Промышленные холодильные системы с СО2

Естественным продолжением развития СО₂  систем является их применение не только в коммерческом холоде, но и для крупных промышленных проектов. Далее мы приводим статью о крупнейшей в Калифорнии холодильной СО₂-системе с использованием компрессоров BITZER.

В последнее время в России также выполнен ряд проектов с транскритическими холодильными системами. И количество этих проектов растет из года в год. Коллектив московского офиса BITZER с удовольствием предоставит максимально полную информацию о современной «линейке» продукции для построения подобных систем.

* * *

В течение многих лет в крупных холодильных проектах применялись аммиачные холодильные установки, которые очень эффективны, хороши для систем с большой производительностью и широко используются в промышленном холодильном сообществе в качестве стандарта для больших охлаждаемых хранилищ и технологических холодильных установок. Последние тенденции предложили конечным пользователям другие варианты, в том числе — системы с малой заправкой аммиака, обеспечившие более «распределенный» подход, устранивший центральные агрегаты, а заодно — и потребность в постоянном присутствии инженеров на объектах, а также риск крупных (хотя и очень редких) выбросов аммиака. Кроме того, что и является предметом данной статьи, появился альтернативный вариант с использованием в качестве хладагента CO₂  — еще одного природного хладагента. В статье описан самый большой CO₂-проект в Северной Америке, в котором CO₂  используется на предприятии по переработке свинины в Калифорнии.

В действительности в СО₂  нет ничего нового: он использовался в качестве хладагента в середине XIX века, достиг пика своего использования в 1920-х годах, а применение его сократилось после выхода на рынок химических CFC-хладагентов. Он окружает нас, сохраняет продукты питания замороженными при использовании в качестве сухого льда, не оказывает пагубного влияния на озоновый слой и незначительно влияет на глобальное потепление.

В 2017 г  Майкл Лау и его команда в Yosemite Meat Co. приняли решение о модернизации принадлежащего его семье завода по переработке свинины до более крупного современного предприятия, совместив при этом возможности для дальнейшего роста бизнеса, повышенную эффективность и возможность дополнительного увеличения мощности в будущем. Для реализации проекта был выбран заброшенный завод в Стоктоне, и Майкл должен был определить, как лучше всего организовать систему охлаждения нового предприятия.

Ключевыми пунктами при рассмотрении различных вариантов были следующие: окончательное решение должно было стать лучшим с точки зрения экологичности; решающее значение имела безопасность за счет использования неагрессивных веществ в качестве хладагента; требовалось обеспечить минимизацию рисков возникновения аварийных ситуаций и повысить степень безопасности персонала; система должна была позволять использование значительного количества утилизируемого тепла. И каким бы ни был выбор, он должен был стать экономически выгодным как по первоначальным затратам, так и по эксплуатационным расходам. После многопланового исследования и оценки предпочтение было отдано системе с применением CO₂.

Предприятие включает в себя приблизительно 110 000 квадратных футов (более 10 000 м²) охлаждаемого пространства, разделенного на множество различных специализированных зон в соответствии с производственным циклом. Немного данных о составе холодильной системы:

• 87 воздухоохладителей;
• 5 многокомпрессорных централей;
• 65 компрессоров суммарной мощностью 2450 л.с.;
• 5 гибридных газ-куллеров для транскритического применения.

«Сердце» системы образуют 5 многокомпрессорных станций, каждая из которых состоит из 13 полугерметичных компрессоров. Каждая станция имеет три раздельных контура всасывания, два из которых обслуживают потребности в «холоде» для систем  интенсивного охлаждения и заморозки продукции и для охлаждения технологических помещений, а третий контур используется для параллельного сжатия при работе системы в транскритическом режиме. Холодильные станции работают независимо одна от другой, а нагрузка на них распределена таким образом, что для каждой охлаждаемой зоны создан достаточный запас холодопроизводительности.

Многокомпрессорные холодильные станции

Панели управления станциями

Для эффективной работы данной системы особое внимание было уделено использованию электронных расширительных клапанов для каждого испарителя (необходимо в CO₂-системах), дистанционному контролю, позволяющему визуализировать для операторов процесс и режимы работы системы (охлаждение, разморозка, сигнализация, очистка и т.д.), и внедрению интеллектуальных элементов управления, которые позволили использовать стратегии «зонного контроля» для контроля температуры, обнаружения утечек, контроля за размораживанием и охлаждением, а также управления электронными клапанами.

Элементы автоматики для оттайки расположены в непосредственной близости к воздухоохладителям, что сводит к минимуму требования к силовой и слаботочной проводке. Системы управления вентиляторами воздухоохладителей с регулируемой скоростью были подключены в соответствии с техническими требованиями Калифорнии для холодильных складов, аналогичных данному. Органы управления позволяют изменять скорость вращения вентилятора в течение определенного времени, сводя к минимуму потребляемую вентилятором мощность и экономя энергию. В качестве управляющей была выбрана система управления Danfoss, позволяющая осуществлять централизованный контроль, а также «умные» локальные независимые контроллеры, не требующие подключения к центральному процессору.

Кубические воздухоохладители в технологическом помещении

СО₂-воздухоохладитель

Выносная панель управления оттайкой с частотными регуляторами и «умными» контроллерами для воздухоохладителей

Выбор СО₂  в качестве хладагента позволил использовать более «коммерческий» подход для «промышленного» применения. Все трубопроводы выполнены из меди или из «К»-сплава там, где требовалось учесть особые требования к рабочим давлениям. Основные магистрали, ведущие от компрессорных станций, выполнены в виде «петли», что позволяет подключать к ним отдельные контуры каждой охлаждаемой зоны. Расположение запорных клапанов и элементов управления позволяют осуществлять независимый локальный доступ и контроль.

В построенном аналогичным образом трубопроводе горячего газа, магистральная линия используется для подачи и возврата горячего газа, обслуживая все испарители в контуре каждой холодильной станции

В холодильных станциях применены полугерметичные компрессоры BITZER совместно с частотными приводами для ведущих компрессоров, а также стандартные линейные компоненты (но, конечно, большего размера), хорошо знакомые контракторам, работающим с СО₂-системами в сегменте магазиностроения.

Использование гибридных газ-куллеров позволяет системе функционировать в транскритическом режиме в условиях высокой температуры окружающей среды. Конструкция с применением смачиваемых матов позволяет существенно понизить температуру на поверхности теплообменника, максимально повышая эффективность работы системы в транскритическом режиме. Если температура окружающей среды достаточно низкая, система автоматически переключается в субкритический режим, отключая функцию параллельного компрессора. Бустерный дизайн системы разработан таким образом, чтобы в полной мере использовать все возможности для максимально эффективной работы.

Гибридные газ-куллеры

Оттайка низкотемпературных воздухоохладителей осуществляется горячим газом. Используется четырехтрубная система с элементами управления на холодильной станции для подачи необходимого объема газа в контур и локальными узлами с запорными и перепускными клапанами, установленными на каждом воздухоохладителе. Использование горячего газа позволяет дополнительно утилизировать отводимое от системы тепло, сводя к минимуму потребность в электроэнергии по сравнению с альтернативными способами оттайки.

В дополнение к использованию тепла для оттайки воздухоохладителей, оно также используется для подогрева гликоля в системах отопления и технической горячей воды, используемой для мойки. Каждая холодильная станция оснащена пластинчатыми теплообменниками для отвода большей части тепла, используемого для горячей воды.

Пластинчатые теплообменники системы утилизации тепла для подогрева воды

Выполнив первыми подобный по своим размерам проект, мы надеемся, что установим эталон для более крупных модульных систем для промышленного применения. В проекте применены холодильные станции и компоненты, аналогичные тем, что применяются в коммерческом холоде уже многие годы. Системы контроля и управления при кажущейся сложности (в силу масштаба) не содержат ничего принципиально нового.

Защитная автоматика, связанная с обнаружением утечек и сигнализацией, имеет важное значение для такого объекта, чтобы обеспечить сотрудникам безопасные условия работы. Кроме того, владелец объекта имеет в своем распоряжении графический дисплей в офисе или на своем планшете, на котором он может дистанционно контролировать работу системы и быть уверенным, что его холодильная система функционирует по плану, а продукты сохраняются в хорошем состоянии.

Данный проект представил новые возможности в Северной Америке, однако в различных регионах мира уже реализовано множество аналогичных проектов. Это новая захватывающая глава в истории использования натуральных хладагентов, в том числе такого исключительного хладагента, каким является СО₂.  Обучение технических специалистов, знакомство с новой технологией и особенностями ее применения станут основными вопросами уже в ближайшем будущем. Однако СО₂-технология уже широко используется в других отраслях, и это всего лишь следующий большой уровень для подобных систем. То, что сейчас кажется новым, на самом деле таковым не является. Оно адаптировано к современным реалиям, соответствует актуальным экологическим требованиям, хорошо подходит для решения многих задач. Это то направление развития, которое мы принимаем, и которому хотим следовать.

www.bitzer

Фотографии принадлежат компании CoolSys