Bateriová gigatovárna – modernizace od sušiček s ohřívanou purgací na sušičky s purgací pomocí nerezového ventilátoru

Meta Description:  Jak CATL nahradila čtyři energeticky náročné odvlhčovače s ohřívaným výfukem čtyřmi nerezovými odvlhčovači s výfukem pomocí ventilátoru o průtoku 85 m³/min, čímž dosáhla rosného bodu -40 °C, nulových ztrát stlačeného vzduchu při výfuku a snížení spotřeby energie o 40 %.

Obrázek: 85 Nm³/min Nerezový bezvýfukový adsorpční sušič stlačeného vzduchu s ventilátorem s

Pozadí klienta

Contemporary Amperex Technology Co., Limited (CATL)  , největší světový výrobce baterií pro elektromobily, provozuje vysokovýkonnou gigafabriku vyrábějící lithiové články. Celkový výkon systému stlačeného vzduchu tohoto závodu činí 340 m³/min (20 400 m³/h)  , podporují:

• Sušárny pro nanášení elektrod (rosný bod ≤ -40 °C je povinný)
• Pneumatické zařízení vysokorychlostní montážní linky
• Výfuk čistých prostor a pracovní vzduch pro přístroje

Výroba baterií přísně vyhýbá chlazeným sušičkám kvůli riziku unikání kapalné vody z porouchaných kondenzátových odtoků. Výrobní zařízení původně instalovalo čtyři ohřívané regenerační (mikro-ohřívané) adsorpční sušičky , každá s jmenovitým výkonem 85 m³/min – běžná volba před tím, než se technologie sušení proudem vzduchu (blower purge) stala ekonomicky výhodnou díky vyšší účinnosti.

Bolestivá místa

Stávající ohřívané regenerační sušičky  (též označované jako mikro-ohřívané nebo externě ohřívané adsorpční sušičky) způsobily několik provozních a finančních problémů:

• Významné ztráty regeneračního vzduchu:  Ohřívané regenerační sušičky stále spotřebují 5–8 % jmenovitého průtoku  pro regeneraci – i při použití elektrických topných těles. U čtyř jednotek s jmenovitým průtokem 85 m³/min provozovaných paralelně (celkový průtok přibližně 300–340 m³/min) to znamenalo ~20 m³/min suchého stlačeného vzduchu trvale vypouštěného do ovzduší  do atmosféry.
• Vysoká elektrická spotřeba:  Každý sušič vyžadoval elektrické topné těleso (obvykle 15–25 kW) během fáze regenerace, což zvyšovalo náklady na energii.
• Nestabilita rosného bodu za maximální zátěže:  V létě vysoké vstupní teploty a vlhkost negativně ovlivňovaly účinnost regenerace. Rospný bod se občas zvýšil nad -35 °C , což vyvolalo obavy při monitorování suchých prostor.
• Opotřebení ventilů a údržba:  Frekvence cyklu (obvykle 60–120 minut) způsobovala opotřebení pneumatických ventilů každých 12–18 měsíců. Opotřebení suchého činidla způsobené častými tlakovými výkyvy generovalo prach, který ucpával filtry v následných stupních.
• Riziko konstrukce z uhlíkové oceli:  Původní sušičky měly věže a potrubí z uhlíkové oceli. V průběhu času se uvnitř tvořily částice rzi, což ohrožovalo kontaminaci prostředí suché místnosti – což je nepřijatelné pro výrobu baterií.

Obrázek: 85 Nm³/min Nerezový bezvýfukový adsorpční sušič stlačeného vzduchu s ventilátorem

CATL potřebovala sušící řešení bez purgace a s ultra-vysokou spolehlivostí  s mokré části z nerezové oceli  za účelem eliminace rizika koroze a možnosti škálování pro budoucí výrobní linky.

Proč ne tepelná sušička kompresního tepla (HOC)?

Ačkoli sušičky HOC nabízejí nulovou purgaci a nulové elektrické ohřívání, vyžadují, aby teplota výstupu kompresoru v předchozí fázi byla trvale vyšší než 120 °C. Stávající bezzásobové šroubové kompresory CATL, i když jsou moderní, pracují za proměnné zátěže a při nízké poptávce někdy vypouštějí vzduch při teplotě pod 100 °C. U systému HOC by bylo nutné dodatečné přivedení tepla nebo řízení přes bypass, čímž by se zvýšila složitost. Zákazník preferoval osvědčený, samostatný návrh sušičky s vývěvou a purgací  který funguje nezávisle na změnách zátěže kompresoru.

Naše řešení

Navrhli jsme nahradit čtyři stávající sušičky s ohřívanou purgací čtyři nové adsorpční sušičky s odvětrávacím ventilátorem z nerezové oceli  – každá s jmenovitým výkonem 85 m³/min (5100 m³/h)  , zapojené paralelně (tři v provozu, jedna jako záložní). Systém využívá ohřátého okolního vzduchu pro regeneraci  bez jakéhokoli ztrát stlačeného vzduchu při purgaci.

Klíčové vybavení

• Sušiče:  Čtyři BlowerDry-HRB-850GRD  adsorpční sušičky, každá s kapacitou 85 m³/min. Všechny komponenty, které přicházejí do kontaktu se vzduchem (věže, potrubí, ventily), jsou vyrobeny z nerezová ocel 304  – čímž se eliminuje tvorba rzi a zajišťuje se čistota na farmaceutickou a bateriovou úroveň.
• Metoda regenerace:  Vysokou účinností vybavený ventilátor nasává okolní vzduch, který následně prochází elektrickým ohřívačem (zvyšuje teplotu na 150–200 °C ), a odvádí ho z nepracující věže. Vlhký vzduch je odváděn do ovzduší. Nepoužívá se stlačený vzduch ze závodní sítě  – žádné ztráty při regeneraci. Chlazení probíhá pomocí neohřátého okolního vzduchu stejným ventilátorem.
• Řídicí systém:  Hlavní PLC (Siemens S7-1500) řídí čtyři sušičky, vyrovnává dobu provozu a automaticky přepíná záložní jednotku, jakmile dosáhne pracující sušička svého servisního intervalu. Online monitorování rosného bodu (≤ −40 °C) a vzdálená signalizace poplachů integrovaná do DCS společnosti CATL.
• Filtrace:  Předfiltry (1 µm) odstraňují šupiny z potrubí; postranní filtry (0,01 µm) zachycují jemné částice suchého prostředku. Filtry pro olej nejsou nutné (před sušičkami jsou umístěny bezolejové kompresory).

Výkonové specifikace

Obrázek: Schéma zapojení systému stlačeného vzduchu

Doručení a instalace

Projekt byl realizován během plánované třítýdenní výpadkové doby:

• Návrh a zkouška před dodáním (FAT) (5 týdnů):  Schválení projektu, certifikáty zaručující kvalitu nerezové oceli a tovární přijímací zkoušky všech čtyř sušiček.
• Dodání (2 týdny po zkoušce před dodáním – FAT):  Dodáno do gigafactory.
• Montáž (3 týdny):  

• • Byly odstraněny čtyři staré sušičky s ohřívaným purgovaným vzduchem.
  • Byly nainstalovány nové sušičky s ventilátorem z nerezové oceli na kompaktních podstavcích.
  • Byly přepracovány potrubní rozvody pro konfiguraci 3 provozní + 1 záložní jednotka.
  • Vylepšené elektrické napájení pro ventilátory a topné tělesa.
  • Připojeno k systému DCS.

• Uvedení do provozu (1 týden):  Testy těsnosti, kalibrace rosného bodu a školení obsluhy.

Nepředvídané výpadky neproběhly.

Výsledky a výhody (12 měsíců po uvedení do provozu)

*Ztráta při vyfukování vyžaduje dodatečnou výrobu stlačeného vzduchu o 20 m³/min. Typický měrný výkon bezolejových šroubových kompresorů je 6 kW na m³/min → úspora 120 kW trvalého výkonu kompresoru.

Měřitelné výhody

• Úspora energie:  Eliminací ztráty při vyfukování bylo ušetřeno přibližně 120 kW výkonu kompresoru. Další úsporu přineslo snížení příkonu topného tělesa a ventilátoru. Celková roční úspora elektrické energie: ≈¥520,000 (na základě tarifu 0,70 jüanů/kWh, provoz 24 hodin denně, 7 dní v týdnu, 365 dní ročně).
• Spolehlivost výroby:  Dew point nikdy nepřekročil -40 °C. Regulace vlhkosti v suché místnosti se stala stabilnější a nebyly hlášeny žádné defekty povlaku související s vlhkostí.
• Odstranění kontaminace:  Nerezové věže a potrubí odstranily riziko částic rezivění. Dolní filtry nyní neukazují žádnou kontaminaci oxidem železa – což je kritické pro čistotu baterií.
• Snížení nákladů na údržbu:  Žádné více vysoce cyklické purgační ventily (staré sušičky měly ventily cyklující každých 1–2 hodiny). Sušičky s ventilátorem a purgačním režimem používají pouze dva hlavní ventily na věž s cykly trvajícími 6–8 hodin. Opotřebení suchého prostředku prakticky ustalo.
• Redundance a škálovatelnost:  S čtyřmi jednotkami (3+1) může CATL provádět údržbu libovolné sušičky bez přerušení výroby. Záložní kapacita také umožňuje budoucí rozšíření linky.
• ROI:  Celková instalovaná cena ≈ ¥2,400,000. Roční úspory (energie + údržba) ≈ 520 000 jenů + 170 000 jenů = 690 000 jenů. Doba návratnosti ≈ 3,5 roku . CATL standardizoval tento návrh pro ostatní továrny.

Doporučení zákazníka

„Naše staré ohřívané sušičky s purgací plýtvají 8 % stlačeného vzduchu a nedokážou spolehlivě udržet teplotu rosného bodu -40 °C. Nové nerezové sušičky s purgací pomocí ventilátoru nám zajišťují naprosto stabilní teplotu rosného bodu, nulové ztráty při purgaci a žádné kontaminace způsobené korozí. Samotné úspory energie odůvodnily modernizaci.“
— Starší manažer provozních zařízení, gigafaktorium CATL