Regulacja ciśnienia w sieci cieplnej współpracującej z zautomatyzowanymi węzłami ciepłowniczymi

Transkrypt

1 Kazimierz ŻARSKI, dr inż. Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy Zakład Ogrzewnictwa i Wentylacji Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska Regulacja ciśnienia w sieci cieplnej współpracującej z zautomatyzowanymi węzłami ciepłowniczymi

2 Większość systemów ciepłowniczych w Polsce była tworzona w późnych latach 50. lub w latach 60. XX. stulecia. Scentralizowane systemy o niewielkim zasięgu występowały przed II. wojną światową w rejonach przemysłowych lub w nielicznych osiedlach miejskich (np. Gorzów Wlkp.). Pierwszymi źródłami ciepła w końcu lat 40. i na początku lat 50. były lokalne kotłownie węglowe, najczęściej o mocy kilkuset kilowatów lub kilku megawatów. Na początku były to wyłącznie źródła ciepła do celów centralnego ogrzewania. W większości miast w Polsce ciepła woda była w budynkach mieszkalnych przygotowywana w gazowych, przepływowych podgrzewaczach wody. Takie układy funkcjonują jeszcze w niektórych dzielnicach miast Polski do dzisiaj (Poznań, Wrocław, Warszawa, Gdańsk i in.). Dominującym typem węzła cieplnego, narzuconym przez Inspektoraty Gospodarki Paliwowo-Energetycznej, w latach 50. i 60. były węzły hydroelewatorowe. Te węzły były pozbawione elementów automatycznej regulacji. W budynkach wyposażonych w instalacje centralnego ogrzewania nie było żadnych elementów regulacyjnych. Zawory termostatyczne RCO, produkowane w Nowej Dębie pojawiły się w latach 70., ale ich zastosowanie było ograniczone do nielicznych budynków (szpitale, żłobki, budynki o znaczeniu państwowym). W rzadkich przypadkach można było sięgnąć po urządzenia produkowane w krajach tzw. Zachodu. Do czasu budowy pierwszych węzłów wymiennikowych w początku lat 70. (były to przeważnie węzły grupowe, nieliczne indywidualne, na początku z wymiennikami TPJ, WCO i WCW), systemy ciepłownicze były w zupełności pozbawione elementów regulacji ilościowej zarówno w sieci ciepłowniczej, jak i w instalacji wewnętrznej.

3 Tz [oc] tz [oc] tp [oc] Rys. 1. Wykres regulacyjny przy parametrach sieci: 150/70 o C i instalacji 95/70 o C przy połączeniu za pośrednictwem węzła hydroelewatorowego (I. strefa klimatyczna, t eo =-16 o C)

4 Tz [oc] tz [oc] tp [oc] Rys. 2. Wykres regulacyjny przy parametrach sieci: 150/70 o C i instalacji 95/70 o C przy połączeniu za pośrednictwem węzła hydroelewatorowego z funkcją przygotowania ciepłej wody (I. strefa klimatyczna, t eo =-16 o C)

5 Tz [oc] Tp [oc] tz [oc] tp [oc] Rys. 3. Wykres regulacyjny przy parametrach sieci: 150/70 o C i instalacji 95/70 o C przy połączeniu za pośrednictwem węzła wymiennikowego z funkcją przygotowania ciepłej wody i regulacją ilościową poza punktem załamania wykresu regulacyjnego (I. strefa klimatyczna, t eo =-16 o C)

6 Lata 90. XX. wieku stały się przełomowe w polskim ciepłownictwie Po pierwsze, pojawiła się możliwość zastosowania w ciepłownictwie urządzeń regulacyjnych o światowym standardzie, o znacznie lepszych właściwościach regulacyjnych:statycznych i dynamicznych. Polepszyło to jakość regulacji, tym samym wzmocniło element ilościowy w regulacji systemów ciepłowniczych. Po drugie, instalacje wewnętrzne w nowych i istniejących budynkach były sukcesywnie wyposażane w termostatyczne zawory grzejnikowe, co wprowadziło element ilościowy w regulacji instalacji wewnętrznej i wpłynęło na zmiany strumienia sieciowego i obniżenie temperatury wody powrotnej w sekcji c.o. w znacznie większym stopniu niż bez zaworów termostatycznych. Po trzecie, wprowadzono obowiązek pomiaru zużycia ciepła lub podziału kosztów ogrzewania w poszczególnych mieszkaniach, co skłoniło użytkowników instalacji do działań w kierunku oszczędności. Po czwarte, niemal powszechnie obniżono w polskich systemach ciepłowniczych wartości temperatury obliczeniowej zasilania, początkowo do 130 oc, ze względu na wymagania technologiczne preizolowanych sieci ciepłowniczych, później w większym stopniu, do 125, 120, nawet 105 oc. Temperatura wody powrotnej również się obniżyła.

7 Po piąte, obniżono projektowe parametry instalacji wewnętrznych, początkowo do 80/60 oc, później do 70/55 oc i 65/50 oc, co spowodowało obniżenie temperatury wody powracającej z instalacji w stosunku do poprzednich standardów. Po szóste, w styczniu 2009 roku projektanci instalacji wewnętrznych ogrzewania zostali zobowiązani do oparcia się na normie PN EN 12831, służącej do obliczenia zapotrzebowania na moc cieplną pomieszczeń i budynków (projektowego obciążenia cieplnego). Norma ta nie uwzględnia chwilowych zysków ciepła, a ponadto wyznacza nadwyżkę mocy ze względu na osłabienie ogrzewania. Zapotrzebowanie na moc cieplną, obliczone zgodnie z tą normą, prowadzi do wyników o 15-25% wyższych niż według poprzedniej normy (PN-B-03406). Odpowiedzią instalacji jest obniżenie temperatury wody powrotnej, odpowiedzią sieci zmniejszenie strumienia masy nośnika ciepła i obniżenie temperatury wody wracającej do sieci ciepłowniczej. Po siódme, w pierwszych latach po wprowadzeniu obowiązku stosowania termostatycznych zaworów przy grzejnikach wytyczne projektowania instalacji wewnętrznych podawały zasadę zwiększenia o 25% powierzchni dobranych grzejników, aby móc skompensować oszczędnościowe działania sąsiadów. Po ósme, poddano termomodernizacji dużą liczbę istniejących budynków, co doprowadziło do spadku mocy zamówionej i znacznego (nieproporcjonalnie do zmiany mocy cieplnej) obniżenia strumienia masy nośnika ciepła.

8 Tz [oc] Tp [oc] tz [oc] tp [oc] Rys. 4. Wykres regulacyjny przy parametrach sieci: 120/60 o C i instalacji 70/50 o C bez uwzględnienia wpływu działania zaworów termostatycznych

9 W dalszym ciągu obszar na prawo od punktu załamania wykresu regulacyjnego, nawet po poszerzeniu zakresu sezonu grzewczego do temperatury zewnętrznej 12 o C, nie stanowił istotnego czasowo przedziału. Instalacje wewnętrzne dalej nie były wyposażone w termostatyczne zawory grzejnikowe. Patrząc na wykres temperatury na rys. 3. można zauważyć, że od czasu wprowadzenia układów regulacji temperatury w sekcjach ogrzewania (lata 80. XX wieku), jeszcze bez elementów regulacji miejscowej w instalacjach wewnętrznych ogrzewania, założenie o najmniej korzystnych warunkach do projektowania dwustopniowego systemu przygotowania ciepłej wody w punkcie załamania wykresu regulacyjnego przestały być słuszne. Newralgicznym punktem jest początek i koniec sezonu grzewczego, gdy temperatura wody powracającej z sekcji ogrzewania jest najniższa. Nikt tego faktu nie zauważył, a wydawane w przeszłości i obecnie wytyczne projektowania dwustopniowych węzłów cieplnych w niektórych systemach ciepłowniczych dalej bazują na tym założeniu.

10 Φ [kw] V 1 [dm 3 /s] Rys. 5. Charakterystyka wymiennika płytowego XB w układzie Φ=f(m 1 ) t 12 =120 o C, t 21 =60 o C, V 2 =1.053 dm 3 /s, wymiennik dobrany przy V 1 =0.553 dm 3 /

11 12.00 p [bar] pst pp pp' pz pz' l [m] Rys. 6. Linia ciśnienia w warunkach obliczeniowego przepływu i przy zmniejszeniu strumienia masy do ok. 50% wartości obliczeniowej, pst ciśnienie stabilizujące, pz ciśnienie zasilania, pp ciśnienie powrotu

12 Rys. 7. Uproszczony schemat ideowy kotłowni z rozdzielonymi obiegami. PS pompy sieciowe, PZ pompy zimnego mieszania, PM pompy gorącego mieszania, PK pompy obiegów kotłów

13 12.00 p [bar] pst pp pp' pz pz' l [m] Rys. 8. Linia ciśnienia w warunkach obliczeniowego przepływu i przy zmniejszeniu strumienia masy do ok. 50% wartości obliczeniowej przy regulacji wysokości podnoszenia pomp sieciowych, pst ciśnienie stabilizujące, pz ciśnienie zasilania, pp ciśnienie powrotu

14 Zjawisko kawitacji rzadko występuje w zaworach regulacji temperatury w obwodzie ogrzewania i przygotowania ciepłej wody. Może wystąpić jednak, zwłaszcza w systemach ciepłowniczych o znacznym zasięgu, w zaworach regulacji różnicy ciśnienia i przepływu (ograniczenia strumienia objętości). Kawitacja może być skutkiem ubocznym wzrostu dławionej różnicy ciśnienia przy zmieniającym się istotnie ciśnieniu dyspozycyjnym w punkcie zasilania węzła cieplnego. Zawór regulacji różnicy ciśnienia i przepływu dobiera się stosownie do zakresu regulowanego przepływuz założeniem straty ciśnienia (zmiennej) i straty ciśnienia w stałym elemencie dławiącym. Łączna strata ciśnienia [bar] wynosi p z p p ρ = 1000 min = p 1 V K v100 p 1 z p p d ł

15 Istotne zmiany w polskich systemach ciepłowniczych wprowadziły elementy ilościowe w regulacji kiedyś wyłącznie jakościowej. Dostosowanie współczesnych sieci ciepłowniczych do współpracy z źródłem ciepła może wymagać niezbędnych czynności eksploatacyjnych. Pozostawienie dawnego modelu działania systemu wprowadza trudne do wyeliminowania zakłócenia i obniża atrakcyjność ekonomiczną eksploatacji systemów ciepłowniczych.

16 Dziękuję za uwagę