PORADNIK INWESTORA I PROJEKTANTA UKŁADÓW WYSOKOSPRAWNEJ DUŻEJ KOGENERACJI

Transkrypt

1 P O L I T E C H N I K A Ś L Ą S K A WYDZIAŁ INŻYNIERII ŚRODOWISKA I ENERGETYKI INSTYTUT TECHNIKI CIEPLNEJ GLIWICE, KONARSKIEGO 22 TEL , FAX PORADNIK INWESTORA I PROJEKTANTA UKŁADÓW WYSOKOSPRAWNEJ DUŻEJ KOGENERACJI Opracoanie ykonane ramach Projeku Rozojoego N R finansoanego przez Narodoe Cenrum Badań i Rozoju Auorzy: Andrzej ZIĘBIK Marcin LISZKA Krzyszof HOINKA Wojciech STANEK Gliice,

2 Spis reści WPROWADZENIE OBLICZANIE ZAPOTRZEBOWANIA CIEPŁA Zaporzeboania ciepła do ogrzeania Zaporzeboanie ciepła do enylacji Zaporzeboanie ciepła do yarzania ciepłej ody użykoej Łączne zaporzeboanie ciepła Lieraura CHARAKTERYSTYKI REGULACYJNE SIECI CIEPŁOWNICZYCH Regulacja poboru ciepła Czynniki płyające na emperaury obliczenioe ody siecioej Regulacja jakościoa Regulacja ilościoa Regulacja jakościoo-ilościoa Lieraura SKOJARZONA GOSPODARKA CIEPLNO-ELEKTRYCZNA - KOGENERACJA Skojarzone yarzania ciepła i elekryczności - uzasadnienie ermodynamiczne Elekrociepłonia paroa Spraności cząskoe yarzania ciepła i elekryczności Oszczędność energii chemicznej palia Efeky energeyczne elekrociepłoni z urbiną upusoo-kondensacyjną Ocena efekó ekologicznych skojarzonej gospodarki cieplno-elekrycznej Opłacalność ekonomiczna skojarzonej gospodarki cieplno-elekrycznej Lieraura DYREKTYWA 2004/8/UE O PROMOWANIU KOGENERACJI I KRAJOWE UREGULOWANIA PRAWNE KOGENERACJI Dyrekya 2004/8/UE spraie promoania kogeneracji oparciu o zaporzeboanie na ciepło użykoe ybrane fragmeny Wskaźnik PES zględnej oszczędności energii chemicznej pali Kogeneracja zapisach Usay Prao energeyczne Rozporządzenie Minisra Gospodarki z dnia 26 lipca Inne ureguloania prane Lieraura ELEKTROCIEPŁOWNIE PAROWE OPALANE PALIWAMI STAŁYMI Turbiny paroe sosoane elekrociepłoniach Opymalny spółczynnik udziału skojarzenia Bloki ciepłonicze Charakerysyka elekrociepłoni przemysłoych Wskaźniki PES dla elekrociepłoni ęgloych Lieraura UCIEPŁOWNIENIE BLOKÓW KONDENSACYJNYCH ELEKTROWNI ZAWODOWYCH Kogeneracja elekroniach zaodoych Efeky energeyczne uciepłonienia

3 6.3. Spraność cząskoa yarzania ciepła Efeky ekologiczne przysosoania elekroni kondensacyjnej do ciepłonica Ocena skaźnika PES Lieraura ELEKTROCIEPŁOWNIE GAZOWE I GAZOWO-PAROWE Elekrociepłonie gazoe Elekrociepłonie gazoo-paroe Lieraura ZASOBNIKI CIEPŁA W ELEKTROCIEPŁOWNIACH Akumulacja gorącej ody siecioej Obliczanie objęości zasobnika ciepła Zasobnik gorącej ody siecioej elekrociepłoni z urbiną przeciprężną Zasobnik gorącej ody siecioej elekrociepłoni z urbiną upusoo-kondensacyjną Przykłady oceny efekyności ekonomicznej zasosoania zasobnikó ciepła Lieraura ANALIZA TERMO-EKOLOGICZNA ELEKTROCIEPŁOWNI Pojęcie skaźnika koszu ermo-ekologicznego Kosz ermo-ekologiczny ciepła yarzanego układzie skojarzonym Oszczędność egzergii bogac nauralnych uzyskana dzięki kogeneracji Lieraura ANALIZA EKONOMICZNA UKŁADÓW KOGENERACYJNYCH Wproadzenie Wskaźniki oceny ekonomicznej noobudoanych elekrociepłoni Składniki przepłyó pieniężnych Meoda kompromisoa dla yznaczania ceny ciepła Lieraura PROGRAM CHP_Sraeg - ANALIZA I WYBÓR TECHNOLOGII DLA WYSOKOSPRAWNEJ KOGENERACJI - PRZEWODNIK UŻYTKOWNIKA Geneza, cel i ykonacy programu CHP_Sraeg Odbiorcy aplikacji kompueroej CHP_Sraeg Zakres sosoania Wymagania sprzęoe i aplikacyjne korzysania z aplikacji CHP_Sraeg Zasada działania i archiekura enęrzna programu Uzyskanie pra dosępu do sysemu CHP_Sraeg oraz logoanie Sysem pomocy Prace adminisracyjne i konseracyjne sysemu Zasrzeżenia Uagi, propozycje i zapyania

4 WPROWADZENIE Poradnik posał ramach Projeku Rozojoego N R Opracoanie dedykoanej aplikacji kompueroej dla kreoania sraegii ysokospranej dużej kogeneracji, przy uzględnieniu kryerió ekonomicznych i środoiskoych, ym emisji CO 2. Produkem finalnym Projeku jes program kompueroy o nazie CHP_Sraeg, za pomocą kórego możlia jes kompleksoa analiza energeyczno-ekonomiczna układó dużej kogeneracji. Aplikacja kompueroa CHP_Sraeg pełnić ma rolę programu doradczego dla poencjalnych inesoró obiekó dużej kogeneracji. Wynikiem jej zasosoania jes przedsępne sudium ykonalności układu ysokospranej dużej kogeneracji. Inencją auoró Poradnika było opracoanie zięzłego kompendium podsa ermodynamicznych i skazóek prakycznych z obszaru ciepłonica i kogeneracji. Mają one przede szyskim służyć pomocą prakycznym ykorzysaniu programu kompueroego CHP_Sraeg, m.in. ułaić przygooanie niezbędnych informacji o ooczeniu echniczno-ekonomicznym planoanej budoy elekrociepłoni. Da piersze rozdziały Poradnika pośięcono ciepłonicu. Przedsaiono zredukoane charakerysyki zaporzeboania ciepła. Wskazano na możliości zasosoania zredukoanej formuły opisującej ykres uporządkoany emperaury zenęrznej do orzenia zredukoanych ykresó uporządkoanych zaporzeboania ciepła. Przedsaiono charakerysyki sieci cieplnych przypadku regulacji jakościoej, jakościoo-ilościoej i ilościoej. Zrócono uagę na czynniki płyające na dobór opymalnych arości emperaur obliczenioych charakerysyk sieci cieplnych. W rozdziale 3, kóry zaiera podsay meodyczne kogeneracji zrócono uagę czyelnika na źródła korzyści jakie daje kojarzenie procesó cieplnych. Zmniejszenie liczby przemian nieodracalnych, możliość sosoania yższych parameró czynnika obiegoego i częścioa kompensacja sra przesyłania ciepła przemaiają na korzyść kogeneracji porónaniu z rozdzielonym yarzaniem ciepła i elekryczności. Efekem ego jes oszczędność energii chemicznej pali pieronych. W rozdziale 3 przedsaiono meodykę obliczania oszczędności energii chemicznej palia, sposób obliczania spraności cząskoych yarzania ciepła i elekryczności oraz algorym oceny efekó ekologicznych. W rozdziale 4 zamieszczono ybrane fragmeny Dyrekyy 2004/8/UE o promoaniu kogeneracji. Przedsaiono komenarz do formuły na obliczanie skaźnika PES (Primary Energy Savings). Omóiono zięźle krajoe dokumeny prane regulujące saus elekrociepłoni ze szczególnym uzględnieniem ysokospranej kogeneracji. 4

5 W rozdziale 5 omóiono elekrociepłonie paroe opalana paliami sałymi. Przedsaiono podsay algorymu opymalizacyjnego doboru spółczynnika udziału skojarzenia. Omóiono przykładoe bloki ciepłonicze i przedsaiono charakerysyczne problemy kogeneracji elekrociepłoniach przemysłoych. Przedsaiono analizę skaźnika PES dla elekrociepłoni ęgloych z urbina przeciprężną i upusoo-kondensacyjną. Uciepłonienie blokó kondensacyjnych elekroni jes efekynym sposobem realizacji kogeneracji pod arunkiem realizacji ego przedsięzięcia przy jak najniższej arości skaźnika ubyku mocy elekrycznej ( granicach możliości echnicznych). W rozdziale 6, kóry doyczy uciepłonienia przedsaiono zasady obliczania skaźnika ubyku, oszczędności energii chemicznej palia, spraności cząskoej yarzania ciepła, skaźnika PES i efekó ekologicznych uciepłonienia. W rozdziale 7 przedsaiono obiegi gazoe i gazoo-paroe elekrociepłoni. Zaprezenoano przegląd komercyjnych roziązań układó gazoo-paroych. Rozdział 8 zaiera podsay meodyczne akumulacji ciepła elekrociepłoniach. Zaprezenoano algorymy doboru zasobnika ciepła do układu elekrociepłoni z urbiną przeciprężną i upusoo-kondensacyjną. Zasosoanie zasobnikó ciepła płya na popraę efekyności ekonomicznej kogeneracji. Produkcja ciepła i elekryczności płya na yczerpyanie nieodnaialnych zasobó energii pieronej. Miernikiem yczerpyania nieodnaialnych zasobó bogac nauralnych jes skaźnik koszu ermo-ekologicznego. Rozdział 9 pośięcono analizie koszu ermo-ekologicznego procesie skojarzonym yarzania ciepła i elekryczności. Przedsaiono meodę sekencyjną obliczania skaźnika koszu ermo-ekologicznego i energii elekrycznej. Zamieszczono przykłady obliczenioe doyczące analizy ermoekologicznej elekrociepłoni. Rozdział 10 pośięcono analizie ekonomicznej. Przedsaiono meodykę dyskonoej analizy przepłyó pieniężnych podczas budoy i eksploaacji układó kogeneracyjnych. Omóiono głóne skaźniki oceny ekonomicznej projekó inesycyjnych oraz założenia i dane ejścioe do ich yznaczania. W rozdziale 11 zamieszczono opis programu kompueroego CHP_Sraeg. Jes o narzędzie informayczne z budoanym inerfejsem graficznym, za pomocą kórego możlia jes kompleksoa analiza echniczno-ekonomiczna układó kogeneracyjnych. Użykonik aplikacji kompueroej CHP_Sraeg, po zdefinioaniu ooczenia echniczno-ekonomicznego elekrociepłoni, uzyskuje zesa ynikó obliczeń posaci parameró ermodynamicznych oraz skaźnikó oceny ekonomicznej różnych klas układó kogeneracyjnych. 5

6 1. OBLICZANIE ZAPOTRZEBOWANIA CIEPŁA 1.1. Zaporzeboania ciepła do ogrzeania W sanie usalonym zaporzeboanie ciepła do ogrzeania pomieszczeń jes róne sraom ciepła przez zenęrzne przegrody budolane: Q = Ai ki ( - z ) (1.1) Q o o - srumień ciepła do ogrzeania, A i k i z i - poierzchnia zenęrznej i-ej przegrody budolanej, - spółczynnik przenikania ciepła odnoszący się do i-ej przegrody budolanej, - emperaura enęrzna pomieszczenia, - emperaura zenęrzna. Temperaura enęrzna pomieszczenia jes usalana edług odpoiedniej normy budolanej i aha się granicach 5C 32C. Dla pomieszczeń mieszkalnych ynosi 20C. Temperaura zenęrzna zależy od arunkó amosferycznych i najczęściej jes dana formie ykresu uporządkoanego. Temperaura zenęrzna niższa niż 12C rające przez określony rozporządzeniu czas upraniała do uruchomienia ogrzeania. Obecnie jes o częso reguloane porozumieniem między yórcą i odbiorcą grupoym. Maksymalne zaporzeboanie ciepła do ogrzeania ysępuje przy minimalnej emperaurze zenęrznej z min, charakerysycznej dla danej srefy klimaycznej: Q = Ai ki ( - z min ) (1.2) o max i Dzieląc sronami rónanie (1.1) przez (1.2), przy założeniu k i = idem, orzymuje się zredukoaną charakerysykę zaporzeboania ciepła: Q Q o o max - = - z z min (1.3) Na rysunku 1.1 przedsaiono zredukoaną charakerysykę zaporzeboania ciepła do celó ogrzeania. Maksymalne zaporzeboanie ciepła do celó ogrzeania Q o max ynika najczęściej z danych projekoych. Uzględnia ono rónież sray ciepła ziązane z ymianą poierza (enylacja nauralna). Temperaura zenęrzna jes zadana za pomocą ykresu uporządkoanego (rys 1.2). Wykresy emperaury zenęrznej są sporządzane dla poszczególnych sref klimaycznych. Polska jes podzielona na 5 sref klimaycznych. Każda srefa klimayczna jes scharakeryzoana za pomocą minimalnej emperaury zenęrznej (np. III srefie klimaycznej, najiększej kraju, ynosi ona -20 o C). 6

7 Rys Zredukoana charakerysyka zaporzeboania ciepła Na rysunku 1.2 przedsaiono przykładoo ykres uporządkoany emperaury zenęrznej dla III srefy klimaycznej. Wykres uporządkoany emperaury zenęrznej informuje o czasie ysępoania emperaury zenęrznej niższej od zadanej. Na przykład przyjmując emperaurę począku okresu ogrzeania zp = 12 o C można yznaczyć długość sezonu ogrzeniczego ( o h/rok). Odcięa o informuje, że emperaura sezonie ogrzeniczym jes niższa od +12 o C. Wykorzysując ykres yjścioy można zbudoać ykres uporządkoany dla zmiennych losoych zredukoanych Q / Q lub / - - z z min. o o max Rys Zasosoanie ykresu uporządkoanego emperaury zenęrznej do sporządzania ykresu uporządkoanego zaporzeboania ciepła do ogrzeania; zp - emperaura począku sezonu ogrzeniczego 7

8 Roczne zaporzeboanie ciepła do ogrzeania ynika ze zoru: τ o Q τ o - Q = Q o d τ = Q z o R d τ o max o max (1.4) Q - z min 0 o max Warość całki osanim yrażeniu jes ielkością sałą dla danej srefy klimaycznej. Wyraża ona roczny czas ykorzysania maksymalnej mocy grzejnej. Oznaczając ją przez g można napisać: (1.5) Q o R = τ g Q o max Wykres uporządkoany emperaury zenęrznej można aproksymoać za pomocą rónania Raissa: z min z p τ o τ z p z p z z min 1 3 τ τ 0 τ τ τ τ 0 - minimalna obliczenioa emperaura zenęrzna dla danej srefy klimaycznej, - emperaura zenęrzna, przy kórej rozpoczyna się sezon grzeczy, - długość sezonu grzeczego, - czas. (1.6) Dla danych liczboych: z min = -20 o C (III srefa klimayczna), z p = +12 o C (założony począek sezonu ogrzeniczego) oraz = +20 o C ykres uporządkoany emperaury zenęrznej przedsaia rónanie: z 20 32( z p Wproadzając (1.7) do (1.4) orzymuje się: Q o R z 2 min ) (1.7) o o o 2 o Q omax 1 0, d o o (1.8) 0 o Dla III srefy klimaycznej uzyskuje się ięc: Q 0, 438Q (1.9) o R Zaem roczny czas ykorzysania maksymalnej mocy cieplnej 0, 438. omax 1.2. Zaporzeboanie ciepła do enylacji W budynkach mieszkalnych zaporzeboanie ciepła do celó enylacyjnych (enylacja nauralna) uzględnia się przy obliczaniu ciepła porzebnego do ogrzeania. Dla budynkó przemysłoych i użyeczności publicznej sosuje się enylację mechaniczną. o g o 8

9 Ilość ciepła porzebną do enylacji mechanicznej oblicza się z rónania: Q ng c (1.10) p z z przy czym: p V G (1.11) RT p T - ciśnienie i emperaura pomieszczeniu enyloanym, V - objęość (kubaura) pomieszczenia enyloanego, n - ielokroność ymiany poierza ciągu jednoski czasu; ielokroność n ymiany poierza usalają przepisy saniarne [2], c p - średnia moloa pojemność cieplna łaścia poierza przy sałym ciśnieniu z R zakresie między emperaurą zenęrzną a emperaurą enęrzną pomieszczeniu, - indyidualna sała gazoa dla poierza. Przyjmując dla enylacji aką samą minimalną emperaurę zenęrzną jak dla ogrzeania można na zór zredukoanej charakerysyki dla celó ogrzeana napisać: Q z Q (1.12) max z min Tak ięc przy ej samej minimalnej emperaurze zenęrznej zredukoana charakerysyka zaporzeboania ciepła do enylacji ma aką samą posać jak przypadku ogrzeania Zaporzeboanie ciepła do yarzania ciepłej ody użykoej Obliczenie zaporzeboania ciepła na yorzenie ciepłej ody użykoej jes opare na skaźnikach jednoskoego zużycia, ujęych odpoiednich normach i doyczących: zakładó przemysłoych, budynkó użyeczności publicznej i budonica mieszkanioego. Średni okresie doby srumień ciepłej ody użykoej yznacza się z relacji: Gcu nq m (1.13) G cu - średniodoboe zaporzeboanie na ciepłą odę użykoą, kg/dobę, n - liczba odbiorcó, q m - średnie obliczenioe zaporzeboanie ciepłej ody użykoej odniesieniu do jednego mieszkańca i doby. Maksymalne zaporzeboanie na ciepłą odę użykoą oblicza się uzględniając spółczynnik nierónomierności rozbioru ody zależny od liczby mieszkańcó [1]: G k nq (1.14) cu max n gdzie k n oznacza spółczynnik nierónomierności rozbioru ciepłej ody użykoej; określany za pomocą zależności empirycznych. m 9

10 Ilość ciepła porzebną do podgrzania ciepłej ody użykoej yznacza się z relacji: Q G c (1.15) cu cu cu - emperaura ciepłej ody użykoej, - emperaura ody odociągoej. cu Temperaura ciepłej ody użykoej na ejściu do budynkó nie może być yższa niż 55 C ze zględu na korozję cynkoą (zanikanie ochronnej arsy cynku saloych rurach ocynkoanych). W przypadku insalacji z orzya szucznego zros emperaury ciepłej ody użykoej poyżej 80 C pooduje przyspieszenie procesu sarzenia maeriału Łączne zaporzeboanie ciepła Jako dane yjścioe przyjmuje się ykres uporządkoany emperaury zenęrznej dla rozażanej srefy klimaycznej oraz maksymalne zaporzeboanie ciepła do celó ogrzeania i enylacji, ponieaż obyda ymienione srumienie ciepła zależą od emperaury zenęrznej. Zaporzeboanie ciepła do ogrzeania i enylacji ysępuje okresie rania sezonu grzeczego. Zaporzeboanie ciepła do przygooania ciepłej ody użykoej jes zadane formie ykresu schodkoego dupoziomoego, ujmującego odpoiednio zaporzeboanie sezonie ogrzeniczym oraz poza sezonem. Na podsaie rónania Raissa można określić charakerysykę zredukoanego zaporzeboania ciepła do celó ogrzeania i enylacji formie: 2 Q g Q g min τ τ τ (1.16) Q g max Q g min τ0 τ0 τ0 przy czym: Q Q Q (1.17) Q g - arość chiloa srumienia ciepła do ogrzeania i enylacji, g Q - minimalna arość srumienia ciepła dla ogrzeania i enylacji, g min Q g max - maksymalna arość srumienia ciepła dla ogrzeania i enylacji. o Do ykresu uporządkoanego zaporzeboania ciepła do ogrzeania i enylacji dodaje się srumień ciepła do przygooania ciepłej ody użykoej, yróżniając inną arość zaporzeboania dla sezonu ogrzeniczego i okresu poza sezonem ogrzeniczym ze zględu na inną emperaurę ody odociągoej. 10

11 Rys Wykres uporządkoany zaporzeboania ciepła do ogrzeania, enylacji i yarzania ciepłej ody użykoej Q R g - roczna ilość ciepła na cele grzeczoenylacyjne; Q R cu - roczna ilość ciepła na przygooanie ciepłej ody użykoej; cu l Q cu z i Q - zaporzeboanie na srumień ciepłej ody użykoej sezonie grzeczym i poza sezonem W przypadku poszukiania sumarycznego uporządkoanego ykresu zaporzeboania ciepła dla celó grzeczo-enylacyjnych i echnologicznych należy posłużyć się meodą kompozycji ykresó uporządkoanych, ponieaż zaporzeboanie ciepła do echnologii nie zależy od emperaury zenęrznej. Można ięc ykresy uporządkoane zaporzeboania ciepła do celó grzeczo-enylacyjnych i echnologicznych rakoać jako zmienne losoe niezależne i zasosoać meodę splou dysrybuan zmiennych losoych [3]. Lieraura: [1] Kamler W.: Ciepłonico. PWN, Warszaa [2] Recknagel H. i in.: Ogrzeanie i klimayzacja. EFWE, Gdańsk [3] Szargu J., Ziębik A.: Podsay energeyki cieplnej. PWN, Warszaa

12 2. CHARAKTERYSTYKI REGULACYJNE SIECI CIEPŁOWNICZYCH 2.1. Regulacja poboru ciepła W zależności od miejsca realizoania regulacji poboru ciepła rozróżnia się: regulację cenralną (przy urządzeniach yórczych), regulację miejscoą ( odbiornikach lub ęzłach cieplnych). Regulację cenralną sosuje się ych przypadkach, gdy obciążenie cieplne sieci jes jednakoe (np. ylko ogrzeanie). Regulację miejscoą sosuje się am, gdzie odbiory są różne (ogrzeanie, enylacja, ciepła oda użykoa). Srumień ciepła przekazyany za pośrednicem sieci zenęrznej: Q =G c( g - p ) (2.1) G,c - srumień i pojemność cieplna łaścia ody siecioej, g, p - emperaura ody gorącej i ody poronej. g Ilość ciepła Q przekazyanego przez urządzenie grzejne ujmuje relacja Q= A k τ (2.2) A - poierzchnia przepłyu ciepła, k - spółczynnik przenikania ciepła, Δ - średnia różnica emperaury, - czas. Analizując sposoby regulacji można posłużyć się średnią arymeyczną różnicą emperaury g p 1 2 = (2.3) 2 2 g, p - emperaury ody gorącej i poronej sieci zenęrznej, 1, 2 - emperaury dolooa i ylooa czynnika odbiorniku ciepła. Wproadzając rónania (2.1) i (2.3) do (2.2) orzymuje się 1 g ( 1 2 ) Q = 2 τ 1 1 A k 2G c (2.4) Na podsaie relacji (2.4)można yróżnić pięć możliości regulacji: 12

13 regulacja miejscoa przez zmianę poierzchni odbiornikó (częścioe yłączenia); sosoana rzadko, zazyczaj insalacjach przemysłoych, zmiana spółczynnika przenikania ciepła przez zmianę prędkości przepłyu czynnika lub zasosoanie osłon (regulacja miejscoa), zmiana emperaury ody gorącej sieci zenęrznej (regulacja jakościoa cenralna), zmiana srumienia ody siecioej (regulacja ilościoa cenralna), zmiana czasu pracy urządzeń przez sosoanie przer pracy urządzenia (z. regulacja pulsacyjna). Na podsaie rónania (2.1) można zdefinioać sposoby regulacji cenralnej sieciach ciepłoniczych: regulacja jakościoa - G = idem, g, p = varia, regulacja ilościoa - G = varia, g = idem, p = varia, regulacja mieszana ilościoo-jakościoa. Regulacja jakościoa realizoana przez zachoanie sałej prędkości przepłyu ( G = idem) charakeryzuje się zachoaniem sałych arunkó hydraulicznych sieci. Zaleą regulacji jakościoej jes możliość zasosoania długich okresach eksploaacyjnych niższej emperaury ody siecioej. Wynikają z ego yższe efeky gospodarki skojarzonej cieplnoelekrycznej z poodu niższego ciśnienia pary grzejnej i yższego przez o skaźnika skojarzenia. Wadą regulacji jakościoej jes o, że nie odpoiada ona ściśle porzebom szyskich odbiorcó. Trzeci kolejności sposób regulacji cenralnej sosuje się sieciach cieplnych obsługujących sezonie grzeczym ogrzeanie i insalacje ciepłej ody użykoej, a lecie ylko produkcję ciepłej ody użykoej Czynniki płyające na emperaury obliczenioe ody siecioej Maksymalny srumień ciepła grzejnego Q g max przekazyany za pośrednicem sieci zenęrznej ynika z rónania (2.1), kórym należy podsaić emperaury obliczenioe g max i p max miejsce g i p. Od srony odbiorcó (przyłączenie bezpośrednie) oboiązuje relacja: Q g max p max = A k g max g g 2 (2.5) A g, k g - poierzchnia przepłyu ciepła i spółczynnik przenikania ciepła dla odbiornikó, - emperaura enąrz ogrzeanego pomieszczenia. 13

14 Jeżeli założy się sałą emperaurę ody gorącej (np. ograniczoną z góry przez ciśnienie pary grzejnej ymienniku ciepła), obniżeniu emperaury ody poronej oarzyszy z jednej srony możliość obniżenia srumienia ody G (rónanie 2.1) i ślad za ym zmniejszenie średnicy rurociągó oraz obniżenie nakładó inesycyjnych na sieć ciepłoniczą. Z drugiej jednak srony obniżeniu ulega akże średnia emperaura czynnika grzejnego 1 ( g max p max ), co pooduje konieczność ziększenia poierzchni odbiornikó ciepła 2 (ziększenie nakładó inesycyjnych) celu przekazania ego samego srumienia ciepła. Te da przecisane czynniki decydują głónie o yborze opymalnych arości obliczenioych emperaury ody gorącej i poronej. Dodakoe czynniki, kóre mają pły na dobór opymalnych parameró obliczenioych, o: moc i zużycie energii elekrycznej pomp siecioych, sray ciepła rurociągu ody gorącej i poronej, skaźnik skojarzenia, kóry płya na ielkość produkcji elekryczności gospodarce skojarzonej cieplno-elekrycznej. Obniżenie srumienia ody siecioej, na skuek ziększenia różnicy emperaury między odą gorącą i odą poroną płya na zmniejszenie mocy pomp siecioych i na mniejsze zużycie energii elekrycznej do pompoania ody siecioej. Jeżeli do napędu pomp siecioych jes zużyana energii elekryczna produkoana elekrociepłoni, óczas zmniejszenie zużycia łasnego energii elekrycznej płya na ziększenie przychodó ze sprzedaży skojarzonej energii elekrycznej [4]. Wysokość emperaury ody gorącej i ody poronej płya na ielkość sra ciepła do ooczenia. Przyjmując arość spółczynnikó przenikania ciepła na sałym poziomie dla przeodó zasilającego i poronego sieci ciepłoniczej można napisać: g z Q o g Q o max g (2.6) g max z min p z o p Q o max p (2.7) p max z min Q Jeżeli rónaniach (2.6) i (2.7) ykorzysa się rónania (2.15) i (2.16) opisujące charakerysykę sieci ciepłoniczej przypadku regulacji jakościoej, óczas roczne sray ciepła z rurociągó ody gorącej i poronej ujmują zory: Q Q o g R o p R q R z g maxl dτ (2.8) 0 z min R z q p maxl dτ (2.9) 0 z min 14

15 q q - maksymalne jednoskoe srumienie sra ciepła z rurociągó zasilającego i R L g max, p max poronego, odpoiadające emperaurom obliczenioym ody gorącej i poronej, - roczny czas pracy sysemu ciepłoniczego, - odległość przesyłania ciepła. Obniżenie emperaury ody gorącej sieci ciepłoniczej płya na ziększenie skaźnika skojarzenia i przez o na ziększenie produkcji energii elekrycznej yorzonej skojarzeniu. Wskaźnik skojarzenia dla klasycznego obiegu elekrociepłoni przeciprężnej ujmuje relacja (3.6) (Rozdział 3): i1 i2s i me (2.10) i i i i ) 1 3 i ( 1 2s Obniżenie emperaury ody gorącej sieci ciepłoniczej i przez o obniżenie ciśnienia pary grzejnej płya na ziększenie izenropoego spadku enalpii urbinie co pooduje zros skaźnika skojarzenia i ziększenie produkcji energii elekrycznej skojarzeniu. Wpły emperaur obliczenioych na sray ciepła do ooczenia z rurociągó przesyłoych oraz na skaźnik skojarzenia uidacznia się składoej palioej. Przykładoo dla urbozespołu przeciprężnego orzymuje się: P R Q 1 me W Q RB - roczna produkcja ciepła bruo, - skaźnik skojarzenia, me - spraność elekromechaniczna urbozespołu ciepłoniczego, Ek - spraność energeyczna koła, W d - arość opałoa palia. RB Ek d (2.11) Wproadzając do (2.11) relacje (2.8) i (2.9) orzymuje się: 1 R me PR Q o q g q max max p max L W gdzie Ek d o z z min Q max o oznacza maksymalny srumień ciepła u odbiorcy. d (2.12) Tradycyjnie krajoym ciepłonicie przyjmoane były paramery obliczenioe (maksymalne) ody siecioej na poziomie 150/70C (przyłączenie bezpośrednie) lub 150/80C (przyłączenie pośrednie). Od la dzieięćdziesiąych ubiegłego sulecia ysępuje endencja do ich obniżania. Najczęściej sosoane arości emperaur obliczenioych o 15

16 130/70C. Paramery obliczenioe sieciach ciepłoniczych poinny być dobierane na drodze opymalizacji ykorzysując przedsaione skazóki. W sieciach enęrznych sosuje się emperaury ody 95/70C lub 90/70C. Temperaura insalacji enęrznej nie może przekroczyć arości 95C ze zględu na nieprzyjemny efek suchej desylacji kurzu na grzejnikach i uciążliy dla ludzi efek promienioania cieplnego grzejnikó Regulacja jakościoa Rónanie (2.1) przedsaia srumień ciepła grzejnego przekazyany z sieci ciepłoniczej (sieci zenęrznej). W przypadku przyłączenia bezpośredniego srumień ciepła przekazyany do pomieszczenia ogrzeanego ujmuje rónanie [1]: A g k g - poierzchnia grzejnikó, - spółczynnik przenikania ciepła, - emperaura enąrz pomieszczenia. g p Q g Ag kg (2.13) 2 Srumień ciepła przekazyany z grzejnikó do pomieszczenia pokrya sray ciepła do ooczenia - rónanie (1.1) (Rozdział 1). Na podsaie rónań (1.1), (2.1), (2.13) zapisanych dla arunkó bieżących oraz minimalnej emperaury zenęrznej (maksymalne obciążenie grzecze) i podzieleniu ich sronami przez siebie zakładając sałość spółczynnikó przenikania ciepła k i i k g, orzymuje się: skąd: z, z min g, p g max, p max Q Q g g max z z min g p g g max g max p p max p max z min z min g g max p max z z p - emperaura enęrzna, - emperaura zenęrzna bieżąca i minimalna, - emperaury ody gorącej i poronej, - obliczenioe emperaury ody gorącej i poronej. (2.14) (2.15) (2.16) 16

17 Na rysunku 2.1 przedsaiono ykres charakerysyki sieci cieplnej dla obciążeń ogrzeniczych edług rónań (2.15) i (2.16), ażnych dla przyłączenia bezpośredniego i przy założeniu sałości spółczynnikó przenikania ciepła dla grzejnikó. Rys Charakerysyka sieci cieplnej dla regulacja jakościoej W przypadku przyłączenia pośredniego za pomocą ymiennika ypu oda-oda ykorzysuje się dodakoo rónanie bilansu energii oraz relację na moc cieplną ymiennika ciepła obliczoną edług meody efekyności cieplnej [3]: G c Q G c (2.17) g p Q W ( ) (2.18) min g 2 G o, c o - srumień i pojemność cieplna łaścia ody insalacji odbiorczej, ε - efekyność ymiennika ciepła, W min - mniejsza z dóch arości G c, G oco reprezenujących srumienie pojemności cieplnej ody grzejnej (sieć zenęrzna) i ogrzeanej (sieć enęrzna), 1, 2 - emperaury ody zasilającej i poronej sieci enęrznej. 17

18 Rys Rozkład emperaury pośrednim ymienniku ciepła W przypadku regulacji jakościoej i przeciprądoego ymiennika ciepła ypu oda-oda, można oparciu o yniki analiz przedsaione [3] uzasadnić linioość charakerysyki sieci cieplnej rónież dla przyłączenia pośredniego. Rónania (2.15) i (2.16) przedsaiają ięc rónież charakerysykę sieci cieplnej przypadku przyłączenia pośredniego Regulacja ilościoa W yniku zmian srumienia ody, przy sałej emperaurze ody gorącej g max zmienia się emperaura ody poronej. Układ rónań do yznaczania charakerysyki sieci cieplnej, przy założeniu sałości spółczynnikó przenikania ciepła i przyłączenia bezpośredniego ma posać: gdzie G, Q Q g g max z z min G max G g max g max p p max g max g max p max G max - srumień ody siecioej dla arunkó bieżących i eksremalnych. p (2.19) Z układu rónań (2.19) orzymuje się: z p 2 g max g max p max 2 z min (2.20) G z g max p max G (2.21) max z min g max p Układ rónań (2.20) i (2.21) przedsaia charakerysykę sieci cieplnej przypadku regulacji ilościoej Regulacja jakościoo-ilościoa Przedsaiony niżej sposób realizacji regulacji jakościoo-ilościoej polega na ydzieleniu kilku przedziałó emperaury zenęrznej na ykresie charakerysyki sieci cieplnej (rys. 18

19 19 2.3). W miarę podyższania się emperaury zenęrznej kolejnym przedziałom odpoiada coraz mniejszy srumień ody siecioej, zmieniany skokoo z przedziału na przedział [2]. Układ rónań do yznaczania charakerysyki ynika z bilansu sieci ciepłoniczej, przepłyu ciepła grzejnikach przy założonym na sałym poziomie spółczynniku przenikania ciepła i rónaniu sra ciepła do ooczenia: min max max max ) ( ) ( z z p g p g G G (2.22) G - srumień ody siecioej ybranym podprzedziale, max G - maksymalny srumień ody siecioej podprzedziale najniższych emperaur. min max max 2 2 z z p g p g (2.23) Skąd: 2 2 p max g max z min z max z min z p max g max g G G (2.24) 2 2 max max min max min max max p g z z z z p g p G G (2.25) Rys Charakerysyka sieci cieplnej dla przypadku regulacji jakościoo-ilościoej

20 Na rysunku 2.3 przedsaiono charakerysykę sieci cieplnej, na kórej yróżniono rzy przedziały emperaury zenęrznej. Srumień ody siecioej ulega obniżeniu z arości G max ( przedziale najniższych emperaur) do arości,8 max 0 G i 0,6G max pozosałych dóch przedziałach. Wenąrz każdego z przedziałó jes realizoana regulacja jakościoa. Lieraura: [1] Kamler W.: Ciepłonico. PWN, Warszaa [2] Marecki J.: Gospodarka skojarzona cieplnoelekryczna. WNT, Warszaa [3] Sokoło E.Ja.: Tiepłofikacija i iepłoyje siei. Eniergoizda, Moska [4] Szargu J., Ziębik A.: Podsay energeyki cieplnej. PWN, Warszaa 1998,

21 3. SKOJARZONA GOSPODARKA CIEPLNO-ELEKTRYCZNA KOGENERACJA 3.1. Skojarzone yarzania ciepła i elekryczności - uzasadnienie ermodynamiczne Skojarzona gospodarka cieplno-elekryczna (nazyana akże kogeneracją) polega na połączeniu procesó yarzania ciepła i elekryczności. W odróżnieniu, yarzanie ciepła grzejnego ciepłoniach a energii elekrycznej elekroniach (procesy jednoceloe), nazya się gospodarką rozdzieloną. Skojarzenie procesó cieplnych yarzania ciepła i elekryczności ma na celu skrócenie łańcucha przemian ermodynamicznych. Wyeliminoanie niekórych z ych przemian proadzi zaróno do zmniejszenia koszó eksploaacji (na skuek zmniejszenia sra egzergii), jak rónież do obniżenia nakładó inesycyjnych. Procesy cieplne realizoane urządzeniach energeycznych są procesami nieodracalnymi. Miarą odchylenia od procesu odracalnego jes enęrzna sraa egzergii procesie określona za pomocą praa Gouy a-sodoli [5]: B - enęrzna sraa egzergii, T o - emperaura ooczenia, B ToS (3.1) S - suma przyrosó enropii procesie nieodracalnym. Wenęrzna sraa egzergii ybranym ogniie procesu ynikająca z praa Gouy a- Sodoli jes sraą bezporoną. To oznacza, że nie można jej nae części odzyskać kolejnym z ogni procesu. Wenęrzna sraa egzergii jes miarą niedoskonałości ermodynamicznej procesó cieplnych. Każda sraa egzergii proadzi do ziększenia zużycia energii napędoej przy sałych efekach użyecznych lub do zmniejszenia efekó użyecznych jeżeli zużycie energii napędoej jes sałe. Popraa doskonałości ermodynamicznej procesó cieplnych sprzyja zmniejszeniu sra egzergii i popraie efekyności energeycznej procesó. Zmniejszenie sra egzergii jes ziązane jednak zykle z ponoszeniem dodakoych nakładó inesycyjnych. Dlaego należy konroloać opłacalność ekonomiczną przedsięzięć proadzących do popray doskonałości ermodynamicznej procesó cieplnych. Analizy energeyczna i egzergeyczna decydują boiem jedynie o możliości realizacji procesu. O celoości realizacji decyduje zykle analiza ekonomiczna. Należy pamięać, że sray egzergii są ylko edy uzasadnione, gdy są one niezbędne do ograniczenia nakładó inesycyjnych. To zdanie sanoi pierszą z dudziesu prakycznych reguł zmniejszania niedoskonałości ermodynamicznej procesó cieplnych [5]. 21

22 Niedoskonałość ermodynamiczną można popraiać przez kojarzenie ze sobą procesó jednoceloych, kóre charakeryzują się sosunkoo ysokimi sraami egzergii. Przykładami procesó jednoceloych są: elekronia kondensacyjna i ciepłonia. Spraność energeyczna neo iększości krajoych elekroni zaodoych na paramerach podkryycznych, opalanych ęglem ynosi około 3536 %. Spraność egzergeyczna neo jes niższa i ynosi około %. To oznacza, że enęrzne i zenęrzne sray egzergii sanoią die rzecie egzergii napędoej procesie. Podyższenie parameró pary śieżej i obniżenie ciśnienia skraplaczu (np. przez zasosoanie chłodzenia odą morską) płyają na popraę spraności siłoni kondensacyjnej o kilka punkó procenoych. Sray egzergii, kóre charakeryzują nieodracalność ermodynamiczną procesu cieplnego są jednak dalej ysokie (na poziomie około 55% przypadku elekroni paroej opalanej ęglem). Jeszcze bardziej drasyczny ynik analizy jes przypadku ciepłoni yposażonej koły odne (spraność energeyczna ciepłoni ęgloych ynosi około 85%). Niski poziom parameró ermicznych pooduje, że spraność egzergeyczna kołó odnych jes rzędu 20%. To oznacza, że sray egzergii sanoią około 80 % egzergii napędoej (egzergii palia). Jak spomniano drogą do zmniejszenia nieodracalności (popray niedoskonałości ermodynamicznej) jes kojarzenie procesó cieplnych, kórego głónym celem jes skrócenie łańcucha przemian ermodynamicznych, a przez o obniżenie zużycia energii (egzergii) napędoej. Toarzyszy emu akże zmniejszenie emisji szkodliych subsancji do środoiska nauralnego człoieka. Rys Idea skojarzonej gospodarki cieplno-elekrycznej SC - obieg silnika cieplnego; PG - obieg pompy grzejnej; SG - obieg skojarzony silnikoogrzejny; T g - emperaura pomieszczenia; T o - emperaura ooczenia; Q N - ciepło napędoe; Q g - ciepło przekazyane do pomieszczenia ogrzeanego, ooczeniem Q o- ciepło ymieniane z 22

23 Energia elekryczna i ciepło dla porzeb grzejnych lub echnologicznych mogą być yarzane dóch niezależnych procesach jednoceloych: elekroni kondensacyjnej i ciepłoni. Obieg elekroni kondensacyjnej jes obiegiem silnika. Ciepłonię można umonie rozparyać jako obieg pompy grzejnej. Na rys. 3.1 przedsaiono obiegi porónacze dóch procesó jednoceloych (silnika i pompy grzejnej). Rozparując je należy zrócić uagę na die nieodracalne przemiany izobaryczne przepłyu ciepła między czynnikiem obiegoym a ooczeniem. Z uagi na o, że kierunki przepłyu ciepła są przecine (od czynnika obiegoego do ooczenia przypadku silnika i z ooczenia do czynnika obiegoego przypadku pompy grzejnej) można odrzucić pośrednico ooczenia jako źródła ciepła. Pozala o yeliminoać die nieodracalne przemiany przepłyu ciepła i konsekencji nakłady inesycyjne na ymienniki ciepła. Prakyczna realizacja ego przedsięzięcia polega na przeniesieniu górnej izobary pompy grzejnej do obiegu silnika i zakończeniu przemiany rozprężania silniku na yższym poziomie ciśnienia. W en sposób zosają yeliminoane dodakoo die nieodracalne przemiany adiabaycznego sprężania i rozprężania obiegu rzeczyisym pompy grzejnej, a obiegu rzeczyisym silnika nasępuje skrócenie zakresu obu nieodracalnych przemian adiabaycznych sprężania i rozprężania. Obieg skojarzony silnikoo-grzejny przedsaia praa część rysunku 3.1. Zachoana zosała na ym samym poziomie ilość ciepła przekazyana do pomieszczenia ogrzeanego o emperaurze T g. Uzyskany rezulacie skojarzenia obieg silnikoo-grzejny jes prakycznie realizoany elekrociepłoniach. Podsumoując można yróżnić nasępujące korzyści ermodynamiczne skojarzenia rzeczyisych obiegó silnika i pompy grzejnej: całkoia eliminacja nieodracalnego przepłyu ciepła między czynnikiem obiegoym a ooczeniem, eliminacja nieodracalnych przemian sprężania i rozprężania obiegu rzeczyisym pompy grzejnej, zmniejszenie zakresu nieodracalnych przemian sprężania i rozprężania obiegu rzeczyisym silnika. Zmniejszenie nieodracalności ermodynamicznej sanoi podsaoą korzyść ze skojarzenia obiegó silnika i pompy grzejnej. Proadzi o konsekencji do zmniejszenia zużycia energii napędoej procesie skojarzonym porónaniu z procesami jednoceloymi, realizoanymi prakycznie elekroni kondensacyjnej i ciepłoni. Drugi argumen za realizacją gospodarki skojarzonej cieplno-elekrycznej ynika z porónania spraności energeycznej i egzergeycznej koła. Kocioł paroy charakeryzuje się najiększymi sraami egzergii porónaniu z pozosałymi urządzeniami obiegu siłoni lub ciepłoni. Zgodnie z jedną ze spomnianych reguł zmniejszania nieodracalności [5] należy sarać się redukoać sray egzergii miejscach, gdzie są one najiększe. Sray egzergii kole można zmniejszyć przez podyższenie parameró ermicznych pary. Tę możliość daje realizacja skojarzonej gospodarki cieplno-elekrycznej. 23

24 W ciepłoni realizoany jes proces jednoceloy produkcji pary lub gorącej ody kołach. Ze zględu na niską emperaurę czynnika grzejnego kole ciepłoni ysępują znaczne sray egzergii. Na przykład przypadku kołó odnych spraność egzergeyczna jes niższa od 20%. W porónaniu kocioł paroy o spraności energeycznej 90% ma spraność egzergeyczną na poziomie około 47%. Tak ięc realizacja skojarzonej gospodarki cieplno-elekrycznej i ziązana z nią możliość insaloania koła paroego o ysokich paramerach pary śieżej pozala na uzyskanie spraności egzergeycznej koła yższej o ponad dadzieścia punkó procenoych. Trzecim argumenem ermodynamicznym przemaiającym za realizacją gospodarki skojarzonej cieplno-elekrycznej jes możliość częścioej kompensacji sra ciepła podczas przesyłania czynnika grzejnego [5,6]. W elekrociepłoni kompensacja sra ciepła odbya się przez ziększenie produkcji ciepła układzie skojarzonym co płya na ziększenie produkcji energii elekrycznej i z kolei na ziększenie efekó użyecznych skojarzonej gospodarki cieplno-elekrycznej. Naomias przypadku ciepłoni pokryanie sra ciepła odbya się przez ziększenie zużycia energii chemicznej palia bez efekó kompensacji Elekrociepłonia paroa Obieg skojarzony silnikoo-grzejny jes prakycznie realizoany elekrociepłoni. Na rysunkach 3.1 i 3.2 przedsaiono schema ideoy i obieg porónaczy układzie T,s elekrociepłoni z urbiną przeciprężną. Waro zrócić uagę na fak, że spraność ermiczna obiegu porónaczego ynosi 100%, ponieaż efeky użyeczne obiegu (praca l ob i ciepło q g ) są róne ciepłu doproadzanemu do obiegu (pole pod izobarą 4-1). Rys Schema ideoy elekrociepłoni z urbiną przeciprężną 24

25 Rys Obieg porónaczy elekrociepłoni z urbiną przeciprężną W elekrociepłoniach są rónież insaloane urbiny upusoo-kondensacyjne i upusooprzeciprężne. Działają ponado sacje redukcyjno-schładzające i koły odne, kóre spełniają rolę urządzeń szczyoych i rezeroych. Spraność energeyczną chiloą bruo (łącznie z porzebami łasnymi) elekrociepłoni oblicza się ze zoru: Q B + N elb ηe ecb =, (3.2) PW d przy czym srumień ciepła bruo Q B i moc elekryczna bruo N el B ynikają z relacji: Q Q Q (3.3) N B sk r el B Nel sk Nel k (3.4) Q,Q - srumień ciepła bruo yarzanego skojarzeniu i poza układem sk r skojarzonym (sacje redukcyjno-schładzające i koły odne), N el sk, N el k - moc elekryczna bruo yarzana skojarzeniu i moc bruo członu kondensacyjnego, P W d - srumień energii chemicznej palia. Bardziej odpoiednim dla zależności (3.2) jes ermin sopień ykorzysania energii chemicznej palia, kórego odpoiednikiem lieraurze angielskiej jes z. EUF (Energy Uilizaion Facor) [1]. Sopień skojarzenia ocenia się za pomocą skaźnika skojarzenia, kóry odniesieniu do obciążeń chiloych jes zdefinioany nasępująco: 25

26 N el sk B - moc elekryczna bruo układu skojarzonego, - srumień ciepła bruo z układu skojarzonego. Q sk B N el sk B =. Q (3.5) sk B Wskaźnik skojarzenia zależy od parameró dolooych pary i ylooych kondensau za odbiornikiem ciepła oraz od spraności enęrznej urbiny i elekromechanicznej urbozespołu. Wzór (3.5) dla przypadku urbiny przeciprężnej (rys. 3.2) można przekszałcić do posaci: ( i1 i2s ) ηi ηme σ=, (3.6) i1 - i3 - η ( i i ) i i ) - izenropoy spadek enalpii łaściej urbinie przeciprężnej, ( 1 2s i me i 1, i 3 - spraność enęrzna urbiny, - spraność elekromechaniczna urbozespołu, i 1 2s - enalpia łaścia pary dopłyającej do urbiny i skroplin za odbiornikiem ciepła grzejnego. Spraność enęrzna urbiny i elekromechaniczna urbozespołu zależą od obciążenia. Dlaego prakyce należy się posługiać się skaźnikiem skojarzenia odniesieniu do okresu rocznego: Eel sk B R σ R =, (3.7) Q sk B R Eel skb R - roczna produkcja bruo energii elekrycznej układzie skojarzonym, Q sk B R - roczna produkcja bruo ciepła z układu skojarzonego. Do oceny efekyności energeycznej elekrociepłoni poinno się ykorzysyać analizę egzergeyczną i zdefinioaną na jej podsaie spraność egzergeyczną: Nel B ΔB źr ηbec B B (3.8) przy czym: B T ch pal T m o żr QB (3.9) Tm B a P W (3.10) ch pal B źr - przyros egzergii źródła ciepła, d 26

27 B ch pal - egzergia chemiczna palia, T m T o a - średnia ermodynamiczna emperaura czynnika grzejnego, - emperaura ooczenia, - sosunek egzergii chemicznej palia do jego arości opałoej. Średnią ermodynamiczną emperaurę ody siecioej yznacza się z relacji: Tg Tp Tm Tg ln T gdzie T, T g p p oznaczają emperaurę ody gorącej i poronej sieci ciepłoniczej. (3.11) Dla elekrociepłoni z urbiną przeciprężną (rys. 3.2) zużycie energii chemicznej palia ynika z bilansu: ( 1 ) me P Wd Q (3.12) B gdzie Ek oznacza spraność energeyczną koła. Ek Zaem spraność egzergeyczną elekrociepłoni bruo ujmuje rónanie: T T o g 1 ln Tg Tp Tp b ec B Ek (3.13) a(1 ) me Przyjmując dane: = 0,45; T o = 281K (8 o C); T g = 403K (130 o C); T p = 343K (70 o C); Ek = 0,92; a = 1,09; me = 0,97, orzymuje się bec B = 0,4. Dla porónania spraność energeyczna klasycznej elekrociepłoni (rys. 3.2) o zadanych yżej arościach parameró yznaczona z relacji: 1 E ec B Ek (3.14) 1 ynosi 91%. me Spraność energeyczna klasycznej elekrociepłoni z urbiną przeciprężną nieiele odbiega od spraności energeycznej koła. Na spraność egzergeyczną elekrociepłoni najiększy pły mają sray egzergii kole. Spraność egzergeyczna koła jes praie dukronie niższa od jego spraności energeycznej. 27

28 Obliczanie produkcji elekryczności i zużycia energii chemicznej palia układach skojarzonych bazuje na ykresach uporządkoanych. Podsaą do yznaczenia ykresó uporządkoanych produkcji energii elekrycznej i zużycia energii chemicznej palia są sumaryczne ykresy zaporzeboania ciepła. Na rysunku 1.2 (Rozdział 1) przedsaiono ykres uporządkoany emperaury zenęrznej oraz zbudoany na ej podsaie ykres uporządkoany zaporzeboania ciepła do celó ogrzeniczo-enylacyjnych. W przypadku obciążeń mieszanych ykres uporządkoany sumaryczny sporządza się zazyczaj meodą kompozycji (splou) ykresó uporządkoanych. Zakłada się przy ym, że obciążenia ogrzeniczo-enylacyjne i echnologiczne mogą być uznane za zmienne losoe niezależne [3]. W przecinym przypadku należy najpier analizoać ykresy rzeczyise i z ich pomocą budoać ykres uporządkoany. Torząc ykres sumaryczny zaporzeboania ciepła (loco yórca), należy uzględnić spraność przesyłania ciepła. Jeżeli elekrociepłoni działa urbina przeciprężna (rys. 3.2), o moc elekryczna jes funkcją mocy cieplnej i óczas roczną produkcję neo energii elekrycznej oraz roczne zużycie energii chemicznej palia yznacza się ze zoró: Q ε el τr E el R E - srumień ciepła, τ R i - i η η = Q 2 i me 1 s (1- εel ) d τ, (3.15) i1 - i3 - η i - i2 ch R ec 0 i 1 s τ R Q i1 - i3 = d τ, (3.16) η i1 - i3 - η i - i2 0 E k ec i 1 s - skaźnik udziału elekrycznych porzeb łasnych, łącznie z pompami siecioymi, - roczny czas pracy elekrociepłoni, η E k ec - spraność energeyczna koła elekrociepłoni. (Pozosałe oznaczenia jak e zorze (3.6)). Należy zrócić uagę, że ysępujące e zorach (3.15), (3.16) spraności enęrzna i elekromechaniczna urbozespołu zależą od obciążenia. W przypadku urbozespołu upusookondensacyjnego, ykres uporządkoany zużycia energii chemicznej należy orzyć oparciu o bilans pary ysokoprężnej. Do oceny udziału urbiny przeciprężnej lub upusoej yarzaniu szczyoej mocy cieplnej proadzono spółczynnik udziału skojarzenia sk, kóry jes zdefinioany nasępująco: gdzie Q sk max Q sk max α sk= (3.17) Q - moc cieplna pokryana szczycie z układu skojarzonego, max 28

29 Q max - szczyoa moc cieplna elekrociepłoni. Warość opymalna spółczynnika udziału skojarzenia zależy od charakeru obciążenia grzejnego (uporządkoanego ykresu zaporzeboania ciepła). W rozdziale 5 przedsaiono algorym doboru opymalnej mocy urbiny przeciprężnej, kórym przedmioem analizy jes osaecznie dobór opymalnej arości spółczynnika udziału skojarzenia. Zaley gospodarki skojarzonej cieplno-elekrycznej zosały już dano dosrzeżone ielu krajach o zbliżonym do Polski klimacie. Na uagę zasługuje ysoki poziom rozoju gospodarki skojarzonej cieplno-elekrycznej Danii, kórej około 60% krajoej produkcji energii elekrycznej pochodzi z układó skojarzonych. Technologia skojarzonego yarzania ciepła i energii elekrycznej posiada Polsce długolenią radycję. Piersza urbina ciepłonicza zosała zainsaloana końcu la rzydziesych ubiegłego sulecia. Tuż po ojnie elekrociepłonie krajoe posaały yniku przysosoania przedojennych elekroni kondensacyjnych do pracy skojarzeniu. Pierszy sopień podgrzeania ody siecioej sanoiły skraplacze pracujące z pogorszoną próżnią. W laach późniejszych elekrociepłonie krajoe były yposażane specjalisyczne urbiny ciepłonicze: przeciprężne, upusoo-przeciprężne, upusookondensacyjne. W okresie osanich rzydziesu la elekrociepłonie krajoe były yposażane bloki ciepłonicze, a osanim pięnasoleciu insaloano nich z poodzeniem koły fluidalne. Rónież ym okresie przysosoano kilku elekroniach bloki energeyczne do spółpracy z miejskimi sysemami ciepłoniczymi. Węgiel był i pozosaje nadal podsaoym paliem krajoych elekrociepłoniach. W osanim okresie nasąpiło akże uruchomienie elekrociepłoni gazoo-paroych. W kraju znaczącą pozycję zajmują akże elekrociepłonie przemysłoe, kórych obok ęgla spala się palne gazy echnologiczne oraz ciekłe i sałe palia odpadoe Spraności cząskoe yarzania ciepła i elekryczności W prakyce spoyka się, szczególnie przypadku elekrociepłoni gazoych operoanie pojęciem spraności elekrycznej obliczonej jako sosunek produkcji energii elekrycznej do całkoiego zużycia energii chemicznej palia. Rónież Dyrekyie o promoaniu kogeneracji formuła służąca do obliczania skaźnika PES bazuje na spranościach energeycznych yarzania ciepła i elekryczności kogeneracji, przy czym ciepło i energia elekryczną są odniesione do całkoiej ilości energii chemicznej palia. Tak obliczone spraności cząskoe nie posiadają inerpreacji fizykalnej. Są o ielkości yznaczone na drodze arymeycznej a nie echnicznej. Właścią meodą obliczania cząskoych spraności energeycznych jes meoda uniknięych nakładó palioych nazyana akże meodą procesu zasąpionego [6]. Produkoana elekrociepłoniach energia elekryczna zasępuje energię elekryczną yarzaną elekroniach sysemoych. Dlaego produkcję energii elekrycznej elekrociepłoni należy obciążyć akim zużyciem 29

30 energii chemicznej palia jakie ysąpiłoby zasąpionej elekroni kondensacyjnej. Spraność cząskoa bruo η yarzania energii elekrycznej elekrociepłoni ynika z relacji: przy czym: E elec B N el sk B η E el ec B E ek N (3.18) N N el N ek N el sk B el ek N (1 ) el N - moc elekryczna bruo skojarzeniu, el sk B p p (3.19) N el ek N - moc neo elekroni kondensacyjnej zasąpiona przez moc N el sk B elekrociepłoni, el - skaźnik elekrycznych porzeb łasnych, p - spraność ransformacji oraz przesyłania energii elekrycznej z elekrociepłoni, ' p - spraność ransformacji i przesyłania energii elekrycznej z elekroni kondensacyjnej. Rónania (3.18) i (3.19) ymagają głębszego komenarzu. W rónaniu (3.18) moc elekryczna bruo układu skojarzonego zosała podzielona przez zużycie energii chemicznej palia jakie ma miejsce zasąpionej elekroni kondensacyjnej yarzającej moc neo N el ek N przy spraności energeycznej neo η E ek N. Rónanie (3.19) ynika z róności mocy elekrycznej u odbiorcy, pozyskanej bądź z elekrociepłoni, bądź z elekroni kondensacyjnej. Sąd ynika sierdzenie, że moc neo N el ek N elekroni kondensacyjnej zosała zasąpiona przez moc bruo N el sk B elekrociepłoni. Z rónań (3.18) i (3.19) ynika: η E el ec B η ηe ek N (3.20) 1ε ' p el η p Spraność cząskoą bruo yarzania ciepła skojarzeniu oblicza się z rónania: Q sk B η Ec ec B 1 ε el η p PW d N sk el sk B ' η η E ek N Q sk B - srumień ciepła bruo yarzany skojarzeniu, P W d sk - srumień energii chemicznej palia obciążającej układ skojarzony. p (3.21) 30

31 Rónanie (3.21) można przekszałcić do posaci: η Ec ec B η 1 σ η E sk B η E sk B η p E ek N 1 ε ' η p el 1 (3.22) Ze zględu na o, że η > η E sk B E ek N spraność cząskoa yarzania ciepła grzejnego elekrociepłoni jes iększa od spraności całkoiej procesu skojarzonego. Ze zrosem skaźnika skojarzenia uzyskuje się coraz yższe arości spraności cząskoej yarzania ciepła grzejnego. Zaem energeycznie efekyne jes podyższanie parameró pary dolooej do urbiny i obniżanie ciśnienia pary upusoej lub przeciprężnej. Cząskoa spraność energeyczna yarzania ciepła może przyjmoać arości iększe od jedności (np. dla = 0,85; 0, 11; 0, 35 E sk B el E ek N ; p = ' p orzymuje się η Ec ec B 1,6). Rezula en jes poprany fizykalnie, ponieaż obieg elekrociepłoni jes ynikiem skojarzenia obiegu silnika cieplnego z obiegiem pompy grzejnej, kórej spraność energeyczna jes zasze iększa od jedności. Oba rozparyane przypadki choć fizykalnie uzasadnione bazują jednak yłącznie na I Zasadzie Termodynamiki. Wproadzenie do analizy II Zasady Termodynamiki a przez o uzględnienie różnej jakości elekryczności i ciepła proadzi zasze do spraności egzergeycznej yarzania ciepła poniżej jedności. Średnią okresie sezonu ogrzeniczego egzergię ciepła grzejnego oblicza się z relacji: 0 1 T T o g bq Q d Q g R Tg Tp T 1 ln 0 p (3.23) Q R - roczna produkcja ciepła, Q g - srumień ciepła, 0 T o T g T p - długość sezonu grzeczego, - emperaura ooczenia, - emperaura ody gorącej, - emperaura ody poronej. Przykładoo dla części podsaoej produkcji ciepła b qp = 0,171 J/J, dla szczyoej zaś b qsz = 0,252 J/J. Różnica ynika z różnych parameró ody siecioej ymienniku podsaoym i szczyoym. Przy udziałach produkcji podsaoej ciepła 0,825, zaś szczyoej 0,175 uzyskuje się średnioażoną arość egzergii ciepła na poziomie 0,185 J/J. b q = 31

32 Spraność egzergeyczną produkcji ciepła grzejnego oblicza się z rónania: b q b c (3.24) E c a gdzie a oznacza sosunek egzergii chemicznej palia do arości opałoej (dla ęgla kamiennego - a = 1,09. Na rysunku 3.4 przedsaiono przebieg spraności egzergeycznej produkcji ciepła zależności od skaźnika skojarzenia. W przypadku elekrociepłoni ęgloych przyjęo: 0,11; 0, 36; 0, 97. Dla elekroni uciepłonionej przyjęo: 0, 39; el Eek N me zakresie skaźnika skojarzenia σ = 0,3 0,5 mieszczą się skaźniki ubyku u = 0,235 (przelonia między średnią- i niskoprężną częścią urbiny); u = 0,124 0,186 - upusy części niskoprężnej urbiny. 0,5 Eek B η bc Bc EU 0,4 0,3 η E ek B =0,9 η Ek =0,9 η Ek =0,85 0,2 TP TUK 0,1 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 Rys Spraność egzergeyczna yarzania ciepła dla ęgloych echnologii kogeneracyjnych; TP, TUK - elekrociepłonie ęgloe z urbinami przeciprężnymi i upusoo-kondensacyjnymi; EU - elekronia uciepłoniona Dla radycyjnych układó jednoczynnikoych elekrociepłoni ęgloych (TP i TUK) spraność egzergeyczna yarzania ciepła mieści się zakresie 0,2 0,4, przy czym dolna arość doyczy niskich spraności kołó i niskich skaźnikó skojarzenia. Spraność kołó poyżej 0,9 i skaźnik skojarzenia 0,5 umożliiają osiągnięcie spraności egzergeycznej yarzania ciepła na poziomie około 0,4. Elekronia uciepłoniona, przy poborze pary do ciepłonica z upusó części niskoprężnej charakeryzuje się spranością egzergeyczną yarzania ciepła na poziomie 0,5. Spraność a spada yraźnie ze zrosem ciśnienia pary upuście przeznaczonym do ciepłonica. 32

33 Dla porónania spraność egzergeyczna yarzania ciepła odnym kole ciepłoniczym aha się od 0,11 0,18 zależności od parameró gorącej ody (100/50 o C 150/70 o C) Oszczędność energii chemicznej palia uzyskana kogeneracji Porónanie zużycia energii chemicznej palia gospodarce rozdzielonej (ciepłonia i elekronia kondensacyjna) i elekrociepłoni przeproadza się przy założeniu, że ilości ciepła i energii elekrycznej z układu skojarzonego przekazane do odbiorcó są akie same: Q idem = idem gdzie 0 = Eel 0 0, E oznaczają zaporzeboanie ciepła i energii elekrycznej u odbiorcy. Q el 0 Oszczędność energii chemicznej palia na skuek realizacji skojarzonej gospodarki cieplnoelekrycznej yznacza się ze zoru: Ech Q0 E 0 ' el ' η Ec N η pc η E sk B (1- c )η pc η η 1ε ηe ek N ηp E sk B p η Ec N - spraność energeyczna neo ciepłoni (referencyjnej), η - spraność energeyczna układu skojarzonego, E sk B η, pc c η, p ' η pc ' η p - spraności przesyłania ciepła z elekrociepłoni i ciepłoni, - skaźnik cieplnych porzeb łasnych elekrociepłoni, el` (3.25) - spraność ransformacji i przesyłania energii elekrycznej z elekrociepłoni i elekroni, ε el` - skaźnik elekrycznych porzeb łasnych, η - spraność energeyczna elekroni kondensacyjnej (referencyjnej) neo. E ek N Dla elekrociepłoni z urbiną przeciprężną lub upusoo-przeciprężną bez kołó odnych oszczędność Ech energii chemicznej palia można yznaczyć z rónania: ΔEch Q0 E ' el 0 ' ηe c Nηpc ηek ecηpc(1 c) ηe ek Nη E k ec - spraność energeyczna koła elekrociepłoni, η me p η - oznacza spraność elekromechaniczną urbozespołu. Ek ec 1 η η p me 1 ε el (3.26) Przy yproadzaniu relacji (3.26) ykorzysano bilans układu cieplnego elekrociepłoni przeciprężnej (rys. 3.2):. 33

34 E ch ec 1 η Ek ec η pc Qo ( 1 ) η c p η E me el o ( 1 ε el ) (3.27) Przyjmując nasępujące dane: E el o / Qo =0,4; η pc η' pc 0, 85 ; ηec N 0, 8; η ec 0, 9 Ek ; ηeekn 0,35; η p η' p 0, 89 ; ηme 0, 97 ; ε el 0, 1; ε c 0, 025 oszacoano pły obu członó yrażenia (3.26)na oszczędność energii chemicznej palia. W przypadku pierszego członu orzymano ok. 0,1 Q o, zaś przypadku drugiego - ok. 0,75 Q o. O oszczędności energii chemicznej palia gospodarce skojarzonej decyduje ięc yarzanie elekryczności. Im yższy jes skaźnik skojarzenia ym iększe efeky energeyczne uzyskuje się dzięki skojarzonej gospodarce cieplno-elekrycznej Efeky energeyczne elekrociepłoni z urbiną upusookondensacyjną Schema analizoanego układu elekrociepłoni z urbiną upusoo-kondensacyjną przedsaiono na rys Elekrociepłonię rozdzielono umonie na część skojarzoną i część kondensacyjną. Srumień energii chemicznej palia obciążający proces skojarzony oblicza się z relacji: P W PW PW P W (3.28) d sk d d r d k P W d - srumień energii chemicznej palia spalanego elekrociepłoni, P W d r - srumień energii chemicznej palia obciążający produkcję ciepła urządzeniach gospodarki rozdzielonej (sacja redukcyjno-schładzająca), P W d k - srumień energii chemicznej palia obciążający produkcję energii elekrycznej członach kondensacyjnych urbozespołó. Srumień energii chemicznej palia obciążający produkcję ciepła sacjach redukcyjnoschładzających jes określony na podsaie zaporzeboania pary śieżej do sacji: ir i G pr G r c (3.29) i i PW d r Q η r Ekec p i i k 0 i i r p i i G pr - srumień pary śieżej do sacji redukcyjno-schładzającej, G - srumień pary ylooej ze sacji redukcyjno-schładzającej. Q r r c (3.30) - srumień ciepła przekazyany za pośrednicem pary ze sacji redukcyjnoschładzającej, 34

35 η Ekec - spraność energeyczna koła elekrociepłoni, i k - przyros enalpii pary kole, i r i 0 - spadek enalpii pary odbiornikach ciepła zasilanych parą ze sacji redukcyjnoschładzającej, - enalpia pary za sacją redukcyjno-schładzającą, i p, i - enalpia pary i ody zasilającej kole elekrociepłoni. Rys Schema obliczenioy elekrociepłoni z urbiną upusoo kondensacyjną: RNP układ regeneracji niskoprężnej, RWP układ regeneracji ysokoprężnej, O odgazoyacz Srumień energii chemicznej palia obciążający produkcję energii elekrycznej członach kondensacyjnych ynika z rónania: N el k PW d k (3.31) η N el k E el k - moc elekryczna bruo yarzana członach kondensacyjnych elekrociepłoni, η E el k - spraność energeyczna yarzania energii elekrycznej członie kondensacyjnym. Sposób obliczenia zużycia energii chemicznej palia obciążającej produkcję energii elekrycznej członie kondensacyjnym bazuje na założeniu, że znana jes spraność energeyczna yarzania energii elekrycznej przy pracy kondensacyjnej urbozespołu. Najdogodniej jes oprzeć się na pomiarach garancyjnych urbozespołu ciepłoniczego, czasie kórych analizuje się pracę urbiny upusoo-kondensacyjnej przy zamknięym upuście ciepłoniczym. Z penym przybliżeniem (bez uzględnienia srumieni regeneracyjnych) można oszacoać spraność energeyczną członu kondensacyjnego na podsaie zoru: 35

36 gdzie G T i η E el k ( G N elk ηe k ec T G (3.32) u ) ik G u oznaczają srumienie pary dolooej do urbiny i pary upusoej. Spraność energeyczna części skojarzonej układu elekrociepłoni z urbiną upusookondensacyjną ynika z rónań: Q sk Nel sk 1 Q sk ηe sk ( PW (3.33) ) PW d sk d sk Spraność cząskoa yarzania energii elekrycznej skojarzeniu jes określona za pomocą zależności (3.20). Spraność cząskoą yarzania ciepła części skojarzonej ujmuje relacja (3.22) Ocena efekó ekologicznych skojarzonej gospodarki cieplnoelekrycznej Oszczędność energii chemicznej palia uzyskana dzięki skojarzonej gospodarce cieplnoelekrycznej płya na zmniejszenie emisji szkodliych subsancji do środoiska nauralnego człoieka. Analogicznie jak przypadku obliczania oszczędności energii chemicznej pali można zapisać rónania opisujące emisję szkodliych subsancji dla przypadkó realizacji gospodarki rozdzielonej i skojarzonej. Zmniejszenie emisji szkodliych subsancji na skuek realizacji skojarzonej gospodarki cieplno-elekrycznej ynika z relacji: S i r e i c e i el W d c, W d ek W d ec e i ec S i Q 0 E ' η el 0 p c η e i c Ec N W e ' ηpη d c i el E ekn η W d ek p c 1 ε η e c E ec B i ec η η E ec B p e W i ec d ec W d ec 1 ε el (3.34) - emisja i-ej subsancji szkodliej, - skaźnik emisji i-ej subsancji szkodliej odniesionej do jednoski palia spalanego ciepłoni, - skaźnik emisji i-ej subsancji szkodliej odniesionej do jednoski palia spalanego elekroni zaodoej, - arości opałoe palia spalanego ciepłoni i elekroni zaodoej, - arość opałoa palia spalanego elekrociepłoni, - skaźnik emisji i-ej subsancji szkodliej odniesiony do jednoski palia spalanego elekrociepłoni. 36

37 Efeky ekologiczne skojarzonej gospodarki cieplno-elekrycznej zależą nie ylko od oszczędności energii chemicznej palia, ale rónież od skaźnikó emisji gospodarce rozdzielonej i skojarzonej, co jes ziązane z insaloaniem urządzeń ochronnych. Rys Zmniejszenie emisji SO 2 dzięki zasosoaniu skojarzonej gospodarki cieplnoelekrycznej Na rysunku 3.6 przedsaiono przykładoo ykres obrazujący zmniejszenie emisji SO 2 na skuek realizacji skojarzonej gospodarki cieplno-elekrycznej. Założono, że zaróno ciepłoni, jak i elekrociepłoni nie ma insalacji odsiarczania. Naomias elekronia zaodoa (kondensacyjna) jes aką insalację yposażona Opłacalność ekonomiczna skojarzonej gospodarki cieplnoelekrycznej Budoa i eksploaacja elekrociepłoni jes ziązana z nasępującymi efekami: zalnia od konieczności budoy ciepłoni, eliminuje konieczność zainsaloania elekroniach zaodoych mocy zasąpionej przez urbozespoły elekrociepłoni, płya na ziększenie nakładó na sieci cieplne oraz na zmniejszenie nakładó na sieci elekroenergeyczne, zmniejsza sray ynikające z przer zasilaniu zakładu energią elekryczną z sieci, mogą ulec ziększeniu koszy ransporu palia, ponieaż zużycie palia jes iększe elekrociepłoni niż ciepłoni, zapenia oszczędność palia skali kraju. 37

38 Roczny zysk ynikający z realizacji skojarzonej gospodarki cieplno-elekrycznej oblicza się z relacji [3]: ηp η pc Z = N τ k +Q el n R el el z τ R c k c z + Δ I se ρ + β se re se + Δ K se - n η p η pc (3.35) - E ch R ec k ch ec 1+ δec- I ec ρ + β - K p ec - Δ I sc ρ + β - Δ K ec reec N el n - nominalna moc elekryczna elekrociepłoni, η p, η' p - spraność ransformacji i przesyłania energii elekrycznej z elekrociepłoni i z sysemu elekroenergeycznego, R el - roczny czas użykoania nominalnej mocy elekrycznej, kel z - jednoskoy kosz yarzania energii elekrycznej zasąpionej przez energię elekryczną z elekrociepłoni, Q n - nominalna moc cieplna elekrociepłoni, η pc, η' pc - spraność przesyłania ciepła z elekrociepłoni i ciepłoni, R c - roczny czas użykoania nominalnej mocy cieplnej, kc z - jednoskoy kosz ciepła yarzanego ciepłoni, ΔI se, ΔK se - ziększenie nakładu inesycyjnego i rocznego koszu eksploaacji sieci elekroenergeycznej jakie ysąpiłoby razie poniechania budoy elekrociepłoni, E ch R ec kch ec ec I ec K p ec - roczne zużycie energii chemicznej palia elekrociepłoni, - jednoskoy kosz energii chemicznej palia łącznie z koszami ransporu i koszami szkodliego oddziałyania produkó spalania na środoisko, - spółczynnik uzględniający kosz maeriałó pomocniczych, - nakład inesycyjny na elekrociepłonię, - roczny kosz obsługi elekrociepłoni, I sc - ziększenie nakładó inesycyjnych na sieć cieplną porónaniu z gospodarką rozdzieloną, Ksc - ziększenie rocznego koszu eksploaacji sieci cieplnych (bez koszu raconego ciepła),,, - roczna sopa koszó sałych doyczących sieci elekroenergeycznej, se ec sc elekrociepłoni i sieci cieplnej,, - zględna raa sałych koszó remonó i konseracji. re se reec, re sc Skojarzona gospodarka cieplno-elekryczna jes opłacalna, jeżeli zysk określony przez zór (3.35) jes dodani. Rónanie (3.35) może służyć rónież jako funkcja celu przy doborze opymalnej arości spółczynnika udziału skojarzenia. sc re sc sc 38

39 Lieraura: [1] Horlock J. H: Cogeneraion Combined Hea and Poer (CHP). Thermodynamics and Economics. Krieger Publishing Company, Malabar, Florida [2] Marecki J.: Gospodarka skojarzona cieplnoelekryczna. WNT, Warszaa [3] Szargu J.: Analiza ermodynamiczna i ekonomiczna energeyce przemysłoej. WNT, Warszaa [4] Szargu J.: Exergy mehod. Technical and ecological applicaions. WIT Press, Souhampon Boson, [5] Szargu J., Ziębik A.: Podsay energeyki cieplnej. PWN, Warszaa 1998, [6] Szargu J., Ziębik A.: Skojarzone yarzanie ciepła i elekryczności - elekrociepłonie. PAN Oddział Kaoicach, Kaoice-Gliice,

40 4. DYREKTYWA 2004/8/UE O PROMOWANIU KOGENERACJI I KRAJOWE UREGULOWANIA PRAWNE KOGENERACJI 4.1. Dyrekya 2004/8/UE spraie promoania kogeneracji oparciu o zaporzeboanie na ciepło użykoe ybrane fragmeny Promoanie ysokospranej skojarzonej gospodarki cieplno-elekrycznej (nazyanej eż kogeneracją) oparciu o zaporzeboanie na ciepło użykoe sanoi priorye dla Wspólnoy i niesie ze sobą poencjalne korzyści ynikające ze skojarzenia produkcji ciepła i elekryczności ziązane z oszczędzaniem energii pieronej, unikaniem sra sieciach i zmniejszeniem emisji, szczególności gazó cieplarnianych. Efekyne ykorzysanie energii poprzez sosoanie skojarzenia może rónież przyczynić się do popray bezpieczeńsa dosa energii i konkurencyjności UE. Już preambule Dyrekyy proadza się pojęcie ysokosprana kogeneracja precyzując, że oszczędność zględna energii pieronej przynajmniej 10% upoażnia do użyania ego erminu przez przedsiębiorsa kogeneracyjne. Doyczy o z. dużej kogeneracji, kóra jes przedmioem analizy Poradniku. Do celó Dyrekyy zaliczono m.in. usanoienie ujednoliconej meody obliczania energii elekrycznej orzymanej ze skojarzenia oraz yznaczenie niezbędnych skazóek do drożenia ej meody przy zasosoaniu meodologii opracoanych przez europejskie organizacje sandaryzacyjne. Energii elekrycznej produkoanej jednoskach posiadających saus ysokospranej kogeneracji zapenia się z. garancje pochodzenia (śiadeca pochodzenia). Programy sparcia promujące skojarzenie poinny być skupione na popieraniu kogeneracji ynikającej z gospodarczo uzasadnionego zaporzeboania na ciepło i chłód. Wsparcie pańsoe poinno być zgodne z arunkami yycznych sparcia pańsoego dla ochrony środoiska. Pańsa członkoskie poinny sorzyć inicjayy niezbędne do zaspokojenia porzeby sabilnych realió gospodarczych i adminisracyjnych dla inesoania noe jednoski kogeneracyjne. Komisja zamierza monioroać i zbierać dośiadczenia uzyskane podczas sosoania przez kraje członkoskie programó sparcia. Cel Dyrekyy jes określony Ar. 1, kóry mói o ziększeniu efekyności energeycznej i popraie bezpieczeńsa dosa energii poprzez sorzenie ram dla promoania i rozoju ysokospranej kogeneracji oparciu o zaporzeboanie na ciepło użykoe aby uzyskać oszczędność energii pieronej na enęrznym rynku energii, przy uzględnieniu specyficznych arunkó krajoych. W arykule 5 proadza się pojęcie garancji pochodzenia energii elekrycznej z ysokospranej kogeneracji. Pańsa członkoskie poinny zapenić, że garancja pochodzenia energii elekrycznej pozoli producenom ykazać, iż energia elekryczna, kórą 40

41 sprzedają jes produkoana na bazie ysokospranej kogeneracji. Producenci poinni orzymać garancje pochodzenia na przedłożoną prośbę. Garancje pochodzenia poinny być zajemnie uznaane przez pańsa członkoskie yłącznie jako poierdzenie danych określonych punkcie 5 arykułu 5 (arość opałoa palia, daa i miejsce produkcji, ilość energii elekrycznej, oszczędność energii pieronej). Załącznik I zaiera spis echnologii kogeneracji objęych przez omaianą Dyrekyę. Załącznik II podaje sposób obliczania energii elekrycznej uzyskianej procesie kogeneracji g nasępujących zasad: a) jeżeli spraność całkoia elekrociepłoni gazoo-paroej oraz paroej upusookondensacyjnej ynosi co najmniej 80%, a dla pozosałych jednosek ymienionych załączniku I osiąga co najmniej 75% o całkoia roczna produkcja energii elekrycznej sanoi produkcję kogeneracji, b) przecinym przypadku ykorzysuje się do obliczeń produkcji elekryczności kogeneracji skaźnik skojarzenia oraz ilość ciepła yorzoną kogeneracji; załącznik zaiera domyślne arości skaźnika skojarzenia, kóre można użyć przypadku braku fakycznej arości eksploaacyjnej. Załącznik III proadza definicję skaźnika PES (zględna oszczędność energii pieronej) oraz kryeria ysokospranej kogeneracji: PES 10% dla jednosek kogeneracyjnych poza małą i mikro-kogeneracją, PES > 0 małej i mikro-kogeneracji. Granice bilansoe obejmują yłącznie proces skojarzony. Takie elemeny układu jak koły ciepłonicze (rezeroe lub szczyoe) oraz bloki kondensacyjne są yłączone poza granice bilansoe. Do energii napędoej zalicza się maeriały palne oraz parę i ciepło dosarczane do układu. Nie uzględnia się energii doproadzonej enalpii poronego kondensau. Tylko a część ciepła yproadzonego, kóra jes przekazana celu użyecznego ykorzysania i kóra jes yproadzona z układu skojarzonego może być uznana jako ciepło użykoe. Należą do ej kaegorii: ciepło procesoe i ciepło do ogrzeania pomieszczeń, sray ciepła sieciach ciepłoniczych jeżeli udział skali roku mieści się normalnym przedziale, spaliny z układu skojarzonego ykorzysyane do bezpośredniego ogrzeania i do celó suszenia, ogrzeanie procesoe, kóre jes ykorzysyane eksploaacji innych kołó lub innych urządzeń do konersji energii, ciepło procesoe dla produkcji biogazu (aż do 50%). Definicja yklucza ciepło odpadoe yproadzane bez użyecznego ykorzysania. Elekryczność yprodukoana skojarzeniu sanoi część całkoiej produkcji, kóra jes mierzona na zaciskach głónego generaora. W przypadku pracy mechanicznej, kóra jes 41

42 określona dla głónego napędu sanoi ona część produkcji lub całkoią produkcję układu skojarzonego. Mocy yproadzonej nie należy obniżać o porzeby łasne. Ciepło użykoe z układu skojarzonego sanoi ciepło dosarczane z procesu skojarzonego do sieci ciepłoniczej lub procesu echnologicznego okresie spraozdaczym. Jes o ciepło, kóre przecinym przypadku musiałoby być pozyskiane z innych źródeł. Energia elekryczna i mechaniczna z układu skojarzonego jes definioana jako energia bruo, kóra jes produkoana bezpośredniej relacji do ciepła użykoego generoanego okresie spraozdaczym. Większość elekrycznych porzeb łasnych układzie skojarzonym jes użyana do napędu pomp, enylaoró, sprężarek. W przypadku pomocniczych napędó mechanicznych praca mechaniczna jes przeliczana na energię elekryczną ze spółczynnikiem 1. Ciepło użykoe spoza układu skojarzonego sanoi ciepło dosarczane do sieci ciepłoniczej lub do procesu produkcyjnego, kóre nie jes generoane bezpośredniej relacji do produkcji energii elekrycznej i mechanicznej. Energia elekryczna i mechaniczna spoza układu skojarzonego jes o energia, kóra nie jes produkoana bezpośredniej relacji do produkcji ciepła użykoego. Energia chemiczna palia zużyana poza procesem skojarzonym sanoi energię chemiczną palia obciążającą produkcję poza układem skojarzonym. Przykładem może być człon kondensacyjny urbiny upusoo-kondensacyjnej. W ym przypadku nie da się zykle zmierzyć bezpośrednio mocy członu kondensacyjnego. Dlaego należy układ podzielić na część kondensacyjną i część przeciprężną. Układy skojarzone, kórych ekspor ciepła użykoego jes osiągany koszem częścioego ubyku produkcji energii elekrycznej/mechanicznej nazya się procesami z ubykiem energii elekrycznej/mechanicznej. W przecinym przypadku układy skojarzone nazya się procesami bez ubyku energii elekrycznej/mechanicznej. Efek ubyku energii elekrycznej/mechanicznej ocenia się za pomocą skaźnika ubyku. Dla określenia energii elekrycznej yarzanej poza układem skojarzonym układzie urbiny upusookondensacyjnej niezbędna jes znajomość skaźnika ubyku. Określa się go na podsaie pomiaró. Jeżeli pobór ciepła ma miejsce na różnych poziomach ciśnienia o należy określić skaźniki ubyku dla każdego z nich. Poszechnie sosoane ypy elekrociepłoni o: paroe przeciprężne, paroe upusookondensacyjne, gazoo-paroe, gazoe z odzyskiem ciepła, z silnikami spalinoymi. Mikrourbiny gazoe, silniki paroe i niskoemperauroe (organiczne) obiegi Rankina nie są jeszcze dobrze opanoane lecz pod penymi arunkami są ekonomicznie uzasadnione. Naomias silniki Sirlinga i ognia palioe są jeszcze zależne od sparcia jeżeli mają być ykorzysane. Mikrokogeneracja jes definioana jako jednoska poniżej mocy 50kW el (bruo) mierzonej na zaciskach generaora. W przypadku iększej liczby jednosek moce 42

43 podlegają sumoaniu. Jako kogeneracja małej skali są uażane jednoski kogeneracyjne o mocy poniżej 1MW el (bruo) mierzonej na zaciskach generaora. Elekryczność z kogeneracji oznacza energię elekryczną generoaną procesie połączonym z produkcją ciepła użykoego i obliczoną zgodnie z meodologią sformułoaną Aneksie II Dyrekyy. W pierszym kroku należy spradzić, czy cała produkcja spełnia kryeria określone Aneksie II. Spradza się poziom rocznych spraności całkoiych elekrociepłoni. Dorzymanie arości odpoiednio 80 % dla układó gazoo-paroych i elekrociepłoni z urbinami upusoo-kondensacyjnymi oraz 75 % dla pozosałych echnologii skojarzonych pozala zakalifikoać całą produkcje elekryczności do kogeneracji. Należy zauażyć, że pańsom członkoskim olno zasadzie usalić yższe arości progoe aniżeli Dyrekyie, ale Komisja preferuje sosoanie arości progoych z Dyrekyy celu ujednolicenia meodyki. Zgodnie z ar. 13 arości progoe poinny być dososoane do posępu echnicznego. W przypadku, gdy ymienione ielkości graniczne nie są dorzymane rozparyany zakład dzieli się na część skojarzoną i część nie yarzającą produkó skojarzeniu (non-chp par). Dla części skojarzonej yznacza się produkcję elekryczności za pomocą skaźnika skojarzenia. Zgodnie z dyrekyą: arości użye do obliczania elekryczności z procesu skojarzonego należy określić oparciu o przeidyaną lub akualną eksploaację jednoski przy normalnych arunkach użykoania, jeżeli spraność całkoia jes mniejsza od granicznej, ilość energii elekrycznej skojarzeniu oblicza się za pomocą skaźnika skojarzenia, obliczenia poinny być proadzone oparciu o akualną arość skaźnika skojarzenia, jeżeli akualna arość skaźnika skojarzenia nie jes znana mogą być użye arości domyślne zamieszczone Aneksie II, szczególności do celó saysycznych. Wskaźnik skojarzenia σ musi być obliczany bazując na ielkościach zmierzonych pełnym rybie kogeneracyjnym. Pełny ryb kogeneracyjny oznacza, że nie odproadza się ciepła odpadoego z układu skojarzonego. Uznaje się, że domyślne arości σ mogą nie odzierciedlać rzeczyisych arości skaźnikó skojarzenia. Noe elekrociepłonie poinny być projekoane opymalnie pod rzeczyisy rynek ciepła użykoego. Poinno być zainsaloane niezbędne yposażenie pomiaroe celu udokumenoania eksploaacyjnej arości skaźnika skojarzenia. Zgodnie z Dyrekyą układy skojarzone są oceniane bazując na skaźniku PES (Primary Energy Savings). Aby o porónanie przeproadzić rzeba określić arości referencyjne spraności energeycznych procesie rozdzielonego yarzania ciepła i elekryczności. Aneks III Dyrekyy precyzuje zasady obliczania spraności referencyjnych: porónanie elekrociepłoni z rozdzielonym yarzaniem elekryczności i ciepła poinno uzględniać e same kaegorie pali, 43

44 porónanie poinno być przeproadzone biorąc pod uagę najlepszą dosępną na rynku i gospodarczo uzasadnioną echnologię rozdzielonego yarzania ciepła i elekryczności roku budoy elekrociepłoni, dla jednosek sarszych niż 10 la arości referencyjne usala się jak dla jednosek dziesięciolenich, arości spraności referencyjnych poinny uzględniać różnice klimayczne. Jeżeli elekrociepłonia jes rekonsruoana a koszy inesycyjne przekraczają 50% koszó inesycyjnych noej porónyalnej jednoski kogeneracyjnej kalendarzoy rok pierszej produkcji elekryczności zrekonsruoanej elekrociepłoni będzie uażany jako rok budoy. Jeżeli elekrociepłonia składa się z du lub ięcej jednosek, kóre były budoane różnych laach każda jednoska jes oceniana oddzielnie. Palia i energia doproadzona, moc yjścioa elekryczna i cieplna poinny być mierzone i monioroane na poziomie sandardoej dokładności. W przypadku braku odpoiednich przyrządó pomiaroych dopuszcza się oszacoanie za pomocą meod pośrednich. Jeżeli nie jes określony sosunek palia do energii elekrycznej o ilość palia poinna być mierzona. Srumienie pary i paramery ermiczne muszą być mierzone na granicy bilansoej układu skojarzonego. Srumienie kondensau poronego i ody uzdanionej oraz ich paramery akże muszą być mierzone na granicy bilansoej zakładu. Urządzenia pomiaroe muszą spełniać ymagania European Measuremen Direcive oraz sandardy europejskie jak EN Przy obliczaniu energii chemicznej pali należy posługiać się arością opałoą. Ilości energii elekrycznej i ciepła oraz całkoia spraność poinny być obliczane oparciu o ielkości zmierzone arunkach eksploaacyjnych Wskaźnik PES zględnej oszczędności energii chemicznej pali Użyając oryginalnych oznaczeń zasosoanych Dyrekyie relacja na zględną oszczędność energii chemicznej pali pieronych ma posać: 1 PES 1 100% CHP Hη CHP Eη (4.1) η η Ref H Ref E PES - zględna oszczędność energii chemicznej pali pieronych (Primary Energy Savings), CHP Hη - arymeyczna spraność energeyczna cząskoa yarzania ciepła elekrociepłoni (sosunek ilości ciepła do całkoiego zużycia energii chemicznej palia), 44

45 CHP Eη - arymeyczna spraność energeyczna cząskoa yarzania elekryczności elekrociepłoni (sosunek ilości energii elekrycznej do całkoiego zużycia energii chemicznej palia), Ref Hη - referencyjna spraność energeyczna produkcji ciepła gospodarce rozdzielonej, Ref Eη - referencyjna spraność energeyczna produkcji elekryczności gospodarce rozdzielonej. Użyy Dyrekyie ermin referencyjna spraność energeyczna jes zgodny z użyanym polskich opracoaniach erminem spraność energeyczna procesu zasąpionego. W polskich opracoaniach podaje się relacje na skumuloaną oszczędność nieodnaialnej energii pieronej uzględniając skumuloane spraności energeyczne pozyskania i dosay palia do procesu skojarzonego i procesó rozdzielonego yarzania ciepła i elekryczności. Arymeyczne spraności cząskoe ynikają z rónania na spraność energeyczną elekrociepłoni: Qsk Eel sk Q E sk el sk E sk (4.2) E E E co oznacza: ch sk CHP H Q E ch sk ch sk ch sk sk (4.3) Eel sk CHP E (4.4) E ch sk Podsaiając do (4.1) yrażenia na arymeyczne spraności cząskoe yarzania ciepła i elekryczności układzie skojarzonym orzymuje się: 1 PES 1 Q E sk el sk (4.5) Ech sk Ech sk ηref c ηref el skąd: Ech sk Ech sk PES 1 (4.6) E E E ch c ch el Q, E - produkcja ciepła i energii elekrycznej części skojarzonej sk el sk elekrociepłoni, E - zużycie energii chemicznej części skojarzonej elekrociepłoni, ch sk ch r 45

46 E, E - zużycia energii chemicznej referencyjnej ciepłoni i elekroni, kórych ch c ch el E ch sk suma sanoi zużycie energii chemicznej gospodarce rozdzielonej - oszczędność energii chemicznej palia części skojarzonej elekrociepłoni. E, ch r 4.3. Kogeneracja zapisach Usay Prao energeyczne Usaa Prao energeyczne precyzuje między innymi nasępujące ureguloania doyczące kogeneracji: a) mechanizm sparcia kogeneracji, b) energia elekryczna z kogeneracji, c) spraności referencyjne yarzaniu rozdzielonym, d) ysokosprana kogeneracja, e) śiadeco pochodzenia i oboiązek ich umarzania, f) garancje odbioru elekryczności. Mechanizm sparcia kogeneracji jes polskim praie energeycznym (Usaa Prao energeyczne [9]) realizoany za pomocą ceryfikaó (śiadec pochodzenia), kóre jednoski kogeneracji orzymują jako poierdzenie yorzenia elekryczności ysokospranej kogeneracji. Ceryfikay poierdzające yorzenie elekryczności ysokospranej kogeneracji można odsprzedaać podmioom, kóre mają oboiązek nabycia i umorzenia ych śiadec. Sanoią ięc one dodakoe źródło dochodó przedsiębiors energeycznych realizujących proces skojarzonego yarzania elekryczności i ciepła. Energia elekryczna z kogeneracji jes obliczana jako: a) całkoia roczna produkcja energii elekrycznej jednosce kogeneracji roku kalendarzoym, yorzona ze średnioroczną spranością przemiany energii chemicznej palia energię elekryczną lub mechaniczną i ciepło użykoe kogeneracji, co najmniej róną spraności granicznej: 75% dla jednoski kogeneracji z urządzeniami ypu: urbina paroa przeciprężna, urbina gazoa z odzyskiem ciepła, silnik spalinoy, mikrourbina, silnik Sirlinga, ognio palioe, albo 80% dla jednoski kogeneracji z urządzeniami ypu: układ gazoo-paroy z odzyskiem ciepła, urbina paroa upusoo-kondensacyjna, albo b) iloczyn spółczynnika i rocznej ilości ciepła użykoego kogeneracji yorzonego ze średnioroczną spranością przemiany energii chemicznej palia energię elekryczną lub mechaniczną i ciepło użykoe kogeneracji niższą niż spraności graniczne, o kórych moa poyżej li. a; spółczynnik en jes obliczany na podsaie pomiaró parameró echnologicznych jednoski kogeneracji, dla danego przedziału czasoego, i określa sosunek energii elekrycznej z kogeneracji do ciepła użykoego kogeneracji. 46

47 Komenarz auorski: sosunek energii elekrycznej z kogeneracji do ciepła użykoego z kogeneracji przyjęo nazyać erminologii gospodarki skojarzonej cieplno-elekrycznej skaźnikiem skojarzenia, jego arość układach paroych zależy głónie od ciśnienia pary grzejnej; im niższe ciśnienie pary grzejnej ym yższy skaźnik skojarzenia; yższe ciśnienie pary dolooej do urbiny płya rónież na podyższenie arości skaźnika skojarzenia. Referencyjna arość spraności dla yarzania rozdzielonego oznacza spraność yarzania rozdzielonego energii elekrycznej albo ciepła sosoaną do obliczenia oszczędności energii pieronej uzyskanej yniku zasosoania kogeneracji zamias yarzania rozdzielonego energii elekrycznej i ciepła. Komenarz auorski - referencyjna spraność yarzania energii elekrycznej, ak jak o już spomniano komenarzu do Dyrekyy, jes nazyana spranością procesu zasąpionego; daniej użyano nazy spraność elekroni rónoażnej. Wysokosprana duża kogeneracja oznacza yarzanie energii elekrycznej lub mechanicznej i ciepła użykoego kogeneracji, kóre zapenia oszczędność energii pieronej zużyanej jednosce kogeneracji ysokości nie mniejszej niż 10% porónaniu z yarzaniem energii elekrycznej i ciepła układach rozdzielonych o referencyjnych arościach spraności dla yarzania rozdzielonego. Podsaoym mechanizmem sparcia kogeneracji są śiadeca pochodzenia (ceryfikay). Zgodnie z zapisem Ar. 9l. Usay [9] poierdzeniem yorzenia energii elekrycznej ysokospranej kogeneracji jes śiadeco pochodzenia ej energii. Podmioy ymienione Ar. 9a. Us. 8 [1] są oboiązane do uzyskania i przedsaienia do umorzenia Prezesoi Urzędu Regulacji Energeyki śiadec pochodzenia z kogeneracji (ydane dla energii elekrycznej yorzonej jednoskach kogeneracji znajdujących się na eryorium Rzeczypospoliej Polskiej) lub uiszczenia opłay zasępczej. Usaa Prao energeyczne przeiduje rónież jako mechanizm sparcia ysokospranej kogeneracji garancję odbioru elekryczności yorzonej ysokospranym skojarzeniu przez przedsiębiorsa siecioe. W Usaie Prao energeyczne [9] operaor sysemu elekroenergeycznego, obszarze sojego działania, jes oboiązany do odbioru energii elekrycznej yorzonej ysokospranej kogeneracji źródłach znajdujących się na eryorium Rzeczypospoliej Polskiej przyłączonych bezpośrednio do sieci ego operaora. Arykuły 19 i 20 Usay Prao energeyczne doyczące planoania energeycznego gminach, zracają uagę na ykorzysanie isniejących nadyżek i lokalnych zasobó pali i energii z uzględnieniem m.in. energii elekrycznej i ciepła użykoego yorzonych kogeneracji. 47

48 4.4. Rozporządzenie Minisra Gospodarki z dnia 26 lipca z. Rozporządzenie kogeneracyjne [4] Rozporządzenie [4] precyzuje szczególności: 1) sposób obliczania: a) średniorocznej spraności przemiany energii chemicznej palia energię elekryczną lub mechaniczną i ciepło użykoe kogeneracji, b) ilości energii elekrycznej z ysokospranej kogeneracji, c) ilości ciepła użykoego kogeneracji, d) oszczędności energii pieronej uzyskanej yniku zasosoania kogeneracji porónaniu z yarzaniem energii elekrycznej i ciepła układach rozdzielonych o referencyjnych arościach spraności dla yarzania rozdzielonego; 2) sposoby ykorzysania ciepła użykoego kogeneracji przyjmoanego do obliczania danych podanych e niosku o ydanie śiadeca pochodzenia z kogeneracji, 3) referencyjne arości spraności dla yarzania rozdzielonego, oddzielnie dla energii elekrycznej i ciepła, służące do obliczania oszczędności energii pieronej uzyskanej yniku zasosoania kogeneracji; 4) ymagania doyczące pomiaró ilości energii elekrycznej i ciepła użykoego jednoskach kogeneracji oraz ilości pali zużyanych do ich yarzania, ym na porzeby realizacji oboiązku poierdzania danych doyczących ilości energii elekrycznej yorzonej ysokospranej kogeneracji, 4a) ymagania doyczące pomiaró, rejesracji i sposobu obliczania ilości energii elekrycznej i ciepła użykoego yarzanych ysokospranej kogeneracji jednoskach kogeneracji, ym ymagania doyczące pomiaró bezpośrednich ilości energii elekrycznej i ciepła użykoego oraz ilości pali zużyanych do ich yarzania dokonyanych na porzeby ydaania śiadec pochodzenia, 5) ielkość i sposób obliczania udziałó ilości energii elekrycznej yarzanej ysokospranej kogeneracji, ynikającej z oboiązku uzyskania i przedsaienia do umorzenia śiadec pochodzenia z kogeneracji, lub uiszczenia opłay zasępczej, sprzedaży energii elekrycznej odbiorcom końcoym, oddzielnie dla energii elekrycznej yorzonej jednoskach kogeneracji, 6) maksymalną ysokość i sposób uzględniania kalkulacji cen energii elekrycznej usalanych aryfach przedsiębiors energeycznych: a) koszó uzyskania i przedsaienia do umorzenia śiadec pochodzenia z kogeneracji, b) poniesionej opłay zasępczej. Rozporządzenie dopuszcza oszacoanie skaźnika skojarzenia (spółczynnika C ) syuacji, gdy jego yznaczenie z pomiaró nie jes echnicznie możlie. Do obliczeń przyjmuje się nasępujące arości domyślne spółczynnika "C": 1) 0,95 dla układu gazoo-paroego z odzyskiem ciepła, 2) 0,45 dla urbiny paroej przeciprężnej, 48

49 3) 0,45 dla urbiny paroej upusoo-kondensacyjnej, 4) 0,55 dla urbiny gazoej z odzyskiem ciepła, 5) 0,75 dla silnika spalinoego, pod arunkiem że obliczona ilość energii elekrycznej z kogeneracji jes niższa lub róna całkoiej produkcji energii elekrycznej z ej jednoski. Komenarz do skaźnika PES zamieszczono punkcie doyczącym Dyrekyy o promoaniu kogeneracji. Załącznik Nr.1 zaiera szczegółoe sposoby obliczania danych do yznaczania ilości energii elekrycznej z ysokospranej kogeneracji oraz ielkości oszczędności energii pieronej. Załącznik Nr.2 określa referencyjne arości spraności dla yarzania rozdzielonego energii elekrycznej i ciepła użykoego przyjmoane do obliczeń laach Inne ureguloania prane Zgodnie z oboiązującymi przepisami [3,6,10,11] elekrociepłonie jako podmioy gospodarcze są zoboiązane m.in. do przesrzeganie arunkó ochrony środoiska, ponoszenia opła za korzysanie ze środoiska, ponoszenie adminisracyjnych kar razie przekroczenia lub naruszenia arunkó korzysania ze środoiska. Zgodnie z zapisami Usay o sysemie emisji gazó cieplarnianych każdy podmio korzysający ze środoiska sporządza i proadza do Krajoej bazy, erminie do końca luego każdego roku, rapor zaierający ielkości emisji gazó cieplarnianych doyczące poprzedniego roku kalendarzoego. Usaa, oprócz raporoania i prognozoania emisji proadza mechanizmy zarządzanie emisjami gazó cieplarnianych i innych subsancji. W szczególności spomniany sysem ma na celu: zarządzanie krajoymi pułapami emisji oraz zapenienia ich rałego nieprzekraczania; ograniczanie emisji do ymaganych pułapó, jeżeli krajoe pułapy emisji zosały przekroczone; zarządzania nieykorzysanymi częściami krajoych pułapó emisji. W układach elekrociepłoni rozparyanych projekcie, kórych spółspalana jes biomasa z innymi paliami należy rozdzielić ilość energii zaliczanej do źródeł odnaialnych i nieodnaialnych. Podziału ego dokonuje się zgodnie z meodą przedsaianą Rozporządzeniu [5], zgodnie z kórą jednosce yórczej, kórej są spalane biomasa lub biogaz spólnie z innymi paliami, do energii yarzanej odnaialnych źródłach energii zalicza się część energii elekrycznej lub ciepła odpoiadającą udziałoi energii 49

50 chemicznej biomasy lub biogazu energii chemicznej palia zużyanego do yarzania energii, obliczaną na podsaie rzeczyisych arości opałoych ych pali. Lieraura: [1] Direcive 2004/8/EC of he European Parliamen and of he Council of 11 February 2004 on he promoion of cogeneraion based on a useful hea demand in he inernal energy marke and amending Direcive 92/42/EC. [2] Guidelines for implemenaion of he CHP Direcive 2004/8/EC. Guidelines for implemenaion of Annex II and Annex III. European Commission DG TREN. November [3] Obieszczenie Minisra Środoiska z dnia 26 rześnia 2011 r. spraie ysokości saek opła za korzysanie ze środoiska na rok 2012 (M.P nr 94 poz. 958). [4] ROZPORZĄDZENIE Minisra Gospodarki z dnia 26 lipca 2011 r. spraie sposobu obliczania danych podanych e niosku o ydanie śiadeca pochodzenia z kogeneracji oraz szczegółoego zakresu oboiązku uzyskania i przedsaienia do umorzenia ych śiadec, uiszczania opłay zasępczej i oboiązku poierdzania danych doyczących ilości energii elekrycznej yorzonej ysokospranej kogeneracji. Dz. U. Nr 176, poz [5] ROZPORZĄDZENIE Minisra Gospodarki z dnia 14 sierpnia 2008 r. spraie szczegółoego zakresu oboiązkó uzyskania i przedsaienia do umorzenia śiadec pochodzenia, uiszczenia opłay zasępczej, zakupu energii elekrycznej i ciepła yorzonych odnaialnych źródłach energii oraz oboiązku poierdzania danych doyczących ilości energii elekrycznej yorzonej odnaialnym źródle energii. Dz.U nr 156 poz [6] Rozporządzenie Minisra Środoiska z dnia 22 kienia 2011 r. spraie sandardó emisyjnych z insalacji (Dz.U. nr 95 poz. 558). [7] Szargu J., Ziębik A.: Skojarzone yarzanie ciepła i elekryczności - elekrociepłonie. PAN Oddział Kaoicach. Kaoice-Gliice [8] Szargu J., Ziębik A.: Podsay energeyki cieplnej. PWN, Warszaa [9] USTAWA z dnia 10 kienia 1997 r. Prao energeyczne (san na dzień 1 sycznia 2012 r.). [10] Usaa z dnia 27 kienia 2001 r. Prao ochrony środoiska. Z późniejszymi zmianami (Dz.U nr 62 poz. 627). [11] Usaa z dnia 17 lipca 2009 r. o sysemie zarządzania emisjami gazó cieplarnianych i innych subsancji z późniejszymi zmianami (Dz.U nr 130 poz. 1070). 50

51 5. ELEKTROCIEPŁOWNIE PAROWE OPALANE PALIWAMI STAŁYMI 5.1. Turbiny paroe sosoane elekrociepłoniach W elekrociepłoniach są insaloane urbiny przeciprężne, upusoo-przeciprężne i upusoo-kondensacyjne, kóre pokryają yarzaną skojarzeniu część podsaoą zaporzeboania na ciepło grzejne. Współczynnik udziału skojarzenia, czyli sosunek maksymalnego srumienia ciepła pozyskianego z układu skojarzonego do maksymalnego srumienia zaporzeboania ciepła, poinien być yznaczany na drodze opymalizacji. Problem en przedsaiono punkcie 5.2 na przykładzie elekrociepłoni z urbiną przeciprężną. Turbiny upusoo-kondensacyjne są droższe inesycyjnie aniżeli urbiny przeciprężne. Mają jednak ę zaleę, że ich zasosoanie uniezależnia penym sopniu produkcję energii elekrycznej od zaporzeboania ciepła. Można dzięki emu uzyskać korzyści inesycyjne krajoym sysemie elekroenergeycznym, jeżeli proadzenie członu kondensacyjnego, bez ziększania ydajności kołó elekrociepłoni eliminuje konieczność insaloania odpoiedniej mocy sysemie elekroenergeycznym. Z drugiej srony należy jednak ziąć pod uagę o, że spraność yarzania energii elekrycznej na srumieniu kondensacyjnym elekrociepłoni jes jednak mniejsza niż elekroni zaodoej, co pooduje ziększenie zużycia palia skali kraju. Dlaego celoość proadzenia członu kondensacyjnego poinna być zbadana za pomocą rachunku ekonomicznego. W analizie należy akże ziąć pod uagę ziększenie niezaodności zasilania zakładu energię elekryczną i możliość zagospodaroania pary z urządzeń odzyskoych do produkcji energii elekrycznej przypadku zainsaloania członu kondensacyjnego Opymalny spółczynnik udziału skojarzenia przypadku urbiny przeciprężnej Podsaoą srukurę budoanej elekrociepłoni, zn. podział elekrociepłoni na cześć skojarzoną i część poza skojarzeniem określa opymalna arość spółczynnika udziału skojarzenia. W procedurze opymalizacyjnej sanoi on zmienną decyzyjną. Opymalnej arości spółczynnika udziału skojarzenia przypadku układu z urbiną przeciprężną odpoiada opymalna moc nominalna urbiny ściśle poiązana z opymalną arością srumienia ciepła pozyskianego z ylou urbiny przeciprężnej. Na rys przedsaiono schema ideoy elekrociepłoni yjaśniający problem doboru opymalnej arości spółczynnika skojarzenia. 51

52 Rys Schema ideoy elekrociepłoni oraz ykres uporządkoany zaporzeboania ciepła: 1,2,3,4 - punky charakerysyczne obiegu, Q T max - maksymalny srumień ciepła pokryany z ylou urbiny, Q R max - maksymalny srumień ciepła pokryany ze sacji redukcyjno-schładzającej Funkcję celu procedurze opymalizacyjnej doboru opymalnego spółczynnika udziału skojarzenia, formułuje się oparciu o zmienną część rocznego zysku ynikającego z realizacji budoy elekrociepłoni (rónanie (3.35)). Zakłada się przy ym, że: pły mocy nominalnej urbiny na nakłady inesycyjne na kołonię i budynki elekrociepłoni oraz na roczny kosz obsługi elekrociepłoni jes pomijalny, moc nominalna urbozespołu nie płya na ziększenie nakładó inesycyjnych na sieć ciepłoniczą ΔI sc oraz koszó eksploaacji ΔK sc sieci cieplnej, jak rónież na zmniejszenia ych samych składnikó przypadku sieci elekro-energeycznej, spraność energeyczna kołoni nie zależy od mocy nominalnej urbiny, można przyjąć, że spraności przesyłania ciepła i energii elekrycznej dla układu skojarzonego i rozdzielonego są jednakoe - pc ' pc oraz p ' p. Funkcja celu ma ięc posać: Φ N τ τ d 1 + τ d δ N τ N + d τ ec el N k - I ρ + β - el n n + d τ el el z T T re T k, η E k ec η me n η (5.1) τ τ me n n = el n n ch ec N el n - nominalna moc elekryczna urbozespołu, - czas działania elekrociepłoni, d τn - czas pracy urbiny przy obciążeniu nominalnym, E k ec - spraność energeyczna kołó elekrociepłoni,, - spraność elekromechaniczna przy obciążeniu nominalnym i chiloym me n me urbozespołu, 52

53 I T - nakład inesycyjny na urbozespół. Pozosałe oznaczenia jak e zorze (3.35). W rónaniu (5.1) nie ysępuje człon ziązany z koszami ciepła yarzanego zasąpionej ciepłoni, ponieaż roczna produkcja ciepła określona za pomocą ykresu uporządkoanego jes ielkością sałą a celem opymalizacji jes rozdział ej produkcji między część skojarzoną (ylo urbiny przeciprężnej) i sację redukcyjno-schładzającą. Z ych samych poodó zużycie energii chemicznej palia ziązane z produkcją ciepła jes eż sałe. Zużycie energii chemicznej palia elekrociepłoni ynika z formuły: E ch R ec Q R Ek ec 1 Ek ec N el n n me n n N d el me d (5.2) W rónaniu (5.2) zmienna część zużycia energii chemicznej palia jes ziązana z produkcją energii elekrycznej. Tylko ę ielkość uzględnia się funkcji celu. W celu roziązania zadania doboru opymalnego spółczynnika udziału skojarzenia do funkcji (5.1) dołącza się model symulacyjny układu cieplnego elekrociepłoni zbudoany oparciu o dosępną informację doyczącą blokó ciepłoniczych już działających lub oferoanych na rynku Bloki ciepłonicze Na rysunku 5.2 przedsaiono schema ideoy bloku ciepłoniczego z urbiną upusooprzeciprężną o mocy elekrycznej 100 MW el i maksymalnej mocy cieplnej 200 MW. Paramery pary śieżej 13,8 MPa; 540 o C są na poziomie parameró echnologii kogeneracyjnej BAT. Spraność koła ynosi 92%. Paramery pary dolooej do urbiny ynoszą 13 MPa; 535 o C. Układ ciepłoniczy bloku składa się z dóch ymiennikó zasilanych z ylou i upusu urbiny ciepłoniczej. Na rysunku 5.3 przedsaiono schema ideoy bloku ciepłoniczego z kołem fluidalnym z arsą cyrkulacyjną i urbiną upusoo-kondensacyjną. Blok ciepłoniczy upusookondensacyjny z kołem fluidalnym charakeryzuje się nasępującymi ielkościami mocy: moc elekryczna 70 MW el, moc cieplna 114 MW. Wskaźnik porzeb łasnych elekrycznych ynosi 11%, cieplnych zaś 2,5%. Wydajność nominalna koła /h, maksymalna /h. Palio sanoi mieszanka ęgla kamiennego i mułu ęgloego o arości opałoej przedziale MJ/kg, udział popiołu 15 25% oraz ilgoci 15 20%. Udziały masoe: ęgiel - 74%, muł ęgloy - 26%. Paramery produkoanej pary: p = 13,7 MPa; = 540 o C są na poziomie echnologii BAT. Temperaura ody zasilającej 220 o C. Spraność energeyczna koła 91%. Sosunek srumienia addyyu do srumienia palia kszałuje się na poziomie 0,07. Udział masoy CaCO3 addyyie ynosi 0,951. Sosunek Ca/S ma arość 1,86. 53

54 Turbina ciepłonicza upusoo-kondensacyjna jes zasilana parą o paramerach 13 MPa; 535 o C. Spraność enęrzna urbiny zależności od obciążenia 73 79%. Nominalny srumień pary dolooej - 72,2 kg/s. Upus ciepłoniczy o ciśnieniu reguloanym granicach 0,09 0,35 MPa charakeryzuje się maksymalnym srumieniem pary na poziomie 53,2 kg/s. Turbina upusoo-kondensacyjna o mocy 70 MW el pracuje edług rzech rybó pracy: a) praca ciepłonicza; urbina jes obciążona zależności od zaporzeboania ciepła; do skraplacza płynie minimalny srumień pary niezbędny do chłodzenia łopaek osanich sopni urbiny, b) praca ciepłoniczo-kondensacyjna; srumień pary do ymiennika ciepłoniczego ynika z zaporzeboania ciepła; pozosały srumień pary jes kieroany do członu kondensacyjnego, c) praca kondensacyjna. Moc elekryczną urbozespołu kondensacyjnego yraża rónanie: N N N N (5.3) el el c el skr N el c - moc elekryczna produkoana na srumieniu pary do ciepłonica, N el skr - moce elekryczna produkoana na srumieniu pary płynącej do skraplacza, N el r - moc elekryczna yarzana na srumieniach pary regeneracyjnej. el r W przypadku ej osaniej pozycji doyczącej układu regeneracji (rys. 5.3) można napisać: N el r N el NP n 1 N el r k (5.4) N el NP1 - moc elekryczna yarzana na srumieniu pary regeneracyjnej z upusu 5, k1 N el r k - moc elekryczna yarzana na srumieniach pary z upusó regeneracyjnych 1, 2, 3, 4. Moc elekryczną yarzaną skojarzeniu i kondensacji oblicza się z rónań: 4 G kc N el sk N el c N el rk G kc G skr k1 4 G skr N el k N el skr N el NP1 N el r k G G kc skr k1 G kc - srumień kondensau z ymiennika ciepłoniczego, G skr - srumień kondensau ze skraplacza. (5.5) (5.6) 54

55 Spraności energeyczne bloku są obliczane z formuł: spraność energeyczna bruo (sopień ykorzysania energii chemicznej palia) Q B Nel B ηe ec B PW (5.7) spraność energeyczna części skojarzonej bloku Q B Nel sk B ηe sk B Nel k B PW d η d E el k B spraność energeyczna cząskoa bruo yarzania ciepła E ec B E c B N el sk B E ec B 1 el p N el k B E ec B Q B E ek Np Q B E el k B Q B, N - srumień ciepła i moc elekryczna bruo, el B P W d - srumień energii chemicznej palia, N el sk B - moc elekryczna bruo części skojarzonej, N - moc elekryczna bruo członu kondensacyjnego, el k B E el k B - spraność energeyczna bruo yarzania elekryczności członie el p p kondensacyjnym, - skaźnik elekrycznych porzeb łasnych elekrociepłoni, (5.8) (5.9), - spraność ransformacji i przesyłania elekryczności z elekrociepłoni i elekroni kondensacyjnej, E ek N - spraność energeyczna neo rónoażnej elekroni kondensacyjnej. Dla chiloego obciążenia bruo urbozespołu ysokości N el B = 59,39 MW i ymiennika ciepłoniczego Q c = 44,36 MW orzymuje się yniki: moc elekryczna yorzona na srumieniu ciepłoniczym - 17,82 MW, moc elekryczna yorzona na srumieniu kondensacyjnym - 32,47 MW, moc elekryczna yorzona na srumieniu do NP1-1,78 MW, moc elekryczna yorzona na pozosałych srumieniach regeneracyjnych - 7,32 MW, spraność energeyczna bruo bloku - 0,573, spraność energeyczna bruo części skojarzonej - 0,78, spraność energeyczna cząskoa bruo yarzania ciepła - 1,93. 55

56 200R1 CT V-2 206R7 200R1/200R2 200R19 202R5 200R14 RS2 RS1 212R2 212R3 201R1 201R2 Do ymiennika XR 201R3 Kolekor echnologiczny 202R1 202R5 200R2 200R11 200R10 V-1 202R1 RS3 RS4 WP I 201R5 207R2 SP II III IV 203R3 203R7 203R11 V VI 207R6 203R12 207R1 Do XU i OS 206R2 206R1 Do ZF2 252R1/R2 252R5/R6 206R1 SM 212R1/212R9 212R1 212R9 212R11 212R10 203R8 207R3 207R7 207R5 202R7 205R1 210R7 XN3 250R10 XN2 250R10 XN1 250R10 XB XA PZ R2 213R3 OC ZWZ 251R1 251R4 251R7 251R2 251R5 251R8 250R6 250R10 250R1 OP Woda uzup. Z upusu III i IV NC1-3 XU Woda zmiękczona pomp przeałoych ody uzupełniającej PK R3 Do ZF2 OS Uzup. Wody siecioej Rys Schema bloku ciepłoniczego z urbiną upusoo-przeciprężną; Rys Schema cieplny bloku WP, BC-100 SP - część ysoko- i średnioprężna urbiny; XA, XB - ymienniki ciepłonicze; RS1-4 - sacje redukcyjno-schładzające; XN1, XN2, XN3 - ymienniki regeneracyjne; OC - odgazoyacz; ZWZ - zbiornik ody zasilającej; OS - odgazoyacz ody siecioej; XU - podgrzeacz ody uzupełniającej obieg ody siecioej; SM - smoczki paroe robocze i rozruchoe; OP - odgazoyacz próżnioy ody uzupełniającej obieg; CT - skraplacz pary z dłanic; NC1-3 - pompy sępne ody siecioej; PS1-3 - pompy głóne ody siecioej; PK1-3 - pompy kondensau; PZ1-3 - pompy ody zasilającej PS1-3 56

57 Rys Schema bloku ciepłoniczego upusoo-kondensacyjnego z kołem fluidalnym; ZWZ - zbiornik ody zasilającej; RS - sacja redukcyjno schładzająca; KQ - skraplacz; G - generaor; NP1, NP2 - ymienniki regeneracyjne niskoprężne; WC - ymiennik ciepłoniczy; WP1, WP2 - ymienniki regeneracyjne ysokoprężne 57

58 5.3. Charakerysyka elekrociepłoni przemysłoych Elekrociepłonie przemysłoe pokryają głónie zaporzeboanie ciepła do celó echnologicznych. Dlaego czas ykorzysania mocy szczyoej jes duży (poyżej 4000 h/rok). Z ego poodu elekrociepłoniach przemysłoych jes uzasadnione insaloanie urbin przeciprężnych lub upusoo-przeciprężnych. Paramery dolooe do urbin przemysłoych są na poziomie 9 13 MPa, ºC [2]. W iększości elekrociepłoni przemysłoych paliem podsaoym jes ęgiel kamienny. Jego arość opałoa zmienia się najczęściej przedziale MJ/kg. Ilość siarki przypadająca na jednoskę energii chemicznej ęgla ynosi przecięnie 0,5 g/mj. W części elekrociepłoni przemysłoych spalane są palia pochodzące z procesó produkcyjnych podsysemu echnologicznego (gudron, gaz ielkopiecoy, gaz koksoniczy, gaz gardzieloy z piecó szyboych). Wysępują eż koły do spalania siarki, ługó poarzelnych, kory oraz koły sodoe. Część elekrociepłoni przemysłoych spomagana jes przez koły odzyskoe pracujące insalacjach echnologicznych. W części elekrociepłoni przemysłoych jes planoana przebudoa układy gazooparoe, częso z ykorzysaniem palnych gazó echnologicznych. Obiegi gazoo-paroe łączą boiem zaley obiegu gazoego i obiegu paroego, eliminując rónocześnie ich ady. Oszczędność energii chemicznej palia osiągana elekrociepłoniach gazoo-paroych jes iększa porónaniu z elekrociepłoniami opalanymi ęglem, ponieaż iększy jes sosunek mocy elekrycznej do cieplnej. Zasosoanie układó gazoo-paroych, obok popray spraności energeycznej przynosi akże korzyści ekologiczne z poodu zmniejszenia emisji SO 2, NO x,co 2 i pyłó. Dodakoy korzysny efek sanoi zmniejszenie zaporzeboania ody i zmniejszenie sra bezzronych ody. Przebudoa układó paroych na gazoo-paroe może ynikać z faku, że proces sarzenia kołó przebieg szybciej niż analogiczny proces dla urbozespołó paroych. Kocioł paroy opalany ęglem jes zasępoany przez zespół urbina gazoa kocioł odzyskoy. W elekrociepłoniach przemysłoych przebudoa a doyczy układó kolekoroych. W ziązku z ym nie szyskie koły ęgloe są rónocześnie ycofyane. Mamy ięc do czynienia z połączeniem rónoległym układu paroego i gazoo-paroego. Kocioł odzyskoy poinien yarzać parę o ych samych paramerach co kocioł ęgloy. Jeżeli jes o niemożlie, bierze się pod uagę możliość spalania dodakoego palia kole odzyskoym lub obniżenia parameró pary zasilającej urbinę. Proadzi o jednak do obniżenia efekó jakie daje układ gazoo-paroy. Przebudoa radycyjnej gazooęgloej elekrociepłoni przemysłoej płya na ziększenie efekyności ykorzysania palnych gazó echnologicznych. W nooczesnych zagranicznych elekrociepłoniach huniczych sosuje się z poodzeniem układy gazoo-paroe zasilane huniczymi gazami palnymi. Zasosoanie układu gazoo-paroego siłoni pozala na ykorzysanie zale obiegu gazoego (yższa górna izoerma) i paroego (niższa dolna izoerma) proadząc efekcie do ziększenia efekyności energeycznej ykorzysania echnologicznych gazó palnych 58

59 W obliczeniach efekyności ekonomicznej konieczna jes znajomość koszó jednoskoych echnologicznych gazó palnych. Do ich oceny poinna być zasosoana meoda koszó uniknięych z uzględnieniem efeku zasępoania pali podsaoych (np. gazu ziemnego lub ęgla kamiennego) przez hunicze gazy palne. Kosz jednoskoy palia echnologicznego poinien być oszacoany na podsaie uniknięych koszó zasilania paliem podsaoym z uzględnieniem sosunku zasępoania. Np. dla kołó gazoo-ęgloych kosz palia odpadoego ynika z rónania: E k Quż ko k (5.10) Q k o, k E k, E k Q uż, E k - koszy jednoskoe palia odpadoego i ęgla, uż - spraności energeyczne kołó opalanych mieszanką gazoo-pyłoą i ęglem kamiennym, Q uż - ciepło użyeczne pochłonięe kole przypadku opalania mieszanką gazoo-pyłoą i ęglem kamiennym. Np. przypadku gazu ielkopiecoego orzymano yniki k g = 0,89k [2]. Racjonalizacja przemysłoej energeyce cieplnej jes częso ziązana z ykorzysaniem energii odpadoej do yarzania pary lub gorącej ody. Wpłya o na gospodarkę cieplną elekrociepłoni, szczególnie edy, gdy na ciepło z urządzeń odzyskoych nie ma dodakoych odbiorcó. Kryerium opłacalności ykorzysania ciepła odpadoego ma posać: K Q k (5.11) K od Q od k c ec od od c ec - roczny kosz działania urządzenia odzyskoego obejmujący koszy sałe, koszy obsługi, remonó, ody ip., - ilość ciepła odzyskoego, - kosz jednoskoy ciepła z elekrociepłoni oszacoany edług meody koszó uniknięych [1]. Jeżeli arunek (5.11) nie jes spełniony, o działanie urządzenia odzyskoego nie jes opłacalne. Kryerium (5.11) nie doyczy kołó energoechnologicznych sanoiących inegralną część insalacji echnologicznych, np. procesie koneroroym yopu sali Wskaźniki PES dla elekrociepłoni ęgloych W rozdziale 4 po analizie definicyjnego zoru na skaźnik PES przyjęo rónanie (4.6) jako yjścioą formułę do obliczania skaźnika PES. Rónanie (4.6) posiada formę umożliiającą inerpreację fizykalną składoych yrażenia na PES. Zachouje się przy ym formule na skaźnik PES spraności referencyjne yarzania ciepła i energii elekrycznej gospodarce rozdzielonej. Relacje na skaźnik PES sformułoano oparciu o 59

60 schemay obliczenioe elekrociepłoni z urbina przeciprężną (rys. 3.2) i z urbiną upusoo-kondensacyjną (rys. 3.15). Układ upusoo-kondensacyjny podzielono umonie na część skojarzoną i na część kondensacyjną. W przypadku urbiny przeciprężnej zużycie energii chemicznej układzie skojarzonym i rozdzielonym ujmują rónania: (1 σ) Qsk Ech sk ; (5.12) η E ec E ch Q r sk 1 η ref c ηref el (5.13) Po proadzeniu rónań (5.12) i (5.13) do rónania (4.6) orzymuje się: PES 1 η E ec 1 η ref 1 σ c σ η ref el (5.14) Rys Wskaźnik PES dla układu z urbiną przeciprężną Na rysunku 5.4 przedsaiono przebiegu skaźnika PES dla układu z urbiną przeciprężną, dla przyjęych przykładoo arości spraności referencyjnych. Z krzyych PES na rys 5.7 ynika, że arunek PES 10% mógłby być bezpiecznie spełniony dla elekrociepłoni o spranościach poyżej 75% i skaźniku skojarzenia poyżej 0,4. W przypadku elekrociepłoni z urbiną upusoo-kondensacyjną skaźnik PES jes obliczany dla części skojarzonej: 60

61 PES 1 Q η sk E ref c ch sk E η el sk ref el (5.15) Produkcję energii elekrycznej skojarzeniu yznacza się na podsaie znajomości skaźnika skojarzenia: Eel sk σqsk (5.16) Zużycie energii chemicznej palia obciążające produkcję skojarzeniu: Eel sk Qsk ηme Ech sk η E k ec (5.17) gdzie oznacza spraność energeyczną koła elekrociepłoni. E k ec Po ykorzysaniu zależności (5.16) i (5.17) rónaniu (5.15) orzymuje się: σ 1 1 η me ηe k ec PES 1 (5.18) 1 σ η η ref c ref el Rys Wskaźnik PES dla układu z urbiną upusoo-kondensacyjną 61

62 Na rysunku 5.5 przedsaiono arości skaźnika PES dla układu z urbiną upusookondensacyjną rónież dla przykładoych arości spraności referencyjnych przyjęych na ym samym poziomie jak przypadku urbiny przeciprężnej. Przedsaione yniki z obliczeń bazujących na schemaach uproszczonych elekrociepłoni mogą być ykorzysyane do oceny jakościoej płyu parameró układu (skaźnika skojarzenia) oraz spraności koła lub spraności elekrociepłoni na przebieg skaźnika PES. Lieraura: [1] Szargu J., Ziębik A.: Podsay energeyki cieplnej. PWN, Warszaa 1998, [2] Szargu J., Ziębik A.: Skojarzone yarzanie ciepła i elekryczności - elekrociepłonie. PAN Oddział Kaoicach, Kaoice-Gliice,

63 6. UCIEPŁOWNIENIE BLOKÓW KONDENSACYJNYCH ELEKTROWNI ZAWODOWYCH 6.1. Kogeneracja elekroniach zaodoych Pobór ciepła do ciepłonica z przysosoanych do ego celu blokó energeycznych elekroni kondensacyjnych proadzi do realizacji gospodarki skojarzonej cieplnoelekrycznej(kogeneracji). Najczęściej realizuje się o przy zachoaniu na sałym poziomie zużycia energii chemicznej palia kołach. Proadzi o do zmniejszenia produkcji energii elekrycznej. Ubyek energii elekrycznej można skompensoać przez dodakoą produkcję energii elekrycznej zasępczej elekroni kondensacyjnej lub zasępczym bloku elekroni, kóra podlega uciepłonieniu. Wskaźnik ubyku produkcji energii elekrycznej jes definioany jako sosunek zmniejszenia produkcji energii elekrycznej do ilości ciepła bruo pozyskianego z przysosoanej do ciepłonica elekroni kondensacyjnej [1,2]: Eel u (6.1) Q lub u E B el ' pc (6.2) Qo -ΔE el - zmniejszenie (ubyek) produkcji energii elekrycznej przysosoanej do poboru ciepła elekroni kondensacyjnej, Q B, Q o - produkcja ciepła bruo przysosoanej do ciepłonica elekroni kondensacyjnej oraz zaporzeboanie ciepła przez odbiorcó, η pc - spraność przesyłania ciepła z przysosoanej do ciepłonica elekroni kondensacyjnej. Na rysunku 6.1 przedsaiono schema ideoy uciepłonionego bloku energeycznego. Pobór pary ilości G do celó ciepłonica pooduje zmniejszenie zaporzeboania pary regeneracyjnej ilości ΔG. Wproadzając do rónania (6.1) relacje szczegółoe na (-ΔE el ) i Q orzymuje się [4]: G Gi T me it u me (6.3) Gi i i przy czym: G od G G u u od 1 (6.4) i i i - ilość pary odproadzonej z upusu urbiny lub z przeloni do ymiennika ciepłoniczego, 63

64 G - zmniejszenie ilości pary zasilającej podgrzeacz regeneracyjny ze zględu na mniejszą ilość podgrzeanego kondensau z części niskoprężnej (za miejscem poboru pary do ciepłonica), i T - spadek enalpii łaściej pary od punku poboru pary grzejnej do ylou urbiny kondensacyjnej, i od - spadek enalpii pary grzejnej ymienniku ciepłoniczym, me - spraność elekromechaniczna urbogeneraora, i u i - enalpia pary upusoej pobieranej do ymiennika ciepłoniczego, - enalpia ody zasilającej doproadzanej do ymiennika regeneracyjnego. E ch el E el Eel Q'pc o Rys. 6.1 Schema ideoy uciepłonionego bloku energeycznego; Q o - zaporzeboanie ciepła u odbiorcy, pc - spraność przesyłania ciepła z uciepłonionej elekrociepłoni Jeżeli pobór pary do celó ciepłoniczych jes realizoany z kilku upusó urbiny należy posługiać się skaźnikiem uśrednionym u [4]: n 1 u Q u i i (6.5) Q i1 gdzie Q i oznacza ilość ciepła uzyskaną z punku poboru pary i, a u i odpoiadający emu punkoi skaźnik ubyku produkcji energii elekrycznej Efeky energeyczne uciepłonienia Zużycie E ch r energii chemicznej układzie rozdzielonym yarzania ciepła i elekryczności: E E E (6.6) ch r ch el ch c 64

65 E chel - zużycie energii chemicznej palia elekroni kondensacyjnej przed przysosoaniem do ciepłonica, E ch c - zużycie energii chemicznej palia ciepłoni. Zużycie E ch sk energii chemicznej palia po uciepłonieniu (układ skojarzony), przy założeniu zużycia energii chemicznej palia elekroni kondensacyjnej po przysosoaniu do ciepłonica pozosało na niezmienionym poziomie ynika z rónania: E E E (6.7) gdzie ch sk ch el ch z E ch z oznacza zużycie energii chemicznej palia zasępczej elekroni kondensacyjnej kompensującej ubyek produkcji energii elekrycznej. Oszczędność ΔE ch energii chemicznej palia na skuek przysosoania do ciepłonica elekroni kondensacyjnej ynika z porónania gospodarki skojarzonej i rozdzielonej. Odejmując od rónania (6.6) rónanie (6.7) orzymuje się: E E E (6.8) lub Q 0 E ch ch pc ch c Q0 - zaporzeboanie ciepła loco odbiorcy, Ec ch z E pc - spraność przesyłania ciepła z ciepłoni, Ec - spraność energeyczna ciepłoni, el E el z (6.9) E el z - spraność energeyczna neo yarzania energii elekrycznej zasępczej E el elekroni kondensacyjnej, - produkcja energii elekrycznej zasępczej elekroni kondensacyjnej. Jeżeli rónanie (6.9) przekszałci się dzieląc sronami przez Q oraz ykorzysa się zależność (6.2) orzymuje się: E Q ch ' pc pc Ec u E el z (6.10) Na rysunku 6.2 przedsaiono przebieg oszczędności energii chemicznej pali (6.10) funkcji skaźnika ubyku produkcji energii elekrycznej, przy przyjęciu jako parameru yrażenia Ec pc ' pc (prakycznie jes o spraność ciepłoni, ponieaż pc pc). 65

66 Rys Zależność jednoskoej oszczędności energii chemicznej palia od ubyku produkcji energii elekrycznej i spraności ciepłoni oraz przesyłania ciepła. Oszczędność energii chemicznej palia uzyskana dzięki przysosoaniu elekroni kondensacyjnej do ciepłonica jes ym iększa im niższe arości przyjmuje skaźnik u zn. im niższe jes ciśnienie pary pobieranej do celó ciepłoniczych oraz im niższa jes spraność ciepłoni działającej gospodarce rozdzielonej. Sosunek spraności przesyłania ciepła może być przyjęy na poziomie ~ 0,95. Jeżeli zaem spraność ciepłoni ' pc pc ynosi 0,85 o przy skaźniku u = 0,15 orzymuje się arość Q ynoszącą około 0,7 co oznacza, że przy srumieniu ciepła 100 MW odebranego z przysosoanej do ciepłonica elekroni kondensacyjnej uzyskuje się oszczędność srumienia energii chemicznej palia ysokości 70 MW, co przy średniej arości opałoej palia 23 MJ/kg daje zmniejszenie zużycia ęgla około 11 /h Spraność cząskoa yarzania ciepła W yniku przysosoania elekroni kondensacyjnej do ciepłonica, przy zachoaniu na sałym poziomie zużycia palia nasępuje ubyek produkcji energii elekrycznej, kóry musi być skompensoany przez produkcję energii elekrycznej zasępczej (rónoażnej) elekroni kondensacyjnej. Zaem produkcję ciepła przysosoanej do ciepłonica E ch 66

67 elekroni kondensacyjnej należy obciążyć akim zużyciem energii chemicznej palia jakie ysępuje zasępczej (rónoażnej) elekroni kondensacyjnej. Po przysosoaniu do ciepłonica elekroni, kórej zużycie palia nie zmieniło się, sumaryczne zużycie energii chemicznej palia ynika z relacji: Eel Eel Ech (6.11) E ch E el E el E el z - zużycie sumaryczne energii chemicznej palia elekroni przysosoanej do ciepłonica i elekroni zasępczej kompensującej ubyek produkcji energii elekrycznej, - produkcja energii elekrycznej przed przysosoaniem elekroni kondensacyjnej do ciepłonica, E el - dodakoa produkcja energii elekrycznej elekroni zasępczej kompensująca ubyek produkcji energii elekrycznej elekroni uciepłonionej, E el - spraność energeyczna elekroni przysosoanej do ciepłonica, E el z - spraność energeyczna elekroni zasępczej (rónoażnej). Z drugiej srony o samo zużycie energii chemicznej palia można zapisać nasępujący sposób: Eel Eel Q Eel Ech (6.12) E el Ec el gdzie Ec el oznacza spraność cząskoą yarzania ciepła elekroni przysosoanej do ciepłonica. Piersze da człony praej srony yrażenia (6.12) przedsaiają podział energii chemicznej palia między energię elekryczną i ciepło elekroni przysosoanej do ciepłonica. Przyrónując do siebie prae srony rónań (6.11) i (6.12) orzymuje się: Q E el z Ec el E el (6.13) Eel lub po ykorzysaniu rónania (6.1): E el Ec el (6.14) u przy czym porónując zależności (6.11) i (6.12) należy pamięać, że ziększenie produkcji energii elekrycznej elekroni zasępczej jes róne spadkoi produkcji energii elekrycznej elekroni przysosoanej do ciepłonica. Z oboiązującej zasady, że elekronia zasępcza jes elekronią rónoażną sosunku do przysosoanej do ciepłonica ynika róność spraności E el = E el z. 67

68 Jeżeli pobór pary do celó ciepłonica ysępuje kilku punkach urbiny oblicza się średnią spraność cząskoą yarzania ciepła elekroni przysosoanej do ciepłonica: ηe el η Ec el n (6.15) z u i1 i i gdzie u i oznacza skaźnik ubyku produkcji energii elekrycznej na skuek przysosoania do ciepłonica dla i-ego punku poboru pary, a z i udział ciepła pobieranego z i-ego upusu urbiny. Rys 6.3. Zależność spraności energeycznej cząskoej yarzania ciepła od skaźnika ubyku produkcji energii elekrycznej Na rysunku 6.3 przedsaiono przebieg zależności spraności cząskoej yarzania ciepła elekroni przysosoanej do ciepłonica funkcji skaźnika ubyku produkcji energii elekrycznej u, dla założonej spraności elekroni kondensacyjnej η E el = 0,36. W całym zakresie zmian skaźnika u spraność cząskoa yarzania ciepła elekroni, kóra zosała przysosoana do ciepłonica jes iększa od jedności. Jes o ynik poprany, ponieaż idea układu skojarzonego cieplno-elekrycznego posała jako efek połączenia silnika cieplnego z pompą grzejną, kórej spraność energeyczna (skaźnik efekyności) jes zasze iększa od jedności. Im niższy jes efek zmniejszenia produkcji energii elekrycznej na skuek odbioru ciepła ym iększą arość przyjmuje spraność cząskoa 68

69 yarzania ciepła elekroni kondensacyjnej przysosoanej do ciepłonica. Na przykład dla arości u = 0,15 spraność cząskoa yarzania ciepła ynosi η Ec el = 2, Efeky ekologiczne przysosoania elekroni kondensacyjnej do ciepłonica Oszczędność energii chemicznej palia uzyskana dzięki przysosoaniu elekroni kondensacyjnej do ciepłonica płya na zmniejszenie emisji szkodliych subsancji do środoiska nauralnego człoieka. Analogicznie jak przypadku obliczania oszczędności energii chemicznej można zapisać rónania opisujące emisje szkodliych subsancji dla przypadkó realizacji gospodarki rozdzielonej i skojarzonej, dzięki przysosoaniu elekroni kondensacyjnej do oddaania ciepła [3]: S S S (6.16) S i r i sk i el i el i c S S (6.17) i el z S i r, S i sk - emisja i-ej subsancji szkodliej do środoiska odpoiednio gospodarce rozdzielonej i skojarzonej, S iel - emisja i-ej subsancji szkodliej do środoiska elekroni kondensacyjnej podlegającej przysosoaniu do ciepłonica, S ic - emisja i-ej subsancji szkodliej ciepłoni, S iel z - przyros emisji i-ej subsancji szkodliej do środoiska elekroni zasępczej. W zapisie rónań (6.16) i (6.17) uzględniono założenie, że zużycie palia po przysosoaniu elekroni kondensacyjnej do ciepłonica pozosaje bez zmiany. Po odjęciu sronami rónań (6.16) i (6.17) orzymuje się relację na zmniejszenie emisji -ΔS i : S S S (6.18) i i c i el z Emisję i-ej subsancji szkodliej przypadku ciepłoni yznacza się z relacji: Qo S i c i c W (6.19) pc Ec dc ic - jednoskoa emisja i-ej subsancji szkodliej przypadająca na jednoskę palia W dc spalanego ciepłoni, - arość opałoa palia spalanego ciepłoni. Ziększenie emisji i-ej subsancji szkodliej elekroni zasępczej ynika z relacji: Eel Si el z i el (6.20) W E el z d el 69

70 iel - jednoskoa emisja i-ej subsancji szkodliej przypadająca na jednoskę palia spalanego elekroni zasępczej, W d el - arość opałoa palia spalanego zasępczej elekroni kondensacyjnej. Wproadzając rónania (6.19) i (6.20) do (6.18) oraz uzględniając zależności (6.6) i (6.7) i dzieląc obusronnie przez Q = Q 0 / pc orzymuje się: S i pc ic i el u (6.21) Q W W pc Ec dc E el z d el Przyjmując przykładoo dla emisji SO 2 : dla ciepłonica elekroni yposażonej insalację odsiarczania spalin pozosałe paramery: W dc = SO 2 c SO 2 el = 8,5 g/kg palia; dla = 1,6 g/kg palia oraz W d el = 23 MJ/kg; pc= 0,89; η Ec = 0,85; pc = 0,85; przedsaiono na rysunku 6.4 zależność ΔS i / Q funkcji skaźnika ubyku u. E el z = 0,36 Rys 6.4. Zależność zmniejszenia emisji SO 2 od skaźnika ubyku produkcji energii elekrycznej Efeky ekologiczne zmniejszają się miarę zrosu skaźnika u ubyku produkcji energii elekrycznej z poodu przysosoania elekroni kondensacyjnej do ciepłonica Ocena skaźnika PES Uciepłonienie bloku kondensacyjnego elekroni rozparuje się przy założeniu, że zużycie energii chemicznej palia pozosaje bez zmiany, zn.: 70

71 E ch Eel cons (6.22) η E el Przy obliczaniu skaźnika PES korzysa się z relacji (4.6) (Rozdział 4). Zużycie energii chemicznej palia E ch sk obciążające produkcję skojarzeniu ynika z relacji: przy czym: E ch sk Ech Ech k (6.23) E ch k Eel k (6.24) η E el E - produkcja energii elekrycznej kondensacji po uciepłonieniu bloku el k energeycznego, η - spraność energeyczna yarzania energii elekrycznej kondensacji. E el Ilość energii elekrycznej yorzonej kondensacji po uciepłonieniu bloku oblicza się uzględniając skaźnik ubyku i skaźnik skojarzenia: E E E E uq σ Q (6.25) el k el uc el sk el E - produkcja energii elekrycznej po uciepłonieniu (pomniejszona o ubyek energii el uc elekrycznej z poodu produkcji ciepła), E el sk - produkcja energii elekrycznej skojarzeniu, - skaźnik skojarzenia. Wproadzając (6.22), (6.24) i (6.25) do (6.23) orzymuje się: ( u σ) Qsk Ech sk (6.26) η skąd: PES 1 η E el Eel σ u 1 η ref c σ η ref el (6.27) 71

72 Rys Wskaźnik PES dla elekroni uciepłonionej Wskaźnik PES dla elekroni uciepłonionej silnie zależy od skaźnika ubyku mocy elekrycznej. Przy poborze pary do ciepłonica z przeloni między częścią średnioprężną i niskoprężną urbiny (u 0,2) skaźnik PES przyjmuje arości poyżej 0,2. Jednak pobór pary o ysokim ciśnieniu (np. z ylou części ysokoprężnej - u 0,4) pooduje, że skaźnik PES może spaść poniżej 10 %. Lieraura: [1] Palik M.: Ocena oszczędności palia gospodarce skojarzonej realizoanej elekroniach kondensacyjnych z odbiorem ciepła. Archium Energeyki nr 2, [2] Szargu J.: Zagadnienia doboru źródeł ciepła dla Opola. Energeyka nr 7, [3] Szargu J., Ziębik A.: Podsay energeyki cieplnej. PWN, Warszaa [4] Szargu J.: Applicaion of seam from regeneraive bleeds for he producion of neork hea in large seam poer plans. Archium Energeyki, XXVIII (1999), nr 1-2. [5] Szeda J., Ziębik A.: Uciepłonienie blokó energeycznych elekroni. Maeriały seminarium NOT Skojarzone yarzanie ciepła i elekryczności. Warszaa

73 7. ELEKTROCIEPŁOWNIE GAZOWE I GAZOWO-PAROWE Spalanie gazu ziemnego dużych jednoskach kogeneracyjnych może się odbyać układach z urbinami gazoymi połączonymi ze spalinoymi ymiennikami ciepłoniczymi lub układach gazoo-paroych. Możlie jes akże spalanie gazu kołach paroych spółpracujących z urbinami paroymi, jednakże układy akie ze zględu na niską spraność nie są obecnie ykorzysyane. W dalszej części niniejszego rozdziału zamieszczono ogólną charakerysykę układó zaierających sej srukurze urbiny gazoe. Przeglądu dokonano oparciu o lieraurę [1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12] Elekrociepłonie gazoe Schema układu z urbiną gazoą i spalinoym ymiennikiem ciepła przedsaiono na rysunku 7.1. Układy ego ypu odznaczają się niskim sopniem skomplikoania konsrukcji oraz niską spranością generacji energii elekrycznej ( porónaniu do układó gazooparoych). Niska efekyność ermodynamiczna ziązana jes z dużą różnicą emperaury ymienniku ciepłoniczym - przykładoy rozkład emperaur przedsaiono na rysunku 7.2. W ablicy 7.1 zesaiono paramery przykładoego układu kogeneracyjnego pracującego przy maksymalnym zaporzeboaniu na ciepło. Wskaźnik ykorzysania energii chemicznej palia (EUF) osiąga ysokie arości dla maksymalnego zaporzeboania na ciepło. W ujęciu średniorocznym ulega on jednak obniżeniu. Poza sezonem grzeczym urbina gazoa pracuje rybie auonomicznym, co zazyczaj czyni jej eksploaację nieopłacalną. Praca auonomiczna urbiny gazoej może mieć sens przypadku, gdy realizuje ona usługi regulacji mocy sysemie elekroenergeycznym. Układy z ymiennikami spalinoymi insaluje się częso dla pokrycia nieznacznie zmiennego ciągu roku zaporzeboania na ciepłą odę użykoą. Isoną cechą układó ze spalinoym ymiennikiem ciepła jes brak płyu poboru ciepła na moc elekryczną urbiny gazoej. Moc elekryczna zmienia się jednak raz ze zmianą parameró ooczenia, co jes ziązane z charakerysyką pracy sprężarki poierza. Rys Układ kogeneracyjny z urbiną gazoą i spalinoym ymiennikiem ciepła 73

74 Rys Przykładoy rozkład emperaury spalinoym ymienniku ciepłoniczym Tablica 7.1. Przykładoe paramery układu ze spalinoym ymiennikiem ciepłoniczym (praca przy maksymalnym zaporzeboaniu na ciepło) Moc elekryczna, MW 50,3 Moc cieplna, MW 59,2 Spraność elekryczna, % 40,8 Sopień ykorzysania palia (EUF), % 88,8 Wskaźnik skojarzenia, - 0, Elekrociepłonie gazoo-paroe Układy gazoo-paroe łączą sobie zaley ermodynamiczne obiegu oarego urbiny gazoej (ysoka emperaura czynnika roboczego podczas doproadzania ciepła do obiegu) oraz klasycznego obiegu paroego (niska emperaura czynnika podczas odproadzania ciepła do ooczenia). Z uagi na sosunkoo niską spraność prosego układu urbiny gazoej pracującej auonomicznie (akże pracy kogeneracyjnej ze spalinoym ymiennikiem ciepła), znacznej iększości zasosoań oparych o palia gazoe insaluje się układy gazoo - paroe. Wyróżnia się da głóne ypy jednopalioych układó gazoo-paroych: układ z ysokociśnienioą yornicą pary (rys. 7.3), układ z niskociśnienioym kołem odzyskoym (rys. 7.4). 74

75 Rys Układ z ysokociśnienioą yornicą pary Rys Układ z niskociśnienioym kołem odzyskoym Układy z ysokociśnienioą yornicą pary, opalane gazem ziemnym są słabo rozposzechnione. Znane są przypadki ich zasosoań miejscach gdzie ymagane były daleko idące ograniczenia ymiaró insalacji (np. maszynoniach okręoych lub pieczarach górskich). Znalazły one naomias zasosoanie połączeniu z ciśnienioymi kołami fluidalnymi (PFBC), zasępującymi komorę spalania. Technologia a nie jes jednak chili obecnej rozinięa sopniu umożliiającym komercyjne jej ykorzysanie układach kogeneracyjnych. 75

76 Obok ymienionych dóch podsaoych sposobó realizacji jednopalioych układó gazoo-paroych spoyka się akże układy ze zrzuem spalin do koła paleniskoego oraz układ z ryskiem pary do komory spalania lub raku spalinoego (z. obieg Chenga). W pierszym przypadku ykorzysuje się spaliny odpłyające z urbiny gazoej (14 18% O 2 ) jako uleniacz do spalania innego palia. Zaleą ego roziązania jes możliość niezależnej pracy części gazoej i paroej. W drugim przypadku ykorzysuje się rysk pary do spalin celu obniżenia ich emperaury przed urbiną gazoą. Zaleą ego układu są małe ymiary sosunku do mocy oraz możliość naychmiasoego ziększenia mocy przez rysk pary. Wadą układu Chenga jes duża sraa ylooa a zaem niższa spraność. Układy z niskociśnienioymi kołami odzyskoymi ze zględu na ysokie spraności konersji energii chemicznej palia oraz sosunkoo mały sopień skomplikoania są szeroko sosoane prakyce. W dalszej części niniejszego rozdziału ograniczono się zaem do opisu ego ypu układó. W skład układó gazoo-paroych chodzą rzy podsaoe grupy urządzeń: urbina gazoa, kocioł odzyskoy i urbina paroa raz z ymiennikami ciepłoniczymi. Przykładoy schema echnologiczny kogeneracyjnego układu gazoo-paroego z urbiną gazoą układzie prosym oraz duciśnienioym kołem odzyskoym z przegrzeem órnym pary przedsaiono na rys Jes o układ kogeneracyjny kórym ciepło siecioe pozyskuje się ze spalin oraz z ymiennikó zasilanych parą z upusó urbiny paroej. Spalinoy ymiennik ciepła jes osanią poierzchnią ogrzeaną kole odzyskoym. Rys Przykładoy schema echnologiczny kogeneracyjnego układu gazooparoego 76

77 Kluczoym elemenem układu gazoo-paroego jes urbina gazoa. Turbina gazoa składa się z rzech zasadniczych zespołó: kompresora poierza, komory spalania i ekspandera. Rozój echnologiczny urbin gazoych, mający na celu głónie podniesienie ich spraności ziązany jes przede szyskim z: podnoszeniem emperaury spalin przy dopłyie do ekspandera, doskonaleniem meod chłodzenia aparau przepłyoego urbiny, doskonaleniem kszału kanałó łopakoych (ziększaniem spraności enęrznych kompresora i ekspandera), opracoyaniem koncepcji układó złożonych, śród kórych można ymienić: układy z regeneracją ciepła, układy z ryskiem pary lub ody, układy z sekencyjnym spalaniem, układy z rekuperacją chemiczną. Z ermodynamicznego punku idzenia emperaura spalin za komorą spalania ograniczona jes do z. kalorymerycznej emperaury spalania - parameru charakerysycznego danego palia. W prakyce emperaura spalin limioana jes jednak yrzymałością maeriałó, z kórych ykonany jes układ przepłyoy ekspandera (głónie pierszy jego sopień). Temperaura spalin przed ekspanderem, zależności od roku proadzenia urbiny na rynek, kszałuje się na poziomie od 1000 do 1500 o C. W ablicy 7.2 zobrazoano posęp ziększaniu emperaury spalania dla klas urbin oferoanych komercyjnie. Tablica 7.2. Posęp rozoju urbin gazoych Temperaura czynnika na Klasa urbiny locie do urbiny [ C] A ok. 900 B C D E F ok G 1450 H 1500 Spraności urbin dużych mocy zaierają się granicach 33 39%, przy zakresie mocy od 50 do 350 MW (górna granica spraności). W przypadku urbin o mniejszych mocach spraności zmieniają się granicach 25 35%, zaś dla urbin pochodzenia loniczego zakresie 35 42%. W celu obniżenia emperaury łopaek ekspandera sosuje się ich chłodzenie poierzem pobieranym z ylou lub upusu kompresora. Chłodzenie może być realizoane rybie zamknięym lub oarym. Najnoocześniejsze roziązania ym zakresie polegają na chłodzeniu aparau łopakoego parą odną układzie zamknięym (urbiny klasy G i H). Uzyskuje się en sposób podyższenie emperaury spalin przy dopłyie do pierszego rzędu łopaek irnikoych ekspandera ( sosunku do oarego chłodzenia poierzem) 77

78 przy zachoaniu ymaganej emperaury poierzchni łopaek. Temperaura a może obecnie przekraczać 975 o C. Ciepło pozyskane układzie chłodzenia może być ykorzysyane obiegu paroym, co proadzi do dalszej popray spraności (o ile urbina pracuje jako elemen układu gazoo-paroego). Spośród złożonych układó urbin gazoych dosępne komercyjnie są układy z ryskiem ody i pary oraz z sekencyjną komorą spalania. Wrysk pary lub ody sosuje się celu obniżenia emisji NO x oraz celu ziększenia pracy jednoskoej urbiny. Zabieg aki komplikuje jednak konsrukcję i może negaynie płyać na spraność insalacji. Drugą poszechnie sosoaną i ciągle doskonaloną meodą obniżania emisji NO x jes odpoiednie sopnioanie doproadzania poierza do spalania (palniki ypu DLN - Dry Lo NO X ). Sekencyjne spalanie polega na uzyskaniu efeku z. karnoyzacji obiegu, poprzez podzielenie komory spalania na die sekcje, pomiędzy kórymi zachodzi częścioa ekspansja spalin. Działanie akie można penym sensie porónać do sosoania órnego przegrzeu pary klasycznych obiegach paroych. W urbinach ze spalaniem sekencyjnym spaliny po opuszczeniu ysokociśnienioej komory spalania są rozprężane do penego ciśnienia pośredniego, po czym dopłyają do kolejnej komory spalania, gdzie doproadzana jes akże dodakoa porcja palia. Po jego spaleniu nasępuje dalsza ekspansja aż do osiągnięcia ciśnienia końcoego. Wybór rodzaju obiegu oraz parameró urbiny gazoej do pracy gazoo-paroym układzie kogeneracyjnym ziązany jes przede szyskim z arością emperaury spalin przy ypłyie z urbiny. Nie może być ona zby niska ze zględu na konieczność zapenienia ymaganej emperaury pary śieżej obiegu paroym, kóra ma duży pły na spraność całego układu. Dobór szeregu parameró układó gazoo paroych ( ym akże urbin gazoych) jes przedmioem szczegółoych sudió opymalizacyjnych. Koły odzyskoe sosoane układach gazoo-paroych składają się z szeregu ymiennikó ciepła połączonych szeregoo lub częścioo układzie rónoległym - celu podyższenia ich doskonałości ermodynamicznej.odparoanie czynnika może zachodzić na jednym, dóch, lub rzech poziomach ciśnienia. Podyższanie liczby poziomó ciśnienia podyższa spraność koła i całego układu. Tempo ego zrosu ykazuje jednak endencję malejącą. Z ego poodu, jak rónież ze zględu na ysokie nakłady inesycyjne nie sosuje się obecnie ięcej niż rzech poziomó odparoania. W gazoo-paroych układach kogeneracyjnych sosuje się częso jeden lub da poziomy ciśnienia ze zględu na możliość dochłodzenia spalin odą z sieci ciepłoniczej. Kocioł odzyskoy może być akże yposażony przegrzeacz pary órnej oraz dodakoy paronik deaeracyjny. W układach kogeneracyjnych órny przegrze pary sosoany jes jednak rzadko. W kołach o inensynie rozbudoanych poierzchniach ymiany ciepła możlie jes ychładzanie spalin poniżej emperaury punku rosy o ile pozala na o czysość palia spalanego urbinie gazoej (zaarość siarki). 78

79 Koły odzyskoe mogą być konsruoane układzie poziomym lub pionoym (zględem głónego kierunku przepłyu spalin). Koły poziome pracują zazyczaj arunkach cyrkulacji nauralnej (po sronie odno-paroej); kołach pionoych ymagane jes naomias sosoanie cyrkulacji ymuszonej. Koły odzyskoe mogą być yposażone auonomiczne palniki dopalające zainsaloane pomiędzy yloem z urbiny gazoej i doloem do koła. Sosoanie dopalania kole nie jes przy obecnym poziome echniki urbin gazoych uzasadnione ermodynamicznie. Może się ono jednakże przyczynić do ziększenia peności i elasyczności ruchoej układu. Insalacja palnikó dopalających kole odzyskoym umożliia ponado eksploaację obiegu paroego syuacji, gdy urbina gazoa jes posoju. Cecha a jes isona przypadku układó kogeneracyjnych, kóre muszą zapeniać ysoką dyspozycyjność dosay ciepła. Ciśnienia pary sosoane kołach odzyskoych są niższe od arości sosoanych nooczesnych kołach opalanych ęglem. Ciśnienie pary śieżej rzadko przekracza 15 MPa. Temperaura pary śieżej nie jes zykle yższa od 560ºC. Jej arość jes jednak ściśle ziązana z emperaurą spalin przy dopłyie do koła. Rys Schema przykładoego kogeneracyjnego układu gazoo-paroego Konsrukcja urbin paroych sosoanych obiegach gazoo-paroych nie odbiega zasadniczo od konsrukcji urbin klasycznych obiegach paroych. Głóną różnicą jes doproadzanie do urbozespołu dodakoego srumienia pary przypadku układó o kilku poziomach odparoania kole odzyskoym. Układy chłodzenia skraplacza (jeżeli 79

80 ysępują) rónież nie odbiegają od poszechnie sosoanych elekroniach opalanych ęglem. W przypadku mniejszych jednosek sosoane są częso mokre chłodnie enylaoroe. Tablica 7.3. Przykładoe paramery kogeneracyjnego układu gazoo-paroego Paramer Jednoska Warość przy pracy kondensacyjnej ( o = 15ºC) Warość przy pełnym obciążeniu cieplnym ( o = -20ºC) Moc elekryczna urbiny gazoej bruo MW 170,7 196,1 Moc elekryczna urbiny paroej bruo MW 91,7 64,1 Całkoia moc elekryczna bruo układu MW 262,4 260,2 Całkoia moc elekryczna neo układu MW 257,3 255,7 Ciepło grzejne MW 0 204,3 Sopień ykorzysania palia neo (EUF) % 54,4 85,2 Rys Rozkład emperaury kole odzyskoym dla pracy rybie ciepłoniczym Układy gazoo-paroe mogą ysępoać jako jedno-ałoe lub ielo-ałoe. W pierszym przypadku urbina gazoa i paroa napędzają jeden spólny generaor; drugim ysępują odrębne generaory elekryczne, co podyższa nakłady inesycyjne oraz zmniejsza niezaodność. Układy ielo-ałoe umożliiają jednak budoę układó 80

81 gazoo-paroych o bardzo dużych mocach. Moc blokó jedno-ałoych jes ograniczona obecnie do ok. 520 MW ze zględu na maksymalne moce dosępnych komercyjnie urbin gazoych. W układach ielo-ałoych można np. zbudoać układ z doma urbinami gazoym, doma kołami odzyskoymi i jedną urbiną paroą. W ablicy 7.3 zamieszczono przykładoe paramery kogeneracyjnego układu gazooparoego. Zosały one yznaczone dla układu kórego schema przedsaiono na rysunku 7.6. Na rysunku 7.7 przesaiono rozkład emperaury kole odzyskoym uzyskany dla pracy rybie ciepłoniczym. Lieraura: [1] Baglan Bay Poer Saion, Cardiff, Wales, UK. Maeriały informacyjne zamieszczone Top Plans Poer, July/Augus2003,.poermag.plas.com [2] Gas urbine and combined cycle producs. Maeriały informacyjne firmy General Elecric, rzesień [3] GT24/GT26 gas urbine. The soluion for deregulaed and merchan markes. Maeriały informacyjne firmy Alsom, [4] H sysem - orlds mos advanced combined cycle echnology. Maeriały informacyjne firmy General Elecric, lisopad [5] Srona inerneoa firmy Alsom:.poer.alsom.com. [6] Srona inerneoa firmy Siemens:.poergeneraion.siemens.com. [7] J.H. Horlock.: Advanced gas urbine cycles. Elsevier Science, Amserdam-Tokyo, [8] Sepimus van der Linden, Developmen rends and he role of gas urbines in he fuure 30 years. Maeriały konferencji ECOS 03. Kopenhaga, [9] Miro R. Susa, Manfred Greh.: Efficiency Improvemen Possibiliies in CCGT Poer Plan Technology POWERGEN-ASIA 2001, Kuala Lumpur, Malaysia, rzesień 2001 [10] COAL OPTIONS. Evaluaion of coal-based poer generaion in an uncerain conex. Final repor. Sepember Universiy Caholique de Louvain. CORE Unie Term. [11] Pisauer A.: Developmens of Gas Turbines Combined Cycle Technology Siemens. EU Technology Plaform for Zero Emission Fossil Fuel Poer Plans, Brussels, December 1, [12] Gas Turbine World 2009 GTW Handbook. Volume 24. Pequo Publishing Inc. 81

82 8. ZASOBNIKI CIEPŁA W ELEKTROCIEPŁOWNIACH 8.1. Akumulacja gorącej ody siecioej Zasobniki ciepła sosoane elekrociepłoniach spółpracujących z miejskimi sysemami ciepłoniczymi są ykorzysyane do popray efekyności ekonomicznej poprzez odpoiednią organizację produkcji energii elekrycznej. Polega o na ziększeniu produkcji szczyoej energii elekrycznej koszem obniżonej produkcji okresie dolinoego obciążenia sysemu elekroenergeycznego. Charakerysyczną cechą działania zasobnikó jes cykliczności ich pracy, zn. nasępujące po sobie kolejne fazy ładoania i rozładoania. Zasobniki magazynujące ciepło okresie doby nazyają się zasobnikami krókoerminoymi. Akumulacja gorącej ody siecioej należy do meod ermicznych bez zmiany sanu skupienia czynnika akumuloanego. W sysemach ciepłoniczych, gdzie nośnikiem energii jes oda znajdują zasosoanie odne izobaryczne zasobniki ciepła. Zasobnik ciepła sieci ciepłoniczej jes o pionoy cylindryczny zbiornik całkoicie ypełniony odą, przyłączony rónolegle do układu podgrzeania ody siecioej. Podczas ładoania zasobnika, gorąca oda z rurociągu zasilającego ypycha zimną odę do dołu. Przy rozładoyaniu zaś oda z rurociągu poronego ypiera gorący czynnik do góry, do rurociągu zasilającego. W górnej części zbiornika gromadzi się oda o yższej a dolnej o niższej emperaurze. Zjaisko o spoodoane jes różnicą gęsości płynu gorącego i zimnego. Wymiana ciepła między arsami nasępuje na zasadzie dyfuzji. Po penym czasie na skuek przepłyu ciepła pomiędzy arsami czynnika gorącego i zimnego orzy się srefa przejścioa, gdzie emperaura czynnika pooli zmienia się od emperaury ody gorącej do emperaury ody zimnej. Objęość ej srefy jes isona przy obliczeniach zasobnikó, gdyż jej uzględnienie ymaga ziększenia ynikającej z obliczeń niezbędnej objęości zbiornika akumulacyjnego. Wysokość ej srefy może przypadku dobrze zaprojekoanego zasobnika ciepła osiągać ielkości rzędu cm, zaś niepraidłoo dobranym zasobniku nae cm. W zależności od rodzaju urbozespołó ciepłoniczych (przeciprężny lub upusookondensacyjny) cykle pracy zasobnika są różne. W elekrociepłoni z urbiną przeciprężną proces ładoania zasobnika ma miejsce okresach szczyoego zaporzeboania na moc elekryczną celu uzyskania dodakoej produkcji energii elekrycznej. Wóczas przez ymienniki ciepłonicze przepłya ziększony srumień pary przeciprężnej dzięki czemu podgrzea się iększy srumień ody siecioej. Nadyżka srumienia ody siecioej jes akumuloana zasobniku. Rozładoanie zasobnika ma miejsce okresie doliny. Wymienniki ciepłonicze są zasilane mniejszym srumieniem pary przeciprężnej a brakującą ilość gorącej ody siecioej uzyskuje się z zasobnika. 82

83 W elekrociepłoni z urbiną upusoo-kondensacyjną ładoanie zasobnika nasępuje okresach dolin sysemie elekroenergeycznym. Przez ymienniki ciepłonicze przepłya okresie ładoania zasobnika ziększony srumień ody siecioej, kóry jes odproadzany do zasobnika ciepła. W okresie rozładoania zasobnika, czyli okresach szczyó zaporzeboania na energię elekryczną, gorąca oda do sieci ciepłoniczej jes dosarczana z zasobnika ciepła, zaś dodakoy srumień pary, uzyskany yniku przymknięcia zaoró na upusach ciepłoniczych zasila człon kondensacyjny urbiny, yarzając dodakoą szczyoą moc Obliczanie objęości zasobnika ciepła W celu yznaczenia objęości zasobnika należy określić nadyżkę czynnika grzejnego S. Jes o różnica między maksymalną a minimalną ilością czynnika zasobniku: S G z G (8.1) max z min G z max - maksymalna ilość czynnika zasobniku, G z min - minimalna ilość czynnika zasobniku. Objęość V z zasobnika ynika z relacji: S Vz g (8.2) z gdzie g z oznacza jednoskoą zdolność akumulacyjną zasobnika; przypadku akumulacji gorącej ody siecioej jes o średnia gęsość ody siecioej magazynoanej zasobniku. Przyros ilości czynnika zasobniku (gorącej ody siecioej) ynika z rónania: G G - przyros ilość ody zasobniku, G - srumień ładoania lub rozładoania zasobnika. G d (8.3) 0 Na rysunku 8.1 przedsaiono przykładoe ykresy ładoania i rozładoania zasobnika oraz przyrosu i zmniejszenia ilości czynnika akumuloanego przypadku układu spółpracującego z urbiną przeciprężną. Nadyżkę czynnika grzejnego S można óczas yznaczyć za pomocą rónania: S G G (8.4) max min kóre określa maksymalną ilość czynnika, jaką można uzyskać z zasobnika jednym cyklu działania (rys. 8.1). 83

84 Rys Przykładoy ykres srumieni ładoania i rozładoania zasobnika oraz ykres przyrosó i zmniejszenia ilości ody gorącej zasobniku 8.3. Zasobnik gorącej ody siecioej elekrociepłoni z urbiną przeciprężną Ideoy schema cieplny elekrociepłoni z urbiną przeciprężną i koncepcję podłączenia zasobnika ciepła przedsaia rys Wymienniki ciepłonicze są zasilane parą z ylou urbiny przeciprężnej. Zainsaloanie zasobnika ciepła układzie elekrociepłoni z urbiną przeciprężną pozala okresie szczyoego obciążenia sysemie elekroenergeycznym na ziększenie mocy urbozespołu o N el s i zmniejszenie obciążenia urbozespołu o N el d okresie doliny, przy zachoaniu produkcji energii elekrycznej ciągu doby na sałym poziomie, ynikającym ze sałej ciągu doby produkcji ciepła na srumieniu pary z ylou urbiny 84

85 przeciprężnej. Jeżeli założy się moc urbiny przypadku pracy bez zasobnika na poziomie arości średniej ynikającej ze średniodoboego zaporzeboania na ciepło, orzymuje się óczas zależność: ( N N )τ ( N N ) τ E (8.5) el el s s el N el - średnia okresie doby moc elekryczna urbozespołu, N el s - ziększenie obciążenia urbozespołu okresie szczyu sysemie elekroenergeycznym ( czasie ładoania zasobnika), N el d - zmniejszenie obciążenia urbozespołu okresie doliny sysemie elekroenergeycznym ( czasie rozładoania) zasobnika,, - czas rania obciążenia szczyoego i dolinoego, s d el D el d E - doboa produkcja energii elekrycznej. d el D Rys Zasobnik ody siecioej układzie urbiny przeciprężnej. Oznaczenia: K - kocioł paroy; T - urbina przeciprężna; G - generaor, W - ymiennik ciepłoniczy; Z - yporoy zasobnik ciepła. Z rónania (8.5) ynika ziązek pomiędzy przyrosem mocy szczyoej i spadkiem mocy dolinoej urbozespołu przeciprężnego: N el s τ d (8.6) N el d s Przyrosoi mocy szczyoej i spadkoi mocy dolinoej urbiny oarzyszy odpoiednio ziększenie i zmniejszenie srumienia pary przeciprężnej, między kórymi oboiązuje relacja analogiczna do rónania (8.6): τ s G ppd G pps (8.7) τ d 85

86 G pps - przyros srumienia pary przeciprężnej okresie szczyu sysemie elekroenergeycznym, G ppd - zmniejszenie srumienia pary przeciprężnej okresie doliny sysemie elekroenergeycznym. Ziększony srumień pary przeciprężnej musi spełniać ograniczenie ynikające z maksymalnej przepusoości urbiny. Srumieniom G pp s i G ppd odpoiadają srumienie G s i G d, ziększenia srumienia ody siecioej przepłyającej przez ymiennik okresie szczyu i akumuloanego zasobniku oraz zmniejszenia srumienia ody siecioej przepłyającej przez ymiennik czasie doliny, kóre odpoiada srumienioi rozładoania zasobnika: ΔG (i i ) ΔG pps pp k s c ( ) (8.8) ΔG d g τ ΔG s pps (i pp ik ) τ d c ( ) g p p (8.9) G s - ziększenie srumienia ody siecioej przepłyającej przez ymiennik ciepła szczycie, G d - zmniejszenie srumienia ody siecioej przepłyającej przez ymiennik g, p i pp, i k ciepła okresie doliny, - emperaura ody gorącej i poronej cyklu pracy zasobnika, - enalpia pary przeciprężnej i kondensau opuszczającego ymiennik ciepła. Pomiędzy srumieniami G s i G d oboiązuje zależność analogiczna do (8.6): G τ d G s τ s (8.10) d Ładoanie zasobnika ciepła układzie z urbiną przeciprężną ysępuje okresie szczyu sysemie elekroenergeycznym, naomias rozładoanie okresie doliny. Przykładoo przyjęo, iż szczy przedpołudnioy ra 6 godzin (od 7.00 do 13.00), a szczy popołudnioy 5 godzin (od do 21.00). W okresie szczyu przedpołudnioego nasępuje ziększenie srumienia pary przeciprężnej i ymiennikach ciepła podgrzea się dodakoy srumień ody chłodnej G pobieranej z dolnej części zasobnika i proadzanej do rurociągu s ody poronej sieci ciepłoniczej. Podgrzany dodakoy srumień ody jes magazynoany górnej części zasobnika. W okresie doliny popołudnioej (od do 16.00) nasępuje zmniejszenie srumienia pary przeciprężnej i ymiennikach ciepła podgrzea się mniejszy srumień ody siecioej. Część srumienia ody poronej 86

87 G d jes kieroana przed ymiennikami ciepła do dolnej części zasobnika, ypierając z jego górnej części odę podgrzaną do rurociągu ody gorącej sieci ciepłoniczej za ymiennikami ciepła. Operacje e poarzają się odpoiednio podczas szczyu popołudnioego i doliny nocnej. Objęość zasobnika ciepła yznacza się oparciu o ykresy ładoania i rozładoania ody siecioej (ak jak na rys. 8.1) oraz algorym przedsaiony punkcie Zasobnik gorącej ody siecioej elekrociepłoni z urbiną upusoo-kondensacyjną Na rys. 8.3 przedsaiono schema podłączenia zasobnika gorącej ody siecioej elekrociepłoni z urbiną upusoo-kondensacyjną. Człon kondensacyjny może być óczas ykorzysyany do ziększenia produkcji szczyoej energii elekrycznej. Zasada spółdziałania zasobnika gorącej ody siecioej z urbiną upusoo-kondensacyjną jes nasępująca. W okresie doliny obciążenia krajoym sysemie elekroenergeycznym ziększa się srumień pary upusoej G u o G ud. Srumień pary upusoej G ud służy do podgrzeania dodakoej ilości ody siecioej, kórą magazynuje się zasobniku. W rezulacie ziększenia obciążenia upusu okresie doliny nasępuje zmniejszenie produkcji energii elekrycznej dolinoej. W okresie szczyoego obciążenia sysemie elekroenergeycznym przymyka się częścioo upus ciepłoniczy i gorąca oda z zasobnika uzupełnia zasilanie sieci ciepłoniczej. Dzięki emu można ziększyć srumień pary płynącej do skraplacza o G us i ziększyć produkcję szczyoej energii elekrycznej. regen TUK u k oda gorąca oda porona Rys Zasobnik ody siecioej układzie urbiny TUK 87

88 Jeżeli założy się obciążenie doboe upusu ciepłoniczego urbiny upusoo-kondensacyjnej na poziomie arości średniej ynikającej ze średniodoboego zaporzeboania na ciepło, óczas przy pracy z zasobnikiem ciepła musi być spełniona zależność: G G G G G (8.11) G u u s d u u d d u u s s - średniodoboy srumień pary upusoej, G u d - przyros srumienia pary upusoej czasie doliny sysemie elekroenergeycznym, G u s - zmniejszenie srumienia pary upusoej okresie rania szczyu sysemie elekroenergeycznym. Z rónania (8.11) orzymuje się: G G u d u s s d (8.12) Ziększony srumień pary upusoej okresie doliny pooduje zmniejszenie mocy urbozespołu z poodu obniżenia srumienia pary przepłyającej przez człon kondensacyjny: N G i (8.13) el d u d i przyros mocy urbozespołu okresie szczyu na skuek zmniejszenia srumienia pary upusoej: el s us u k u k me N G i (8.14) N el - zmniejszenie mocy urbozespołu okresie doliny, d N el s - przyros mocy urbozespołu okresie szczyu, - spadek enalpii pary części niskoprężnej urbiny, iu k me - spraność elekromechaniczna urbozespołu. me Z rónań (8.13) i (8.14), przy uzględnieniu (8.11) uzyskuje się: N N el d el s s d (8.15) Ziększenie srumienia ody siecioej przeidzianej do ładoania zasobnika ynika z bilansu ymiennika ciepłoniczego: Gudic G d c ) (8.16) ( g p G d - przyros srumienia ody siecioej okresie ładoania zasobnika, 88

89 i c - spadek enalpii pary upusoej ymienniku ciepłoniczym,, - emperaury ody gorącej i poronej za i przed ymiennikiem ciepłoniczym. g p Zmniejszenie srumienia ody siecioej przepłyającej przez ymiennik ciepłoniczy róne srumienioi ody gorącej rozładoyanej z zasobnika ujmuje rónanie: d G u d i c s G (8.17) s c ) ( g p Z rónań (8.16) i (8.17) ynika: G G d s s d (8.18) Dalszy ok obliczeń zasobnika gorącej ody siecioej jes analogiczny jak przypadku zasobnika działającego układzie z urbiną przeciprężną. Z rónania (8.3) oblicza się na podsaie zadanych srumieni ładoania i rozładoania zasobnika, przyrosy i zmniejszenie ilości czynnika akumuloanego. Na podsaie ykresu zmian ilości czynnika akumuloanego zasobniku i rónania (8.4) yznacza się niezbędną nadyżkę czynnika akumuloanego. Rónanie (8.2) służy nasępnie do obliczenia niezbędnej objęości zasobnika ciepła Przykłady oceny efekyności ekonomicznej zasosoania zasobnikó ciepła Efekem finansoym działania zasobnika gorącej ody siecioej jes ziększenie przychodó ze sprzedaży dodakoej szczyoej energii elekrycznej porónaniu do ceny energii elekrycznej dolinoej: S E els j 2 S j 1 E el s j ( k s j k d ) (8.19) - ziększenie przychodó ze sprzedaży energii elekrycznej ynikające z dodakoej produkcji szczyoej energii elekrycznej, - roczne ziększenie produkcji szczyoej energii elekrycznej j-ej srefie doby na skuek zainsaloania zasobnika gorącej ody siecioej, k, k - cena jednoskoa sprzedaży szczyoej energii elekrycznej j-ej srefie doby oraz j s j d energii elekrycznej dolinoej, - numer srefy obciążeń szczyoych (yróżniono da okresy szczyoe). Obok ziększenia przychodó ze sprzedaży dodakoej szczyoej energii elekrycznej dane ejścioe do analizy ekonomicznej obejmują ysokość nakładó inesycyjnych na budoę zasobnika ciepła, koszy eksploaacyjne (zużycie energii elekrycznej na napęd pomp, 89

90 kosz sra ciepła zasobniku, koszy remonó). Do danych ejścioych należy akże informacja o srukurze finansoania przedsięzięcia. Analizy ekonomiczne efekyności kilku inesycji zasobnikó ciepła skazują na opłacalność ych przedsięzięć [5,8]. Czasy zrou mieściły się przedziale 2,5 roku do 6 la. Analiza efekyności ekonomicznej inesycji poinna obejmoać rónież z. analizę rażliości. Uzględnia ona fak nieysępoania rzeczyisości idealnych rynkó, co pooduje że ceny i koszy założone do sporządzenia projekcji finansoych rzeczyisości mogą być odmienne. Efek ekonomiczny inesycji jes rażliy na zmiany cen sprzedaży energii elekrycznej, ysokość nakładó inesycyjnych oraz ysokość sopy dyskona. Przeproadzona analiza rażliości ykazała, iż efek ekonomiczny jes najbardziej rażliy na zmiany cen energii elekrycznej oraz ysokość nakładó inesycyjnych. Lieraura: [1] Beckmann, Gilli P.V: Thermal energy sorage. Springer Verlag, Wien., [2] Jachna T., Sierpińska M.: Ocena przedsiębiorsa edług sandardó śiaoych. Wydanico Naukoe PWN, Warszaa [3] Szargu J., Ziębik A.: Podsay energeyki cieplnej. PWN, Warszaa [4] Szargu J.: Produkcja szczyoej energii elekrycznej dzięki akumulacji ciepła elekrociepłoni. Energeyka 3/1992. [5] Ziębik A., Zuała J.: Analiza echniczno-ekonomiczna zasosoania zasobnika ciepła elekrociepłoni z urbiną przeciprężną celu maksymalizacji produkcji szczyoej energii elekrycznej. Gospodarka Paliami i Energią, 2/2000. [6] Ziębik A., Zuała J., Ciasnocha Cz.: Dobór opymalnej ielkości zasobnika ciepła przy zadanym ykresie rzeczyisym obciążeń elekrociepłoni z urbiną przeciprężną. Energeyka, 9/2001. [7] Ziębik A. Zuała J.: Zasosoanie zasobnikó ciepła aspekcie ziększenia produkcji energii elekrycznej elekrociepłoniach. Maeriały VIII Krajoej Konferencji Energeycznej Ekologiczne i Ekonomiczne Wyarzanie Energii, Rydzyna [8] Ziębik A., Zuała J.: Akumulacja ciepła elekrociepłoniach; przegląd roziązań i ekonomika. Energeyka Cieplna i Zaodoa nr 2,

91 9. ANALIZA TERMO-EKOLOGICZNA ELEKTROCIEPŁOWNI 9.1. Pojęcie skaźnika koszu ermo-ekologicznego Produkcja ciepła i elekryczności kogeneracji, podobnie jak yarzanie innych produkó użyecznych, jes ziązana z negaynym oddziałyaniem procesó energeycznych na środoisko. Oddziałyania e można ująć die grupy: yczerpyanie nieodnaialnych bogac nauralnych, naruszenie rónoagi ekologicznej na skuek emisji szkodliych subsancji do ooczenia. Druga grupa oddziałyań płya akże na ziększenie yczerpyania nieodnaialnych bogac nauralnych ze zględu na konieczność kompensacji ujemnych skukó emisji. Budoa i eksploaacja urządzeń ochronnych oraz napraa szkód środoisku człoieka ymagają dodakoego zużycia bogac nauralnych. Tak ięc szkodliość ekologiczna procesó energeycznych pooduje dodakoo yczerpyanie nieodnaialnych bogac nauralnych ( ym pali kopalnych). Jako miernik yczerpyania nieodnaialnych bogac nauralnych przyjęo za [5] skaźnik koszu ermo-ekologicznego. Wskaźnik koszu ermo-ekologicznego jes zdefinioany jako skumuloane zużycie egzergii bogac nieodnaialnych obciążające szyskie eapy procesó yórczych proadzące od pozyskania surocó do produku finalnego [5]. Egzergia jes boiem najbardziej miarodajnym miernikiem jakości nieodnaialnych bogac nauralnych. W procesach zasilanych nośnikami energii pochodzącymi ze źródeł nieodnaialnych (procesy spalania, yarzanie elekryczności) składnik eksploaacyjny koszu ermoekologicznego znacznie przeyższa koszy sałe. W ym przypadku zaem, obliczanie skaźnikó koszu ermo-ekologicznego można ograniczyć do składnikó eksploaacyjnych. Wskaźnik koszu ermo-ekologicznego można obliczać za pomocą układu rónań bilansoych lub meodą sekencyjną [8]. Układ rónań bilansoych koszu ermoekologicznego inien być sformułoany dla podsaoych gałęzi gospodarki (np. palia kopalne, sal, cemen, energia elekryczna id.). Uzględnione zosają óczas poiązania silne pomiędzy poszczególnymi sekorami (gałęziami) gospodarki kraju. Dla j-ej gałęzi yórczej rónanie bilansu koszu ermo-ekologicznego przyjmuje posać [3]: ρ j, ρ i ρ r j j fi j ai j i ar j r bs j i r s k p k j k (9.1) - jednoskoy kosz ermo-ekologiczny produku głónego j-ego oraz i-ego procesu, MJ/kmol lub MJ/kg, - jednoskoy kosz ermo-ekologiczny r-ego yrobu imporoanego, MJ/kmol lub MJ/kg, 91

92 a i j, f i j - spółczynnik zużycia i ubocznego yarzania i-ego półyrobu krajoego j-ej gałęzi yórczej, np. kg/kg; kg/mj, a i j - spółczynnik zużycia r-ego półyrobu imporoanego j-ej gałęzi yórczej, np. kg/kg; kg/mj, b s j - bezpośrednie zużycie egzergii s-ego nieodnaialnego bogaca nauralnego j-ej gałęzi yórczej, MJ/kg lub MJ/kmol, p k j - ilość yarzanego k-ego produku odpadoego na jednoskę j-ego produku głónego, np. kg/kg; kg/mj, - kosz ermo-ekologiczny obciążający jednoskę k-ego produku odpadoego, MJ/kg, ζ k Dla roziązania układu rónań bilansoych (9.1) konieczne jes określenie sposobu yznaczania koszu ermo-ekologicznego produkó imporoanych i produkó ubocznych ysępujących procesach skojarzonych. W przypadku produkó imporoanych zakłada się, że kosz ermo-ekologiczny produkó imporoanych jes odniesieniu do jednoski monearnej aki sam jak dla yrobó eksporoanych. Produky uboczne procesach skojarzonych obciąża się akim samym koszem ermo-ekologicznym jak procesach zasąpionych bazując na zasadzie uniknięych nakładó i emisji (podobnie jak zasada koszó uniknięych). W obliczeniach prakycznych skaźnik koszu ermo-ekologicznego obciążający odproadzanie k-ej subsancji do ooczenia oblicza się z zależności [1, 2, 8]: B k k PKB Pk (9.2) k k B - egzergia bogac nieodnaialnych ydobyanych kraju ybranym roku, PKB - produk krajoy bruo, - roczna ilość k-ej subsancji szkodliej odproadzanej do ooczenia P k k rozparyanym regionie, - monearny skaźnik szkodliości k-ej subsancji szkodliej. Do głónych gazoych zanieczyszczeń poierza posających przy produkcji ciepła i elekryczności (zaróno gospodarce rozdzielonej jak i skojarzonej) należy zaliczyć lenki siarki SO 2, lenki azou NO X i pyły. Monearne skaźniki szkodliości i kosz ermoekologiczny ych subsancji obliczone za pomocą zoru (9.2) dla arunkó roku 2008 zaaro ablicy 9.1. Tablica 9.1. Wskaźnik szkodliości i kosz ermo-ekologiczny głónych gazoych zanieczyszczeń poierza Subsancja szkodlia Lp. Wskaźnik Jednoska SO 2 NO X Pył 1. k PLN 2008 /kg 45,05 33,09 24,62 2. ζ k MJ ex /kg 97,82 71,88 53,42 92

93 W przypadku emisji CO 2 nie są znane monearne skaźniki szkodliości k i dlaego zasosoanie zoru (9.2) nie jes możlie. Kosz ermo-ekologiczny można ym przypadku obciążyć koszem usuania przy zasosoaniu najlepszych dosępnych echnik: G j jco2 j G u uco2siui CO2 (9.3) G CO2 G jco2 - ilość j-ego suroca, półyrobu lub nośnika energii zużyego insalacji usuania CO 2, G CO2 - ilość usunięego CO 2, G uco2 - ilość yorzonego u-ego produku ubocznego przy usuaniu subsancji szkodliych. W przypadku usuania CO 2 meodami aminoymi uzyskuje się arość koszu ermoekologicznego na poziomie [1] CO2 = 4,4 MJ/kg. Wyznaczone koszy ermo-ekologiczne podsaoych produkó mogą być zasosoane meodzie sekencyjnej yznaczania koszu ermo-ekologicznego gałęzi słabo poiązanych z podsaoymi gałęziami gospodarki. Meodę sekencyjną yznaczania koszu ermoekologicznego można zasosoać przypadku procesó kogeneracyjnych. W analizach koszu ermo-ekologicznego proadza się skaźnik zrónoażonego rozoju zdefinioany nasępująco [1,8]: j rj (9.4) b j Wskaźnik en yraża sosunek koszu ermoekologicznego j-ego produku egzergii łaściej b j. Im arość skaźnika j do jego r j jes iększa od jedności ym bardziej niekorzysne jes oddziałyanie rozparyanego produku na yczerpyanie nieodnaialnych bogac nauralnych. Wskaźnik en może być cennym narzędziem przy porónyaniu płyu różnych produkó na yczerpyanie nieodnaialnych bogac nauralnych. Przykład 9.1 Rónanie koszu ermo-ekologicznego W kopalni ęgla kamiennego yróżniono nasępujące zużycia surocó, półyrobó i nośnikó energii obciążające jednoskoą ilość ydobyanego ęgla kamiennego: zużycie łasne ydobyanego ęgla kamiennego a 11, zużycie gazu ziemnego a 31, zużycie energii elekrycznej a 41, zużycie sali kopalni i przy ransporcie ęgla a

94 W przypadku gazu ziemnego zużycie należy podzielić na zużycie gazu ziemnego pochodzącego ze złóż krajoych χ 3 o skaźniku koszu ermo-ekologicznego 3 oraz na zużycie gazu ziemnego imporoanego (1- χ 3 ) o skaźniku koszu ermo-ekologicznego 3r. Dla uproszczenia zużycie sali można yrazić poprzez ekialenne zużycie suróki ielkopiecoej. Rónanie bilansu przyjmuje óczas posać: 1 a11 1 3a313 a414 a7 17 b1 1 3 a 313 r p1 k k W rónaniu bilansoym należy przyjąć nasępujące arości skaźnikó zużycia jednoskoego: a 11 = 0,0058 kg/kg; a 31 = 0, kmol/kg; a 41 = 0,175 MJ/kg; a 71 = 0,004 kg/kg, egzergię łaścią ydobyanego ęgla b 1 = 26,2 MJ/kg. Na podsaie danych saysycznych (roczne ydobycie ęgla kraju i roczna produkcja subsancji szkodliych kopalniach ęgla) określono jednoskoe emisje szkodliych subsancji na jednoskę ydobyanego ęgla specjalnego i koksującego p p p 0,0001 kg/kg 1SO 2 1NO 1pyl. x k Dla podanych arości skaźnik koszu ermo-ekologicznego dla ęgla ynosi: 27,1MJ/kg 1 Zapisując rónania koszu ermo-ekologicznego sposób zaprezenoany przykładzie 9.1 dla szyskich gałęzi gospodarki kraju można yznaczyć kosz ermo-ekologiczny doolnych produkó. Tablica 9.2 zaiera yniki obliczeń eksploaacyjnego koszu ermoekologicznego, sosunku koszu ermoekologicznego do energii chemicznej oraz skaźnika zrónoażonego rozoju r dla ybranych nośnikó energii. Tablica 9.2. Eksploaacyjny kosz ermo-ekologiczny nośnikó energii W d b ch r Rodzaj nośnika energii MJ/j.m. MJ/j.m. MJ/j.m. MJ/MJ MJ/MJ Węgiel kamienny energeyczny 1 24,0 26,2 27,1 1,13 1,04 Węgiel brunany 1 7,8 9,1 9,46 1,21 1,04 Gaz ziemny 2 (kraj+impor) 790,0 821,6 710,3 0,90 0,87 Gaz ziemny 2 (krajoy) 790,0 821,6 835,7 1,06 1,02 Gaz ziemny 2 (imporoany) 790,0 821,6 619,9 0,78 0,76 Gaz koksoniczy 2 (krajoy) 380,0 380,0 417,8 1,10 1,10 Energia elekryczna 3 3,60 3,60 3,60 1 j.m. = kg, 2 j.m. = kmol, W d, b ch - arość opałoa i egzergia chemiczna, 3 j.m. = MJ Przykład 9.2 Kosz ermo-ekologiczny biomasy W przypadku nieodnaialnych nośnikó energii pieronej dominującym składnikiem koszu ermo-ekologicznego jes część eksploaacyjna. W przypadku odnaialnych nośnikó 94

95 energii (np. biomasy) konieczne jes uzględnienie rónież innych składoych, szczególności składoej ransporoej oraz składoej ynikającej ze zużycia środkó upray roślin. W przypadku biomasy posaci zrębkó drzenych, szczególności należy rozparzyć zużycie palia na ścinanie, zużycie elekryczności na zrębkoanie oraz zużycie oleju napędoego na ranspor biomasy dla różnych urządzeń i środkó ransporu. Dla yznaczenia koszu ermo-ekologicznego biomasy przyjęe zosały arości średnie zużycia palia i elekryczności oraz uzględniono da ariany ransporu biomasy na odległość 50 oraz 100 km. Kosz ermo-ekologiczny ynika rozażanym przypadku z zależności: biomasy a ol nap x a el zr a el sc ol nap gdzie x - odległość ransporu biomasy, km; objaśnienia pozosałych symboli są zgodne z zesaieniem poniżej, zaierającym przykładoe dane do obliczeń. i a Tablica 9.3. Zużycie palia na ranspor a MJ/kg km 0, Zużycie energii elekrycznej na zrębkoanie a el zr MJ/kg 0,058 Zużycie palia na ścinanie a sc kg/kg 0, Wskaźniki koszu ermoekologicznego: Energia elekryczna γ el MJ/MJ 3,6 Olej napędoy γ ol nap MJ/kg 49,9 Olej napędoy γ ol nap MJ/MJ 1,17 Warość opałoa biomasy W d b MJ/kg 8 Dla przyjęych danych yniki przykładoych obliczeń koszu ermo-ekologicznego biomasy dla dóch arianó odległości ransporoej przedsaiają się nasępująco: Kosz ermoekologiczny biomasy na dysansie 100 km Kosz ermoekologiczny biomasy na dysansie 50 km Tablica 9.4. i i biomasy MJ/kg 0,63 γ biomasy MJ/MJ 0,08 biomasy MJ/kg 0,43 γ biomasy MJ/MJ 0, Kosz ermo-ekologiczny ciepła yarzanego układzie skojarzonym W układzie skojarzonym yarzane jes ciepło grzejne (produk głóny) oraz energia elekryczna (produk uboczny). Zgodnie z zasadą uniknięych nakładó, kosz ermoekologiczny produku ubocznego należy określić ykorzysując zasadę zasępoania produku procesie jednoceloym przez produk uboczny. W rozażanym przypadku energia elekryczna produkoana ubocznie elekrociepłoni zasępuje energię elekryczną yarzaną elekroniach krajoego sysemu elekroenergeycznego ( 0,37 Eel ). Wskaźnik koszu ermo-ekologicznego produkcji ciepła grzejnego elekrociepłoni ynika 95

96 z koszu ermo-ekologicznego palia zużyanego elekrociepłoni pomniejszonego o kosz ermo-ekologiczny palia zasąpionego elekroni zaodoej. Obliczenia koszu ermo-ekologicznego ciepła są proadzone edług nasępującego schemau obliczenioego: 1) srumień ciepła yarzanego elekrociepłoni: Q g Q 0 g (9.5) Q go - zaporzeboanie ciepła u odbiorcy, pc - spraność przesyłania ciepła do odbiorcy, gdzie pc 2) moc elekryczna yorzona elekrociepłoni: Nel Q sk g (9.6) sk - skaźnik skojarzenia. W elekrociepłoni mogą być rónocześnie produkoane nośniki ciepła o różnych paramerach; przykładem jes rónoczesne yarzanie ciepła grzejnego i echnologicznego; akim przypadku całkoia moc cieplna elekrociepłoni jes róna: Q Q g gi (9.7) i gdzie indeks i doyczy ciepła grzejnego o paramerach (p i, T i ); 3) spraność cząskoa yarzania energii elekrycznej elekrociepłoni bruo, przy założeniu, że spraności przesyłania energii elekrycznej z elekroni i elekrociepłoni są jednakoe, ynika z rónania: B N 1 EelEC EelEK (9.8) 1 B elec - spraność cząskoa bruo yarzania energii elekrycznej elekrociepłoni, N elek - spraność energeyczna neo elekroni kondensacyjnej, el - skaźnik elekrycznych porzeb łasnych elekrociepłoni, 4) zużycie energii chemicznej palia na produkcję energii elekrycznej elekrociepłoni: Nel E chelec B (9.9) η EelEC 5) sumaryczne zużycie energii chemicznej palia elekrociepłoni: el 96

97 Q N g el chec B (9.10) EC E B gdzie EC - spraność energeyczna elekrociepłoni bruo, kóra jes paramerem symulacji, 6) spraność cząskoa yarzania ciepła elekrociepłoni: Q g cec Nel E chec B EelEC (9.11) 7) zużycie energii chemicznej palia ziązane z yarzaniem ciepła grzejnego: Qg E chcec (9.12) cec W przypadku gdy yarzane są srumienie ciepła o różnych paramerach ysępuje konieczność podziału energii chemicznej yrażonej zależnością (9.14) pomiędzy e srumienie. Do ego celu należy ykorzysać meodę klucza egzergeycznego, zgodnie z kórą srumień energii chemicznej palia obciążający srumień ciepła o i-ych paramerach yznacza się jako: m p ibu bk i E chcec i E,, chcec m b b (9.13) - srumień pary upusoej lub przeciprężnej o paramerach (p i, T i ), m p, i i p, i b b u, k - egzergia łaścia srumienia pary upusoej lub przeciprężnej oraz kondensau poronego, i - doyczy i-ego nośnika ciepła (o paramerach p i, T i ). 8) kosz ermo-ekologiczny yarzania ciepła elekrociepłoni ynika z rónania: E chcec Q pal pal Q (9.14) g0 pal - kosz ermo-ekologiczny palia spalanego elekrociepłoni odniesiony do energii chemicznej, MJ/MJ, pal - kosz ermo-ekologiczny ynikający z odproadzania subsancji szkodliych do u ooczenia posałych na skuek spalenia jednoski energii chemicznej palia elekrociepłoni odniesiony do energii chemicznej palia, MJ/MJ. Wskaźnik pal dla podsaoych gazoych subsancji szkodliych posających na skuek spalania palia elekrociepłoni ynika z zależności: k i 97

98 1 pal mso2 SO2 mnox NOx m pyl pyl (1 zb ) mco2 CO2 E (9.15) chcec m k - srumień k-ej subsancji szkodliej lub CO2 odproadzanej z elekrociepłoni do ooczenia, kg/s, - kosz ermo-ekologiczny k-ej subsancji szkodliej obliczany edług zależności k (9.2), MJ/kg, CO2 - kosz ermo-ekologiczny usuania CO 2 obliczany z bilansu koszu ermoekologicznego dla insalacji usuania, MJ/kg, - udział energii chemicznej biomasy energii chemicznej palia spalanego elekrociepłoni. Rónanie (9.15) oprócz gazoych subsancji szkodliych uzględnia rónież kosz ermoekologiczny emisji CO 2. W rónaniu proadzono skaźnik z b, uzględniający założenie o zamknięym cyklu CO 2 podczas spalania biomasy. W krajoym sysemie elekroenergeycznym udział gazu ziemnego srukurze zużycia pali obciążającego yarzanie energii elekrycznej jes sosunkoo mały. Z ego poodu przyjęo, że energia elekryczna zasępuje energię elekryczną yarzaną zaodoej elekroni paroej opalanej ęglem kamiennym. Na rysunkach 9.1 i 9.2 przedsaiono zależność skaźnika koszu ermo-ekologicznego yarzania ciepła grzejnego elekrociepłoni od skaźnika skojarzenia oraz spraności energeycznej elekrociepłoni. W ablicach 9.3 i 9.4 przedsaiono dane pomocnicze do obliczeń. Tablica 9.5. Dane pomocnicze do obliczeń Spraność przesyłania ciepła z EC (1) 0,85 Spraność ransformacji i przesyłania energii elekrycznej 0,87 Spraność energeyczna elekroni zasąpionej 0,37 Spraność energeyczna koła ciepłoni 0,80 Wskaźnik porzeb łasnych elekroni zasąpionej 0,08 Wskaźnik porzeb łasnych elekrociepłoni paroej 0,15 Tablica 9.6. Dane pomocnicze do obliczeń emisje subsancji szkodliych na jednoskę energii chemicznej ęgla spalanego elekrociepłoni SO 2 NO x Pył kg/mj kg/mj kg/mj 0, ,0006 0,

99 EecB EecB EecB 0,70 0,75 0,80 EecB 0,85 Rys. 9.1 Zależność skaźnika koszu ermo-ekologicznego yarzania ciepła grzejnego elekrociepłoni ęgloej od skaźnika skojarzenia oraz spraności energeycznej elekrociepłoni EecB EecB EecB EecB 0,70 0,75 0,80 0,85 Rys. 9.2 Zależność skaźnika koszu ermo-ekologicznego yarzania ciepła grzejnego elekrociepłoni gazoo-paroej od skaźnika skojarzenia oraz spraności energeycznej elekrociepłoni 99

100 9.3. Oszczędność egzergii bogac nauralnych uzyskana dzięki sosoaniu kogeneracji Oszczędność egzergii nieodnaialnych bogac nauralnych uzyskana dzięki zasosoaniu kogeneracji: B * ec B * el B * c B * ec Eel0 p el 0 p pc el el Q pc c c c E el0 Q,, - spraności elekrociepłoni, średnia krajoych elekroni, średnia ec el pc pc c scenralizoanego yarzania ciepła kraju,, - spraności przesyłania ciepła grzejnego z elekrociepłoni i z ciepłoni, p p ec 0 ec ec (9.16), - spraności ransformacji i przesyłania elekryczności z elekrociepłoni i z elekroni,,, - średni kosz ermo-ekologiczny pali zużyanych rozparyanej ec el c elekrociepłoni oraz krajoych elekroniach i ciepłoniach,,, - średni kosz ermo-ekologiczny ynikający z emisji subsancji szkodliych ec el c posałych ze spalania palia odpoiednio dla elekrociepłoni, elekroni i ciepłoni scenralizoanej, E el 0,Q 0 - ilość elekryczności i ciepła dosarczonych do odbiorcó. Jeżeli elekrociepłonia, elekronia lub ciepłonia jes opalana mieszanką pali, o skaźnik koszu ermo-ekologicznego należy obliczać jako średnią ażoną, przy czym agami są udziały energii chemicznej poszczególnych pali: m zi i (9.17) i gdzie z i oznacza udział energii chemicznej i-ego palia całkoiej energii chemicznej mieszanki palnej. Udział energii chemicznej i-ego palia całkoiej energii chemicznej mieszanki palnej yznacza się z relacji: GW i di zi GW (9.18) i i di G i - srumień i-ego palia dosarczanego mieszance palnej do elekrociepłoni, kg/s lub kmol/s, W di - arość opałoa i-ego palia dosarczanego mieszance palnej do elekrociepłoni, MJ/kg lub MJ/kmol. Przykład 9.3 Oszczędność egzergii bogac nieodnaialnych 100

101 Sosując meodę opisaną zależnością (9.16) obliczono zględną oszczędność egzergii bogac nieodnaialnych dzięki zasosoaniu kogeneracji. Do rozażań przyjęo nasępujące dane: moc elekryczna u odbiorcó N el 0 = 9,016 MW, moc cieplna u odbioró Q g 0 = 21,89 MW, spraność energeyczna neo elekroni zaodoej E el N = 0,37, spraność energeyczna ciepłoni E c = 0,85, spraność energeyczna elekrociepłoni E ec = 0,90. Założono, że spraności przesyłania i ransformacji elekryczności są jednakoe dla elekroni i elekrociepłoni i ynoszą: = 0,92. Założono rónież, że spraności przesyłania ciepła są jednakoe przypadku ciepłoni i elekrociepłoni: p p pc = 0,85. Ponado przyjęo, że szyskie układy są opalane jednakoym paliem (ęglem kamiennym) i ziązku z ym emisja subsancji szkodliych na jednoskę energii chemicznej jes na ym samym poziomie. Z osaniego założenia ynika róność koszó ermo-ekologicznych: palia (zór 9.17) pal ec el c = 1,13 MJ/MJ, subsancji szkodliych posających ze spalania palia (zór 9.15) = 0,142 MJ/MJ. pal ec el c pc Do obliczeń ykorzysano zależność (9.16), przy czym miejsce ilości energii elekrycznej i ciepła podsaiono odpoiednie moce elekryczną i cieplną. Wykorzysując dane zaare przykładzie uzyskano: B * el srumień egzergii bogac nieodnaialnych obciążający produkcję elekryczności układzie rozdzielonym: Nel 0 9,016 el el 1,13 0,142 33,69 MW 0,920,35 p el B * c srumień egzergii bogac nieodnaialnych obciążający produkcję ciepła układzie rozdzielonym: Q 0 21,89 c c 1,13 0,142 38,09 MW 0,86 0,85 pc c B * ec srumień egzergii bogac nieodnaialnych obciążający skojarzone yarzanie ciepła i elekryczności: Nel 0 Q 0 9,016 21,89 ηp ηpc 0,92 0,85 γec σec 1,13 0,142 49,82 MW η 0,90 ec 101

102 B * ec * ec srumień oszczędności egzergii bogac nieodnaialnych ynikający z zasąpienia rozdzielonego yarzania elekryczności i ciepła procesem skojarzonym: B * el B * c B * ec 33,69 MW 38,09 MW - 49,82 MW 21,96 MW zględna oszczędność egzergii bogac nieodnaialnych ynikająca z zasąpienia rozdzielonego yarzania elekryczności i ciepła procesem skojarzonym: * B 21,96 MW ec 30% * * B B 33,69 MW 38,09 MW el c Przedsaiony przykład obliczenioy poierdza duży poencjał skojarzonego yarzania ciepła i elekryczności zakresie oszczędzania nieodnaialnych bogac nauralnych. Dla założonej spraności neo yarzania elekryczności procesie rozdzielonym na poziomie 0,37 (arość zbliżona do średniej uzyskianej krajoym sysemie energeycznym) poziom oszczędności bogac nieodnaialnych sięga 30%. Uzyskany rezula uzasadnia sosoanie skojarzonego yarzania ciepła i elekryczności jako jednego ze sposobó przearzania energii zgodnego z zasadą zrónoażonego rozoju. Lieraura: [1] Sanek W.: Meodyka oceny skukó ekologicznych procesach cieplnych za pomocą analizy egzergeycznej. Wydanico Poliechniki Śląskiej, Gliice [2] Szargu J.: Minimizaion of he depleion of non-reneable resources by means of he opimizaion of design parameers. Energy 2004;29(12-15): [3] Szargu J.: Depleion of unresorable naural exergy resources. Bullein of he Polish Academy of Sciences, Vol. 45, No. 2, [4] Szargu J., Analysis of cumulaive exergy consumpion. Energy Research, 1987, No 4, pp [5] Szargu J.: Applicaion of exergy for he deerminaion of ecological coss, Bull. Pol. Acad. Sci., Techn., No 7-8, 1986 [6] Szargu J., Ziębik A., Sanek W.: Depleion of he Unresorable Naural Exergy Resources as a Measure of he Ecological Cos. Energy, Conversion and Managemen 42, [7] Szargu J.: Exergy mehod, echnical and ecological applicaions. Souhampon, Boson: WIT Press, [8] Szargu J.: Egzergia. Poradnik Obliczania i Sosoania. Wydanico Poliechniki Śląskiej, Gliice

103 10. ANALIZA EKONOMICZNA UKŁADÓW KOGENERACYJNYCH Wproadzenie Analizę ekonomiczną kogeneracyjnych układó yórczych można proadzić z pozycji różnych podmioó z ą insalacją ziązanych. Podmioami ymi mogą być między innymi łaściciele insalacji, użykonicy jej produkó (elekryczności i ciepła) lub dosacy kapiału umożliiającego jej budoę. Sposób sformułoania skaźnikó oceny ekonomicznej insalacji jes ięc uzależniony od punku idzenia. W syuacji rozinięego rynku określonej grupy produkó, łaściciele insalacji yórczych proadzą grę rynkoą z nabycami produkó. Cena produku ynika óczas z usalenia się rónoagi podaży i popyu. W przypadku elekryczności i ciepła olnorynkoe zasady kszałoania cen podlegają nieraz penym ograniczeniom. W skrajnym przypadku ceny nośnikó energeycznych mogą podlegać cenralnej regulacji. Syuacja aka może mieć miejsce przypadku isnienia monopoli nauralnych lub zagrożenia bezpieczeńsa energeycznego pańsa. Regulaor, myśl zasady zrónoażonego rozoju poinien sym działaniu rónoażyć ineresy producenó i konsumenó, co może rzuoać na łaściy sposób oceny ekonomicznej zamierzeń inesycyjnych. W przypadku ciepła dysrybuoanego sysemach scenralizoanych niemal zasze ysępuje monopol nauralny po sronie łaściciela sieci oraz częso akże po sronie yórcy ciepła. Cena ciepła podlega óczas aryfikacji. Niezależnie jednak od sposobu kszałoania cen, łaściciele insalacji dążą zazyczaj do ziększania sanu sego posiadania, a nabycy dóbr do jak najniższego koszu ich pozyskania. Z punku idzenia yórcó elekryczności i ciepła łaście jes zaem ocenianie proponoanych inesycji yórczych oparciu o meodę przepłyó pieniężnych ziązanych z budoą i eksploaacją insalacji przy uzględnieniu szyskich isonych przychodó i rozchodó. Eenualne oboiązki i przyileje ynikające z oboiązujących akó regulacyjnych należy óczas uzględnić posaci ograniczeń nakładanych na łaście kaegorie koszó i przychodó. Wskaźniki oceny projekó inesycyjnych sformułoane oparciu o rachunek przepłyó goókoych można podzielić na die grupy - skaźniki nie uzględniające zmiennej arości pieniądza czasie (meody prose) oraz uzględniające ę zmienność (meody dyskonoe). W niniejszym opracoaniu skupiono się na meodach dyskonoych ze zględu ich iększą dokładność oraz bardziej rzeczyisy sposób uzględnienia ooczenia ekonomicznego projeku. Wszyskie skaźniki opare o meody dyskonoe, kóre zosały przedsaione rozdziale 10.2, mogą być obliczane dóch ersjach, edług formuły łaścicielskiej lub klasycznej [1]. W pierszym przypadku uzględnia się yłącznie ineres łaścicieli insalacji. W konsrukcji korzyści neo, oprócz przepłyó operacyjnych i inesycyjnych ysępują óczas akże przepłyy finansoe. W formule klasycznej opłacalność inesycji yznacza się z punku idzenia szyskich dosacó kapiału, a ięc przepły goókoy uzględnia 103

104 przepłyy inesycyjne i operacyjne. Szczegółoe formuły obliczenioe dla obu formuł podano punkcie Jak poszechnie iadomo, jednym z parameró mających znaczący pły na efekyność ekonomiczną elekrociepłoni (obliczaną edług formuły łaścicielskiej lub klasycznej) jes cena sprzedaży ciepła. Cena a może być rónocześnie miernikiem efekyności ekonomicznej rozparyanej jednoski yórczej, określanej z pozycji konsumena. Podejście akie jes proponoane jako uzupełnienie oceny proadzonej edług formuły łaścicielskiej i klasycznej. W ej syuacji konieczne jes określenie meody narzucania poziomu zyskó dla łaścicieli insalacji yórczej przedsaione punkcie Współyarzaną elekryczność ycenia się óczas po cenie jej rynkoego zbyu Wskaźniki oceny ekonomicznej noobudoanych elekrociepłoni Warość bieżąca neo (NPV): Wenęrzna sopa zrou (IRR): NPV NCF N (10.1) 0 (1 r ) NCF N 0 (10.2) 0 (1 IRR ) Zmodyfikoana arość bieżąca neo (MNPV): MNPV N 0 NCF (1 rei ) (1 r ) N N N 0 NCF (1 r ) (10.3) Zmodyfikoana enęrzna sopa zrou (MIRR): N N NCF (1 rei) k1 MIRR N 1 k (10.4) NCF (1 r) 0 Zdyskonoany okres zrou (DPB): NCF DPB 0 (10.5) 0 (1 r ) NCF - dodanie przepłyy pieniężne neo liczone na koniec -ego roku, PLN, NCF - ujemne przepłyy pieniężne neo okresie realizacji inesycji liczone na koniec -ego roku, PLN, k - okres, kórym ydaki są iększe niż płyy, laa, 104

105 r rei - sopa dyskona, - sopa reinesycji dodanich przepłyó pieniężnych, Składniki przepłyó pieniężnych Jak już spomniano, szyskie skaźniki oceny ekonomicznej, j. NPV, MNPV, IRR, MIRR, DPB mogą być obliczane dóch ersjach: edług z. meody łaścicielskiej [1], przyjmując óczas oznaczenia: NPV, MNPV, IRR, MIRR, DPB edług z. meody klasycznej [1], przyjmując óczas oznaczenia: NPV, MNPV, IRR, MIRR, DPB Meody e różnią się odnośnie sposobu uzględniania przepłyó finansoych oraz podaku dochodoego. W meodzie łaścicielskiej przepły goókoy neo obliczany jes edług nasępującej zależności: NCF ' O I P W F R T' (10.6) przy czym: O I P W F R T p A - dopły kapiału obcego, - ydaki inesycyjne, - przychody operacyjne, - ydaki operacyjne, T' p P W A F (10.7) - odseki od kapiału obcego pozosałego do spłay, - raa spłay kapiału obcego, - podaek dochodoy, - sopa podaku dochodoego, - roczne odpisy amoryzacyjne. Ponado meodzie łaścicielskiej dyskonoanie przepłyó pieniężnych odbya się oparciu o kosz kapiału łasnego: r ' k r' (10.8) k - sopa dyskona dla meody łaścicielskiej, - kosz kapiału łasnego. W meodzie klasycznej zakresie obliczania przepłyu pieniężnego neo oraz sopy dyskona oboiązują nasępujące zależności: NCF '' I J P W T " (10.9) przy czym: 105

106 r '' k o u J T '' p P W A (10.10) r' ' u k (1 u) k 1 p (10.11) - sopa dyskona dla meody klasycznej, - kosz kapiału obcego, - udział kapiału łasnego finansoaniu inesycji, - odseki od kapiału obcego naliczane -ym roku fazy inesycyjnej. o Poniżej przedsaiono składniki przychodó i ydakó operacyjnych uzględniane zazyczaj analizie ekonomicznej układó kogeneracyjnych. Wysępoanie poszczególnych składnikó jes uarunkoane ypem analizoanego układu kogeneracyjnego oraz charakerem ooczenia echnicznego projeku. Wydaki operacyjne ( W ): kosz ęgla, kosz biomasy, kosz gazu ziemnego, kosz gazu ielkopiecoego, kosz gazu koksoniczego, kosz kamienia apiennego, kosz ody amoniakalnej, kosz sorbenu do insalacji usuania CO 2, kosz ransporu i geologicznego składoania CO 2 kosz uylizacji sałych ubocznych produkó spalania, kosz ody przemysłoej, kosz pracy ludzkiej (koszy osoboe), kosz korzysania ze środoiska (SO 2, NO x, pył), kosz zakupu upranień do emisji CO 2, kosz urzymania i remonó. Przychody operacyjne ( P ): przychód ze sprzedaży ciepła, przychód ze sprzedaży elekryczności, przychód ze sprzedaży śiadec pochodzenia elekryczności zielonej, czeronej i żółej, przychód ze sprzedaży gipsu Meoda kompromisoa dla yznaczania ceny ciepła W uzupełnieniu do klasycznego ujęcia analizy ekonomicznej, polegającego na yznaczeniu spomnianych cześniej skaźnikó oceny dla przyjęych ścieżek cenoych, rozparuje się nieraz zagadnienie odrone, kórego celem jes yznaczenie ceny zbyu produku zapeniającej osiągnięcie z góry narzuconej arości skaźnika oceny. Druga z meod, 106

107 zasosoana do yceny ciepła siecioego, proadzi do algorymu określanego niniejszym opracoaniu meodą kompromisoą. W przypadku meody kompromisoej, cena ciepła yznaczana jes z punku idzenia jego huroych odbiorcó (najczęściej łaścicieli sieci ciepłoniczych), przy narzuceniu określonego zysku dla yórcy (łaściciela elekrociepłoni). Jako paramer określający zysk zaleca się przyjmoać zmodyfikoaną enęrzną sopę zrou (MIRR rónanie (10.4)). Cenę ciepła yznacza się óczas z rónania: MIRR' F( CQ ) r' (10.12) 2015 Paramer odzierciedla zględną nadyżkę przychodó dla łaściciela insalacji, ponad progiem opłacalności inesycji, kóry yznaczony jes sopą dyskona. Ze zględu na o, że analiza ekonomiczna ykonyana jes cenach zmiennych (uzględniających inflację i eenualne inne czynniki zrosu), cenę ciepła rónaniu (10.12) przyjmuje się dla pierszego roku eksploaacji rozparyanego układu kogeneracyjnego. Ceny ciepła pozosałych laach analizy są indeksoane skaźnikiem inflacji na podsaie ceny z roku bazoego. Cena drugiego produku elekrociepłoni - elekryczności przyjmoana jes edług prognoz rynkoych. Lieraura: [1] Rogoski W.: Rachunek efekyności przedsięzięć inesycyjnych. Oficyna Ekonomiczna, Krakó

108 11. PROGRAM CHP_Sraeg - ANALIZA I WYBÓR TECHNOLOGII DLA WYSOKOSPRAWNEJ KOGENERACJI - PRZEWODNIK UŻYTKOWNIKA Geneza, cel i ykonacy programu CHP_Sraeg Niniejszy program posał ramach Projeku Rozojoego Narodoego Cenrum Badań i Rozoju NR Celem projek było opracoanie meody yboru opymalnego sposobu realizacji ysokospranej dużej kogeneracji przez przedsiębiorsa energeyczne. Głónymi projekanami i ykonacami aplikacji byli praconicy Insyuu Techniki Cieplnej Poliechniki Śląskiej. Niniejszy opis programu odnosi się do jego pierszej ersji. Wszelkie akualne informacje na ema projeku znajdują się na jego sronie domoej:.ic.polsl.pl/chp_sraeg Odbiorcy aplikacji kompueroej CHP_Sraeg Odbiorcami aplikacji kompueroej CHP_Sraeg są projekanci i inesorzy rozparujący decyzję budoy noych układó kogeneracyjnych dużej mocy. Prezenoany program kompueroy spomaga podejmoanie decyzji zakresie yboru echnologii kogeneracyjnej Zakres sosoania Oprogramoanie CHP_Sraeg zosało zaprojekoane dla arunkó ooczenia pranoekonomicznego Polski. Analizy i modele symulacyjne programu pozalają na rozparyanie nasępujących echnologii na poziomie komercyjnej dosępności: elekrociepłonia paroa z urbiną przeciprężną i upusoo-przeciprężną, elekrociepłonia paroa z urbiną upusoo-kondensacyjną, elekrociepłonia gazoo-paroa z kołem odzyskoym, elekrociepłonia gazoa ze spalinoym ymiennikiem ciepła, elekrociepłonia paroa z insalacją usuania CO 2, elekronia uciepłoniona, zasosoanie zasobnika ciepła. Modułoa archiekura programu pozala na przyszłościoą jego rozbudoę o noe echnologie i przysosoanie go do analiz ooczeniu prano-ekonomicznym rónież innych krajó niż Polska Wymagania sprzęoe i aplikacyjne korzysania z aplikacji CHP_Sraeg Z uagi na o, że algorymy obliczenioe i modele symulacyjne programu zosały umieszczone na zdalnym sererze, od srony sprzęoej do obsługi aplikacji CHP_Sraeg ysarczy kompuer osobisy obsługujący przeglądarkę inerneoą. Obsługa aplikacji jes możlia z ykorzysaniem nasępujących sysemó operacyjnych: MS Windos, Mac OS, 108

109 Linux, Google Android i innych obsługujących popularne przeglądarki inerneoe. Aplikacja zosała przeesoana na nasępujących przeglądarkach: Google Chrome, Inerne Explorer, Mozilla Firefox oraz Opera. Użykonikoi zaleca się posiadania na kompuerze osobisym zainsaloanego oprogramoania ypu MS Office Excel bądź Open Office celem przygooania zesau danych do obliczeń. Kopioanie danych ejścioych (szczególnie ekonomicznych ścieżek cenoych) znacznie przyspieszy proces proadzania danych do programu Zasada działania i archiekura enęrzna programu W celu zapenienia odpoiedniego środoiska informaycznego dla aplikacji CHP_Sraeg przeznaczono na en cel dedykoany serer kompueroy. Serer zosał umieszczony Laboraorium Kompueroym Insyuu Techniki Cieplnej Poliechniki Śląskiej. Serer podłączony jes do sieci Inerne co umożliia użykonikom ciągły dosęp do aplikacji. Na rysunku 1 pokazano ideoy schema przepłyu informacji pomiędzy użykonikiem a sererem CHP_Sraeg. Rys Ideoy schema działania aplikacji CHP_Sraeg sieci Inerne Plaforma informayczna sysemu CHP_Sraeg składa się z kilku modułó uorzonych nasępujących echnologiach programisycznych: aplikacja - uorzona języku Java dosępna użykonikoi z poziomu przeglądarki inerneoej, pliki ykonyalne *.exe sanoiące modele symulacyjne poszczególnych echnologii, pakie arkuszy kalkulacyjnych oprogramoania Microsof Excel, baza danych baza PosgreSQL ykorzysyana jes do przechoyania zaróno danych ejścioych (przekazyanych do plikó*.exe), jak i łaściych ynikó obliczeń. Szeroki zakres aplikacyjny rozparyanych echnologii energeycznych sysemie CHP_Sraeg ymagał zasosoania kilkunasu podprogramó (aplikacja, pliki ykonyalne*.exe, pakie arkuszy kalkulacyjnych) sanoiących całość plaformy informaycznej sysemu. Kluczoą kesią z punku idzenia popranego działania całego 109

110 sysemu jes praidłoa ymiana danych pomiędzy poszczególnymi podprogramami. Za zapenienie praidłoego przepłyu danych sysemie CHP_Sraeg odpoiedzialny jes opracoany ym celu sysem ekspercki inegrujący ze sobą poszczególne moduły. Kolejnym zadaniem sysemu eksperckiego jes zapenienie konroli proadzanych przez użykonika danych do aplikacji. Przedsaiony na rys schema obrazuje proces przekazyania danych sysemie. Rys Schema procesu przekazyania danych sysemie CHP_Sraeg W pierszym eapie dane proadzane są przez użykonika do aplikacji poprzez przeglądarkę inerneoą. Przed przejściem do kolejnego kroku inicjoany jes sysem konroli proadzanych danych. Nasępnie proadzone dane są przekazyane do plikó ymiany *.x za pomocą specjalnie do ego celu uorzonych konereró. Pliki ymiany *.x zaierają informacje ejścioe dla modeli symulacyjnych (plikó ykonyalnych*.exe). Liczba ykonyalnych plikó*.exe jes aka sama jak liczba rozparyanych echnologii kogeneracyjnych. Po ypełnieniu plikó ymiany *.x danymi nasępuje inicjacja obliczeń (uruchamiany jes odpoiedni plik *.exe). Wybór odpoiedniego 110

111 pliku ykonyalnego *.exe nasępuje na podsaie zdefinioanych przez użykonika danych. Decydującym kryerium yboru jes rodzaj zasosoanego palia. Nasępnie sysem ekspercki uruchamia odpoiednie pliki *.exe, kóre przearzają dane ejścioe zdefinioane przez użykonika generując yniki posaci srumieni masy i energii dla danej echnologii. Wygeneroane yniki zapisyane są odpoiednim pliku eksoym *.x. Nasępnie yniki podlegają procedurze całkoania celu określenia ilościoych arości produkcji i zużycia poszczególnych składnikó bilansu rozparyanych okresach czasoych. Warości zużycia i produkcji z szyskich okresó czasoych są sumoane celu yznaczenia rocznych arości produkcji i zużycia nośnikó energii dla poszczególnych echnologii. Dane zaierające roczne arości produkcji i zużycia są nasępnie przekazyane do pakieu arkuszy kalkulacyjnych sanoiącego model ekonomiczny analizy, po kórego uruchomieniu nasępuje yznaczenie skaźnikó ekonomicznych. W nasępnym kroku są uruchamiane odpoiednie konerery danych yjścioych przekazujące dane ynikoe z plikó *.x oraz z pakieu arkuszy kalkulacyjnych do aplikacji CHP_Sraeg celu ich zaprezenoania użykonikoi. Wyniki prezenoane są posaci liczb, ablic oraz formie graficznej (ykresó) Uzyskanie pra dosępu do sysemu CHP_Sraeg oraz logoanie W celu uzyskania pra dosępu do aplikacji CHP_Sraeg użykonik poinien skonakoać się drogą elekroniczną z jednym z adminisraoró sysemu: Dr inż. Marcin Liszka: marcin.liszka@polsl.pl Dr inż. Krzyszof Hoinka: krzyszof.hoinka@polsl.pl W odpoiedzi użykonik orzyma nadaną nazę użykonika oraz hasło dosępoe do sysemu. Wejście do sysemu CHP_Sraeg odbya się przez sronę inerneoą zaierającą informacje na ema projeku.ic.polsl.pl/chp_sraeg 111

112 Rys Okno logoania programu CHP_Sraeg Po orzymaniu przydzielonej nazy użykonika oraz hasła, użykonik może się zalogoać korzysając z okna logoania u dołu srony (rys. 11.3). Po zalogoaniu użykonik inicjuje proces proadzania danych przez naciśnięcie przycisku Wproadź obliczenia i zosaje przekieroany do pierszego okna proadzania danych (rys. 11.4). U dołu srony znajduje się naigacyjny pasek posępu obejmujący 7 krokó proadzania danych. Podczas ypełniania danych ejścioych użykonik każdym momencie ma możliość zapisu proadzonych arości i porou do poprzednich okien celem proadzania eenualnej koreky. W kroku 1 (rys. 11.4) użykonik określa ymagane paramery sieci ciepłoniczej podając średniomiesięczne arości emperaur ody grzejnej, ody poronej, emperaury ooczenia ( o C), jak rónież średniomiesięczne arości srumienia ody siecioej (kg/s). Pierszy iersz ym oknie doyczy arości emperaur i srumienia ody siecioej dla parameró nominalnych. U dołu srony prezenoany jes ykres ukazujący on-line maksymalny srumień ciepła oraz średniomiesięczne arości srumienie ciepła z sieci ciepłoniczej MW. Program CHP_Sraeg uzględnia możliość produkcji pary na porzeby echnologiczne. W kroku drugim użykonik definiuje paramery pary echnologicznej poprzez podanie ciśnienia barach oraz srumienia kg/s (rys. 11.5). 112

113 W kroku rzecim użykonik definiuje rodzaj i ielkość źródła szczyoego. W programie przeidziano opcjonalnie możliość spółpracy źródła kogeneracyjnego z kołem szczyoym zasilanym gazem ziemnym oraz olejem opałoym. Isnieje rónież możliość uzględnienia analizie zasobnika ciepła. Wielkość źródła szczyoego definioana jes za pomocą spółczynnika udziału skojarzenia podaanego dla każdej z rozparyanych echnologii. Użykonikoi prezenoane są sugeroane arości spółczynnikó udziału skojarzenia yznaczone na podsaie rónań empirycznych opracoanych na porzeby programu przez ykonacó projeku. Rys Krok 1 - proadzanie danych o sieci ciepłoniczej 113

114 Rys Krok 2 - paramery pary echnologicznej Rys Krok 3 - rodzaj oraz paramery źródła szczyoego 114

115 Bardzo isonym aspekem z punku yboru echnologii kogeneracyjnej jes dosępna baza palioa, kóra definioana jes kroku 4. Program CHP_Sraeg uzględnia możliość spalania nasępujących pali: ęgiel kamienny, biomasa, gaz ziemny, gaz ielkopiecoy, gaz koksoniczy. Rys Krok 4 - dosępna baza palioa raz z ograniczeniami W celu przeproadzenia obliczeń należy ybrać rodzaj palia poprzez jego zaznaczenie. Program CHP_Sraeg umożliia rónież analizę spółspalania biomasy z ęglem kamiennym. W celu przeanalizoania spółspalania biomasy z ęglem należy zaznaczyć oba palia. W przypadku każdego palia może pojaić problem możliości jego dosay do układu. Użykonik może zdefinioać roczne ograniczenia dosay poszczególnych pali. Program dokona konroli czy dla ymaganego srumienia ciepła ograniczenie dosaie palia nie zosało przekroczone. W kroku 4 użykonik może rónież zażądać uzględnienia analizie ermo-ekonomicznej oceny układu ęgloego raz z insalacją ychyu dulenku ęgla. W ym celu użykonik poinien zaznaczyć odpoiednie pole. W kroku 5 użykonik podaje ograniczenia dosaie ody przemysłoej. Gdy eksploaacja rozparyanego układu będzie ymagała iększych ilości ody przemysłoej program poinformuje o ym użykonika. 115

116 Rys Krok 5 - definioanie ograniczeń dosaie ody przemysłoej Osanie da kroki (6 i 7) obejmują dane analizy ekonomicznej. W kroku 6 (rys. 11.7) użykonik podaje nasępujące dane makroekonomiczne: kosz kapiału łasnego, kosz kapiału obcego, udział kapiału obcego, okres spłay kapiału obcego, sopa reinesycji dla meody FCFE, sopa reinesycji dla meody FCFF, roczna sopa amoryzacji, sopa podaku dochodoego. Osani krok nr 7 proadzania danych programie CHP_Sraeg obejmuje definioanie ekonomicznych ścieżek cenoych dla nośnikó energeycznych uzględnianych analizie ekonomicznej (rys. 11.7). Z uagi na znaczną liczbę danych ym kroku (ceny dla okresu 30 la) zaleca się przygooanie kompleu danych arkuszu kalkulacyjnym (np. MS Excel lub Open Office) nasępnie skopioanie ich do okna dialogoego. Można ym celu użyć kombinacji klaiszy crl+c (kopiuj) oraz crl+v (klej). Isnieje możliość skopioania kompleu danych bądź ybranych ścieżek cenoych. Program CHP_Sraeg uzględnia ceny nasępujących nośnikó energii: cena ęgla kamiennego, cena biomasy, 116

117 cena gazu ziemnego, cena gazu ielkopiecoego, cena gazu koksoniczego, cena upranień do emisji CO2, cena energii elekrycznej, cena "zielonych" śiadec pochodzenia, cena "czeronych" śiadec pochodzenia, cena zbyu pary echnologicznej, koszy remonó, opłaa za emisję SO2, opłaa za emisję NOx, cena kamienia apiennego, cena ody przemysłoej, cena ody amoniakalnej, cena sorbenu MEA, cena ciepła, opłaa za emisję CO2, kosz ransporu biomasy, kosz ransporu ęgla, kosz zagospodaroania odpadó paleniskoych, opłaa za emisję pyłu, cena gipsu, ynagrodzenie z pochodnymi, cena "żółych" śiadec pochodzenia, cena gazu ziemnego szczyoego, cena oleju opałoego lekkiego. 117

118 Rys Krok 6 - definioanie skaźnikó ooczenia makroekonomicznego Po proadzeni danych użykonik może uruchomić proces obliczenioy za pomocą przycisku "Zapisz i uruchom obliczenia". Po naciśnięciu ego przycisku program zaliduje pisane dane, zapisze je na sererze ( celu ich eenualnej, późniejszej edycji), zainicjuje działanie sysemu eksperckiego oraz uruchomi proces obliczenioy. Na podsaie pisanych danych program dokonuje analizy możliości realizacji szyskich rozparyanych echnologii i przedsaia yniki analizy energeycznej i ekonomicznej. Wyniki analizy ekonomicznej sanoią: skaźnik NPV dla meody FCFE, skaźnik NPV dla meody FCFF, skaźnik MNPV dla meody FCFE, skaźnik MNPV dla meody FCFF, skaźnik IRR dla meody FCFE, skaźnik IRR dla meody FCFF, skaźnik MIRR dla meody FCFE, skaźnik MIRR dla meody FCFF, zdyskonoany czas zrou (DPB) dla meody FCFE, zdyskonoany czas zrou (DPB) dla meody FCFF, prosy czas zrou (SPB) dla meody FCFE, prosy czas zrou (SPB) dla meody FCFF, skaźnik NPVR dla meody FCFE, skaźnik NPVR dla meody FCFF. 118

119 Rys Krok 7 - definioanie ekonomicznych ścieżek cenoych dla nośnikó energeycznych uzględnianych analizie ekonomicznej Oprócz ynikó ekonomicznych program CHP_Sraeg zraca rónież yniki symulacji energeycznych posaci nasępujących rocznych arości zużyć i produkcji: produkcja energii elekrycznej neo, produkcja energii elekrycznej bruo, produkcja ciepła, produkcja pary na ekspor, produkcja gipsu, zużycie ęgla, zużycie biomasy, zużycie gazu ziemnego, zużycie gazu ielkopiecoego, zużycie gazu koksoniczego, emisja CO2 podlegającego opłacie, CO2 przeznaczone do składoania, zużycie ody amoniakalnej, zużycie sorbenu MEA, zużycie ody przemysłoej, emisja SO2, emisja NOx, emisja pyłu, produkcja sałych produkó spalania, 119

120 zużycie kamienia apiennego, zużycie gazu ziemnego szczyoego, zużycie oleju opałoego szczyoego. Rys Moduł prezenacji ynikó - ablica skaźnikó oceny ekonomicznej ( ym ypadku dóch echnologii) raz z zakładkami zaierającymi szczegółoe yniki analizy energeycznej i ekonomicznej rekomendoanych echnologii Program CHP_Sraeg posiada moduł prezenacji ynikó formie graficznej on-line (rys ). Prezenoane są profile NPV rozparyanych echnologii dla meod fcfe i fcff jak rónież arości przepłyó pieniężnych dla pierszego roku eksploaacji układu danej echnologii. 120

121 Rys Moduł prezenacji ynikó formie graficznej on-line Sysem pomocy Na porzeby programu zaimplemenoano sysem pomocy dla użykonika. Sysem pomocy jes dosępny każdym kroku proadzania danych programie i działa rzech arsach aplikacji: okno pomocy informacji ogólnych, podpoiedzi szczegółoe przy polach pisyania danych, komunikay o błędach. Okno pomocy informacji ogólnych jes umieszczone na górze srony każdym kroku modułu proadzania danych. W oknie ym użykonik jes informoany ogólnie o ymaganiach i założeniach ziązanych z proadzanymi paramerami. Druga arsa pomocy obejmuje podpoiedzi szczegółoe. Podpoiedzi e pojaiają się po najechaniu myszą na znak zapyania obok każdego pola proadzania danych programie. Wyśielane komunikay zaierają informacje o formacie, jednosce i dopuszczalnym zakresie proadzanej danej. Trzecia arsa pomocy obejmuje komunikay o błędnie proadzonej danej. Warsa a rónież obejmuje szyskie pola komunikacji programie. Informacja o błędnie proadzonej danej pojaia się kolorze czeronym obok pola danej. 121