Optimering av Skellefteå Krafts fjärrkyleoch fjärrvärmenät

Transkript

1 Optimering av Skellefteå Krafts fjärrkyleoch fjärrvärmenät Daniel Byström Civilingenjörsprogrammet i Energiteknik vid Umeå universitets tekniska högskola. (löpnr. som tilldelas)

2 Sammanfattning Skellefteå Kraft AB köpte 2004 en befintlig kylanläggning av Tieto Enator, i vilken det är möjligt att återvinna värme från kylmaskinerna. Därtill finns ett fjärrkylanät i de centrala delarna av staden som har tillgång till frikyla i form av älvvatten. Examensarbetet mål har varit att undersöka värmeåtervinningens påverkan på fjärrvärmenätet samt att undersöka möjligheter till en eventuell sammanbyggnation av de två fjärrkylanäten. De ekonomiska möjligheterna för investering av en absorbtionskylmaskin har också undersökts i detta projekt. Experiment för att fastställa de befintliga kylmaskinernas COP-värden har genomförts och sammanställs i tabeller i rapporten. För att modellera systemen har fasta och rörliga kostnader identifierats för samtliga anläggningar som ingår i båda fjärrvärme- och fjärrkylasystemen. Kostnaderna för en sammanbyggnation av de två fjärrkylanäten är ungefär två miljoner och kostnadsbesparingen är i dagsläget kr per år. Räntabiliteten för det första året är 6,14% och en sådan byggnation kan därför rekommenderas. För att en sammanbyggnation ska vara ekonomiskt lönsam krävs det dock att en planerad älvsledning för fjärrvärme byggs. Att investera i en absorbtionskylmaskin är inte ekonomiskt då driftskostnaderna, utan avskrivning ligger ungefär 100 kr/mwh över kostnaden för en ordinär kompressionskylmaskin. Eftersom en absorbtionskylmaskin inte skapar nog mycket värmeunderlag för att ha kraftvärmeverket i drift, finns det ingen anledning att i dagsläget införskaffa en sådan. 2

3 Abstract In 2004 Skellefteå Kraft AB bought a cooling installation from Tieto Enator, in which it s possible to recover heat from the refrigeration machines. Besides that, there s a district cooling net in the central parts of the town in which there s a possibility to us free cooling from the river. The purpose in this thesis has bean to investigate how recovering the heat affects the district heating net, and investigate the possibilities of an assumed fusion of the two systems. The economic possibility for investment of an absorption cooling machine is also examined in the project. Experiments in order to establish the existing refrigeration machines COP-values have been implemented and are put together in tables in the report. In order to model the system the costs for all plants that are included in the both the heating and cooling systems have been identified. The costs for a fusion of the two cooling systems are around two millions SEK and the cost reserve is at present SEK a year. The return on capital employed for the first year is 6,14 % and such a construction work can therefore be recommended. In order to make a fusion of the two cooling systems financially profitable it s required that a planned pipeline for district heating is built. To invest in an absorption cooling machine is not considered financially because the cost for this type of machine, without writing off, are approximately 100 SEK/MWh over the cost for an ordinary compression cooling machine. The absorption cooling machine does not create the possibility to have the cogeneration plant in operation and therefore there isn t any reason, at the present, to acquire such a machine. 3

4 Förord Detta examensarbete har genomförts vid Skellefteå Kraft AB under perioden som en del i civilingenjörsutbildningen inom energiteknik vid Umeå Universitet. Under arbetets gång har en mängd frågor kring fjjärrvärme- och fjärrkylanäten samt dess produktionsanläggningar diskuteras med många olika personer, både inom och utanför företaget. Jag vill tacka mina handledare Stig Lindqvist och Ronny Östin som, trots arbetsbördan har haft tid att komma med goda råd. Jag vill också tacka alla inom arbetsområde värme på Skellefteå Kraft AB då jag haft hjälp av de flesta av dessa. Dessutom har Jonny Petterson på York Refrigiration bidragit med stor kunskap angående kylmaskiner. Vidare vill jag tacka Mark Riley vid Lindo systems inc. Som skänkt en full licens av deras optimeringsprogram What s Best!. Skellefteå Daniel Byström 4

5 Innehållsförteckning SAMMANFATTNING...2 ABSTRACT...3 INNEHÅLLSFÖRTECKNING INLEDNING Syfte och mål Beräkningsverktyg 7 2 TEORI Fjärrvärmenätet Dimensionerande utetemperatur Graddagskorrigering Kraftvärme Fjärrkyla Bakgrund Mekanisk kylmaskin Frikyla Absorbtionskylmaskin Tillvägagångssätt Ickelinjärt problem Linjärt problem Heltalsproblem METOD Förutsättningar Fjärrkyla Fjärrkylanät Styrsystem Sleipner Givare Sleipner Bestämning av COP Sleipner Styrsystem Brinken Bestämning av COP Brinken Förutsättningar fjärrvärme Spetslastpannor Fjärrvärmenätet Förutsättningar bioenergikombinatet, Hedensbyn Kapacitet Hedensbyn Alfavärde Pelletsverk Ackumulatortank

6 3.4 Ekonomi Pannkostnad Skatter och miljökostnader Bränslekostnad Fasta kostnader Start och stoppkostnader Simuleringsmodell fjärrvärmenät Simuleringsmodell fjärrkylanät 32 4 RESULTAT Fjärrvärmemodell Fjärrkylamodell Modellerna sammanslagna Absorbtionskyla 38 5 DISKUSSION Mätningar Modellerna Fjärrkyla Fjärrvärme SLUTSATS REFERENSER BILAGA

7 1 Inledning Skellefteå Kraft AB köpte 2004 ett befintligt kylsystem av Tieto Enator. Detta system har i uppgift att leverera klimatkyla till både kvarteret Sleipner och Sirius, samt kyla till serverhallarna i Sleipner. Dessa kylmaskiner går att använda i värmeåtervinningsläge, det vill säga som en värmepump, detta för att minska behovet av fjärrvärme. Till dess att Skellefteå Kraft AB köpte maskinparken har den kunnat leverera tillräckligt med värme för att klara kvarteret Sleipners behov ned till ungefär -5 C. När man återvinner värme minskar lasten på fjärrvärmenätet, vilket även minskar möjligheten för elproduktion i kraftvärmeverket. Sedan tidigare äger bolaget två kylmaskiner i kvarteret Brinken som levererar kyla till ett mindre fjärrkylenät. I Brinken finns även möjlighet att använda så kallad frikyla i form av älvvatten under de kallare månaderna. En utbyggnad är planerad för att sammanbinda de båda näten och på så sätt kunna använda frikyla även i kvarteret Sleipner under vintermånaderna. En annan fördel med en sådan utbyggnad är att under sommarmånaderna, då kylbehovet är som störst, går det att samköra maskinerna. 1.1 Syfte och mål Syftet med detta examensarbete är att optimera driften för Skellefteå Krafts fjärrkylanät, så att detta drivs så ekonomiskt som möjligt. Eftersom det finns möjlighet att återvinna värme ifrån kylmaskinerna innebär det att även värmeproduktionen måste optimeras eftersom värmeåtervinning på kylmaskinerna minskar fjärrvärmebehovet. Då lasten på kraftvärmeverket minskar resulterar detta i minskad elproduktion. Vid värmeåtervinning minskar dock verkningsgraden på kylmaskinerna eftersom det krävs en högre temperatur på kondensorsidan. Eleffekten som kan produceras begränsas av turbinens och kraftvärmeverkets maximala effektuttag. För att skapa ett beslutunderlag för en ihopbyggnad av fjärrkyleöarna skall detta simuleras. För att kunna köra kylmaskinerna så ekonomiskt som möjligt skall en brytpunkt tas fram, det vill säga att bestämma vid vilken utetemperatur det är ekonomiskt riktigt att ändra driftläge på kylmaskinerna. Med detta menas när det är riktigt att ändra från kylmaskinsdrift till värmepumpsdrift. Då samtliga pannor i det centrala nätet ingår i modellen kommer även en startordning för dessa att bestämmas. Den startordning som bestäms är den som är ekonomiskt mest fördelaktig. 1.2 Beräkningsverktyg Då ett stort antal pannor och kylmaskiner skall optimeras används beräkningsprogrammet What sbest för att simulera nätet. Detta program är ett tillägg till Microsoft Excel och klarar av både linjära och ickelinjära problem. What sbest används framförallt för att hitta en startordning för de olika pannorna, samt en brytpunkt då det lönar sig att återvinna spillvärmen från kylmaskinerna. 7

8 2 Teori 2.1 Fjärrvärmenätet Grundidén med fjärrvärme är att en eller några stora produktionsanläggningar ska kunna producera värme till ett stort antal kunder. För detta finns en rad motiv som brukar tas upp vid införande av fjärrvärme. Kraftvärme kan producera både el och värme med relativt hög totalverkningsgrad. Minskade specifika kostnader. Billigare bränslen kan användas. Bättre lokal miljö genom bättre förbränning. Bättre global miljö då det är billigare och enklare med miljöåtgärder på större anläggningar. För att producera värme krävs det alltså en produktionsanläggning, en sådan anläggning kan till exempel vara ett kraftvärmeverk, fastbränslepanna, oljepanna eller elpanna. I vissa fall finns det möjlighet till att använda spillvärme från någon industri i närheten. Vilken av dessa pannor som används beror på vilket som är det mest ekonomiska alternativet. I ett fjärrvärmesystem brukar man använda en eller flera stora anläggningar som används för att klara de flesta driftsfallen och då brukar man använda sig av pannor med billigt bränsle till exempel trädbränsle, torv eller sopor. För att klara effekttopparna samt bortfall av basproduktionen finns vanligtvis ett antal spetspannor som enkelt kan tas i drift, exempel på spetspannor är olje- och elpannor. Figur 1, Sankey-diagram för ett typiskt fjärrvärmesystem [2]. 8

9 De olika förlusterna i ett fjärrvärmesystem delas upp i produktionsförluster, distributionsförluster och värmeförluster hos kund något som ses i figur 1 ovan. Värmeförlusterna i abonnentanläggningar kan oftast tas tillvara av kunden då värmeväxlaren står inomhus och därmed tillhandahålls förlusten i form av värme. Både produktions- och distributionsförlusterna kan variera beroende på vilken av de olika pannorna i systemet som används. [2] Kundernas energibehov utgörs främst av byggnadsuppvärmning och varmvattenberedning, vilka kan beskrivas som fysikalisk värmelast och social värmelast. Den fysikaliska lasten beror till stor del på utomhustemperaturen då det är den delen som värmer upp byggnader. Den största delen av sociala lasten är tappvarmvattenförbrukningen och denna last är svår att förutspå för varje enskild abonnent, men om man ser på nätet i stort brukar man tala om sammanlagring. Med sammanlagring av tappvarmvattenförbrukningen menar man att över hela nätet får man ett relativt regelbundet belastningsmönster trots att varje enskild belastning är slumpartad. För att veta hur ofta en viss effektnivå överskrids i ett fjärrvärmenät används ett varaktighetsdiagram, det vill säga ett diagram där inträffade belastningar på nätet sorteras efter storleksordning. Figur 2 nedan är ett exempel på ett varaktighetsdiagram där också värmelastens sammansättning visas. Figur 2 Varaktighetsdiagram där förbrukningen och de olika förlusterna visas.[2] Som man kan se i figuren ovan så varierar dygnsmedeleffekten över året. Denna variation kan till stor del härledas till temperaturen utomhus. Det finns dock ett antal andra faktorer som påverkar. När solen skiner behövs det mindre värme från uppvärmningssystemet och tvärtom när vinden blåser. Lasttillskottet för varmvattenberedningen under arbetsdagar kan härledas i både industriella applikationer samt en ökad förbrukning i hushållen. 9

10 2.1.1 Dimensionerande utetemperatur För dimensionering av fjärrvärmenät har Svensk fjärrvärme en rekommendation på att man bör dimensionera efter extrema utetemperaturer som förekommer en gång på 30 år. Vid dimensioneringen använder man sig av ett femdygnsmedelvärde, EUT5. EUT5 står för extrem utomhustemperatur och är medelvärde på de fem kallaste dagarna som inträffat i rad under de senaste 30 åren. Sannolikheten att dessa temperaturer överskrids är således mycket låg. Det är inte rimligt att dimensionera efter den kallast förekommande utetemperatur samtidigt som varmvattenförbrukningen har sin topp då det skulle ge orimliga krav på installerad effekt. [2] Graddagskorrigering Uttrycket graddagar används för utetemperaturens beroende på värmelasten i ett fjärrvärmenät. Mängden energi som åtgår för uppvärmning är proportionell mot utetemperaturen. Antalet graddagar bildas, enligt ekvation 1, genom att summera alla dygns temperaturdifferanser över ett år, eller månad, om utetemperaturen är lägre än en vald gränstemperatur T g. Denna gränstemperatur för de olika månaderna redovisas i tabell 1 nedan. Antalet graddagar för varje månad kan erhållas från SMHI och de erhåller även värden för normalperioden, vilken bygger på statistik under 30 år. [5] Tabell 1, gränstemperatur över året för Skellefteå. Månad Gränstemperatur C Januari 17 Februari 17 Mars 17 April 12 Maj 10 Juni 10 Juli 10 Augusti 11 September 12 Oktober 12 November 17 December 17 G 31dec = v 1 jan Där ( T g Tu ) (1) G v =Meterologiskt graddagtal för en viss period. [ dagar] T g = Gränstemperatur ( tabell 1 ) [ C] Tu = Utetemperatur [ C] Uppvärmningssystemet svarar för uppvärmningen till gränstemperaturen, medan interna värmetillskott såsom datorer, lampor etc. ger resten av värmen. Vid denna gränstemperatur avtas summeringen av graddagar för att ta hänsyn till uppvärmningen från solinstrålning 10

11 som sker under sommar, vår och höst. Graddagarna med ett uppvärmningsbehov är streckade i figur 3 nedan. Figur 3 Uppvärmningsbehovet beskrivet med graddagar [2] För att korrigera den använda effekten mot normalåret används de i ekvation 1 beräknade graddagarna för att beräkna en korrigeringsfaktor. Denna korrigeringsfaktor kan beräknas på årsbasis, men oftast används den på månadsbasis. Korrigringsfaktorn beräknas enligt formel 2 nedan. [2] 1 korr = (2) α + β (1 α) Där Qo α = Q n Q o = Värmebehovet som är oberoende av utetemperaturen(varmvatten) Q n = Beräknat värmebehov under normalperiod β G = G v n G v =Meterologiskt graddagtal för en viss period G n = Klimatologiska graddagtalet för en normal period I Skellefteå Krafts fall sätts varmvattenförbrukningen, det vill säga α till 30 % av värmelasten. Denna förenkling går att göra på årsbasis, men om man korrigerar kortare perioder måste man ta med den faktiska förbrukningen. Det meterologiska graddagtalet beräknas enligt formel 1 för den bestämda perioden. Det klimatologiska graddagtalet erhålls 11

12 från SMHI och illustrerar ett normalår för en viss ort. Graddagar är ett enkelt och lättanvänt verktyg för att göra analyser av värmebehov i ett fjärrvärmenät. Enkelhetens baksida är dock att det är ett grovt verktyg med relativ dålig precision. Speciellt bör man ha i åtanke att noggrannheten under månaderna maj-september är osäkra eftersom antalet graddagar är få. [5] 2.2 Kraftvärme Vid ett kraftvärmeverk produceras både värme och el i samma process. Den mekaniska energin omvandlas av en generator till elektricitet och man definierar en elutbytesfaktor, kallat α -värde, enligt följande. P α = (3) Q P = Producerad mekanisk effekt [W] Q= Producerad värmeeffekt [W] Då ett kraftvärmeverks enda kylning är fjärrvärmenätet, är produktionen av elektrisk kraft helt beroende av den mängd värmeeffekt som kunderna konsumerar. Kraftvärme är en slags kompromiss då högre framledningstemperatur medför ett högre mottryck för turbinen, vilket i sin tur medför mindre ångexpansion och därmed mindre eleffekt. Anledningen till detta är att vid högre framledningstemperatur avgår mer effekt till värme än till turbinen. Detta kan förklaras enkelt med att säga att ju kallare ångan är, när den kommer ur turbinen, desto mer energi har den avgivit. Men eftersom man åtagit sig att leverera värme måste en viss del av ångans energi gå till fjärrvärme. Till kraftvärmeverket i Hedensbyn finns dessutom ett pelletsverk som har behov av processånga. I första turbinen ges möjlighet för ångtappning till pelletsverket och detta kan ske vid antingen 7 eller 26 bar och ett maximalt ångflöde på 9 kg/s. En crossover-ventil finns installerade och detta medför att man kan simulera ett fjärrvärmebehov genom att skicka ånga via en crossoverledning till en lågtrycksturbin som kyls med älvsvattten. Detta medför att det går att producera el och pellets även när fjärrvärmebehovet är lågt, något som ökat drifttiderna på kraftvärmeverket markant. [7] Figur 4 nedan visar en översiktsbild på utformningen av bioenergikombinatet på Hedensbyn. 12

13 Figur 4, Översiktsbild kraftvärmeverk Hedensbyn samt pelletsanläggning [7] Som man ser i figur 4 ovan är pelletsverket inkopplad med tre ångledningar i figuren markerat med tjocka svarta streck. Två av dessa ledningar går till pelletstorken och en direkt till lågtrycksturbinen. Kondensatet från pelletsverket leds tillbaka till kraftvärmeverket i två ledningar och blandas där med kondensatet från värmeväxlarna som ger fjärrvärme. Denna kondensatblandning förvärms sedan med ånga från avtappningar i turbinen innan det går tillbaka till ångpannan. En anläggnings reglerbarhet, det vill säga förmågan att leverera värmeeffekter vid olika last, ökar med denna inkoppling. Pannan går således att köra trots att värmebehovet är lågt, eftersom effekten används i pelletsverk och turbin. Pelletsverket medför att kraftvärmeverket går köra någon månad extra varje år. 13

14 2.3 Fjärrkyla Bakgrund I början på 90-talet började de första fjärrkyleanläggningar tas i drift, och har således funnits en mycket kortare tid än fjärrvärme som har varit i drift i 50 år. Behovet har dock varit blygsamt men med förbudet av köldmediet R22 har det ökat. Fjärrkylans fördelar ligger i både i de ekonomiska fördelarna med stora produktionsanläggningar samt att det finns miljömässiga fördelar. De fördelar som brukar nämnas är; Minskat engagemang från kund. Kräver mindre utrymme vid installation. Miljövänligare. Leveranssäkerhet. Fast eller relativt lågt pris. Ingen kapitalkostnad. För att producera den erforderliga kylan finns två metoder, frikyla samt kylmaskin. En kylmaskin arbetar enligt principen att ta upp energi från ett kallt medium och avge energi till ett varmare medium. För att åstadkomma detta krävs det att man motverkar termodynamikens andra huvudsats, som säger att entropin aldrig kan minska i ett slutet system. Det vill säga att värme inte av sig själv kan övergå från en kallare till en varmare kropp. Med tillförd energi kan man alltså frångå denna termodynamiska lag. Frikyla är helt enkelt kyla upptagen från ett redan kallt medium exempelvis olika vattendrag. [6] Mekanisk kylmaskin Den tillförda effekten i en mekanisk kylmaskin består av el till kompressorn. Det finns ett antal olika utformningar av dessa maskiner med grundutformningen illustreras i figur 5 nedan. Det finns kylmaskiner med olika kompressortyper på marknaden idag. De vanligaste är skruvkompressor, centrifugalkompressor och kolvkompressor. Som köldmedie är det vanligast att man använder antingen R-134a eller ammoniak. Figur 5, Kompressorkylmaskinens komponenter. 14

15 I Förångaren kokas köldmediet vid en låg temperatur, något som är möjligt eftersom trycket är lågt samt att köldmediets kokpunkt är låg. Energin som erfordras för denna kokning tas ifrån köldbäraren som kyls ned. Processen i förångaren sker vid konstant temperatur och tryck och det sker en fasomvandling på köldmediet. Kompressorns uppgift i systemet är, förutom att transportera köldmediet, att skapa ett högt tryck i kondensatorn så att kondensation sker vid betydligt högre temperatur än förångningstemperaturen. Efter tryckökningen kyls köldmediet i kondensorn. Detta sker oftast med luft eller vatten som måste ha en lägre temperatur än köldmediet för att värmeväxling ska ske. Detta sker vid konstant tryck och köldmediet återgår till vätskefas. Strypventilen reglerar massflöde genom att upprätthålla tryckdifferansen mellan kondensor och förångare. Den har även till uppgift att sänka trycket så att värmen kan tas upp i förångaren. För att bestämma effektiviteten hos en kylmaskin talar man om COP, coefficient of performance. Då den avgivna kylan och den avgivna värmen jämförs med den tillförda effekten, i detta fall el som krävs för att driva processen, får man COP-värdet 4 och 5. [1] COP kyla Qkyla = (4) W effekt, in COP Q värme värme = (5) Weffekt, in Q kyla = Upptagen värme från omgivningen. Q värme = Avgiven värme till omgivningen. Effektiviteten på maskinerna varierar med de yttre omständigheterna. Temperaturen på flödet in i kondensorn är en av två viktiga faktorer, ju lägre dess temperatur är, desto mindre behöver maskinen arbeta. Man kan dock inte ha alltför låga temperaturer på flödet då maskinens funktion kan äventyras. Den andra faktorn som påverkar är börvärdet på fjärrkylans framledningstemperatur. Desto högre den är desto lättare blir det att kyla ner mediet Frikyla Med frikyla menar man att man utnyttjar kallt vatten från sjöar, hav eller andra vattendrag. Vatten pumpas upp med låga temperaturer och kyler fjärrkylenätet via en värmeväxlare. Därefter släpps vatten tillbaka till vattendraget. I de flesta fall används dock frikyla endast under vintermånaderna då lokala vattendrag har adekvat temperatur. Nackdelen med denna lösning är att kylbehovet är som störst under sommarmånaderna, och då kan man inte använda frikylan. Detta problem finns det dock flera lösningar på, exempelvis hämtar man i Jönköping sitt vatten från 70 meters djup i Vättern. [8] I Sundsvall använder man naturens 15

16 kyla på ett annat sätt nämligen snölager. Där samlas snö från staden under vintern och lagras sedan under ett sågspånstäcke för att använda det på sommaren. [9] Absorbtionskylmaskin Den största skillnaden på en absorbtionskylmaskin och en konventionell kompressorkylmaskin är att tillförd energi är värme istället för elektricitet. En absorbtionsmaskin har ingen kompressorn men istället, som man ser i figur 6, en absorbator, värmeväxlare, generator samt en elektrisk pump.[4] Figur 6, Absorbtionskylmaskinens komponenter. I Förångaren kokas köldmediet vid en låg temperatur, något som är möjligt eftersom trycket är lågt. Energin som erfordras för denna kokning tas ifrån köldbäraren som kyls ned. Förångarens process sker vid konstant temperatur och tryck Från förångaren leds vattenångan till absorbatorn där den absorberas i en koncentrerad lösning av litiumbromid. För att vattenångan skall absorberas effektivt kyls absorbatorn med kylvatten. Den utspädda lösningen pumpas förbi en värmeväxlare som växlar mot den koncentrerade lösningen för att öka verkningsgraden I generatorn tillförs värme som förångar vattnet och fäller ut litiumbromiden som går tillbaka till absorbatorn Vattenångan går vidare till kondensorn där den avger värme till kylvattnet. Nackdelen med en absorbtionskylmaskin jämfört med en kompressordriven dito är effektiviteten. En genomsnittlig kolvkompressordriven kylmaskin har ett genomsnittligt COP på 3,7 medan en absorbtionskylmaskin har COP- värden uppemot 0,8. [3], [4] Fördelen är att den drivs av lågvärdig energi i form av fjärrvärme, något som ur kraftvärmesynpunkt kan vara bra för att skapa mottrycksunderlag. 16

17 2.4 Optimering Tillvägagångssätt Ett vanligt tillvägagångssätt vid optimering av ett system är att använda en optimeringsmodell för att beskriva och analysera den tekniska frågeställningen. Denna matematiska modell kräver dock en del avgränsningar av olika slag för att bli lösbar. I de flesta stora modeller finns både globala och lokala optima. Med globalt optima menas den lösning som är absolut bäst, medan det lokala optima beskriver en lokal lösning där det inte finns någon bättre lösning i närheten. Figur 7 illustrerar tillvägagångssättet för att överföra ett verkligt problem till en modell för att därefter optimera denna. Verifiering av lösning Verkligt Problem Förenklat problem Modell Lösning Resultat Identifiering och avgränsning Formulering av problem Optimering Figur 7, Optimeringsprocessens tillvägagångssätt Vid en optimeringsprocess används oftast tillvägagångssättet som ses i figur 7 ovan. I ett första steg finns en problemställning, som identifieras och avgränsas. Detta leder till ett förenklat problem som modelleras. Denna modell optimeras, då vanligen med hjälp av ett datorprogram. Lösningen som fås av optimeringen verifieras i flera steg. I de fall då modellen går att verifieras i samtliga steg är således lösningen så pass bra att man får ett resultat Ickelinjärt problem Då minst ett av sambanden i modellen är ickelinjärt får man således en ickelinjär optimering. En sådan optimering löses med sökmetoder som letar globala optima. I större modeller kan dock detta leda till oerhört krävande beräkningar. Ett ickelinjärt problem kan också innehålla ett antal lokala optima Linjärt problem Ett linjärt problem är ett konvext problem det vill säga att det bara finns en optimal lösning. Detta medför att varje lokalt optima således också är ett globalt optima. Linjära problem är enklare och betydligt mindre resurskrävande att lösa än ickelinjära problem. Därför försöker man ofta att linjärisera ickelinjära problem Heltalsproblem Med heltalsproblem menas problem där en delmängd är definierad som diskreta variabler, i detta fall binära variabler. En binär variabel kan endast anta värdet ett eller noll. Värdet ett 17

18 används oftast som på och noll som av. Så är även fallet i detta projekt där en etta representerar att en panna är i drift. 18

19 3 Metod 3.1 Förutsättningar Fjärrkyla Fjärrkylanät I dagsläget är fjärrkylan i Skellefteå uppdelad i två öar, det vill säga två nät med respektive produktionsanläggning. En av öarna, Brinken används framförallt till komfortkyla medan det i den andre, Sleipner, finns ett betydande behov av kyla till serverhallar. För närvarande sköts produktionen av kyla i Sleipner med fem kolvkompressorkylmaskiner. Från dessa maskiner är det möjligt att återvinna värme från kondensorsidan, det vill säga att använda dem som värmepumpar. Då maskinerna i Sleipner körs som kylmaskiner kondenseras värmen bort i kylare som sitter på taket. I Brinken finns två skruvkompressorkylmaskiner samt möjlighet till frikyla från älven. Under sommarmånaderna, då man inte kan använda frikyla, används älvsvattet istället till att kyla ned kylmaskinerna. Under vår och höst kan man köra en blandning av dessa driftfall för att öka totalverkningsgraden på nätet Styrsystem Sleipner Det styrsystemet som idag används är ett internt styrsystem för varje kylmaskin och detta kommer från tillverkaren på respektive maskin. Ifall en maskin tillåts vara i drift eller ej bestäms av ett styrsystem från tillverkaren TAC. Det interna styrsystemet från Carrier sitter således i fyra kylmaskiner, KA Dessa maskiner styrs efter ett börvärde på utgående köldbärartemperatur, och denna kan regleras från 3,5 C och uppåt. MacQuay kylmaskinen, KA05, styrs istället på ingående köldbärartemperatur och har en fast temperaturdifferens som maskinen ska leverera. Dessa interna styrsystem är av en äldre typ, vilket medför att de ej är omställbara annat än med stora ingrepp. Det övergripande systemet från TAC reglerar maskinernas körordning såtillvida att om KA05 har gått på maximal effekt i fem minuter ges ett startvillkor till KA04. När denna maskin har gått på full fart i fem minuter ges startvillkor till KA01. Därefter tillåts KA02 och slutligen KA03 starta på samma villkor som de andra maskinerna. Anledningen till tidsfördröjningen är att minska svängningar i nätet som kan uppstå vid på/av reglering. Samtliga kylmaskiner i Sleipner är dessutom av kolvkompressortyp, och detta gör regleringen ganska grov. Dessutom kan maskinerna tillåtas att starta vid larm på föregående maskin, det vill säga att stannar KA05 utgår det ett larm och med det tillåts KA04 starta och körordningen är därefter likadan som i fallet utan larm. 19

20 3.1.3 Givare Sleipner I styrsystemet från T.A.C finns det även övervakning av kylsystemet. I detta system finns ett antal temperaturgivare samt en energimätare. Samtliga temperaturgivare är av typen Pt-100 och har ett givarfel som ligger mellan ± 0,4 C och ± 0,2 C. Den enda flödesmätare som finns i systemet är den som sitter i energimätaren. Dock är flödet över maskinerna reglerat via en pump som styrs efter differentialtrycket. Om man bortser från svängningar vid reglering är flödet således konstant. Figur 8 nedan visar en översiktsbild på kylrummet i kvarteret Sleipner. För varje kylmaskin finns det en egen elmätare samt ytterligare två mätare för diverse kringutrustning såsom apparatskåp, pumpar och fläktar. Figur 8, Översiktsbild på kylanläggningen, Sleipner 20

21 3.1.4 Bestämning av COP Sleipner För att modellera kylmaskinernas drift krävs en bestämning av kylmaskinernas effektivitet, eller COP. För att kunna göra detta måste kyleffekten ut från respektive maskin vid olika driftfall bestämmas, även eleffekten vid dessa driftfall bestäms. Då kundens kylbehov under testperioden var ungefär 220 kw medförde detta att endast ett par driftlägen kunde kontrolleras. Eftersom temperaturgivarna över varje maskin inte var matchade, det vill säga mätare som har samma mätfel och således ett minimalt fel på temperaturdifferentialen, går dessa mätare inte att använda. Detta eftersom mätfelet uppgår till en tredjedel av det uppmätta värdet och är således mycket otillförlitligt. Istället användes den debiterande mätaren som effektavläsning. Detta medför att de mindre av maskinerna (KA01-03) fick antas vara lika effektiva. Dessa maskiner är identiska men på grund av 20 års drift kan detta antagande diskuteras. Med ett sånt antagande kunde dock en loggning med 75 procents last på respektive maskin göras. Därefter loggades KA04 fullast som är just i området 220 kw. Då effektiviteten på KA01 bestämts, kunde därefter driftsfall med halva lasten göras enligt. COP KA 04halvfart Pkyl, tot Pel, KA01 COPKA01 = (6) P el, KA 04 På detta sätt får man en ungefärlig uppskattning om maskinernas effektivitet. Därefter har resterande värden uppskattas med hjälp av Jonny Petterson på York Refrigeration. De uppmätta värdena presenteras i vanlig stil medan de uppskattade värdena är skrivet i fet stil i tabellerna nedan. Kylmaskin 4 har fem stycken kompressorer och har alltså lika många reglersteg. COP för respektive steg visas i tabell 2 nedan. Kompressorerna på varje maskin är identiska. De tre mindre maskinerna är också dom av kolvkompressortyp men med fyra stycken kompressorer. Tabell 2, COP Carrier-kylmaskiner, Sleipner Kompressorer i drift KA04 3,9 4,4 4,3 4,2 4 KA , ,5 Den största maskinen, KA05, har på grund av ett haveri inte kunnat uppmätas. Då den senare togs i drift har ständiga problem vid mätningstillfällena gjort att uppmätning ej varit möjligt. Istället har värden från tillverkaren använts. Dessa värden redovisas nedan i tabell 3. Tabell 4, COP kylmaskin 05, Sleipner % av kapacitet KA05 4,2 4,7 21