Optimalisatie koelwatersysteem

[MJ3110]

Hallo allemaal!

Voor mijn stageopdracht moet ik bij een chemische fabriek het energieverbruik van het koelwatersysteem optimaliseren. 

Er zijn 6 koelwaterpompen (5 bij, 1 af) waarvan het totaal debiet bekend is, namelijk 2500 m3/h. Het hoogste punt in de fabriek waar het koelwater nodig is, is op 25 meter hoogte terwijl de koelwaterpompen op de begane grond gevestigd zijn. Elke pomp levert ongeveer 5 bar, een meting op het hoogste punt geeft 0,6 bar aan, dit is erg weinig voor deze hoogte. Nu was mijn idee om een boosterpomp te plaatsen op het punt waar het koelwater omhoog verpompt wordt, aangezien daar de grootste koelwaterverbruikers staan en de druk daar op dit moment erg laag is. Dit zou de koelwaterpompen rustiger moeten laten draaien (?). 

Nu is mijn vraag:

Hoe kan ik hierbij een energiebesparing berekenen? 

Omdat de fabriek erg oud is en normaal gesproken niet bezig is met optimalisatie, zijn er niet veel gegevens beschikbaar. Dit is erg frustrerend omdat ik aan het einde van mijn stageperiode graag een voorstel tot wijziging op tafel wil leggen gezien dit echt nodig is! 

Het totaal verbruik aan koelwater is 21900000 m3/jaar. 

 
Ik ben een 3e jaars student chemische technologie (1e stage), deze opdracht is dus duidelijk wel wat boven niveau. Wie kan mij hier bij helpen? 

[Pinokkio]

Er zijn 6 koelwaterpompen (5 bij, 1 af) waarvan het totaal debiet bekend is, namelijk 2500 m3/h.

Hoezo bekend? Zit er dan een debietmeter die die 2500 m³/h daadwerkelijk meet? Of denkt men slechts dat het debiet 2500 m³/h is?
Draaien die pompen op een vast toerental of wordt het debiet geregeld d.m.v. variabele snelheid?

Elke pomp levert ongeveer 5 bar, een meting op het hoogste punt geeft 0,6 bar aan

Vraag is altijd: hoe betrouwbaar zijn die metingen? Als het oude manometers zijn dan weet je nooit zeker of het nog klopt wat ze aanwijzen.
 
Zelfs als die 0,6 bar overdruk op het hoogste punt juist is: so what?
Wat is het probleem? Werkt het koelsysteem niet?
 
Hoe dan ook: door een boosterpomp bij te plaatsen zal het totale energieverbruik echt niet dalen, maar juist toenemen.
 
Je kunt pas echt begrijpen wat er niet optimaal is als je een schema van het gehele systeem maakt met daarin alle bekende gegevens zoals leidinglengtes, -diameters, warmtewisselaars, filters, drukken, temperaturen, debieten, debietmeters, regelkleppen, et cetera, Als er geen debietmetingen zijn zul je ook op zoek moeten naar datasheets van de diverse warmtewisselaars waarop staat hoeveel water elk behoort te krijgen.
 
Zoek eerst eens de documentatie van de bestaande pompen op. Daarin moeten Q-H krommen te vinden zijn met daarin niet alleen opvoerhoogte maar ook het rendement en vermogen als functie van Q.
 
En zoek eens uit wat de leidinglengtes en -diameters zijn van pompen tot hoogste punt. Als de drukmetingen juist zijn dan zou er een drukverlies zijn van 1,9 bar tussen pompen en hoogste punt (25 meter). Klopt dat met wat je zelf zou berekenen m.b.v. Moody frictiefactor?

[MJ3110]

Bedankt voor de reactie. Het is een uitgebreid koelwaternetwerk waar dus totaal geen gegevens van bekend zijn, ww's heb ik doorgerekend maar deze theoretisch benodigde flow is absoluut niet wat er in de praktijk gebeurd. Volgende week wordt door het hele systeem de flow gemeten om een beeld van het stromingsgedrag te verkrijgen.

Ja, de flow vanaf de pompen wordt op het paneel aangegeven als een totaal van 2500 m3/h, per pomp is het geleverde debiet niet bekend. 

De pompcurves, ja ook zo'n dingetje.. Er zijn al grotere waaiers in gezet (centrifugaalpomp), welke niet groter kunnen en hiervan zijn ongeveer 10 verschillende QH karakteristieken te vinden, welke juist is is niet bekend (gegevens uit 1996, niet leesbaar). Wat betreft de betrouwbaarheid van de manometers.. Precies, niet dus. Ik heb al eentje bovenin bij de desbetreffende koeler laten vervangen, zonder resultaat, wijzer blijft schommelen. 
 
De leidingdiameter op het hoogste punt is 320 mm, zowel heen- als teruggaand. 
 
De koelwaterpompen draaien op maximaal toerental, ze zijn dus niet geregeld, alles staat vol open. 
 
Wat nu eigenlijk het probleem is hier:

De 5 pompen (en 1 op spare) staan vol te draaien om de fabriek bovenin te voorzien van koelwater, dit kost veel energie. Optimaliseer dit en bespaar energiekosten, maar dit moet wél via de goedkoopste weg.
 
Omdat er dus weinig tot geen gegevens beschikbaar zijn en het koelwater een ondergeschoven onderwerp is, kan ik weinig berekenen in 10 week tijd (opdracht moet trouwens ook in mijn uppie uitgevoerd worden) maar wat ik wel graag wil laten zien aan mijn docent natuurlijk. 
Mijn idee nu is: 

- Klepstanden controleren (krijgen bepaalde plekken te veel of te weinig koelwater? Goedkope besparing?)

- Druk verhogen dmv boosterpomp, hierdoor hoeven pompen beneden minder druk te leveren (rustiger draaien)

- Dan kan er een frequentieregeling toegepast worden op de pompen beneden (is al aanwezig, nog nooit geinstalleerd)

 
Maar dan alsnog, gaat dit niet toegepast worden (iets van bezuinigen?) Ja, dat is demotiverend. Maar toch wil ik het goed uitzoeken voor mijn scriptie. Alleen die energiebesparing.. Dat wordt puur gebaseerd op suggesties, want hoe kan je nu iets berekenen als het niet toegepast wordt binnen deze periode? 

[Pinokkio]

Ach ja, dit is het klassieke verhaal.
Geen betrouwbare of onvoldoende meetinstrumenten.
Geen betrouwbare up-to-date documentatie van apparatuur, instrumentatie of P&ID's.
Operators die niet begrijpen wat er werkelijk in hun fabriek gebeurt, maar niettemin wel een theorie hebben over hoe het werkt of zou moeten werken. Sommige operators interesseert het overigens helemaal niets en willen gewoon hun shift uitzitten zonder gedoe.
 

Volgende week wordt door het hele systeem de flow gemeten om een beeld van het stromingsgedrag te verkrijgen.

Goede zaak, maar hoe worden die flows gemeten?

Ja, de flow vanaf de pompen wordt op het paneel aangegeven als een totaal van 2500 m3/h, per pomp is het geleverde debiet niet bekend.

Dus blijkbaar zit er een flowmeter in het systeem? Waar?
Zit die flowmeter gekoppeld aan een regelklep? Zo ja, waar zit die regelklep?

De pompcurves, ja ook zo'n dingetje.. Er zijn al grotere waaiers in gezet (centrifugaalpomp), welke niet groter kunnen en hiervan zijn ongeveer 10 verschillende QH karakteristieken te vinden, welke juist is is niet bekend (gegevens uit 1996, niet leesbaar).

10 verschillende? Merkwaardig.
Als men een nieuwe pomp koopt dan wordt gewoonlijk niet de maximale diameter impeller geinstalleerd zodat men later nog meer Q en/of H kan verkrijgen met een nieuwe grotere impeller. Maar de bijgeleverde QH krommes geven vele lijnen voor diverse impellers, inclusief de maximaal grootste.
Probeer dus eens de originele (oudste) QH kromme te vinden en kijk daarop naar de kromme voor de maximale impeller.
 

kan ik weinig berekenen in 10 week tijd (opdracht moet trouwens ook in mijn uppie uitgevoerd worden)

Als je nu nog 10 weken beschikbaar hebt, en je kunt er full time aan werken, kun best een hoop berekenen. Maar laat je dan niet te veel afleiden door wat anderen om je heen beweren.
 
Zoals ik al schreef: je kunt pas echt begrijpen wat er niet optimaal is als je een schema van het gehele systeem maakt met daarin alle bekende gegevens zoals leidinglengtes, -diameters, warmtewisselaars, filters, drukken, temperaturen, debieten, debietmeters, regelkleppen, et cetera,
 
Als basis daarvoor kun je in eerste instantie de bestaande P&ID's van het gehele koelwatersysteem gebruiken. Zoek die op en loop dan, met de P&ID's in de hand, het gehele leidingsysteem langs. Controleer alle leidingdiameters (meet omtrek met een meetlint), en de positie van kleppen, debiet-, temperatuur- en drukmeters, Noteer van drukmeters hun hoogte t.o.v. de grond. Schrijf ook op hoeveel bochten, T-stukken, et cetera, er in elk stuk leiding zitten.
Als je daarmee klaar bent heb je een betrouwbaar up-to-date overzicht van het hele systeem.
Dat lijkt me te doen in een week, als je tenminste vermijdt dat anderen je tijd verspillen met onzin.
 
Als na volgende week ook de flowmetingen bekend zijn kun je leidingdrukvallen berekenen.
 
Zoek de originele datasheets van de warmtewisselaars op. Daarop staat het originele ontwerpdebiet van koelwater plus theoretische drukval. Met die combinatie kun je samen met de volgende week gemeten debieten schatten wat de huidige drukval van elke ww is door aan te nemen dat drukval evenredig is met debiet in het kwadraat.
 
Zoek ook de data van de koeltoren, en controleer de hoogte van de koelwaterinlaat.
 
Uiteindelijk moet het mogelijk zijn een drukprofiel over het hele koelwatersysteem te bepalen.
Zeg dat er dan 4 of 5 weken vergaan zijn dan heb je nog 5 weken om te filosoferen over verbeteringen, en daaraan wat te rekenen.
 
Zo zou ik het aanpakken, maar je moet natuurlijk zelf beslissen hoe jij het doet.

[MJ3110]

Ach ja, dit is het klassieke verhaal.
Geen betrouwbare of onvoldoende meetinstrumenten.
Geen betrouwbare up-to-date documentatie van apparatuur, instrumentatie of P&ID's.
Operators die niet begrijpen wat er werkelijk in hun fabriek gebeurt, maar niettemin wel een theorie hebben over hoe het werkt of zou moeten werken. Sommige operators interesseert het overigens helemaal niets en willen gewoon hun shift uitzitten zonder gedoe.
 
 

Wauw, u begrijpt het! Dit is inderdaad de realiteit..
De flows worden gemeten dmv een mobiele flowmeter, dit is alleen nodig om een idee te krijgen voor het stromingsgedrag, ik verwacht niet dat hier uitgebreid mee gerekend gaat worden gezien ik nog maar 10 weken heb. De flowmeter van de mainflow zit tussen de pompen (parallel) en het begin van de fabriek in, zegmaar op het punt waar het de plant gaat betreden. Hier is geen regelklep aanwezig gezien al het koelwater nu gebruikt wordt. 
 
Betreft het schematisch weergeven van het koelwatersysteem: Dit heb ik in het begin gelijk al gedaan, en ik heb alle waarden die beschikbaar zijn (niet veel) ook genoteerd. Anders zou ik inderdaad geen idee hebben waar de koelers zich bevinden en waar het koelwater nog verder langs stroomt. Ook de hoogtes van de koelers heb ik uitgezocht en genoteerd. 
 
En die datasheets.. Ja, die heb ik opgezocht, niet echt resultaat. Wel van een paar koelers, maar lang niet allemaal (ouderdom denk ik?) Maar uw tip over het bepalen van de drukval: bedankt daarvoor! 
 
Ik ben al bezig om verschillende maten manometers in elkaar te flanzen, gezien er 4 a 5 verschillende maten flenzen aanwezig zijn. Dit inderdaad om een drukprofiel te creëren, maar ook de drukval is belangrijk om te weten. 
 
Aan de hand hiervan kan ik natuurlijk een conclusie trekken wat een belangrijke aanpassing zou kunnen zijn, alleen kan ik alsnog geen besparing in kaart brengen. Misschien iets met een drukberekening, het berekenen op welk nieuw toerental de pompen beneden kunnen draaien (lager natuurlijk als er een boostpomp bij komt) maar ik verwacht, zoals u ook al zei, geen besparing. Een frequentieregeling op alle pompen, ook als er een booster komt, is dan echt wel van belang, anders weet ik zeker dat alle pompen alsnog vol open worden gezet

[Pinokkio]

Nogmaals: om te begrijpen wat er in het systeem gebeurt moet je eraan rekenen. Dus van alle leidingen de drukval berekenen met de volgende week te meten flows. Een theoretisch drukprofiel opstellen wat je eventueel met betrouwbare drukmetingen (hoogte van manometer noteren) kunt bijstellen. Want van sommige leidingen weet je wellicht niet de inwendige diameter, om over de werkelijke pijpruwheid helemaal maar te zwijgen.
Pas als je een rekenmodel hebt wat de huidige situatie reproduceert kun je bepalen wat voor een effect een verandering aan het systeem zal hebben.
 
Of een boosterpomp werkelijk nut heeft ben ik nog niet zo zeker van. Misschien moeten gewoon sommige leidingen vervangen worden door een grotere diameter.
 
Als de bestaande pompen "onrustig" lopen zou cavitatie wel eens de oorzaak kunnen zijn. Water van de koeltoren is verzadigd met opgeloste lucht en reageert daardoor bijna als kokende vloeistof.
Toevoegen van een boosterpomp, of toerentalregeling hebben daar geen invloed op. Ze lopen ook niet onrustig omdat ze "veel druk moeten leveren". Wie dat beweert heeft het niet begrepen. Een centrifugaalpomp volgt gewoon z'n QH kromme: de geleverde Q is afhankelijk van de tegendruk die de pomp ondervindt.
Bijplaatsen van een nieuwe 7^e pomp parallel aan de bestaande 6, en met dezelfde QH kromme, heeft dan waarschijnlijk wel effect. Debiet per draaiende pomp kan dan zakken van 500 naar 417 m³/h en dat helpt tegen cavitatie. Als alle pompen een gezamenlijk zuigleiding vanuit het basin hebben dan is de diameter daarvan vergroten een optie. Best is als elke pomp z'n eigen zuigleiding vanuit het basin heeft. En de eventueel nieuwe 7^e ook.
 
Hoeveel warmtewisselaars zitten er eigenlijk in dat koelwatersysteem?
Hoe hoog is de koeltoreninlaat?

[MJ3110]

Als de bestaande pompen "onrustig" lopen zou cavitatie wel eens de oorzaak kunnen zijn. Water van de koeltoren is verzadigd met opgeloste lucht en reageert daardoor bijna als kokende vloeistof.
Toevoegen van een boosterpomp, of toerentalregeling hebben daar geen invloed op. Ze lopen ook niet onrustig omdat ze "veel druk moeten leveren". Wie dat beweert heeft het niet begrepen. Een centrifugaalpomp volgt gewoon z'n QH kromme: de geleverde Q is afhankelijk van de tegendruk die de pomp ondervindt.
Bijplaatsen van een nieuwe 7^e pomp parallel aan de bestaande 6, en met dezelfde QH kromme, heeft dan waarschijnlijk wel effect. Debiet per draaiende pomp kan dan zakken van 500 naar 417 m³/h en dat helpt tegen cavitatie. Als alle pompen een gezamenlijk zuigleiding vanuit het basin hebben dan is de diameter daarvan vergroten een optie. Best is als elke pomp z'n eigen zuigleiding vanuit het basin heeft. En de eventueel nieuwe 7^e ook.
 
Hoeveel warmtewisselaars zitten er eigenlijk in dat koelwatersysteem?
Hoe hoog is de koeltoreninlaat?

De pompen lopen niet onrustig, uit een eerder onderzoek blijkt dat er geen sprake is van cavitatie. De pompen hebben vanaf de koeltoren allemaal een eigen zuigleiding. Er bevinden zich ongeveer 25 koelers in dit netwerk, heb het bestand zo niet bij de hand. Hierbij zijn ook een aantal kleine koelers aanwezig, hier gaan we geen onderzoek naar doen, alleen de grootverbruikers. Dit zijn er ongeveer 20! De koeltoren inlaat is de teruggaande leiding vanuit de fabriek, echter bestaat deze fabriek uit 3 verschillende 'fabrieken'. Er gaat een deel naar één fabriek (2,7 m3/h), die ook zijn eigen koeltoren heeft, maar dit hele stuk buiten beschouwing wordt gelaten (waarom, geen idee..) De andere fabriek waar koelwater heen gaat is erg klein, levering voor ongeveer 3 desbetreffende koelers, waarvan 1 grootverbruiker.
 
Het niveau van het waterreservoir is 140 cm vanaf de grond. De middellijn van het leidingwerk bevindt zich op 68 cm vanaf de grond
Voordruk waterreservoir: 140-68=0,72 meterwaterkolom (dit komt uit dat eerder uitgevoerde onderzoek)

​Data van de pomp geeft aan: NPSH required at rated capacity: 1,8 m WTR

​De hoogte van de retourleiding moet ik even opzoeken..

 

[ArcherBarry]

Opmerking moderator

het wordt als zeer storend ervaren wanneer iemand de citaat functie gebruikt om een bericht te beantwoord. Gebruik aub de citaat functie alleen als op een klein specifiek deel de aandacht gelegd moet worden. Voor een algemeen antwoord, gebruik svp de "beantwoord" knop