Batériová gigafabrika – modernizácia zo sušičiek s ohrievaným purgovaním na sušičky s purgovaním cez nerezový ventilátor

Meta Description:  Ako CATL nahradil štyri energeticky náročné sušičky s vyhrievaným odvzdušňovaním štyrmi nerezovými sušičkami s odvzdušňovaním pomocou ventilátora s výkonom 85 m³/min, čím dosiahol rosný bod -40 °C, nulové straty stlačeného vzduchu pri odvzdušňovaní a zníženie spotreby energie o 40 %.

Obrázok: 85 Nm³/min Nerezová adsorpčná sušička stlačeného vzduchu s nulovým odvzdušňovaním a ventilátorom s

Pozadie Klienta

Contemporary Amperex Technology Co., Limited (CATL)  , najväčší svetový výrobca batérií pre elektrické vozidlá (EV), prevádzkuje vysokovýkonnú gigafabriku na výrobu litiovo-iónových článkov. Celkový výkon systému stlačeného vzduchu v továrni je 340 m³/min (20 400 m³/h)  , ktoré podporujú:

• Sušiace priestory pre nanesenie elektrod (rosný bod ≤ -40 °C je povinný)
• Pneumatické zariadenia vysokorýchlostnej montážnej linky
• Vyčistenie čistých miestností a prívod nástrojového vzduchu

Výroba batérií prísne vyhýba chladeným sušičkám kvôli riziku prenosu kvapalnej vody z porušených kondenzátových odtokov. V závode boli pôvodne inštalované štyri vyhrievané vyfukovacie (mikro-vyhrievané) adsorpčné sušičky , každá s výkonom 85 m³/min – bežná voľba predtým, než sa technológia vyfukovania pomocou vysokoúčinných ventilátorov stala cenovo výhodnou.

Bolové body

Existujúci vyhrievané vyfukovacie sušičky  (známe tiež ako mikro-vyhrievané alebo vonkajšie vyhrievané adsorpčné sušičky) spôsobovali niekoľko prevádzkových a finančných problémov:

• Významná strata vyfukovacieho vzduchu:  Vyhrievané vyfukovacie sušičky stále spotrebujú 5–8 % menovitého prietoku  na regeneráciu – aj pri použití elektrických ohrievačov. Pre štyri jednotky s prietokom 85 m³/min prevádzkované paralelne (celkový prietok približne 300–340 m³/min) to znamenalo ~20 m³/min suchého stlačeného vzduchu neustále vypúšťaného  do atmosféry.
• Vysoká spotreba elektrickej energie:  Každý sušič počas fázy regenerácie vyžadoval elektrické ohrievače (zvyčajne 15–25 kW), čo zvyšovalo náklady na energiu.
• Nestabilita rosného bodu pri maximálnej záťaži:  V lete vysoké vstupné teploty a vlhkosť znížili účinnosť regenerácie. Rôsny bod sa občas zvýšil nad -35 °C , čo vyvolávalo obavy pri monitorovaní suchých miestností.
• Opotrebovanie ventilov a údržba:  Frekvencia cyklu (zvyčajne 60–120 minút) spôsobovala opotrebovanie pneumatických ventilov každých 12–18 mesiacov. Opotrebovanie suchového prostredia spôsobené častými tlakovými výkyvmi generovalo prach, ktorý upchával filtre v následnom stupni.
• Riziko konštrukcie z uhlíkovej ocele:  Pôvodné sušičky mali veže a potrubia z uhlíkovej ocele. V priebehu času sa vytvárali vnútorné častice hrdzy, čo ohrozovalo kontamináciu prostredia suchého priestoru – čo je neprijateľné pre výrobu batérií.

Obrázok: 85 Nm³/min Nerezová adsorpčná sušička stlačeného vzduchu s nulovým odvzdušňovaním a ventilátorom

CATL potrebovala sušiaci systém s nulovým odvzdušnením a ultra-vysokou spoľahlivosťou  s so zmáčanými časťami z nehrdzavejúcej ocele  na elimináciu rizík korózie a s možnosťou škálovania pre budúce výrobné linky.

Prečo nie sušičky využívajúce teplo kompresie (HOC)?

Hoci sušičky HOC ponúkajú nulové odvzdušnenie a nulové elektrické vyhrievanie, vyžadujú, aby teplota výstupu kompresora v predchádzajúcom stupni bola stále vyššia ako 120 °C. Existujúce kompresory CATL bez oleja typu špirála, hoci moderné, pracujú pri premennom zaťažení a pri nízkom dopyte niekedy vypúšťajú vzduch pri teplote nižšej ako 100 °C. Pri použití technológie HOC by bolo potrebné dodatočné prívod tepla alebo riadenie obchádzky, čo by zvyšovalo zložitosť. Zákazník uprednostnil osvedčený, samostatný dizajn so sušením pomocou ventilátora s odvzdušnením  ktorý funguje nezávisle od zmien zaťaženia kompresora.

Naše riešenie

Navrhli sme nahradiť štyri existujúce vyhrievané suché čističe s prúdením vzduchu za štyri nové adsorpčné suché čističe s prúdením vzduchu z nehrdzavejúcej ocele  – každý s výkonom 85 m³/min (5100 m³/h)  , zapojené paralelne (tri v prevádzke, jedna v zálohe). Systém využíva vyhrievaný okolitý vzduch na regeneráciu  bez akýchkoľvek strat komprimovaného vzduchu pri prúdení.

Kľúčové vybavenie

• Sušičky:  Štyri BlowerDry-HRB-850GRD  adsorpčné suché čističe, každý s kapacitou 85 m³/min. Všetky komponenty v kontakte so vzduchom (veže, potrubie, ventily) sú nežiaducia oceľ triedy 304  – odstraňovanie hrdzy a zabezpečenie čistoty na úrovni farmaceutických/bateriových požiadaviek.
• Metóda regenerácie:  Vysokovýkonný ventilátor nasáva okolitý vzduch, prechádza ho cez elektrický ohrievač (zvyšuje teplotu na 150–200 °C a odvlhčuje neaktívnu vežu. Vlhký vzduch sa vypúšťa do ovzdušia. Nepoužíva sa stlačený vzduch zo závodnej siete  – nulové straty pri purgovaní. Chladenie sa vykonáva neohriatym okolitým vzduchom prostredníctvom toho istého ventilátora.
• Ovládací systém:  Hlavný PLC (Siemens S7-1500) riadi štyri sušičky, vyvažuje ich prevádzkový čas a automaticky prepína záložnú jednotku, keď dosiahne prevádzková sušička svoj servisný interval. Online monitorovanie rosného bodu (≤ –40 °C) a diaľkové poplachy integrované do DCS spoločnosti CATL.
• Filtračný systém:  Predfiltre (1 µm) odstraňujú kovový prach z potrubia; postranné filtre (0,01 µm) zachytávajú jemné častice suchového prostriedku. Filtre na olej nie sú potrebné (predsušičky sú umiestnené za kompresormi bez oleja).

Výkonové špecifikácie

Obrázok: Schéma pripojenia systému stlačeného vzduchu

Doručenie a inštalácia

Projekt bol realizovaný počas plánovanej trojtýždňovej výpadkovej doby:

• Návrh a výrobné prijímacie testovanie (FAT) (5 týždňov):  Schválenie technického návrhu, certifikáty zariadení z nehrdzavejúcej ocele a výrobné prijímacie testovanie všetkých štyroch sušičiek.
• Dodávka (2 týždne po FAT):  Dodané do gigafabriky.
• Inštalácia (3 týždne):  

• • Odstránené štyri staré ohrievané suché čistiace zariadenia.
  • Inštalované nové suché čistiace zariadenia s ventilátormi z nehrdzavejúcej ocele na kompaktných podstavcoch.
  • Prekonfigurované potrubné hlavy pre konfiguráciu 3 prevádzkové + 1 záložné zariadenie.
  • Modernizované elektrické napájanie pre ventilátory a ohrievače.
  • Pripojenie k systému DCS.

• Uvedenie do prevádzky (1 týždeň):  Testy na únik, kalibrácia bodu rosy a školenie obsluhy.

Nepredvídaná výpadková doba nenastala.

Výsledky a výhody (12 mesiacov po uvedení do prevádzky)

*Straty pri vyfukovaní vyžadujú ďalší výkon stlačeného vzduchu 20 m³/min. Typický špecifický výkon kompresorov s vrtacím mechanizmom bez oleja je 6 kW na m³/min → úspora 120 kW trvalého výkonu kompresora.

Kvantifikovateľné výhody

• Úspora energie:  Elimináciou straty pri purgovaní sa ušetrilo približne 120 kW výkonu kompresora. Ďalší príspevok k úsporám predstavovalo zníženie výkonu ohrievača a ventilátora. Celková ročná úspora elektrickej energie: ≈¥520,000 (na základe ceny ¥0,70/kWh, 24 hodín denne, 7 dní v týždni, 365 dní v roku).
• Spoľahlivosť výroby:  Bod rosy nikdy neprekročil –40 °C. Regulácia vlhkosti v suchom priestore sa stala stabilnejšou a neboli nahlásené žiadne chyby povlaku súvisiace s vlhkosťou.
• Eliminácia kontaminácie:  Veľmi korozívne odolné vežové konštrukcie a potrubia z nehrdzavejúcej ocele eliminujú riziko častíc hrdzy. Dozadu umiestnené filtre už neukazujú žiadnu kontamináciu oxidmi železa – čo je kritické pre čistotu batérií.
• Zníženie údržby:  Už nie sú potrebné ventily na purgovanie s vysokou frekvenciou (staré sušičky mali ventily prepínajúce sa každých 1–2 hodiny). Sušičky s ventilátorom na purgovanie používajú len dva hlavné ventily na každú vežu s cyklom 6–8 hodín. Opotrebovanie suchovacieho prostredku takmer úplne ustalo.
• Zálohovanie a škálovateľnosť:  So štyrmi jednotkami (3 + 1) môže CATL vykonávať údržbu ktorejkoľvek sušičky bez prerušenia výroby. Záložná kapacita tiež umožňuje budúce rozšírenie výrobnej linky.
• Návratnosť investície (ROI):  Celkové inštalačné náklady ≈ ¥2,400,000ročné úspory (energia + údržba) ≈ 520 000 jenov + 170 000 jenov = 690 000 jenov. Doba návratnosti ≈ 3,5 roka spoločnosť CATL štandardizovala tento dizajn pre ostatné výrobné závody.

Referencia od zákazníka

„Naše staré suché prístroje s ohrievaným vyfukovaním plýtvajú 8 % stlačeného vzduchu a nedokážu spoľahlivo udržať teplotu rosného bodu –40 °C. Nové suché prístroje s vyfukovaním cez ventilátor z nehrdzavejúcej ocele nám zabezpečujú stabilný rosný bod, nulové straty vyfukovaného vzduchu a žiadne kontaminácie kovovou ržou. Samotné energetické úspory odôvodňujú túto modernizáciu.“
— Vedúci manažér pre komunálne služby, gigafaktorý spoločnosti CATL