Teollisuuden kylmäjärjestelmän muutosvaihtoehtojen tarkastelu: Selluprosessin kylmäntuotannon parantaminen
Nieminen, Ville (2020)
Nieminen, Ville
2020
Ympäristö- ja energiatekniikan DI-ohjelma - Programme in Environmental and Energy Engineering
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. Only for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2020-10-05
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202009227075
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202009227075
Tiivistelmä
Prosessin energiatehokkuuden parantamisella pyritään pienentämään tuotannon kustannuksia. Energiatehokkuutta voidaan parantaa pienentämällä lämmityksen tai jäähdytyksen tuotantoon käytettyä energiaa. Erilaisia jäähdytysratkaisuja käytetään niin kaukojäähdytyksessä, kuin prosessi- ja kemianteollisuudessa. Teollisuudessa jäähdytystä käytetään, jotta saavutettaisiin oikea lämpötila prosessin kannalta. Tässä työssä tutkittiin CMC-tehtaan kylmäjärjestelmän muutosvaihtoehtojen vaikutusta energiankulutuksen näkökulmasta. Työssä pyritään vastaamaan kahteen tutkimuskysymykseen, jotka olivat: Miten nykyisten jäähdytysjärjestelmien energiatehokkuutta on parannettua ja mitenkä tutkittavat vaihtoehdot vaikuttavat kylmäntuotantoon taloudellisesti. Tutkittavia muutosvaihtoehtoja olivat yhden tai useamman kylmäkoneen luistisäädön muuttaminen taajuusmuuttajaohjatuksi, 3linjan avoimen jäähdytyskierron muuttaminen suljetuksi kierroksi, vapaajäähdytys ja jäähdytyspiirin lämpötilannoston vaikutus nykyiseen järjestelmään ja vaikutus taloudellisimman muutoksen jälkeen. Muutosvaihtoehtojen vertailussa muutoksien taloudellinen vaikutus laskettiin tehtaalla tällä hetkellä kylmäkoneilla tuotetun jäähdytyksen kompressoreiden käyttämän sähköenergian pienentymisenä, minkä lisäksi otettiin huomioon muutoksesta johtuvat investointi- ja käyttökustannukset. Eri muutosvaihtoehtojen vertailu tehtiin takaisinmaksuaikojen vertailulla. Taajuusmuuttaja ja lämpötilannoston tarkastelu suoritettiin sovitteilla, joilla pystyttiin simuloimaan kyseisten muutosvaihtoehtojen vaikutusta. 3-linjan suljetun kierron ja vapaajäähdytyksen osalta tarkastelussa määritettiin ne ajanjaksot milloinka kyseistä vaihtoehtoa voitaisiin hyödyntää jäähdytyksen toteutuksessa. Taloudellisimmaksi muutosvaihtoehdoksi tarkastelussa muodostui yhden kylmäkoneen kompressorin luistisäädön muutos taajuusmuuttajasäätöiseksi. Kyseisen vaihtoehdon tarkastelussa koneellisen jäähdytyksen energiankulutuksen säästöksi saatiin 111,3 MWh nykyisestä energiankulutuksesta ja takaisinmaksuajaksi 6,4 vuotta. 3-linjan jäähdytyskierron muuttamisella suljetuksi kierroksi saatava säästö vuositasolla oli 434 MWh ja takaisinmaksuaika 12,9 vuotta. Vapaajäähdytyksen hyödyntäminen nykyisessä järjestelmässä osoittautui kannattamattomaksi sillä saatavan säästön vähäisyyden ja investoinnin suuruuden vuoksi, mikä nostaa kyseisen järjestelmän takaisinmaksuajan liian korkeaksi. Jäähdytyspiirin lämpötilannosto 1 ⁰C:lla saatava säästö oli 87 MWh. Jos lämpötilannosto 1 ⁰C:lla toteutettaisiin yhdessä taajuusmuuttajainvestoinnin kanssa, olisi tästä saatava säästö vuositasolla 224 MWh, jolloin investoinnin takaisinmaksuaika olisi 3,8 vuotta. Kyseistä tutkimusta voidaan pitää mahdollisen kylmäjärjestelmäinvestoinnin esiselvityksenä. Tutkimuksessa saatujen tuloksien pohjalta voidaan arvioida kyseiseen järjestelmään parhaiten sopiva muutosvaihtoehto. Työn tuloksien tarkkuutta voitaisiin parantaa tekemällä kenttämittauksia kohteessa, joilla pystyttäisiin selvittämään eri osaprosessien vaatimat lämpötilatasot, mitä ei oltu saatavilla lähtötiedoista. Kyseisten lämpötilatasojen avulla pystyttäisiin tarkentamaan jokaisen muutosvaihtoehdon tarkkuutta. Lisäksi mittauksilla saataisiin kompressorikoneiden todelliset toiminta-arvot, jolloin ei tarvitsisi käyttää approksimoituja arvoja. Aim of improving energy efficiency of process is lower the production cost. Energy efficiency can be improved by lowering the energy used to heating and cooling. Different cooling systems are used in disctrict cooling and in process and chemical industry. In industry cooling is used to achieve the correct temperature for the process. This works purpose was to examine alternative cooling system for CMC mill and their effect to energy consumption. The goal of this work is answer to two research question, which were: How existing cooling systems energy efficiency is improved and how alternative cooling systems effect on cooling production from economic perspective. Alternative cooling systems were one or several refrigeration machine’s slide valve control change to frequency converter control, 3-line open cooling system change as closed system, free cooling and effect of cooling circuit temperature rise on existing system and after the most economical option. Comparison between alternative systems were made by calculating the change between existing system compressors energy consumption and alternative systems change to compressor energy consumption. In addition the investment and operating costs were calculated for alternative system. Comparison of alternative systems were made from comparing payback times of different systems. Frequency converter and cooling circuit temperature rise review was made by using functions, which were able to simulate the effect of these change options. For 3-line closed circuit and free cooling times when the option is possible to use for cooling was defined. The most economical option on research was one compressor slide valve control change as frequency converter controlled system. On this option the calculated energy savings from mechanical cooling was 111,3 MWh from existing energy consumption and payback-time was 6,4 years. On 3-line cooling circuit change to closed circuit the energy savings on year review was 434 MWh and payback-time 12,9 years. Free cooling use on existing system was researched as unprofitable, because it have low energy saving potential and high investment costs, which rises the payback-time too high. Saving from temperature rise of the cooling circuit by 1 C was 87 MWh. If temperature rise by 1 ⁰C is implemented with frequency converter investment, annually savings are 224 MWh, when investments payback-time is 3,8 years. This research can be considered as possible cooling system investment preliminary study. Results from this study can be used to estimate the best alternative system for cooling to the system. Results of the study could be improved by making field measurements to the system, which could use to determine required temperature leves of sup-processes, which couldn't been get from output data. Accuracy of the change options could be improved by using the temperature levels. Measurements could be used to find out the exact operating values of the compressors, in which case approximate values wouldn't be used.