Akku-Gigatehdas – päivitys lämmitetyistä puhalluspuhdistuskuivaimista ruostumattomasta teräksestä valmistettuihin puhaltimella toimiviin puhalluskuivaimiin

Meta-kuvaus:  Kuinka CATL korvasi neljä energiankulutusta aiheuttavaa lämmitettyä puhalluskuivauskuivainta neljällä 85 m³/min:n kapasiteetilla varustetulla ruostumattomasta teräksestä valmistetulla puhalluskuivauskuivaimella, saavuttaen -40 °C:n kastepisteen, nollan kompressoidun ilman puhalluskuivausmenetyksen ja 40 %:n energiansäästön.

Kuva: 85 Nm³/min Ruostumaton teräs – nollapuhalluspuhallinkuivain desikanttipohjaisena ilmakuivaimena s

Asiakkaan Tausta

Contemporary Amperex Technology Co., Limited (CATL)  , maailman suurin sähköajoneuvojen (EV) akkujen valmistaja, toimii korkean tuotannon gigatehtaassa, jossa valmistetaan litiumioniakkuja. Tehtaan paineilmajärjestelmän kokonaiskapasiteetti on 340 m³/min (20 400 m³/h)  , tukevat:

• Elektrodipinnoitusten kuivahuoneet (kastepiste ≤ -40 °C vaaditaan)
• Korkean nopeuden kokoonpanolinjan pneumatiikka
• Puhtaanhuoneen puhalluskuivaus ja mittausilma

Akkuja valmistettaessa jääkaappikuivaimia käytetään tiukasti vältettäväksi, koska epäonnistuneet kondenssiveden poistot voivat aiheuttaa nestemäisen veden mukana kulkeutumista. Tehtaassa oli alun perin asennettu neljä lämmitettyä puhalluskuivausta (mikro-lämmityksellä varustettua adsorptiokuivausta) , joista kunkin nimellisvirtaus on 85 m³/min – yleinen valinta ennen kuin korkean tehokkuuden puhalluskuivausteknologia tuli kustannustehokkaaksi.

Onnettomuuspisteet

Olemassa oleva lämmitetyt puhalluskuivaimet  (joita kutsutaan myös mikro-lämmityksellä varustetuiksi tai ulkoisesti lämmitetyiksi adsorptiokuivaimiksi) aiheuttavat useita toiminnallisia ja taloudellisia ongelmia:

• Merkitsevä puhallusilman menetys:  Lämmitetyt puhalluskuivaimet kuluttavat edelleen 5–8 % nimellisvirrasta  regenerointiin – myös sähkölämmittimillä. Neljän 85 m³/min:n kapasiteetin omaavan yksikön rinnakkaiskäytössä (kokonaisvirtaus noin 300–340 m³/min) tämä tarkoitti noin 20 m³/min kuivaa puristettua ilmaa, joka puhallettiin jatkuvasti pois  ilmaan.
• Korkea sähkönkulutus:  Jokainen kuivain vaati sähkölämmittimiä (tyypillisesti 15–25 kW) regenerointivaiheen aikana, mikä lisäsi energialaskua.
• Kastepisteen epävakaus huippukuormituksen aikana:  Kesällä korkeat tuloilman lämpötilat ja kosteus heikensivät regenerointitehokkuutta. Kastepiste nousi joskus yli -35 °C :n, mikä herätti huolta kuivahuoneen valvonnassa.
• Venttiilien kulumisvaara ja huolto:  Kiertoväli (tyypillisesti 60–120 minuuttia) aiheutti pneumatiikkaventtiilien kulumisen joka 12–18. kuukaudella. Useiden painevaihteluiden aiheuttama kuivainaineen haurastuminen tuotti pölyä, joka tukosii alapuolella olevia suodattimia.
• Hiiliteräsrakenteen riski:  Alkuperäisissä kuivaimissa oli hiiliteräksestä valmistettuja tornit ja putkistot. Ajan myötä sisäisiä ruostepartikkeleita muodostui, mikä aiheutti riskin kuivahuoneen ympäristön saastumiselle – mikä on hyväksymätöntä akkujen tuotannossa.

Kuva: 85 Nm³/min Ruostumaton teräs – nollapuhalluspuhallinkuivain desikanttipohjaisena ilmakuivaimena

CATL tarvitsi nollapuhallus-, erinomaisen luotettavan kuivausratkaisun  kanssa ruostumattomasta teräksestä valmistetut kosteudelle altistuvat osat  poistaa korroosioriskit sekä mahdollisuuden skaalata ratkaisua tulevien tuotantolinjojen vaatimusten mukaan.

Miksi ei lämpökompressio-kuivausta (HOC)?

Vaikka HOC-kuivaimet tarjoavat nollapuhalluksen ja nollasähkölämmityksen, niiden käyttö edellyttää, että esipaineen kompressorin poistoputken lämpötila pysyy jatkuvasti yli 120 °C:n. CATLin olemassa olevat öljytön ruuvikompressorit, vaikka ne ovatkin modernit, toimivat muuttuvalla kuormalla ja poistavat joskus lämpöä alle 100 °C:n alhaisen kysynnän aikana. HOC-kuivaimien käyttö vaatisi lisälämmityksen tai ohitusohjauksen, mikä lisäisi järjestelmän monimutkaisuutta. Asiakas suosi todistettua, itsenäistä puhalluspohjaista kuivausratkaisua  joka toimii riippumatta kompressorin kuorman vaihteluista.

Ratkaisumme

Ehdotimme neljän olemassa olevan lämmitetyn puhalluskuivaimen korvaamista neljä uutta ruostumatonta teräksestä valmistettua ilmanpumppuun perustuvaa adsorptiokuivainta  – kunkin nimelliskapasiteetti 85 m³/min (5100 m³/h)  , kytketty rinnakkain (kolme käytössä, yksi varalla). Järjestelmä käyttää lämmitettyä ympäristöilmaa regenerointiin  ilman purkukadon syntymistä paineilmassa.

Keskeinen varustus

• Kuivaimet:  Neljä BlowerDry-HRB-850GRD  adsorptiokuivaimia, kunkin kapasiteetti 85 m³/min. Kaikki ilman kanssa kosketuksissa olevat komponentit (torneja, putkistoja, venttiilejä) on valmistettu 304 ruostumaton teräs  – mikä estää ruostumisen ja takaa lääke-/akkuastetta vastaavan puhtauden.
• Regenerointimenetelmä:  Tehokas puhallin imaisee ympäristöilman, joka kulkee sähkölämmittimen läpi (lämpötila nousee 150–200 °C ), ja poistaa kosteutta sisältävän ilman pois käytöstä olevasta tornista. Kosteuslastuinen ilma poistetaan ulos. Teollisuusverkosta otettavaa puristettua ilmaa ei käytetä  – nolla purkutappio. Jäähdytys tehdään lämmittämättömällä ympäristöilmalla saman puhaltimen avulla.
• Ohjausjärjestelmä:  Yleisohjain-PLC (Siemens S7-1500) koordinoi neljää kuivainta, tasapainottaa käyttöaikaa ja vaihtaa automaattisesti varakuivaimen käyttöön, kun toiminnassa oleva kuivain saavuttaa huoltovälin. Verkkoyhteydellä tapahtuva kosteuspiikkiseuranta (≤ -40 °C) ja etävaroitukset on integroitu CATL:n DCS-järjestelmään.
• Suodatus:  Esisuodattimet (1 µm) poistavat putkien ruostetta; jälkisuodattimet (0,01 µm) keräävät kuivausaineen hiukkaset. Öljysuodattimia ei tarvita (esiasennettujen öljyvapaan kompressorin takia).

Suorituskykyspesifikaatiot

Kuva: Ilmanpuristusjärjestelmän kytkentäkaavio

Toimitus ja asennus

Projekti toteutettiin suunnitellun kolmen viikon pysäytysajan aikana:

• Suunnittelu ja tehdasvalvontakoe (5 viikkoa):  Suunnittelun hyväksyntä, ruostumattoman teräksen materiaalitodistukset ja kaikkien neljän kuivaimen tehdasvalvontakokeet.
• Toimitus (tehdasvalvontakokeen jälkeen 2 viikkoa):  Toimitettu gigatehtaalle.
• Asennus (3 viikkoa):  

• • Poistettiin neljä vanhaa lämmitettyä purkukuivaajaa.
  • Asennettiin uudet ruostumattomasta teräksestä valmistetut puhaltimakuivaajat tiukkoihin alustoihin.
  • Uudelleenmuokattiin putkiliitoskohtia 3 toimivan + 1 varakuivaajan konfiguraatiota varten.
  • Päivitetty sähkötoimitus puhaltimille ja lämmittimille.
  • Yhdistetty DCS-järjestelmään.

• Käyttöönotto (1 viikko):  Tiukkuustestit, kastepistekalibrointi ja käyttäjäkoulutus.

Ei tapahtunut ennattamatonta käyttökatkoa.

Tulokset ja hyödyt (12 kuukautta käyttöönoton jälkeen)

*Puhallusmenetys vaatii lisäksi 20 m³/min puristettua ilmaa. Tyypillinen erityisteho öljytömissä ruuvikompressoreissa on 6 kW per m³/min → 120 kW jatkuvaa kompressoritehoa säästetty.

Mittattavat hyödyt

• Energiansäästö:  Puhallusmenetyksen poistaminen säästi noin 120 kW kompressoritehoa. Lämmittimen ja puhaltimen tehon vähentäminen edesauttoi lisäksi. Kokonaissähkönkulutuksen vuotuinen säästö: ≈¥520,000 (perustuen hintaan 0,70 ¥/kWh, 24/7/365).
• Tuotannon luotettavuus:  Kastepiste ei ole koskaan ylittänyt -40 °C:ta. Kuivahuoneen kosteus säädettiin vakaimmaksi, eikä kosteuteen liittyviä pinnoitusvirheitä ilmoitettu lainkaan.
• Saasteiden poistaminen:  Ruostumattomasta teräksestä valmistetut tornit ja putkistot poistavat ruostehiukkasten riskin. Alapuolella olevat suodattimet eivät enää näytä rautaoksidisaasteita – mikä on ratkaisevan tärkeää akkujen puhtaudesta.
• Kunnossapidon vähentäminen:  Ei enää korkeataajuutta käyttäviä puhallusventtiilejä (vanhoissa kuivaimissa venttiilit vaihtoivat tilaa joka 1–2 tunti). Puhalluskuivaimet käyttävät vain kahta pääventtiiliä kohdetornia kohden, ja vaihto tapahtuu 6–8 tunnin välein. Kuivainaineen kuluminen on lähes pysähtynyt.
• Varmuuskäyttö ja laajennettavuus:  Neljän yksikön (3+1) konfiguraation avulla CATL voi suorittaa huollon mitä tahansa kuivainta ilman tuotannon keskeytystä. Varakapasiteetti mahdollistaa myös tulevat tuotantolinjan laajentamiset.
• Tuotto:  Kokonaishankintakustannus ≈ ¥2,400,000. Vuotuiset säästöt (energia + huolto) ≈ 520 000 ¥ + 170 000 ¥ = 690 000 ¥. Takaisinmaksuaika ≈ 3,5 vuotta . CATL on standardoinut tämän suunnittelun myös muille tehdaspaikoilleen.

Asiakkaan arvio

„Vanhat lämmitetyt puhdistuskuivaimemme hukkasivat 8 % puristettua ilmaa ja eivät pystyneet luotettavasti saavuttamaan -40 °C:n kastepistettä. Uudet ruostumattomasta teräksestä valmistetut puhallinkuivaimet tarjoavat meille erinomaisen kastepisteen, nollan purge-häviön ja ei lainkaan ruostetta aiheuttavaa kontaminaatiota. Pelkästään energiansäästö oikeutti päivityksen.”
— Ylemmän hyötylaitosten johtaja, CATL:n gigatehdas