Analyse av høytemperatur ammoniakk-varmepumpe i fjernvarmeanlegg

Abstract

Drammen Fjernvarme har i samarbeid med britiske Star Refrigeration og Norsk Kulde bygget et nytt varmepumpeanlegg på Brakerøya i Drammen. Anlegget er tilknyttet det eksisterende fjernvarmenettet og består av høytemperatur ammoniakkvarmepumper med sjøvann som varmekilde, i tillegg til to gasskjeler. Varmepumpeanlegget er det første i verden som benytter ammoniakk som kuldemedium, og som kan levere 90 °C vanntemperatur på fjernvarmekretsen. Dette har gitt anlegget prototypestatus. Drammen Fjernvarme valgte ammoniakk som kuldemedium på grunnlag av effektfaktor, økonomi og fordi ammoniakk ikke bidrar til global oppvarming, GWP=0. Varmepumpeanlegget består av tre like, to-trinns varmepumper og har en samlet varmekapasitet på 14,3 MW. I tillegg består fjernvarme¬anlegget av to gasskjeler på henholdsvis 15 MW hver til å dekke spisslast. Den høye vanntemperaturen fra varmepumpene oppnås ved å bruke Emerson Vilter mono-skruekompressorer som kan levere et utløpstrykk på maksimalt 75,8 bar. Ved 90 °C varmeleveranse er kondenseringstykk og – temperatur 50 bar og 89 °C. Star Refrigeration har designet anlegget slik at fjernvarmevannet utnytter mest mulig av tilgjengelig varme fra varmepumpeaggregatene. Hoveddelen av fjernvarmevannet strømmer gjennom kondensatorene i en seriekobling for å senke gjennomsnittlig kondenseringstemperatur. I tillegg går delstrømmer av vannet til underkjølings¬varmevekslere, mellomkjølere og oljekjølere. Sammenkoblingen av varmevekslerne fører til at varmepumpeanlegget oppnår bedre effektfaktor enn en simulert, ideell to-trinns varmepumpe med like temperaturnivåer, 100 % isentropisk virkningsgrad på kompressor og 100 % virkningsgrad i varmevekslerne. Grunnet produksjonsfeil på en av kondensatorene har varmepumpeanlegget blitt driftet med kun to aggregater under hele perioden for masteroppgaven. Det har ført til at effektfaktoren har vært noe lavere enn om alle aggregatene hadde vært i drift. Målinger fra anlegget over en periode på nesten tre vintermåneder viste at varmepumpenes gjennomsnittlige COP var i overkant av 3,0. I måleperioden var effektbehovet på fjernvarmenettet noe høyere enn hva to varmepumper kunne tilføre som førte til at spisslastkjelene måtte benyttes. Samtlige varmevekslere i varmepumpeanlegget som er i kontakt med fjernvarmevannet er rørkjelvarmevekslere i rustfritt stål. Fordamperne er sprayfordampere med titanrør for å unngå korrosjon, algebegroing og sedimentering. Sprayfordampere utmerker seg med liten kuldemedium fylling. Vilters mono-skruekompressorer er utstyrt med sleider som regulerer kapasiteten og volumforholdet i kompressoren, som gir god dellastvirkningsgrad. Lavtrykkskompressorene har i tillegg en economizer¬løsning som fører til at varmepumpeanlegget totalt har tre trykknivåer. Economizer¬løsningen reduserer strupningstap, kompressorarbeid og minker trykkgasstemperaturen. Trykkløftet i kompressorene er designet slik at lavtrykkskompressoren har et høyere trykkforhold enn høytrykkskompressorene. Grunnen til dette er hovedsakelig fordi aktuatorene til reguleringssleidene kun kan brukes dersom trykkløftet i kompressoren er under 26 bar. Høyt trykk og høy temperatur på ammoniakkgassen har ført til noen uforutsette utfordringer. Tetnings-materialer, som fungerte ved lavere temperaturer, krympet og stivnet, og harpiks i oljefilter ble løst opp. Vibrasjoner var også et uforutsett problem. Disse problemene er nå utbedret.