypark.org.tw/_admin/_upload/expand/success/771/file/fig3-2-5-MollierChart.JPG

描述: http://www.energypark.org.tw/_admin/_upload/expand/success/771/file/fig3-2-6-COP%E5%85%AC%E5%BC%8F.JPG

 

由Mollier Chart圖可知,冷凍循環A’—B’— C—D’ ,其壓縮功為hd-hc,當冷卻水溫提高時,其冷凍循環A—B— C—D ,其壓縮功為hd-hc,查表可算出每降低1℃冷卻水溫度,則約可節省3%冰機之運轉效率。

描述: http://www.energypark.org.tw/_admin/_upload/expand/success/771/file/fig3-2-7-%E6%8E%A7%E5%88%B6%E6%96%B9%E5%BC%8F%E6%AF%94%E8%BC%83.JPG

 

該廠冷卻水系統控制方式從Y2005年之外氣濕球溫度控制方式(以外氣濕球溫度 + 3℃控制冷卻水塔運轉台數)改善為Y2006年之強制冷卻水出水溫度控制(強制冷卻水出水溫度之設定控制)。其優點為有效降低出水溫度,明顯提昇主機效率。

因為冰水主機有其額定冷凝壓力之運轉條件,此控制方式運用於夏季(6~10月)可明顯提高冰機之運轉效率,而在秋冬季節而言,冷卻水出水溫度則偏低,需關閉主機以為因應,避免主機因高壓無法建立,產生異常。

成效分析

1)經計算改善後每年共節省電力 3,974 MWh/年。

2)每年總節省金額:3,974,499 × 1.5元/kWh=5,960 仟元/年(1kWh=1.5元計算之)。

3)換算成抑低二氧化碳排放率:3,974,499 kWh × 0.67/1,000= 2,663 公噸/年。


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