Modernizacja ciepłowni przemysłowej.

Transkrypt

1 Modernizacja ciepłowni przemysłowej. The modernization of the district heating system supplied from the industrial heating plant Autor: Ryszard Śnieżyk 1 ( Instal nr 1/2010) Streszczenie Opisane prace modernizacyjne wykonano w latach Ze względu na kompleksowy zakres działań oraz fakt istnienia w Polsce wielu systemów ciepłowniczych przemysłowo-komunalnych o poziomie technicznym sprzed modernizacji, uznano, że przykład ten może być zastosowany obecnie. Zmiana struktury sieci ciepłowniczej pozwoliło na znaczne zmniejszenia strat ciepła na przesyle oraz rozdzielenie dostawy ciepła do osiedli mieszkaniowych i obiektów przemysłowych. Odbiorcy ci wymagają zupełnie różnych temperatur wody sieciowej na zasilaniu. Zlikwidowano sieć parową, a kotły parowe pełniły rolę małych, elestycznych jednostek wytwórczych zasilających wodną sieć ciepłowniczą. Prace zrealizowano metodą ESCO uzyskując pozytywny wynik finansowy. The summary Described modernization works were performed in years The odds the complex range of activities and the fact of the existence in Poland of many industrial-communal district heating systems about the technical level from before the modernization they acknowledged that this example could baa applied at present. The change of structure of the district heating network it let he considerable diminutions of losses of heat and the decollement of the delivery of the heat supply are of housing and industrial objects. The recipient these demand completely different temperatures of the supply water he the feed. They liquidated the district heating network of steam, and steam-boilers fulfilled the part small, elastic of productive units feeding the water district heating network. Works were realized with the method ESCO obtaining the positive economic result. Wprowadzenie W artykule przedstawiono modernizacji ciepłowni zasilającej przemysłowo-komunalny system ciepłowniczy na przykładzie ciepłowni METALCHEM w Opolu. Zmieniono strukturę sieci ciepłowniczej dzięki czemu wyeliminowano parę wodną do zasilania komunalnych węzłów ciepłowniczych do przygotowania ciepłej wody użytkowej latem oraz wydzielono część komunalną od części przemysłowej. Pozwaliło to na rozdzielenie parametrów dostawy ciepła do budynków mieszkalnych i obiektów przemysłowych. Wprowadzono oddzielne wykresy regulacyjne do obu części systemu ciepłowniczego oraz umożliwiło stosowanie ogrzewania dyżurnego. 1 dr inż. Ryszard Śnieżyk prowadzi działalność gospodarczą pod nazwą: Ryszard Śnieżyk Wrocław

2 Uzyskano znaczący efekt ekonomiczny przedsięwzięć. Część prac sfinansowano z zastosowaniem metody ESCO. Opis systemu ciepłowniczego System ciepłowniczy APC METALCHEM w Opolu [1] zasilany był z ciepłowni parowo-wodnej wyposażonej w trzy kotły wodne WR-25 i dwa kotły parowe OR-5. Zainstalowana moc cieplna (3 x 29MW + 2 x 3,5MW = 94MW) znacznie przekraczała aktualne zapotrzebowanie. Ciepłownia zasilała obiekty produkcyjne (produkcja konstrukcji metalowych aparatury chemicznej), tj. do ogrzewania hal i ich wentylacji oraz obiekty biurowe, a także dwa osiedla mieszkaniowe (centralne ogrzewanie i przygotowanie ciepłej wody użytkowej). W sumie na terenie APC METALCHEM znajdowało się około 40 obiektów, których obliczeniowe projektowe zapotrzebowanie mocy do centralnego ogrzewania około 40 MW, do wentylacji około 6 MW oraz do przygotowania ciepłej wody użytkowej około 2 MW. W osiedlach mieszkaniowych zamieszkiwało około 2500 osób. Zapotrzebowanie mocy do centralnego ogrzewania wynosiło około 6,0 MW. Początkowo przygotowywanie ciepłej wody użytkowej w jednym osiedlu odbywała się za pomocą wymienników ciepła para-woda. W drugim osiedlu była kotłownia gazowa do podgrzewania ciepłej wody użytkowej. W pierwszym momencie wydaje się, że stosowanie pary wodnej jest zupełnie nieuzasadnione. Biorąc pod uwagę moce kotłów wodnych niemożliwa praca kotła WR-25 latem kiedy potrzeby wynoszą około 1,5 do 2,0 MW. Rzeczywiste potrzeby systemu ciepłowniczego wynosiły około 20 MW ze względu na znaczą liczbę wyłączonych obiektów przemysłowych. Wśród odbiorców był hotel robotniczy zasilany niskimi parametrami do centralnego ogrzewania i ciepłą wodą z instalacji znajdującej się w Ciepłowni. W niektórych miejscach ułożono obok siebie występowało nawet osiem przewodów. Ze względu na to, że jedno z osiedli mieszkaniowych jest zasilane z końca sieci ciepłowniczej odgałęzienia, które wcześniej obsługuje obiekty przemysłowe. Powoduje to niestabilne parametry dostawy ciepła przez szczególnie duże wahania ciśnienia dyspozycyjnego oraz temperatury wody sieciowej na zasilaniu. Ponadto, taki sposób zasilania węzła ciepłowniczego w osiedlu mieszkaniowym uniemożliwia stosowanie centralnej regulacji ilościowej (ogrzewanie dyżurne) w dniu, w których zakład przemysłowy nie pracuje. Przedsięwzięcia modernizujące. Modernizację systemu ciepłowniczego należało przeprowadzić w taki sposób, aby nie ponosić dużych nakładów inwestycyjnych, gdyż perspektywy istnienia systemu ciepłowniczego nie były pewne. Ponadto, inwestor nie posiadał środków na inwestycje i nie miał zdolności kredytowej

3 Z powyższych względów, zaproponowano zastosowanie metody ESCO, która polega na zainwestowaniu kapitału przez firmę zewnętrzną, a spłata nakładów następuje z osiągniętych, bezdyskusyjnych oszczędności. Zmiana struktury sieci ciepłowniczej. Celem zmiany struktury sieci ciepłowniczej było: 1. wydzielenie odbiorców komunalnych przez utworzenie osobnego wyjścia sieci ciepłowniczej z Ciepłowni, 2. likwidację sieci parowej. Konieczne było przebudowanie węzła ciepłowniczego w jednym osiedlu mieszkaniowym przez wybudowanie dwufunkcyjnego węzła ciepłowniczego zasilanego wodą sieciową przez cały rok. Autor w ramach działalności gospodarczej zrealizował około 40 takich węzłów ciepłowniczych w Bydgoszczy, Słupsku, Kwidzynie i Ustce. Osobne zasilanie osiedli mieszkaniowych uzyskano przez wybudowanie nowego odcinka sieci ciepłowniczej. Odcinek ten ma średnicę D n = 100 mm, obydwa przewody są w jednym płaszczu (technologia PRIM-Lublin) i ma długość niemal 500 m. Ponadto, przyłączono hotel robotniczy do węzła grupowego i usunięto zbędne odcinki sieci ciepłowniczej. Łączna długość (wg planu) zlikwidowanych odcinków sieci ciepłowniczej wynosiła ponad m. W niektórych miejscach było nawet 8 przewodów, a ich całkowita długość wynosiła około m. Poza obniżeniem strat ciepła ze zlikwidowanej sieci ciepłowniczej, istotne jest wyeliminowanie strat pary wodnej oraz kondensatu. Zastosowane rozwiązanie zapewnia ekonomiczną pracę mniejszych kotłów parowych, które są niezbędne latem. Zmiany w Ciepłowni Po wykonaniu nowej sieci ciepłowniczej oraz przebudowie węzłów ciepłowniczych w osiedlach mieszkaniowych przebudowano sieci i węzły ciepłownicze na terenie zakładu i Ciepłowni. Wykonano osobne podmieszanie zimne do sieci ciepłowniczej w kierunku osiedli mieszkaniowych. W niektórych obiektach przemysłowych, o bardzo małych zapotrzebowania ciepłej wody użytkowej, zlikwidowano jej dostarczanie z Ciepłowni lub podgrzewanie w lokalnych węzłach ciepłowniczej i zamontowano przepływowe podgrzewacze elektryczne. Zwykle dotyczyło to obiektów, w których zainstalownych było jedna lub kilka umywalek. Zmieniono sposób przygotowania ciepłej wody użytkowej w Ciepłowni. Istniejące podgrzewacze pojemnościowe wykorzystano jako zasobniki ciepłej wody użytkowej, a jej podgrzewanie realizowano w wymiennikach przepływowych typu JAD-6/50. Ze względu na małe zapotrzebowanie ciepłej wody użytkowej oraz dużą pojemność zasobników (około 20 m 3 ) czas ich rozładowania wynosił nawet trzy doby

4 Kotły parowe OR-5 zasilały wymienniki ciepła typu JAD-6/50. Pięć wymienników pracowało jako wymienniki para-woda, a dwa woda-woda do dochłodzenia kondensatu. Uzyskano relatywnie niskie temperatury kondensatu. Pomimo, że kotły były w złym stanie technicznym, to zużycie węgla latem zmniejszyło się po przebudowie układu do 30% wartości wcześniejszej. Wykonano również odpowiednie układy sterowania w węzłach ciepłowniczych i w samej Ciepłowni. Zamontowano również filtry magnetyczno-workowe do oczyszczania wody sieciowej (około 25% całkowitego jej przepływu w Ciepłowni). Konieczne było opracowanie wykresu regulacyjnego oraz określenie parametrów pracy układów na terenie Ciepłowni, tj. wykresów ciśnień piezometrycznych oraz temperatur i przepływów przez kotły, podmieszanie zimne i gorące. Przyjęto wykres regulacyjny z dwoma załamaniami (co jest oryginalnym rozwiązaniem Autora i stosowanym w wielu systemach ciepłowniczych [2]), czyli T z /T p = 150/70 o C, przy T zmax = 130 o C i T zmin = 70 o C. Pozwala to na zachowanie przepływów na projektowym poziomie (niemal przez cały sezon ogrzewczy) oraz stosowanie izolacji cieplnej sieci ciepłowniczej z pianki poliuretanowej. Ponadto wyznaczono temperatury przy ogrzewaniu dyżurnym w dni kiedy obiekty przemysłowe nie są wykorzystywane. Uzyskany wykres regulacyjny [3] pokazano na rys. 1. Na rysunku tym przyjęto następujące oznaczenia: T z /T p zasilanie/powrót wody sieciowej do/z osiedli mieszkaniowych, T zp /T pp zasilanie/powrót wody sieciowej do/z ogrzewanych obiektów przemysłowych, T zw /T pw zasilanie/powrót wody sieciowej do/z wentylacji obiektów przemysłowych, T zpd /T ppd zasilanie/powrót wody sieciowej do/z obiektów przemysłowych przy ogrzewaniu dyżurnym, Na wykresie nie są widoczne różnice kształtu krzywych ogrzewania z tytułu różnych charakterystych grzejników, a mianowicie: m = 0,25 - grzejniki w instalacjach centralnego ogrzewania w mieszkaniach, m = 0,20 - grzejniki w instalacjach centralnego ogrzewania z rur ożebrowanych (hale przemysłowe), m = 0,00 - nagrzewnice wentylacyjne z rur ożebrowanych. Ogrzewanie hal może odbywać się, gdy temperatura zewnętrzna jest niższa niż np. t zewn = 12 o C (przy temperaturze w halach t wp = 16 o C), a wóczas temperatura zasilania wody sieciowej T zpmin = 35,5 o C. Natomiast temperatura zasilania nagrzewnic wentylacyjnych wynosi wówczas T zwmin = 30,9 o C

5 Rys. 1. Wykres regulacyjny do osiedli mieszkaniowych i obiektów przemysłowych. Wpływ wentylacji na pracę systemów ciepłowniczych przeanalizowano we wcześniejszej pracy Autora [4]. W przypadku dni wolnych, tj. kiedy zakład nie pracuje, zastosowano ogrzewanie dyżurne. Wówczas wentylacja nie pracuje, a do ogrzewania hal stosowano odpowiednie temperatury przy przepływie wody sieciowej takim jak podczas normalnego ogrzewania. Stały przepływ wody sieciowej wynikał z małej stateczności hydraulicznej i dużej wrażliwości systemu na zmiany przepływu. Przy zbiegu niekorzystnych okoliczności mogłoby dojść do zamrożenia instalacji centralnego ogrzewania w niektórych miejscach. Przyjęto, że temperatura wewnętrzna w hala podczas ogrzewania dyżurnego wynosi t wd = 10 o C. Ogrzewanie dyżurne działało przy temperaturach zewnętrznych o t w = 4K niższej niż temperatura wewnętrzna, czyli poniżej t zew < 6 o C. Wykres regulacyjny przy ogrzewaniu dyżurnym pokazano na rys. 2. Rys. 2. Wykres regulacyjny przy ogrzewaniu dyżurnym

6 Realizacja takich wykresów regulacyjneych wymagało odpowiedniego przygotowania układu hydraulicznego w Ciepłowni. Wykonano dwa podmieszania zimne, które pozwalały na uzyskiwanie właściwej temperatury wody sieciowej na zasilaniu odrębnie do osiedli mieszkaniowych oraz do obiektów przemysłowych. Do osiedli mieszkaniowych najniższa temperatura wody sieciowej na zasilaniu wynosiła T zmin = 70 o C, gdyż wymagały tego wymienniki do podgrzewania ciepłej wody Jak widać na wykresie, temperatury wody sieciowej w sieci ciepłowniczej zasilającej zakład jest przez cały sezon ogrzewczy znacznie niższa niż do osiedli mieszkaniowych. Skutkuje to znacznym obniżeniem strat ciepła na przesyle, szczególnie z powodu umieszczenia zakładowej sieci ciepłowniczej na wysokich estakadach. Na podstawie wykresów regulacyjnych wyznaczono przepływy wody sieciowej oraz w układzie hydraulicznym Ciepłowni, których metodologię można znaleźć w pracy [5]. Schemat technologiczny ciepłowni Na rys. 3. pokazano schemat ciepłowni po zaproponowanych zmianach w jej strukturze sieci ciepłowniczej oraz rozdzieleniu dostawy ciepła do zakładu i osiedli mieszkaniowych. Rys. 3. Schemat ciepłowni METALCHEM po modernizacji. Należy zwrócić uwagę na to, że temperatura wody sieciowej na zasilaniu do osiedli mieszkaniowych jest wyższa (niekiedy dość znacznie) do tempertury od zakładu

7 Układ ciepłej wody użytkowej w Zakładzie jest zasilane z przewodu zasilającego osiedla mieszkaniowe (odpowiednia temperatura wody sieciowej). Na schemacie technologicznym Ciepłowni (rys. 3.) pokazano również sposób włączenia kotłów (kotła) parowego, który pracował latem. Na tym rysunku nie pokazano wymienników do dochłodzenia kondensatu. Zainstalowano odpowiedni układ sterowania. Główne podmieszanie zimne służy do ustalenia temperatury na wyjściu (do osiedli mieszkaniowych), dodatkowe podmieszanie służy do doregulowania temperatury potrzebnej w części przemysłowej. Podmieszanie gorące służy do uzyskania odpowiedniej temperatury wody sieciowej przed kotłami (powyżej T pk = 70 o C). Temperatura wody za kotłami powinna być wyższa niż T zk > 110 o C, aby właściwie pracowało odgazowanie termiczne wody sieciowej. Na rys. 4. pokazano przebieg temperatur wody przed i za kotłem, aby temperatura wody za kotłem była najniższa z możliwych T, C qk Tzk Tpk Tzk` Tpk` Rys. 4. Temperatury przed i za kotłami. W części sieci ciepłowniczej na terenie osiedli mieszkaniowych są fragmenty rur preizolowanych z izolacją z pianki poliuretanowej, która ma odporność na temperaturę do T zmax = 130 o C. Także w sieci ciepłowniczej na terenie zakładu wykonano fragmenty z rur preizolowanych. Dlatego przyjęto, że najwyższa temperatura wody sieciowej na zasilaniu nie może być wyższa niż T zmax = 130 o C. Aby uzyskać moc nominalną kotłów, to konieczne jest osiąganie temperatury T zkmax = 150 o C. Jest to widoczne na wykresach regulacyjnych (rys. 4. i 5.). Minimalne obciążenie kotła nie powinno być niższe niż q k = 30%, odpowiada podgrzaniu wody w kotle o T k = 24 K. Ponadto należy zauważyć (rys. 7.), że powyżej obciążenia q k = 50%, temperatura przed kotłem jest stała i wynosi T pk = 70 o C, a zwiększenie mocy kotła wymaga podwyższania temperatury za kotłem T zk

8 Wykresy przepływów wody w układzie hydraulicznym w Ciepłowni METALCHEM były bardzo ciekawe, gdyż w sezonie ogrzewczym pracował tylko jeden kocioł WR-25 i to nie w pełni obciążony (do około 70%). Ze względu na maksymalną moc dwóch kotłów parowych OR-5, wynoszącą Q par = 7,0 MW, minimalne obciążenie kotła wodnego WR-25 musi wynosić zaledwie q kmin WR = 0,250. Ponieważ na początku sezonu, kiedy zapotrzebowanie ciepła wynosiło około Q = 5 MW, uruchamiano kotły parowe, które pracowały aż do osiągnięcia całkowitej mocy około Q = 7 MW. Do wyznaczenia parametrów pracy ciepłowni konieczne było określenie temperatur i przepływów w sieci ciepłowniczej. Szczególnie ważne jest wyliczenie temperatur powrotu z zakładu i osiedli mieszkaniowych, gdyż na zasilaniu te temperatury są inn niż w przypadku teoretycznym. Wyniki tych żmudnych obliczeń pokazano na wykresach. Na rys. 5. pokazano temperaturę powrotu z zakładu, a na rys. 6. wynikowy przepływ wody sieciowej T, C Tzpr Tpw Tzwr Tsp Tsw Tpp` Twp` tpr Tpp Rys. 5. Temperatury wody sieciowej w sieci ciepłowniczej zakładu

9 G, m3/h Gp Gw Gs Rys. 6. Przepływy wody sieciowej w zakładzie. Podobne obliczenia wykonano dla osiedli mieszkaniowych. Na rys. 7. pokazano temperatury, a na rys. 8. przepływy wody sieciowej T, C Tpo Tpo` Tzo Rys. 7. Temperatury wody sieciowej w sieci ciepłowniczej osiedli mieszkaniowych

10 G, m3/h Gsco Gscw Gso Rys. 8. Przepływy wody sieciowej w sieci ciepłowniczej osiedli mieszkaniowych. Powyżej przedstawiono założenia teoretyczne niestety nie miały zastosowania w przypadku ciepłowni APC METALCHEM. Na podstawie przedstawionych wyżej wykresach wyznaczono wykresy dla ciepłowni. Na rys. 9. przedstawiono temperatury, a na rys. 10. przepływy wody sieciowej na terenie ciepłowni T, C Tzo Tpo` Tpz Tzr Tps Rys. 9. Temperatury wody sieciowej w ciepłowni

11 G, m3/h Gsz Gso Gs Rys. 10. Przepływy wody sieciowej w ciepłowni. Znając parametry niezbędne w sieci ciepłowniczej wyznaczono temperatury wody kotłowej oraz jej przepływy. Wyniki analiz przedstawiono na rysunkach. Na rys. 11. pokazano temperatury wody przed i za kotłem WR-25. Natomiast na rys. 12. zamieszczono przepływy wody kotłowej oraz podmieszania: gorące (G mg ) i dwa podmieszania zimne: do sieci ciepłowniczej zewnętrznej (zakład + osiedle, czyli G mzo ) oraz do zakładu (G mzz ) T, C Tzo Tzr Tps Tzk Tpk Tzwym Tpwym Rys. 11. Temperatury wody kotłowej i sieciowej w ciepłowni

12 G, m3/h Gsz Gso Gs Gmg Gmzo Gmzz Gk Rys. 12. Przepływy wody kotłowej i sieciowej w ciepłowni. Na podstawie wykresów można stwierdzić, że kocioł wodny WR-25 musi pracować przy temperaturach zewnętrznych poniżej t zewn < 3 o C. Minimalne obciążenie względne, przy tej temperaturze zewnętrznej, wynosi q kmin WR = 0,25. Przy temperaturach zewnętrznej t zewn > 3 o C, pracują kotły parowe OR-5. Parametry wody wody sieciowej za wymiennikami (T zwym ) są równe temperaturom potrzebnym w sieci ciepłowniczej zasilającej osiedla (T zo ). Temperaturę do zakładu uzyskuje się za pomocą podmieszania zimnego (G mzz ). Odgazowanie termiczne jest wówczas zasilane parą. Jak widać na rys. 11., temperatury przed kotłem WR-25 (T pk ) są zbyt niskie w zakresie temperatur zewnętrznych: 1 o C < t zewn < 3 o C. Ponadto przy temperatura zewnętrznych: -3 o C < t zewn < 3 o C, temperatura wody za kotłami jest za niska (T zk < 110 o C), aby przeprowadzić odgazowanie. Na rys. 13. pokazano pracę Ciepłowni przy obliczeniowym zapotrzebowaniu mocy Q` = 20 MW oraz planowanej rozbudowy systemu ciepłowniczego Q = 50 MW

13 Rys. 13. Wykres uporządkowanych obciążeń przy rzeczywistym i planowanym obciążeniu Ciepłowni METALCHEM. Niesłychanie istotną częścią rewitalizacji systemu ciepłowniczego METALCHEM było wykonanie regulacji hydraulicznej. Dzięki temu uzyskano odpowiednią stateczność hydrauliczną sieci ciepłowniczej oraz właściwe rozpływy wody sieciowej. Uzyskanie odpowiedniej oporności sieci ciepłowniczej pozwalało na stabilną pracę układu pompowego w Ciepłowni. Jest to niezbędny warunek uzyskania właściwych parametrów pracy systemu ciepłowniczego. Z powodu braku dopasowania mocy poszczególnych kotłów do potrzeb, eksploatacja Ciepłowni był niesłychanie trudna. Pomimo tych problemów, osiągnięto pozytywne efekty ekonomiczne eksploatacji Ciepłowni. W celu dostosowania wielkości urządzeń wytwórczych, rozpoczęto instalację kotła WR-10, ale powódź stulecia (1997) zniszczyła Ciepłownię. Podsumowanie Przeprowadzone przedsięwzięcia modernizacyjne pozwoliły, przy bardzo niskich nakładach, uzyskać poprawne efekty eksploatacyjne. Uzyskano znaczne obniżenie zużycia węgla kamiennego, znacząco podwyższono jakość dostawy ciepła. Obecnie istnieje jeszcze wiele systmeów ciepłowniczych przemysłowo-komunalnych o podobnym poziomie technicznym jaki był w MELATCHEMIE w Opolu w roku 1995! Szczególnie dotyczy to systemów ciepłowniczych kopalń węgla kamiennego

14 Literatura [1] Śnieżyk R. Koncepcja modernizacji, projekt techniczny i realizacja modernizacji systemu ciepłowniczego APC METALCHEM w Opolu, Ryszard Śnieżyk, Wrocław, 1995 [2] Śnieżyk R. Wykres centralnej regulacji systemu ciepłowniczego zasilanego z EC-II w Gdańsku, Instytut Gospodarki Przestrzennej i Komunalnej Oddział w Krakowie, Kraków, 1991 (praca niepublikowana). [3] Mielnicki J. S. Centralne ogrzewanie. Regulacja i eksploatacja, ARKADY, Warszawa 1985 [4] Śnieżyk R. Wpływ zapotrzebowania ciepła do wentylacji na pracę miejskiego systemu ciepłowniczego, Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja, 1987, t. 19, nr 6, s [5] Żarski K. Obiegi wodne i parowe w kotłowniach, Ośrodek Informacji "Technika instalacyjna w budownictwie", Warszawa, Niniejszy artykuł jest znacznie rozszerzoną wersją referatu Możliwości racjonalizacji pracy przemysłowo-komunalnego systemu ciepłowniczego na przykładzie METALCHEM Opole wygłoszonego podczas II Międzynarodowej Konferencji Naukowo-Technicznej Ogrzewanie i wentylacja w przemyśle i rolnictwie zorganizowanej przez Wyższą Szkołę Zarządzania Środowiskiem Tucholi września 2008 r