Wydział Mechaniczno-Energetyczny Kierunek ENERGETYKA. Zbigniew Modlioski Wrocław 2011

Wydział Mechaniczno-Energetyczny Kierunek ENERGETYKA Zbigniew Modlioski Wrocław 2011 1

Zbigniew Modlioski, dr inż. Zakład Kotłów i Turbin pok. 305, A-4 tel. 71 320 23 24 http://fluid.itcmp.pwr.wroc.pl/~zmodl/ 2

1. GOSPODARKA ENERGETYCZNA W GMINIE. Tworzenie gospodarki energetycznej, wdrażanie gospodarki energetycznej, gospodarka energetyczna w praktyce, outsourcing w gospodarce energetycznej, oszczędzanie w oświetleniu, oszczędzanie w napędach, oszczędzanie w wentylacji, oszczędzanie w klimatyzacji i chłodnictwie, oszczędzanie w ogrzewaniu, Firmy typu esco 2. GLOBALNE I SEKTOROWE WSKAŹNIKI EFEKTYWNOŚCI ENERGETYCZNEJ. Projekt Inteligentna Energia dla Europy, rozwój gospodarczy PKB, zużycie i ceny energii, Wskaźniki makroekonomiczne, przemysł, gospodarstwa domowe, transport, ciepłownie i elektrociepłownie, wskaźniki ODEX i oszczędności energii, Polska a kraje UE 3. USTAWA O EFEKTYWNOŚCI ENERGETYCZNEJ. Źródła ustawy, ustawa o efektywności energetycznej, krajowy cel w zakresie oszczędnego gospodarowania energią, zadania jednostek sektora publicznego, zasady uzyskania i umorzenia świadectwa efektywności energetycznej, rodzaje przedsięwzięć służące poprawie efektywności energetycznej, prawa majątkowe, zasady sporządzania audytu efektywności energetycznej, zasady uzyskania uprawnieo audytora efektywności energetycznej, zmiany w prawie budowlanym 4. CHARAKTERYSTYKI PROCESÓW ENERGETYCZNYCH. Określanie charakterystyk procesów energetycznych, zużycie energii od produkcji, zużycie energii od czasu, kontrola zużycia energii, metoda Integracji Procesu, wykresy uporządkowane 3

5. ZARZĄDZANIE ENERGIĄ W PRZEDSIĘBIORSTWIE. Auto-audyt - procedura postępowania, racjonalizacja użytkowania energii, ogrzewanie pomieszczeo, wentylacja, izolacje cieplne, instalacje pary, sprężonego powietrza, kotły parowe i wodne, prawidłowe spalanie, stan paleniska, odzysk ciepła 6. ANALIZA EGZERGETYCZNA PROCESÓW CIEPLNYCH. Egzergia, straty egzergii, termoekonomia, reguły zmniejszania niedoskonałości termodynamicznej, bilans energii i egzergii w elektrowni parowej 7. ZAAWANSOWANE METODY OBLICZENIOWE W ENERGETYCE. Modelowanie fizyczne, modelowanie matematyczne, kategorie modelowania matematycznego, symulatory niestacjonarne, symulator stacjonarny bloku, symulator stacjonarny bloku, diagnostyka bloku (kotła), zanieczyszczenie pow. kotła 8. NUMERYCZNE TABLICE WODY I PARY WODNEJ. Wprowadzenie, tablice wody i pary do mathcada i excela, tablice wody i pary omówienie, funkcje dla pary mokrej, instalacja tablic 9. ARKUSZE KALKULACYJNE W ENERGETYCE. Arkusz kalkulacyjny czy pakiet obliczeniowy, MathCad cechy, funkcje, Excel, programowanie w VBA, przykład aplikacji, analiza pomiarów, Excel przykład aplikacji 10. UZGADNIANIE BILANSÓW SUBSTANCJI I ENERGII. Nadmiar informacji, nadmiar równao, uogólniona metoda uzgadniania, algorytm, przykład, formułowanie równao bilansowych, wstępne oszacowanie niewiadomej i niedokładności, poszukiwanie poprawek na pomiary i obliczenia, poprawione pomiary i obliczenia. 4

12. OBLICZANIE OBIEGÓW CIEPLNYCH. Elektrownie kondensacyjne, podstawowe zależności, moc wewnętrzna turbiny, rozprężanie, straty w rurociągach, praca pompy wody zasilającej, praca pompy wody zasilającej w obiegu Rankine a, przegrzew pary, sprawności, wskaźniki, elektrociepłownia z turbiną przeciwprężną 13. OBLICZANIE UKŁADÓW CIEPLNYCH W ARKUSZACH KALKULACYJNYCH, Proste obiegi cieplne (Excel - Solver), proste obiegi cieplne, mała elektrociepłownia schemat, mała elektrociepłownia algorytm obliczeń, blok kondensacyjny algorytm, wymienniki ciepła 14. SKOJARZONA GOSPODARKA CIEPLNO-ELEKTRYCZNA. Wsparcie kogeneracji, realizacja wsparcia kogeneracji, oszczędność energii pierwotnej, obowiązek zakupu energii elektrycznej wytwarzanej w skojarzeniu, straty i potrzeby własne elektrociepłowni, jednostkowy koszt produkcji, koszty eksploatacji elektrociepłowni, podział kosztów między produkcję ciepła i elektryczności, systemy ciepłownicze 15. EFEKTYWNOŚĆ ENERGETYCZNA W BUDOWNICTWIE. Prawo krajowe dotyczące efektywności energetycznej, certyfikat energetyczny, audyt i certyfikat energetyczny, straty ciepła w budynku, straty ciepła przez przegrody budowlane 5

LITERATURA PODSTAWOWA 1. J.Szargut, A.Ziębik, Podstawy energetyki cieplnej, WN PWN, Warszawa, 2000. 2. A.Ziębik, J.Szargut, Podstawy gospodarki energetycznej, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice, 1997. 3. J.Marecki, Gospodarka skojarzona cieplno-ektryczna, WNT, Warszawa, 1980. 4. R.S.Janiczek, Eksploatacja elektrowni parowych, WNT, Warszawa, 1997 LITERATURA UZUPEŁNIAJĄCA 1. Wayne C. Turner, Energy Management Handbook 5th ed., The Fairmont Press, Inc., 2005 2. Barney Capehart, PhD, C.E.M, Basics of Energy Management, Online Seminar, www.aeecenter.org 3. Combined-Cycle Gas & Steam Turbine Power Plants. Kehlhofer, R..ISBN 0-88173-076-9 6

1.1. Definicje 1.2. Gospodarka energetyczna w gminie lub instytucji 1.3. Tworzenie gospodarki energetycznej 1.4. Tworzenie gospodarki energetycznej c.d. 1.5. Tworzenie gospodarki energetycznej c.d. 1.6. Wdrażanie gospodarki energetycznej 1.7. Gospodarka energetyczna w praktyce 1.8. Outsourcing w gospodarce energetycznej 1.9. Oszczędzanie w oświetleniu 1.10. Oszczędzanie w napędach 1.11. Oszczędzanie w wentylacji 1.12. Oszczędzanie w klimatyzacji i chłodnictwie 1.13. Oszczędzanie w ogrzewaniu 1.14. Firmy typu ESCO 7

GOSPODARKA ENERGETYCZNA - działania związane z redukcją kosztów energii oraz wzrostem sprawności jej wykorzystania. GOSPODARKA ENERGETYCZNA (klasycznie) obejmuje : - przygotowanie i wdrożenie systemu pomiarów i kontroli, - interpretację wyników pomiarowych i kontroli (diagnostyka), - zaplanowanie działao, - wdrażanie odpowiednich usprawnieo technicznych. GOSPODARKA ENERGETYCZNA w skali: budynku, zakładu przemysłowego, gminy, województwa, kraju, UE Gospodarka energetyczna - działanie cykliczne 8

Model organizacyjny gospodarki energetycznej w gminie lub instytucji Lokalne warunki (różna wielkość samorządu i instytucji państwowych) sprawiają, że organizacja gospodarki energetycznej może być w gminach różna. Grupa Koordynująca Zaleca się utworzenie takiej grupy. Powinni to być członkowie różnych działów i instytucji czuwający nad realizacją działań w gospodarce en. Samorząd Miejski Rada Gminy Instytucja Grupa Koordynująca: Kierownik ds. Energii - tworzenie strategii energetycznej dla gminy (zmienna podaż, ceny); - zarządzanie bieżącymi potrzebami energetycznymi; - kierownik projektu, zarządzanie zmianami; - odpowiedzalny za realizację budżetu dotyczącego energii; - upowszechnianie informacji dotyczące gospodarki energetycznej; - kontrola nad sposobem zużycia energii; - ekonomiczny zakup energii; - monitorowanie wyników energetycznych, porównywanie z latami poprzednimi oraz innymi gminami (instytucjami); - rozpowszechnianie informacji wśród kierownictwa i pracowników Burmistrz Dyrektor Techniczny Właściciele budynków pomocnik Kierownik ds. Energii pomocnik Rys.1. Jeden z możliwych sposobów organizacji gospodarki energetycznej Korzystano z Zrównoważona Gospodarka Energetyczna w Gminach, EIE/05/155/SI2.419594 http://bape.com.pl/sectools/materials.aspx 9

Zdobycie ogólnego obrazu zużycia energii w budynkach, które mają zostać poddane zmianom. Określenie obszarów, w których ma miejsce największe zużycie energii. Gdzie można najszybciej uzyskać oszczędności. Zebranie jak największej ilości danych: statystyki dotyczące zużycia energii sposób olicznikowania i taryfy dla energii informacje na temat stanu budynków. 10

Statystyki dotyczące zużycia energii Minimum danych: całkowite zużycie energii przez obiekt (w kwh lub MWh) całkowite zużycie energii na potrzeby grzewcze i ciepłą wodę z rozróżnieniem na źródło energii: miejska sieć ciepłownicza- MWh, GJ, Gcal; gaz ziemny- m3, olej opałowy- m3 węgiel - tony, elektryczność- kwh Identyfikacja budynków liczba budynków sposób użytkowania powierzchnia użytkowa powierzchnia grzewcza rodzaj ogrzewania ilość kondygnacji rok budowy 11

Identyfikacja liczników Należy określić lokalizację wszystkich liczników. Należy określić budynki i rodzaj działalności objętej każdym licznikiem. Wszystkie informacje na temat budynków i liczników powinny być zbierane przez instytucje w specjalnie stworzonym w tym celu programie komputerowym. Inne Wyszczególnić taryfy według których rozliczani są użytkownicy energii. Niektóre taryfy są podzielone na dwie lub trzy grupy, w których zużycie jest rozliczane w różny sposób w zależności od pory dnia. Ważne jest również uwzględnienie godzin otwarcia instytucji, czyli rzeczywistego czasu użytkowania budynku. Jest to szczególnie ważne w przypadku porównywania zużycia energii w różnych instytucjach prowadzących podobną działalność. 12

Wdrażanie nowej gospodarki energetycznej można rozpocząć w dowolnym momencie roku. Rezultaty identyfikacji obszarów pozwalają określić gdzie należy jak najszybciej skoncentrować działania. Przygotowania wstępne. - Dane zebrane w fazie identyfikacji dotyczące zużycia energii i wydatków na ten cel mogą być przyjęte jako dane bazowe (odniesienia). Dane bazowe muszą być aktualne. Powinny one być uaktualniane, aby umożliwić analizę zmian w wielkości zużycia energii. Dane bazowe stanowią ważny zestaw założeń dla kontroli gospodarki energetycznej. Dane te będą wykorzystane do przygotowania budżetu. - Każdy rodzaj energii składający się na gospodarkę energetyczną powinien podlegać pomiarom. - Kluczem do prawidłowego wdrożenia i funkcjonowania nowej gospodarki energetycznej są dokładne odczyty i zapis zużycia energii (liczniki). - Należy przygotować wymianę i obróbkę danych dotyczących zużycia energii między kierownikiem ds. energii, jego współpracownikami a organami decyzyjnymi. Zaleca się przystosowanie systemów komputerowych do gromadzenia danych, opracowywania budżetów i analiz. 13

Przyjąć comiesięczny lub cotygodniowy tryb pomiarów zużycia energii. Pomiarom zużycia energii powinna towarzyszyć bieżąca analiza na dwóch poziomach: instytucjonalnym ogólnym (całej gminy lub instytucji państwowej) Należy wyznaczyć limity zużycia energii na każdym poziomie. Analiza zużycia energii. 14

Istnieją firmy, które proponują szereg rozwiązań z zakresu outsourcingu w dziedzinie zarządzania energią. Zapewniają np. wdrożenie inwestycji opartej na partnerstwie, które pozwalają Klientom na dokonywanie oszczędności bez konieczności angażowania środków własnych. Outsourcing usług w dziedzinie energetyki ma zastosowanie dla takich obiektów jak: - Budynki biurowe, - Centra handlowe, - Centra logistyczne, - Hotele, - Osiedla, - Samorządy, - Sieci handlowe, - Stacje benzynowe, - Super i Hipermarkety, - Zakłady energetyczne, - Zakłady produkcyjne. 15

Lampy LED do oświetlenia zewnętrznego znaczne oszczędności w zużyciu energii elektrycznej (do 70%) przewidywana trwałość urządzenia określona na ponad 70 000 godzin (sodowa 20 000 h, rtęciowa -10 000 h) redukcja kosztów użytkowania lamp, znikomy spadek strumienia świetlnego wraz z upływem czasu, natężenie oświetlenia przyjazne dla oka ludzkiego, brak emisji szkodliwego promieniowania UV, brak efektu stroboskopowego, bezgłośna praca w każdych warunkach, specjalny system chłodzenia (parujący gaz techniczny), soczewki Urządzenie elektroenergetyczne "LEC" (Light Energy Controller) do lamp wyładowczych (fluorescencyjnych, sodowych, metalohalogenkowych itp.). Poziom uzyskiwanych oszczędności waha się pomiędzy 20%-30%. Oszczędności wynikają z kontrolowanej redukcji napięcia zasilającego. 16

Kontroler Pracy Silnika - optymalizuje pracę silników elektrycznych nie w pełni obciążonych lub pracujących przy zmiennym obciążeniu, np. w wentylacji, schodach ruchomych, przenośnikach, mieszarkach, pompach. Łączący cechy układu miękkiego rozruchu, korektora współczynnika mocy i układu oszczędnościowego. zmniejszenie prądu zasilającego o 20% 50% zmniejszenie poboru mocy o 3% 20%, w zależności od obciążenia mechanicznego silnika zmniejszenie strat na przesyle energii o 30% 70% poprawę współczynnika mocy o 15% 60% 17

oszczędzanie w wentylacji kuchennej System dopasowuje działanie urządzenia do rzeczywistego zapotrzebowania oraz wydłużają ich żywotność dzięki zmniejszeniu obciążeń, którymi są poddawane. Użycie w systemie specjalistycznych czujników i procesorów gwarantuje precyzyjną kontrolę wywiewanego i nawiewanego powietrza, w zależności od zapotrzebowania i tym samym generowanie oszczędności. Zwrot z inwestycji w terminie do 3 lat. Głównymi odbiorcami tego rozwiązania są sieci supermarketów, hotele i restauracje. http://www.youtube.com/watch?v=bsbvxw3w8bm układy wentylacyjne oparte o silniki indukcyjne. Silnik asynchroniczny (indukcyjny) Wykorzystaniu zapasu mocy w silnikach wentylatorów. Większość instalacji wentylacyjnych została zaprojektowana z zapasem mocy (wentylatory nawiewne około 20%). Oszczędności są możliwe, jeżeli dopasujemy wydajność silnika do faktycznego zapotrzebowania na powietrze wentylujące. Nawet minimalne ograniczenie prędkości obrotowej silników pozwala na oszczędzenie znacznej ilości energii. Dla przykładu przy ograniczeniu prędkości zaledwie o 20%, pobierana moc spada aż o połowę. Dodatkowo układ może pozwalać na sterowanie adaptacyjne przepływem powietrza, dopasowując automatycznie działanie układu wentylacyjnego do warunków. Ta funkcja pozwala na dodatkowe oszczędności. 18

Technologia Smartcool obniżenie zużycia energii elektrycznej oraz zmniejszenie wielkości pobieranej mocy przez sprężarki w układach HVAC+R przy zachowaniu stałych parametrów chłodzenia. Poprzez aktywną optymalizację pracy sprężarki technologia Smartcool obniża zużycie energii elektrycznej o 10-25%. Oszczędności są generowane poprzez jedną z dwóch metod optymalizacji: Optymalizacja cykli pracy Technologia opiera się na dynamicznej regulacji długości każdego cyklu chłodzenia zależnie od obciążenia. Pozwala to pracować kompresorowi częściej w najbardziej efektywnym zakresie ciśnienia ssawnego. To rozwiązanie jest powszechnie stosowane w układach klimatyzacji, chłodzenia oraz pompach ciepła na całym świecie. Modulacja obciążenia Technologia Smartcool wykorzystuje oferowaną przez producentów chillerów możliwość zdalnej regulacji nastaw w celu najlepszego dopasowania do bieżącego obciążenia podczas cyklu chłodzenia. To rozwiązanie jest powszechnie stosowane w wielu chillerach 19

Około 1/3 całej energii zużywanej w Polsce jest pochłaniana na ogrzewanie gospodarstw domowych, hal produkcyjnych, sklepów czy centrów handlowych. Blisko 70% energii w przeciętnym gospodarstwie domowym przeznaczana jest właśnie na ogrzewanie. System wentylatorów umożliwiający cyrkulację powietrza i sprowadzenie mas ciepłego powietrza na dół. Umieszczony pod sufitem wysokich pomieszczeń daje możliwość generowania oszczędności sięgających 30% zużycia energii grzewczej. 20

ESCO - Energy Service Companies (firmy usług energetycznych), oferujące kompleksowe usługi eksperckie w zakresie energetyki gwarantujące potencjalnym klientom oszczędności energii i zmniejszenie ponoszonych z tego tytułu kosztów. TPF - Third Party Financing (finansowanie przez trzecią stronę), SPA - Shared Profits Arrangement (zasada dzielenia się oszczędnościami). Czy firmy typu ESCO mają dużą rolę do odegrania w finansowaniu działań z zakresu poprawy efektywności energetycznej? Umowa ESCO w ciepłownictwie. 21

2.1. Projekt Inteligentna Energia dla Europy 2.2. Rozwój gospodarczy PKB 2.3. Zużycie i ceny energii 2.4. Zużycie i ceny energii c.d. 2.5. Zużycie i ceny energii c.d. 2.6. Wskaźniki makroekonomiczne 2.7. Wskaźniki makroekonomiczne c.d. 2.8. Przemysł 2.9. Przemysł c.d. 2.10. Przemysł c.d. 2.11. Przemysł c.d. 2.12. Gospodarstwa domowe 2.13. Gospodarstwa domowe c.d. 2.14. Transport 2.15. Ciepłownie i elektrociepłownie 2.16. Wskaźniki ODEX i oszczędności energii 2.17. Polska a kraje UE 2.18. Polska a kraje UE c.d. 2.19. Polska a kraje UE c.d. 2.20. Polska a kraje UE c.d. 2.21. Zakończenie 2.22 Aplikacje Google

Monitorowanie krajowych i unijnych celów w zakresie efektywności energetycznej (Monitoring of European Union and national energy efficiency targets) Główny Urząd Statystyczny oraz Krajowa Agencja Poszanowania Energii Baza danych ODYSSEE2 - dane statystyczne i wartości wskaźników efektywności energetycznej www.odyssee-indicators.org Baza danych MURE3 - informacje dotyczące działań na rzecz poprawy efektywności energetycznej www.mure2.com Literatura: 1. Efektywność wykorzystania energii w latach 1999-2009, GUS, Warszawa 2011 23

http://www.google.com/publicdata/home Rys. 1. Dynamika podstawowych wskaźników makroekonomicznych (1990=100). Źródło [1]. Rys. 2. Zmiany PKB, wartości dodanej w głównych sektorach gospodarki narodowej i spożycia indywidualnego. Źródło [1]. Tempo wzrostu PKB w latach 2001-2009 4.23 %/rok PKB - wartość dóbr i usług PKB = konsumpcja + inwestycje + wydatki rządowe + eksport - import + zmiana stanu zapasów. PKB = wartość dodana brutto + podatki od produktów dotacje do produktów produkt narodowy brutto -? 24

Spadek zużycia energii (1996-2002) : - programy modernizacyjne, - restrukturyzacja gospodarki, - urynkowienie cen energii. Korekta klimatyczna - stopniodni Rys. 3. Zużycie energii pierwotnej i finalne zużycie energii. Źródło [1]. Rys. 4. Struktura finalnego zużycia energii w Polsce wg nośników. Źródło [1]. 25

Rys. 5. Struktura finalnego zużycia energii w Polsce wg sektorów. Źródło [1]. Rys. 6. Zmiany cen oleju napędowego i benzyny. Źródło [1]. podwyżki akcyzy - koniec lat 90-tych 26

Rys. 7. Zmiany cen energii elektrycznej dla gospodarstw domowych i przemysłu. Źródło [1]. początek lat 90-tych likwidacja dotacji do cen energii elektrycznej uwolnienie cen energii elektrycznej dla odbiorców przemysłowych - 2009 Rys. 8. Zmiany cen gazu dla gospodarstw domowych i przemysłu. Źródło [1]. 27

Rys. 9. Zmiany wskaźnika energochłonności PKB. Źródło [1]. Spadek energochłonności wykorzystanie tzw. prostych rezerw? Rys. 10. Relacja energochłonności finalnej PKB do pierwotnej. Źródło [1]. 28

Rys. 11. Zmiany wskaźnika energochłonności finalnej PKB. Źródło [1]. 29

Rys. 12. Zużycie finalne energii w przemyśle wg nośników. Źródło [1]. 30

Rys. 13. Struktura działowa finalnego zużycia energii w przemyśle przetwórczym. Źródło [1]. Rys. 14. Zmiany wskaźnika energochłonności w energochłonnych gałęziach przemysłu. Źródło [1]. 31

Rys. 15. Zmiany wskaźnika energochłonności w nisko energochłonnych gałęziach przemysłu. Źródło [1]. Rys. 16. Zmiany energochłonności przemysłu przetwórczego rola zmian strukturalnych. Źródło [1]. 32

Rys. 17. Efekt zmian strukturalnych wpływ poszczególnych branż w różnych okresach. Źródło [1]. cement zlikwidowano o energochłonną technologię produkcji cementu metodą mokrą, stal - opóźnienie w procesach prywatyzacji i wdrażaniu nowoczesnych technologii, papier szybka prywatyzacja Rys. 18. Zmiany wskaźników energochłonności produkcji wybranych wyrobów przemysłowych. Źródło [1]. 33

Rys. 19. Struktura zużycia energii w gospodarstwach omowych według kierunków użytkowania. Źródło [1]. Udział zużycia energii w gospodarstwach domowych w finalnym zużyciu energii wyniósł 31% w 2009 r Rys. 20. Zmiany wskaźnika zużycia energii w gospodarstwach domowych w przeliczeniu na 1 mieszkanie. Źródło [1]. 34

Rys. 21. Zużycie energii w gospodarstwach domowych na m 2. Źródło [1]. wzrost cen (początek lat 90) Rys. 22. Zmiany cen i wskaźnika zużycia energii elektrycznej w gospodarstwach domowych w przeliczeniu na 1 mieszkanie. Źródło [1]. 35

95% - transport drogowy, 2% - kolejowy, 3% - lotniczy. Rys. 23. Przewozy i zużycie energii w transporcie Samochód ekwiwalentny - umowna miara Liczba samochodów ekwiwalentnych : Se = 0,15*M+So+4*Sc+15*A, gdzie: M liczba motocykli, So liczba samochodów osobowych, Sc liczba samochodów ciężarowych, A liczba autobusów. Współczynniki są szacunkowym rocznym zużyciem paliw przez dany typ. Rys. 24. Zużycie paliw przez samochód ekwiwalentny 36

Ciepłownie produkujące ciepło sieciowe oraz elektrociepłownie produkujące energię elektryczną i ciepło w skojarzeniu. Rys. 27. Zmiany sprawności ciepłowni i elektrociepłowni. Źródło [1]. 37

Rys. 28. Wskaźnik ODEX. Źródło [1]. ODEX - zagregowany wskaźnik efektywności energetycznej. Wskaźnik ODEX pokazuje postęp w stosunku do roku bazowego. W przemyśle, na przykład, ogólny efekt zużycia jednostkowego zostanie otrzymany poprzez agregację efektów zużycia jednostkowego energii w poszczególnych działach. ODEX jest obliczony na każdy rok jako iloraz rzeczywistego zużycia energii Et i teoretycznego zużycia energii bez brania pod uwagę efektu zużycia jednostkowego (tzn. bez oszczędności energii uzyskanej poprzez zmniejszenie jednostkowego zużycia energii w wyniku działań na rzecz poprawy efektywności energetycznej procesu produkcji danego wyrobu). Jeśli wskaźnik efektywności energetycznej wyniósł 85 w 2000 r. to oznacza to poprawę efektywności energetycznej o 15% w porównaniu do technologii energetycznych i praktyk stosowanych w 1990 r. 38

Rys. 29. Skumulowane oszczędności energii. Źródło [1]. - o ile byłoby wyższe zużycie energii w danym roku, gdyby nie wprowadzono usprawnień z zakresu efektywności energetycznej po roku 2000, - w 2009 r. 18,5 Mtoe, czyli ok. 32% rocznego finalnego zużycia energii w Polsce. 39

Rys. 30. Energochłonność pierwotna PKB (euro05, ppp) Rys. 31. Energochłonność finalna PKB (euro05, ppp) 40

Rys. 32. Energochłonność finalna przemysłu przetwórczego w średniej strukturze europejskiej (euro05, ppp). Źródło [1]. Rys. 33. Zużycie energii przez samochód ekwiwalentny. Źródło [1]. 41

Rys. 34. Zużycie energii na mieszkanie w średnim klimacie europejskim. Źródło [1]. Rys. 35. Zużycie energii na 1 zatrudnionego w sektorze usług z korektą klimatyczną. Źródło [1]. 42

jeden z największych w Europie postęp w zakresie efektywnego wykorzystania energii, większość usprawnień wynikała z prywatyzacji przedsiębiorstw państwowych, rządowe programy wsparcia efektywnego wykorzystania energii - Fundusz Termomodernizacyjny dystans Polski do średniej europejskiej w zakresie najważniejszych wskaźników efektywności energetycznej obniżył się do kilkunastu procent, jednakże w stosunku do najefektywniejszych gospodarek ciągle pozostaje znaczący. oszczędności energii powinny być liczone jako bezwzględne zmniejszenie zużycia energii w wyniku działań organizacyjnych jak i osiągnięte w wyniku realizacji określonych przedsięwzięć inwestycyjnych lub modernizacyjnych. skróty: kgoe kilogram oleju ekwiwalentnego toe tona oleju ekwiwalentnego euro00 wartość euro wyrażona w kursie rynkowym w roku 2000 euro05ppp euro wyrażona w kursie rynkowym w roku 2005 z uwzględnieniem wartości siły nabywczej waluty kwh kilowatogodzina 43

Google public data explorer 800,000 petabytes = 800,000,000 terabytes = 800,000,000,000 gigabytes http://www.google.com/publicdata/home - narzędzie pozwalające tworzyć wykresy oparte na dostępnych publicznie danych statystycznych, - zbiór wizualizacji danych, - wyświetlanie dynamiczne, - Bank Światowy, Organizacja Współpracy Gospodarczej i Rozwoju, -

3.1. Źródła ustawy 3.2. Ustawa o efektywności energetycznej. 3.3. Krajowy cel w zakresie oszczędnego gospodarowania energią 3.4. Zadania jednostek sektora publicznego 3.5. Zasady uzyskania i umorzenia świadectwa efektywności energetycznej 3.6. Zasady uzyskania i umorzenia świadectwa efektywności energetycznej c.d. 3.7. Zasady uzyskania i umorzenia świadectwa efektywności energetycznej c.d. 3.8. Rodzaje przedsięwzięć służące poprawie efektywności energetycznej 3.9. Prawa majątkowe 3.10. Zasady sporządzania audytu efektywności energetycznej 3.11. Zasady uzyskania uprawnień audytora efektywności energetycznej 3.12. Zmiany w prawie budowlanym 3.13. Podsumowanie

efektywność energetyczna = efekt użytkowy zużycie energii Polska w ciągu ostatnich 10 lat: - duży postęp w zakresie efektywności energetycznej - spadek energochłonności PKB o 1/3; - ustawa o wspieraniu przedsięwzięć termomodernizacyjnych, - optymalizacja procesów przemysłowych (cementownie,huty metali nieżelaznych, huty szkła nie odbiegają od poziomu europejskiego), - modernizacja oświetlenia ulicznego, Jednak efektywność energetyczna polskiej gospodarki jest: - około 3 razy niższa niż w najbardziej rozwiniętych krajach europejskich, - około 2 razy niższa niż średnia w krajach UE - zużycie energii pierwotnej w Polsce, odniesione do liczebności populacji, jest niemal 40 % niższe niż w krajach starej 15 - potencjał w zakresie oszczędzania energii Ustawa o efektywności energetycznej to wynik: - Dyrektywy 2006/32/WE w sprawie efektywności końcowego wykorzystania energii i usług energetycznych, - przyjęcia przez Radę Europejską w 2007 r. celu 20% obniżenia zużycia energii w UE do 2020 r. Misja Ministerstwo Gospodarki: Stworzenie najlepszych w Europie warunków prowadzenia działalności gospodarczej. J.F. Kennedy (1961r.): "Do końca dekady Amerykanin postawi swoją stopę na Księżycu". 46

obowiązuje od sierpnia 2011 do dnia 31 grudnia 2016 r. Art. 1. Ustawa określa: 1) krajowy cel w zakresie oszczędnego gospodarowania energią; 2) zadania jednostek sektora publicznego w zakresie efektywności energetycznej; 3) zasady uzyskania i umorzenia świadectwa efektywności energetycznej; 4) zasady sporządzania audytu efektywności energetycznej oraz uzyskania uprawnień audytora efektywności energetycznej. Transpozycja dyrektywy 2006/32/ WE w Polsce jest opóźniona o kilka lat. Jak wynika z art. 18 ust. 1 dyrektywy 2006/32/WE termin jej transpozycji do prawa krajowego minął 17 maja 2008 r. Okres transpozycji podany jest każdorazowo w treści dyrektywy na ogół wynosi od roku do 3 lat. W tym czasie państwa są zobowiązane do dostosowania prawa krajowego do założeń i postanowień dyrektywy. Transpozycja następuje poprzez przyjęcie przez odpowiednie organy prawodawcze danego państwa odpowiedniego aktu prawnego, Ustawa weszła w życie 11 sierpnia (będzie obowiązywać krótko). efektywność energetyczna stosunek uzyskanej wielkości efektu użytkowego danego obiektu, urządzenia technicznego lub instalacji, w typowych warunkach ich użytkowania lub eksploatacji, do ilości zużycia energii przez ten obiekt, urządzenie techniczne lub instalację, niezbędnej do uzyskania tego efektu; 47

... uzyskanie do 2016 r. oszczędności energii finalnej w ilości nie mniejszej niż 9% średniego krajowego zużycia tej energii w ciągu roku, przy czym uśrednienie obejmuje lata 2001 2005. - minister gospodarki co 3 lata przedstawia krajowy plan działań dotyczący efektywności energetycznej, - ma być przekazywany do Komisji Europejskiej - krajowy plan działań realizują ministrowie i wojewodowie energia pierwotna energia zawarta w pierwotnych nośnikach energii, pozyskiwanych bezpośrednio ze środowiska, w szczegolności: węglu kamiennym energetycznym (łącznie z węglem odzyskanym z hałd), węglu kamiennym koksowym, węglu brunatnym, ropie naftowej (łącznie z gazoliną), gazie ziemnym wysokometanowym (łącznie z gazem z odmetanowania kopalń węgla kamiennego), gazie ziemnym zaazotowanym, torfie do celow opałowych oraz energię: wody, wiatru, słoneczną, geotermalną wykorzystywane do wytwarzania energii elektrycznej, ciepła lub chłodu, a także biomasę energia finalna energia lub paliwa, z wyłączeniem paliw lotniczych i paliw w zbiornikach morskich, zużyte przez odbiorcę końcowego; Minimalny horyzont czasowy jest wyznaczony przez dyrektywę 2006/32/WE : Państwa członkowskie przyjmują i dążą do osiągnięcia krajowego celu indykatywnego w zakresie oszczędności energii w wysokości 9 proc. w dziewiątym roku stosowania niniejszej dyrektywy, który realizują za pomocą usług energetycznych i innych środków poprawy efektywności energetycznej ". Niewiele czasu do 2016 r. Przedsięwzięcia wymagające dużych nakładów, realizowane latami, mogą się okazać dla przedsiębiorców niepewne. Zwłaszcza w wypadku przedsięwzięć budowlanych. Gdy w grę wchodzą zakupy sprzętu, może być łatwiej. 48

Jednostka sektora publicznego stosuje co najmniej dwa ze środków poprawy efektywności energetycznej: 1) umowę, której przedmiotem jest realizacja i finansowanie przedsięwzięcia służącego poprawie efektywności energetycznej; 2) nabycie nowego urządzenia, instalacji lub pojazdu,charakteryzujących się niskim zużyciem energii oraz niskimi kosztami eksploatacji; 3) wymiana eksploatowanego urządzenia, instalacji lub pojazdu na urządzenie, instalację lub pojazd, o których mowa w pkt 2, albo ich modernizacja; 4) nabycie lub wynajęcie efektywnych energetycznie budynków lub ich części albo przebudowa lub remont użytkowanych budynków, w tym realizacja przedsięwzięcia termomodernizacyjnego; 5) sporządzenie audytu energetycznego budynku o powierzchni użytkowej powyżej 500 m2, których jednostka sektora publicznego jest właścicielem lub zarządcą. Jednostki sektora publicznego: np. budżetowe (rządowe i samorządowe) audyt efektywności energetycznej opracowanie zawierające analizę zużycia energii oraz określające stan techniczny obiektu, urządzenia technicznego lub instalacji, zawierające wykaz przedsięwzięć służących poprawie efektywności energetycznej tych obiektow, urządzeń lub instalacji, a także ocenę ich opłacalności ekonomicznej i możliwej do uzyskania oszczędności energii; - Ustawa nie określa żadnych wskaźników, parametrów lub wymagań dla jednostek sektora publicznego. Obowiązki ustawowe będzie bardzo łatwo wypełnić. - W toku prac parlamentarnych odrzucono poprawkę, aby wprowadzić obowiązek jednostek sektora publicznego zaoszczędzenia w każdym roku 1% średniego zużycia energii. Odrzucona propozycja oznaczała wypełnienie art. 5 dyrektywy 2006/32/WE. Norma ta nakazuje, aby jednostki sektora publicznego pełniły wzorcową rolę w dziedzinie oszczędnego gospodarowania energią. Komisja Europejska w ramach Planu działań na rzecz efektywności energetycznej 2011" zapowiada nałożenie wiążących prawnie obowiązków modernizacji i ocieplania 3 proc. budynków publicznych każdego roku. - były chyba obawy, że obowiązek oszczędności energii o 1 proc. w skali roku spowoduje znaczący wzrost wydatków budżetu państwa. - początkowe nakłady w oszczędność energii zawsze się zwracają... 49

zielone certyfikaty - za energię ze źródeł odnawialnych czerwone certyfikaty za produkcję energii w kogeneracji, białe certyfikaty (świadectwo efektywności energetycznej) za projekty, które prowadzą do zmniejszenia zużycia energii ( wydaje prezes URE ) Przedsiębiorstwo energetyczne sprzedające energię elektryczną, ciepło (ponad 5 MW) lub gaz ziemny odbiorcom końcowym, odbiorca końcowy członek giełdy, dom maklerski jest obowiązane: 1) uzyskać i umorzyć świadectwa efektywności energetycznej, o wartości nie większej niż 3% przychodu (w tonach oleju ekwiwalentnego) Wartość minimalnej energii pierwotnej podlegającej obowiązkowi 2) uiścić opłatę zastępczą, wynikającą z niedopełnienia obowiązku umorzenia świadectw Wielkość i sposób obliczania ilości energii pierwotnej odpowiadającej wartości świadectwa efektywności energetycznej, które jest obowiązane uzyskać i przedstawić do umorzenia przedsiębiorstwo energetyczne określi minister. tona oleju ekwiwalentnego rownoważnik jednej tony ropy naftowej o wartości opałowej rownej 41 868 kj/kg; W odróżnieniu od sektora publicznego sektor przedsiębiorstw obarczo znaczącymi obciążeniami. 50

Jak przedsiębiorstwo energetyczne sprzedające energię elektryczną, ciepło lub gaz ziemny odbiorcom końcowym może uzyskać i umorzyć świadectwa efektywności energetycznej? I sposób Przedsiębiorstwo energetyczne i jego klient (odbiorca końcowy) Warunki dla odbiorcy końcowego: - zużycie w 2011 r. nie mniej niż 400 GWh, - udział kosztu energii elektrycznej w wartości jego produkcji jest nie mniejszy niż 15%, - zakończenie nie wcześniej niż w dniu 1 stycznia 2011 r. przedsięwzięcia służącego poprawie efektywności energetycznej, - ograniczenie zużycia energii elektrycznej w przeliczeniu na wielkość produkcji, o nie mniej niż 1% rocznie w stosunku do średniej jego wielkości z lat 2008 2010 - zamówienie audytu efektywności energetycznej. Odbiorca końcowy przedstawia przedsiębiorstwu energetycznemu oświadczenie o zrealizowaniu przedsięwzięcia służącego poprawie efektywności energetycznej. Przedsiębiorstwo energetyczne sprzedające energię elektryczną, które otrzymało od odbiorcy końcowego oświadczenie wraz z audytem efektywności energetycznej, przekazuje to oświadczenie i audyt Prezesowi URE. - przedsięwzięcie nie dotyczy instalacji objętych systemem handlu uprawnieniami do emisji, 51

Przetargi Prezesa URE (zapewnienie realizacji krajowego celu). Przetarg przeprowadza się oddzielnie dla następujących kategorii przedsięwzięć służących poprawie efektywności energetycznej: 1) zwiększenia oszczędności energii przez odbiorców końcowych; 2) zwiększenia oszczędności energii przez urządzenia potrzeb własnych; 3) zmniejszenia strat energii elektrycznej, ciepła lub gazu ziemnego w przesyle lub dystrybucji. Do przetargu może być zgłoszone przedsięwzięcie służące poprawie efektywności energetycznej, w wyniku którego uzyskuje się oszczędność energii w ilości stanowiącej równowartość co najmniej 10 toe średnio w ciągu roku, albo przedsięwzięcia w wyniku których uzyskuje się łączną oszczędność co najmniej 10 toe średnio w ciągu roku. Nie mogą być zgłoszone przedsięwzięcia: 1) zakończone przed dniem 1 stycznia 2011 r.; 2) na którego realizację: a) przyznano premię termomodernizacyjną, b) uzyskano środki pochodzące z budżetu Unii Europejskiej lub z budżetu państwa; 3) wg I sposobu W przetargu może uczestniczyć podmiot, który przedłoży Prezesowi URE prawidłowo wypełnioną deklarację przetargową wraz z audytem efektywności energetycznej sporządzonym dla przedsięwzięcia lub przedsięwzięć tego samego rodzaju służących poprawie efektywności energetycznej. Prezes URE wydaje świadectwo efektywności energetycznej podmiotom w tonach oleju ekwiwal. toe ton of oil equivalent ekwiwalent ropy (paliwo o kaloryczności 10000 kcal/kg) Pierwszy odbędzie się prawdopodobnie w drugiej połowie 2012 r. 52

1) izolacja instalacji przemysłowych; 2) przebudowa lub remont budynków; 3) modernizacja: a) urządzeń przeznaczonych do użytku domowego, b) oświetlenia, c) urządzeń potrzeb własnych, d) urządzeń i instalacji wykorzystywanych w procesach przemysłowych, e) lokalnych sieci ciepłowniczych i lokalnych źródeł ciepła; 4) odzysk energii w procesach przemysłowych; 5) ograniczenie: a) przepływów mocy biernej, b) strat sieciowych w ciągach liniowych, c) strat w transformatorach; 6) stosowanie do ogrzewania lub chłodzenia obiektów - energii wytwarzanej we własnych lub przyłączonych do sieci odnawialnych źródłach energii, - ciepła użytkowego w kogeneracji, - lub ciepła odpadowego z instalacji przemysłowych. ma być szczegółowy wykaz 53

Prawa majątkowe wynikające ze świadectwa efektywności energetycznej są towarem giełdowym. Prawa te są zbywalne. Prezes URE, na wniosek przedsiębiorstwa energetycznego, odbiorcy końcowego oraz towarowego domu maklerskiego lub domu maklerskiego, którym przysługują prawa majątkowe wynikające ze świadectwa efektywności energetycznej, w drodze decyzji, umarza to świadectwo w całości albo w części. Prawa majątkowe wynikające ze świadectwa efektywności energetycznej wygasają z chwilą jego umorzenia Prawa majątkowe wynikające ze świadectw efektywności energetycznej, które nie zostaną umorzone przez Prezesa URE do dnia 31 marca 2016 r., wygasają z mocy prawa z dniem 1 kwietnia 2016 r. 54

Audyt efektywności energetycznej powinien zawierać: 1) imię, nazwisko... 2) kartę audytu efektywności energetycznej; 3) oznaczenie miejsca lokalizacji przedsięwzięcia służącego poprawie efektywnościenergetycznej; 4) ocenę stanu technicznego oraz analizę zużycia energii obiektu, urządzenia technicznego lub instalacji; 5) ocenę efektów uzyskanych w wyniku realizacji przedsięwzięcia służącego poprawie efektywności energetycznej, w tym w szczególności określenie osiągniętej oszczędności energii Audyt efektywności energetycznej, powinien zawierać także opis możliwych rodzajów i wariantów realizacji przedsięwzięć służących poprawie efektywności energetycznej wraz z oceną opłacalności ekonomicznej tych przedsięwzięć i możliwej do uzyskania oszczędności energii. Minister..., w drodze rozporządzenia: 1) szczegółowy zakres i sposób sporządzania audytu efektywności energetycznej, 2) wzór karty audytu efektywności energetycznej, 3) dane i metody, które mogą być wykorzystywane..., 55

Audyt efektywności energetycznej może sporządzić osoba, która: 3) ukończyła magisterskie studia wyższe w zakresie technicznym; 4) odbyła szkolenie dla osób ubiegających się o nadanie uprawnień audytora efektywności energ. lub ukończyła co najmniej roczne studia podyplomowe. 5) złożyła z wynikiem pozytywnym egzamin na audytora efektywności energetycznej. Audytor efektywności energetycznej podlega obowiązkowemu ubezpieczeniu od odpowiedzialności cywilnej za szkody wyrządzone w związku ze sporządzaniem audytu efektywności energetycznej 56

Ubiegając się o prawo do budowy budynku większego niż dom jednorodzinny, trzeba będzie udowodnić, że jego ogrzewanie będzie energetycznie efektywne. W ustawie o efektywności energetycznej zapisano wprowadzenie reguły "efektywnościowej" w stosunku do nowych obiektów o zapotrzebowaniu ciepła powyżej 50 kw (obiekty większe od standardowych domków jednorodzinnych) ubiegający się o pozwolenie na budowę takiego obiektu będzie musiał zaproponować wybudowanie własnego odnawialnego źródła energii lub własnej instalacji kogeneracji, ewentualnie wykorzystanie do ogrzewania budynku ciepła odpadowego z instalacji przemysłowych. jeśli ubiegający się o budowę nie chce takich indywidualnych rozwiązań, a jest w zasięgu sieci ciepłowniczej, która jest zasilana w 75 proc. energią z OZE, kogeneracji lub z ciepła odpadowego, to musi się do takiej sieci przyłączyć. Chyba, że przedstawi audyt energetyczny, z którego będzie wynikało, że proponowane przez niego dowolnie wybrane rozwiązanie jest bardziej korzystne i efektywne energetycznie. Właściciel będzie więc miał różne możliwości ogrzania budynku, muszą być one jednak energetycznie efektywne. 57

Dzięki ustawie za działania dające oszczędność energii można uzyskać tzw. białe certyfikaty i obracać nimi na giełdzie energii. Certyfikaty (świadectwa efektywności energetycznej) przyznaje prezes URE. Ustawa zawiera katalog przedsięwzięć, za które będzie można je dostać Przetargi organizowane przez URE Ile można będzie zarobić na certyfikacie? prawdopodobnie 1,8 2,5 tys. zł za dokument potwierdzający zaoszczędzenie 10 ton oleju. Mały nie zaoszczędzi 10 ton oleju więc działania w grupie (np. cały blok). Zbieraniem małych podmiotów i działaniem w ich imieniu powinny się zająć profesjonalne firmy pośredniczące typu ESCO Działania grupowe przewidują producenci sprzętu AGD - w razie zakupu lodówki klasy energetycznej A+ można będzie liczyć na mniej więcej 100 zł premii, a gdy sprzęt oszczędza więcej energii nawet na 200 300 zł. Według wyliczeń wydatki na energię spadną o 250 350 mln zł rocznie, co w okresie 15 lat daje ponad 5 mld zł oszczędności. Jednocześnie ceny energii mogą wzrosnąć o 1,5 2 proc., ponieważ przedsiębiorstwa energetyczne będą musiały kupić białe certyfikaty za ok. 2 mld zł rocznie. ESCO - Energy Service Companies (firmy usług energetycznych), oferujące kompleksowe usługi eksperckie w zakresie energetyki gwarantujące potencjalnym klientom oszczędności energii i zmniejszenie ponoszonych z tego tytułu kosztów. TPF = Third Party Financing (finansowanie przez trzecią stronę), SPA = Shared Profits Arrangement (zasada dzielenia się oszczędnościami). 58

4.1. Określanie charakterystyk energetycznych procesów 4.2. Zużycie energii od produkcji 4.3. Zużycie energii od produkcji c.d. 4.4. Zużycie energii od czasu 4.5. Kontrola zużycia energii 4.6. Kontrola zużycia energii c.d. 4.7. Metoda Integracji Procesu 4.8. Metoda Integracji Procesu c.d. 4.9. Metoda Integracji Procesu c.d. 4.10. Wykresy uporządkowane 4.11. Wykresy uporządkowane c.d. 4.12. Wykresy uporządkowane c.d. 1. BAŁTYCKA AGENCJA POSZANOWANIA ENERGII S.A., ZARZĄDZANIE ENERGIĄ W ZAKŁADZIE PRZEMYSŁOWYM PLANOWANIE INWESTYCJI MODERNIZACYJNYCH (MATERIAŁY SZKOLENIOWE) GRUDZIEŃ 2000 59

Do której grupy procesów należy mój proces? 1. Procesy, w których zachodzi wyraźna zależność pomiędzy zużyciem energii a wielkością produkcji, np. proces o dużym zapotrzebowaniu na ciepło, proces chemiczny, proces chłodnicze i.t.p; 2. Proces w którym jest mały związek wielkości produkcji z zapotrzebowaniem na energię energii wymagają jedynie czynności o charakterze usługowym np. cięcie, mieszanie itp. - Poszukiwanie zależności zużycia energii od produkcji. - Regresja liniowa? Zużycie energii = (m x produkcja) + c c zużycie jałowe 60

Określanie charakterystyk energetycznych procesów Zależność zużycia energii od produkcji. Zużycie energii = (m x produkcja) + c Gdy stała c osiąga duże wartości (np. powyżej 50%) potrzebna jest często dodatkowa analiza ponieważ może występować jeden z przypadków: 1. Procesy rozruchu i utrzymania ciągłości produkcji są niezwykle energochłonne, 2. W procesie produkcyjnym występują znaczne straty energii (np. na skutek nieszczelności lub złej izolacji termicznej, źle dobranych napędów, braku układów regulacyjnych itp.). Przypadek powinien oznaczać początek procedury poszukiwania nadmiernych start energii i wprowadzanie technologii energooszczędnych. Pomocne tu mogą być porównania pomiędzy podobnymi liniami technologicznymi lub do wskaźników charakterystycznych dla branży. 3. Produkcja jest scharakteryzowana przez jednostki niewłaściwe do oceny zużycia energii (np. w przypadku maszyn drukarskich, gdy zużycie energii zależy nie tylko od masy zadrukowanego papieru, ale także jego wilgotności i rodzaju). Potrzebna jest zmiana w podejściu do analizy danych i poszukiwania innych wskaźników charakteryzujących wielkość produkcji. Wielkość zużycia jałowego ukierunkowuje też poszukiwania sposobów oszczędzania energii na określone fazy procesu produkcyjnego. 61

Określanie charakterystyk energetycznych procesów Zależność zużycia energii od produkcji. Zużycie energii = (m x produkcja) + c Możliwe problemy: 1. Mała zmienność wielkości produkcji (np. powtarzająca się produkcja dobowa) - mały rozrzut danych i duży błąd metody 2. Duży rozrzut wielkości np. źle działająca regulacja, 3. Nieliniowa zależność między zużyciem energii a produkcją 4. Ujemny współczynnik kierunkowy prostej przy rosnącej produkcji spada zapotrzebowanie na energię np. procesy egzotermiczne (np. produkcja piwa). 5. Silnie nieliniowa charakterystyka strat w funkcji obciążenia (niektóre napędy, straty w transformatorach, liniach elektroenergetycznych itp.) 62

Określanie charakterystyk energetycznych procesów Zależność zużycia energii od czasu. Zawsze jest celowe wyznaczenie tej zależności dla energii elektrycznej. Pobór energii elektrycznej objawia się okresowym powtarzaniem określonych zmienności. Typowe cykle to: Doba (pobór energii w określonych strefach doby), Tydzień (różnica pomiędzy dniami roboczymi a weekendami i świętami w wykresie obciążenia), Rok (ilości energii pobierane w poszczególnych miesiącach roku). Znajomość tych zmienności (również okresów szczytowych poborów mocy) jest istotna z powodów: - taryfowych optymalizacja wariantów rozliczeń taryfowych, - pozwala też pośrednio identyfikować przyczyny nadmiernego zużycia energii - pozwala zaplanować działania energooszczędne. Zbyt mała zależność zużycia energii od typowego rytmu działań produkcyjnych np. małe spadki w zużyciu energii w okresach przerw (np. posiłkowych) - nadmierny ruch jałowy? źle eksploatowane oświetlenie? brak regulacji? złe rozmieszczenie wyłączników? itp. 63

Analiza bieżących pomiarów. Odchyłki przypadkowe czy są wynikiem niekorzystnych tendencji w prowadzonej gospodarce energetycznej? (Odchylenie średniokwadratowe) Procedura postępowania: 1. Wyznaczenie oczekiwanych standardów zużycia energii. 2. Obliczanie różnic pomiędzy mierzonymi na bieżąco wartościami a wielkościami oczekiwanymi. 3. Identyfikacja przypadków nadmiernych odchyłek. 4. Ingerencja w procesy produkcyjne w celu zminimalizowania tych odchyłek. Odchyłki o znacznej wartości awaria (instalacja systemu wczesnego wykrywania?) lub wadliwie działający system pomiarowy. Odchyłki niewielkie ale systematyczne. Stany te są znacznie trudniejsze do jednoznacznej interpretacji (łatwe do przeoczenia). Ich identyfikacja jest szczególnie ważna z punktu widzenia prawidłowo prowadzonej gospodarki energetycznej. Diagnostyka (obliczanie sum skumulowanych?) 64

Wykorzystanie sum skumulowanych polega na: - obliczaniu odchyłek pomiędzy wielkościami pomierzonymi a przewidywanymi. - obliczaniu skumulowanej sumy odchyłek, poprzez dodawanie odchyłek do siebie od momentu początkowego pomiarów a chwilą bieżącą. Rysuje się wykres sumy skumulowanej w zależności od czasu. Gdy odchyłki mają charakter przypadkowy ich znaki są często przeciwne i wzajemnie się znoszą. Na wykresie równoległe do osi czasu. Gdy odchyłki występują systematyczne, obliczana suma skumulowana zaczyna narastać. Na wykresie funkcja rosnąca. Takie stany świadczą o niekorzystnych zmianach w sposobie użytkowania energii. Gdy wśród odchyłek zaczynają dominować wartości ujemne, suma skumulowana zaczyna maleć. Może to być efekt wdrożonych działań energooszczędnych. Niezbędna korekcja zalecanych wskaźników energetycznych procesu. Gdzie można zastosować: Piece elektryczne np. łukowe, Pompy, Procesy elektrolityczne, Sprężarki, Procesy chłodnicze, Kuchnie elektryczne. 65

Technologia produkcyjna z wieloma procesami grzania i chłodzenia (odzysk ciepła) na różnych etapach procesu sieć wymienników ciepła z różnymi czynnikami. Jak zaprojektować sieć i dobrać parametry czynników aby zapewnić minimalną ilość wymienników i ich minimalną moc grzewczą lub chłodniczą. (Process Intergration) Pinch Technology. Przykład dla jednego z zakładów przemysłu chemicznego tradycyjne zintegrowane liczba wymienników ciepła 6 ( 2 parowe) 4 ( 1 parowy) moc grzewcza [kw] 1 722 1 068 moc chłodnicza [kw] 654 0 66

Dwa strumienie. Strumień 1 (45 o C, 170 o C, 390 kw) Strumień 2 (60 o C, 200 o C, 330 kw) po optymalizacji i zastosowaniu odzysku moc szczytowa Strumień 1 ( 90 kw) Strumień 2 ( 70 kw) Źródło [1] 67

Podstawowe zasady metody Integracji:: - nie stosować wymiany ciepła poprzez punkt pinch - nie stosować zewnętrznego chłodzenia punktem pinch - nie stosować zewnętrznego grzania poniżej pinch Metodą na przekazywanie ciepła poprzez pinch point jest zastosowanie pomp ciepła. Zastosowanie parownika w linii schładzanego strumienia poniżej pinch point a skraplacza w linii podgrzewanego strumienia powyżej pinch. Krzywe uporządkowane. 68

14-12 15-12 15-12 16-12 16-12 17-12 17-12 18-12 18-12 19-12 19-12 20-12 20-12 21-12 21-12 22-12 22-12 23-12 23-12 24-12 24-12 25-12 25-12 26-12 26-12 27-12 27-12 28-12 28-12 29-12 SO2, [mg/nm3] Qu, [MW] tm, [C] tp, [C] tp, superheater temperature outlet Qu, Thermal Power, MW tm, reheater temperature outlet SO2 in flue gas, [mg/nm3] 550 540 530 520 510 Wykres wielkości chwilowych, na rys. Qu [MW] moc cieplna kotła. Może być zapotrzebowanie na ciepło, i.t.d. 540 535 530 525 520 515 510 505 500 320 300 280 260 240 220 200 1 600 1 400 1 200 1 000 800 600 400 200 0 69

Parowa wydajność kotła, D[t/h] 6,4% 5,7% 12,0% Ilość godzin pracy z określoną wydajnością 4,0% 1,9% 7,0% 0,0% D 0,0% [t/h] 48% WYD 16,0% 8,1% 11,5% 390 380 370 360 350 340 330 320 310 300 290 280 270 400 380 360 340 320 300 280 10 godz. 166 godz.(ok.16%) 119 godz. 84 godz. 127 godz. Test od dnia 15.11.04 do dnia 30.12.04 122 godz. 125 godz. 66 godz. 260 11,8% 12,3% 240 Sumaryczna liczba godzin pracy przy określonej wydajności kotła [godz.] 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 Rys.12. Wykres obciążeń kotła w czasie testu spalania węgli LSC w 2007r (1.04-14.05), EC Kraków, K-1 Wykres uporządkowany powstaje poprzez sortowanie w arkuszu kalkulacyjnym wartości chwilowych dla uzyskania zmienności obciążenia w formie krzywej malejącej od obciążeń największych do najmniejszych. Pole pod krzywą wykresu reprezentuje roczną produkcję lub zapotrzebowanie energii. 70

Wykres uporządkowany pozwala na określenie czasu trwania poszczególnych zakresów rozpatrywanej wielkości, np. wartości szczytowej Zastosowania wykresu uporządkowanego: - dobór wielkości jednostek podstawowych, podszczytowych i szczytowych dla zasilania systemu energetycznego lub grzewczego - wybór paliwa dla poszczególnych zakresów, szczególnie przy nośnikach sieciowych i konieczności optymalizacji mocy zamówionych - ocena podziału zużycia energii pomiędzy poszczególne odbiory energii i ciepła. W poradnikach ogrzewania można znaleźć wzory na przybliżone przedstawienie krzywych wykresu uporządkowanego dla systemów grzewczych. Pozwalają one na wprowadzenie równań wykresów do arkuszy kalkulacyjnych i obliczenia danych dla wykresów uporządkowanych dla systemów ciepłowniczych. Prowadzi to do lepszego projektowania systemów grzewczych, doboru kotłów i optymalizacji wykorzystania paliw w kotłowni wielopaliwowej (gaz/olej, biomasa/olej). 71

5.1. Wprowadzenie 5.2. Auto-audyt - procedura postępowania 5.3. Racjonalizacja użytkowania energii 5.4. Ogrzewanie pomieszczeń 5.5. Wentylacja 5.6. Izolacje cieplne 5.7. Instalacje pary, sprężonego powietrza 5.8. Kotły parowe i wodne 5.9. Prawidłowe spalanie, stan paleniska 5.10. Odzysk ciepła Materiał źródłowy: 1. BAŁTYCKA AGENCJA POSZANOWANIA ENERGII S.A., ZARZĄDZANIE ENERGIĄ W ZAKŁADZIE PRZEMYSŁOWYM PLANOWANIE INWESTYCJI MODERNIZACYJNYCH (MATERIAŁY SZKOLENIOWE) GRUDZIEŃ 2000 72

- system pomiarowy, - system archiwizacji danych, - system diagnostyczny, - system automatycznego zarządzania energią (zarządzanie on-line) w tradycyjnej gospodarce energetycznej: - system pomiarowy, - system archiwizacji danych - analiza off-line pomiarów (audyt energetyczny niezależny specjalista) - przy braku środków wykorzystanie własnych służb energetycznych (auto-audyt energetyczny [1] ) cechy auto-audytu - ciągły proces (cykliczny), - stałe gromadzenie danych o produkcji i zużyciu energii, - stała analiza danych, - wyszukiwanie nieprawidłowości powodujących zwiększenie zużycia energii, - planowanie usprawnień (analiza techniczna i ekonomiczna), - okresowe raporty o stanie gospodarki energetycznej zakładu, - informowanie kierownictwa o możliwościach dokonania usprawnień. 73

Rejestracja danych Co można zmienić w istniejącym systemie gromadzenia danych? (częstotliwość odczytu, wprowadzenie dodatkowych pomiarów, system archiwizacji) Typy gromadzonych danych: 1. dotące zużycia energii, 2. o produkcji lub wydajności procesu technologicznego 3. parametry otoczenia Analiza danych Poszukiwanie zależności pomiędzy gromadzonymi danymi w celu identyfikacji podstawowych wskaźników energetycznych powadzonych procesów. Identyfikacja nieprawidłowości Raporty Cel - wypracowywanie podstaw do decyzji. Forma raportu 74

Istnieją wykazy głównych zaleceń i punktów przy sporządzaniu list kontrolnych (check list) oceny systemów i urządzeń energetycznych. W przedsiębiorstwie zalecenia mogą dotyczyć: ogrzewania pomieszczeń, wentylacji, izolacji cieplnych, instalacji pary, sprężonego powietrza, kotłów parowych lub wodnych, procesów spalania, stanu paleniska, odzysku ciepła 75

Ogrzewanie pomieszczeń wymaga dużych ilości energii - potencjalne oszczędności mogą być znaczne. 1. obniżenie temperatur wewnętrznych, unikanie przegrzania (temperatury wewnętrzne powinny wynosić odpowiednio 12-16-20 o C w zależności od przeznaczenia pomieszczenia/budynku), 2. wyłączenie z ogrzewania przestrzeni nieużywanych, 3. stosowanie kurtyn powietrznych, przedsionków, śluz, 4. zastosowanie automatyki i zaworów termostatycznych, 5. stosowanie obniżeń nocnych i weekendowych, z zabezpieczeniem przed zamarzaniem. 76

Wentylacja jest często nadmierna lub nieczynna z powodu hałasu i braku nagrzewnic; w obu przypadkach powoduje to pogorszenie warunków pracy. 1. unikanie przeciągów, uszczelnienie okien i drzwi, 2. zamykanie drzwi i bram; zastosowanie samozamykaczy, 3. unikanie nadmiernej wentylacji przez okna; zwykle zbyt duża, 4. wyłączanie wentylacji i klimatyzacji po zakończeniu pracy lub przejście na niskie wydajności, 5. ocena możliwości zastosowania odzysku ciepła (przy centralnych systemach), 6. odciągi miejscowe wyposażyć w czujniki (ruch, temperatura, światło/spawanie) z okresem wybiegu 77

Materiały izolacyjne powinny zapewniać możliwość odprowadzania pary wodnej (zapobieganie kondensacji w przegrodzie). Izolacja nie może prowadzić do przegrzania konstrukcji (np. zewnętrzna izolacja po zimnej stronie paleniska lub komina) Ekonomiczna grubość izolacji rośnie wraz z ze wzrostem cen energii i jest wyższa od wymaganej normy (minimalna grubość = średnica rurociągu). 1. izolowanie zarówno ciepłych jak i zimnych rurociągów, 2. izolowanie kołnierzy i armatury (zawory, filtry, osadniki), 3. zabezpieczenie izolacji przed zniszczeniem (wilgoć, mechaniczne - transport, technologia), 4. łączenie remontów przegród, dachów lub obiektów z wykonaniem dodatkowej termoizolacji, 5. wymiana starej izolacji na nową (w trakcie remontów), 6. przykrywanie gorących zbiorników pokrywami izolowanymi, w tym pokrywami pływającymi lub elastycznymi, 7. w miarę możliwości izolowanie od strony gorącej (palenisko, komin), 8. zabezpieczenie przed stratami przez promieniowanie i konwekcję (otwory pomiarowe, wzierniki, pokrywy, rewizje), 9. ograniczenie strat przez promieniowanie: ściany warstwowe, błyszczące powierzchnie. 78

Instalacje parowe nagminnie są przewymiarowane co powoduje duże straty ciepła oraz niedotrzymanie parametrów dla odbiorców (również nadmiar kondensatu). Zły dostęp do instalacji i armatury powoduje, że straty nie są zauważane. Straty sprężonego powietrza są bardzo kosztowne. 1. szczególnie unikać nieszczelności w instalacjach, 2. bieżące kontrole i naprawa odwadniaczy, 3. odcięcie nieczynnych odcinków rurociągów, 4. odzysk kondensatu (gdy to możliwe), stosować parę zgodnie z wymaganiami odbiorców, 5. wyłączać zasilanie sprężonym powietrzem podczas braku odbiorców, 6. wymieniać filtry powietrza, 7. regularne serwisy sprężarek (zawory, pierścienie), 8. czyszczenie chłodnicy międzystopniowej sprężarki, 9. czyszczenie łopatek wentylatorów i dmuchaw. 79

Sprawdzić sprawność poszczególnych kotłów przy częściowym obciążeniu. Dbać o czystość kanałów spalinowych. Stosować odsalanie i odmulanie z umiarem, ale nie ograniczać. 1. zapewnienie jak najrówniejszego obciążenia kotłów parą, 2. unikanie otwierania zaworów bezpieczeństwa poprzez kontrolę spalania, 3. sprawdzanie automatyki i sond pomiarowych, 4. sprawdzanie poprawności pracy stacji uzdatniania wody, 5. odsalanie i odmulanie, 6. ograniczanie temperatury wody do potrzeb technologicznych, 7. para przegrzana - o stałych parametrach. 80

1. wyłączanie niepotrzebnych palników, 2. nadmiar powietrza jest główną przyczyną strat energii, 3. regularne analizy składu spalin, 4. eliminowanie fałszywego powietrza do paleniska, 5. odcinanie przepływu przez nieczynny kocioł, 6. dobieranie odpowiedniego paliwa do palnika (wartość opałowa, temperatura), 7. regularne czyszczenie dysz, 8. nastawy powietrze pierwotne/wtórne, 9. zamykanie drzwi do komór paleniskowych i komór obróbki termicznej, 10. obniżenie masy wózków i innych urządzeń pomocniczych 11. w niektórych przypadkach zmiana na bardziej efektywne palniki, promienniki itp. 81

Należy unikać strat ciepła w postaci gorących gazów odlotowych, cieczy lub niespalonego paliwa. Konieczna jest ocena możliwości wykorzystania odzyskanego ciepła do podgrzewu wstępnego powietrza, wody lub wsadu, podgrzania paliwa itp. Konieczne są inwestycje, czasem drogie. 1. źródło ciepła odpadowego musi mieć odpowiednie parametry (temperatura, przepływ, moc), 2. jakość odzyskanej energii musi uzasadniać nakłady, 3. musi być jak największe zapotrzebowanie na ciepło/energię odpadową, 4. przy różnym okresie odzysku i wykorzystania, instalacja zasobników 5. układy wymagają miejsca 82

6.1. Egzergia 6.2. Straty egzergii... 6.6. Straty egzergii 6.7. Termoekonomia 6.8. Reguły zmniejszania niedoskonałości term.... 6.14. Reguły zmniejszania niedoskonałości term. 6.15. Bilans energii i egzergii w elektrowni parowej Na podstawie: J.Szargut, A.Ziębik, Podstawy energetyki cieplnej, PWN, Warszawa 2000 83

Egzergia miernik jakości energii. Poziom zerowy wyznacza przyroda - skład chemiczny i parametry stanu powszechnie wystę- pujących składników przyrody. (bogactwa naturalne?) Egzergia fizyczna (T, p) inne niż w otoczeniu Egzergia chemiczna bf ( i -iot ) -Tot ( s - sot b b ch W d ) Energia podlega prawu zachowania ma umowne poziomy odniesienia Egzergia nie podlega prawu zachowania poziom odniesienia narzuca otoczenie 84

Straty egzergii wewnętrzne (w osłonie bilansowej) związane z nieodwracalnością: B w T ot S Straty egzergii zewnętrzne związane z odprowadzeniem do otoczenia produktów odpadowych z dodatnią egzergią 85

Tarcie B T ot 2 1 dq T f T T ot Q f Q f ciepło tarcia T temp. ciała odb. ciepło tarcia 1.Tarcie jest bardziej szkodliwe gdy temp. ciała odbierającego ciepło jest mniejsza. 1 adiabatyczne sprężanie gazu T 2 T ot s 86

Nieodwracalny przepływ ciepła B T ot 1 Q T 2 1 - T 1 T ot T1 -T Q T T 1 2 2 Q ciepło przekazane T 1, T 2 temp. ciała ciepłego i zimnego 1. Nieodwracalność jest tym bardziej szkodliwa, im niższe są temp. 2. Większe róznice temp. są dopuszczalne dla wysokich temp. 3. Strumienie pojemności cieplnej (G c) powinny być zbliżone. Kiedy można uniknąć strat egzergii? (nieskończona powierzchnia?) 1p 2k T 1k 2p T ot s 87

Dławienie izentalpowe Dla gazów doskonałych i półdoskonałych B -G T ot p 2 p 1 v T dp p B G T R ln 1 ot p 2 1. Dla cieczy v mało zależy od temp. więc strata egzergii jest większa dla niskich temp. 2. Dla gazów dosk. i półdosk. zależy tylko od ciśnień. Mieszanie substancji o niejednakowych temp. B T ot ( C 1 ln T T m 1 + C 2 ln T T m 2 ) 88

Spalanie 1. Proces obarczony dużą stratą egzergii. 2. Straty egzergii można ograniczyć podgrzaniem substratów spalania, jednak rośnie wtedy strata egzergii związana z nieodwracalnym przepływem ciepła między spalinami a czynnikiem podgrzewanym. (Chyba żeby podnieść średnią temp. czynnika ogrzewanego) 3. Trzeba pamiętać, że podgrzanie substratów podnosi temp. spalania NOx (sprawa palenisk pyłowych NOx) T podgrze w powietrz a s s s 89

1. Gałąź analizy egzergetycznej - TERMOEKONOMIA 2. Analiza egzergetyczna informuje tylko o możliwościach udoskonalenia procesów cieplnych 3. Ma raczej pomocnicze zastosowanie w analizie ekonomicznej 90

Dopuszczaj do strat egzergii tylko gdy pozwala to ograniczyć nakłady inwestycyjne.(1) W wymienniku: T F B (maleją nakład inwest.) ale T F B B Trzeba zbadać koszty eksploatacyjne. T ot 1 Q T2 Q= k F T 1 - T T 1 ot T1 -T Q T T 1 2 2 Unikaj mieszania substancji różniących się temperaturą, ciśnieniem (2) Przy mieszaniu płynów (wymiennik bezprzeponowy) o różnych temp. T > 0 nie służy zmniejszeniu nakładów inwestycyjnych. Przy mieszaniu gazów o różnych ciśnieniach często stosuje się dławienie gdzie B >0. Można rozważyć zastosowanie maszyny przepływowej rozprężającej lub sprężającej. 91

Unikaj ochładzania gorącej substancji powietrzem lub wodą chłodzącą. Unikaj podgrzewania zimnej substancji powietrzem lub wodą chłodzącą gdy substancja ma temp. niższą od otoczenia. (3) Substancja gorąca i zimna (o temp. mniejszej od otoczenia) mają dodatnią egzergię ochładzanie lub podgrzewanie czynnikami otoczenia oznacza jej niszczen Procesy przeciwprądowe są zawsze bardziej term. sprawne niż współprądowe. (4) Tu duże B bo T duże T 1p 2p współprąd 1k 2k 1p 2k Przeciwprąd B T ot 1k 2p 1 Q T2 1 - T T 1 ot T1 -T Q T T 1 2 2 i 92

W wymienniku temp. końcowa jednego strumienia powinna być bliska temp. początkowej drugiego. Problem w sieciach wymienników. (5) Np. metoda pinch. Maksymalizacja regeneracji ciepła. Strumienie pojemności cieplnych (G c) czynników wymieniających ciepło powinny być zbliżone. Przy dużych różnicach rozdziel strumień o dużej pojemności cieplnej na dwa wymienniki. Tzw. strata strukturalna. (6) 1p 1p Nieskończona powierzchnia wymiennika i duża różnica strumieni pojemności cieplnych T 2k 1k 2p 2k 1k 2p Q= k F T 93

Unikaj pośredniego nośnika ciepła pomiędzy rozpatrywanymi strumieniami (7) Zawsze rośnie powierzchnia wymiany ciepła. Wyjątek. Może być opłacalne zastosowanie czynnika o dużej objętościowej pojemności cieplnej przy przesyłaniu ciepła na duże odległości (mniejsze nakł. inwestycyjne) Minimalizuj straty egzergii od tarcia hydraulicznego lub nieodwracalnego przepływu ciepła w niskich temp. (szczególnie niższych od temp. ot.) (8) Tarcie hydr. pociąga np. wzrost mocy sprężarek instalacji ziębiącej, równocześnie czynnik ziębiący pochłania ciepło tarcia B T ot 2 1 dq T f T T ot Q f Przy przepływie ciepła straty są większy przy niskich temp. B T ot 1 Q T 2 1 - T 1 T ot T1 -T Q T T 1 2 2 94

Unikaj dławienia gazów i par (9) (dotkliwe dla par i gazów bo duże v) Ziębiarki parowe sprężarkowe dławienie konieczne??? B -G T ot p 2 p 1 v T dp Sprężarki i wentylatory umieszczaj w miejscach o najniższej temperaturze (10) Praca sprężania ~ objętość sprężanego czynnika ~ 1/temperatura 95

Czy można wykorzystać ciepło oddawane do otoczenia, np. w skraplaczu. Np. urządzenie do produkcji pracy. Ciepło oddawane w skraplaczu jest bardzo zdewaluowane i możliwości jego wykorzystania są bardzo ograniczone. Ogranicz raczej ilość tego ciepła. Ciepło oddawane powstaje na wskutek nieodwracalnych przemian (w różnych miejscach układu) Więc... Obok zrealizowano pomysł aby wyeliminować straty w skraplaczu przez rekompresję pary... przesunięto tylko miejsce strat do elektrowni ( elektr. napęd sprężarki) Grzejnik rozruchowy Roztwór zagęszczony Wyparka do zatężania roztworu (z rekompresją pary) sprężarka podgrzewacz Roztwór ubogi 96

Zmniejszając jakąś stratę egzergii nie zwiększaj innej. Np. w spalaniu: straty egzergii można ograniczyć podgrzaniem substratów spalania, jednak rośnie wtedy strata egzergii związana z nieodwracalnym przepływem ciepła między spalinami a czynnikiem podgrzewanym. Należy równolegle np. podnieść średnią temp. czynnika ogrzewanego Koszt jednostki egzergii zwiększa się w miarę postępu przemian termodynamicznych koszt jedn. egzergii paliwa < koszt jedn. egzergii pary < koszt jedn. egzergii energii elektr. Straty egzergii są bardziej doktliwe w końcu łańcucha przemian. Redukuj straty egzergii gdzie są największe (kocioł parowy) lub tam gdzie koszt jednostki egzergii jest największy (sieć elektroenergetyczna!!!) 97

Dlaczego sprawność energii jest taka mała: Bilans energii największe straty energii są w skraplaczu Bilans egzergii niedoskonałość kotła (straty energii w kotle są małe ale występuje tu znaczna dewaluacja energii na skutek nieodwracalności spalania i przepływu ciepła między spalinami a czynnikiem obiegowym. 98

7.1. Modelowanie fizyczne 7.2. Modelowanie matematyczne 7.3. Kategorie modelowania matematycznego 7.4. Kategorie modelowania matematycznego 7.5. Kategorie modelowania matematycznego 7.6. Symulatory niestacjonarne (1) 7.7. Symulatory niestacjonarne (2) 7.8. Symulatory niestacjonarne (3) 7.9. Symulator stacjonarny bloku (1) 7.10. Symulator stacjonarny bloku (2) 7.11. Diagnostyka bloku (kotła) 7.12. Diagnostyka (kotła) analiza 7.13. Zanieczyszczenie pow. kotła 99

Modelowanie procesu - poznanie procesu przy pomocy uproszczonego układu, który odzwierciedla wybrane cechy procesu. Modelowanie to np. poszukiwanie sprawności w funkcji wielkości wejściowych Model procesu powinno się weryfikować porównując z pomiarami lub znanymi rozwiązaniami. Modelowanie fizyczne badanie zjawiska poprzez odtwarzanie go w różnych skalach. Modelowanie fizyczne wymaga zachowania stałości kryteriów podobieństwa określających model i obiekt. Stopniowo przechodzi się do co raz większej skali zmieniając odpowiednio wymiary liniowe. Metoda nadaje się jedynie do prostych systemów (np. hydraulicznych, cieplnych, jednofazowych) Można wykorzystać analogię opisu matematycznego różnych zjawisk - maszyny analogowe. Różne procesy są opisane jednakowymi równaniami matematycznymi. Np. wymianę ciepła można wyrazić przy pomocy równań opisujących przepływ prądu, wyniki z maszyny analogowej (zasilanej prądem) będą takie same jak z urządzenia rzeczywistego. Czy wyniki z modelowania fizycznego w mniejszej skali można bezkrytycznie przenosić na obiekty rzeczywiste Problemy modelowania fizycznego urządzeń energetycznych Model kotła pyłowego możliwe modelowanie fizyczne? 100

Modelowanie matematyczne gdy proces jest skomplikowany. Modelowanie dyskretne. Modelowanie matematyczne jest znacznie tańsze od fizycznego. Etapy: 1. Budowa modelu matematycznego. Równania różniczkowe, algebraiczne. Model we współrzędnych: - złożonych (t, x, y, z), przestrzennych (x, y, z), - modele 3D (niestacjonarne, stacjonarne) - skupionych - modele 0D (niestacjonarne, stacjonarne) 2. Budowa algorytmu rozwiązania dyskretnego (dla równań różniczkowych) - siatka różnicowa (kartezjańska, ortogonalna, nieortogonalna) - gęstość siatki (liczba węzłów lub liczba objętości kontrolnych np. 4 mln) - metoda różnicowa (metoda przejścia na równania algebraiczne metoda obj. skończonych, metoda elem. skończonych) - metoda rozwiązania układu równań algebraicznych metody iteracyjne: metoda Gausa- Seidla, Jacobiego, 3. Wykonanie obliczeń. Proces iteracyjny. Zbieżność obliczeń - współczynniki relaksacyjne. Problem obliczeń równoległych bo aktualny rozwój komputerów polega przede wszystkim na przyroście liczby rdzeni. 101

Makroskopowe (dużej skali) modele we współrzędnych stanu stacjonarne oparte na układzie równań algebraicznych rozwiązanie możliwe w arkuszu (np. MathCad) SH1 RH1 SH3 P G SH4 RH3 RH2 SH2 P K E ECO C O 339 C SH1 264 13,5 MPa 539 C LAD20 LAD10 186,7 kg/s 194 C 156 C 312 C 462 C 368 434 380 521 502 539 SH2 13,2 MPa 534 C 181,6 kpa 542,4 C 2,60 MPa 2399 kpa 313 C 15,0 MPa 7 8 6 5 3 2 1 7 3 4 5 6 2 1 2,8 MPa 245 C 3,63 MPa 0,61 MPa 350 C 1,34 MPa 0,43 MPa do NDD20 243 C 462 C 0,24 MPa 0,030 MPa 5,51 kpa 188,96 kg/s 12,27 kg/s 10,77 kg/s 336 C 0,100 MPa 0,68 kg/s 34,1 C 275 C z upustu 7 3,01 kg/s 0,71 MPa 5,39 kpa 5,57 kpa 199 C 2,71 MPa 7,00 kg/s 350 C 7,56 kg/s 293 C 3,24 kg/s 4,80 kg/s 0,0 MPa 149,4 kg/s 187 kpa 31,54 C 32,81 C LAD30 180 kpa 21,0 C 20,6 C 1,37 MPa 1,37 MPa 1,43 MPa 6,8 kg/s 225 C z kolektora 84,8 C 29,0 C 28,8 C 83,8 C 72 C 30,59 kg/s 16,4 MPa 156 C 152,3 C 547,8 kpa 153,4 C 547,8 kpa 4,02 kg/s 0,00 kg/s do kolektora 0,00 kg/s 151,37 kg/s 133 C 193,04 kg/s 35 t/h SH3 8 t/h 106,35 C 106,64 C SH4 NDD 20 2,81 kg/s 83,4 C 1,26 MPa 345 381 381 467 467 528 59 C NDD 10 0,00 kg/s 82,5 C 72 kpa 57 C LCC30 LCC20 MAW30 LCC11 5,27 kpa 34,9 C 34,6 C MAG20 600 kpa 197 C 0,000 kg/s MAG10 1,56 MPa 126 kg/s 0,00 kg/s 226 RH1 RH2 RH3 102

Makroskopowe (dużej skali) modele we współrzędnych stanu stacjonarne oparte na układzie równań algebraicznych aplikacja Cycle Tempo The computer program Cycle-Tempo was developed by TU Delft (Delft University of Technology) as a modern tool for the thermodynamic analysis and optimization of systems for the production of electricity, heat and refrigeration. The program is suited to model steam turbine cycles, STAG units, gas turbine cycles, combustion and heat transfer systems, coal and bio mass gasification combined cycles, fuel cell systems, organic Rankine cycles (ORC), refrigeration systems, and heat pumps. 103

wysokość komory, m komora dopalania Mikroskopowe (małej skali) modele we współrzędnych przestrzennych stacjonarne COMSTAR, FLUENT, SATURN dysze OFA1 palnik pyłowy 50 40 dysze OFA2 30 20 10 0 600 700 800 900 1000 1100 1200 temperatura spalin, o C 104

ZASTOSOWANIA Trening obsługi Projektowanie procesu Testowanie układu regulacji Dobór nastaw 1992 350 tys$ (Tamm) 100 200 tys. parametrów (1 sek) Równania różniczkowe, 0 i 1 -wymiarowe 105

106

rozruch kotła rozruch turbiny programowana zmiana mocy bloku synchronizacja bloku z siecią energetyczną przygotowanie układu gorącej wody sieciowej eksploatacja bloku w stanach awaryjnych 107

ZASTOSOWANIA Diagnostyka bloku on-line - walidacja pomiarów Np. 9.8 kj/kwh albo 39% (36,6%) Stopień zanieczyszczenia powierzchni Projektowanie procesu Parametry referencyjne Równania algebraiczne, nieliniowe Około 200 równań. Fortran Lahey. 108

186,7 kg/s 13,5 MPa 539 C 13,2 MPa 534 C 15,0 MPa 245 C 225 C 194 C 2,60 MPa 313 C 7 2 2,8 MPa 312 C 3,63 MPa 542,4 C 2399 kpa 0,61 MPa 350 C 1,34 MPa do NDD20 0,43 MPa 243 C 462 C 336 C 188,96 kg/s 10,77 kg/s 12,27 kg/s 350 C LAD30 7,56 kg/s 4,80 kg/s LAD20 LAD10 462 C 8 6 5 3 2 1 z kolektora 30,59 kg/s 152,3 C 547,8 kpa 193,04 kg/s 3 4 0,00 kg/s 153,4 C 547,8 kpa do kolektora 0,00 kg/s 151,37 kg/s 133 C 5 0,24 MPa 275 C 6,8 kg/s 6 0,030 MPa 0,100 MPa 0,68 kg/s z upustu 7 3,01 kg/s 199 C 2,71 MPa 293 C 3,24 kg/s 0,0 MPa 149,4 kg/s 1,37 MPa 84,8 C 83,4 C NDD 20 2,81 kg/s 1,26 MPa 106,35 C 106,64 C 1,37 MPa 83,8 C 59 C NDD 10 0,00 kg/s 82,5 C 1,43 MPa 72 C 72 kpa 57 C 1 7 5,51 kpa 34,1 C 5,39 kpa 5,57 kpa 31,54 C 32,81 C 34,9 C 21,0 C MAG20 181,6 kpa 180 kpa 29,0 C 5,27 kpa MAG10 600 kpa 197 C 0,000 kg/s 34,6 C 187 kpa 20,6 C 28,8 C 1,56 MPa 126 kg/s 0,71 MPa 7,00 kg/s 0,00 kg/s 156 C 16,4 MPa 156 C 4,02 kg/s LCC30 LCC20 MAW30 LCC11 109

Biurko specjalisty w el. E-mail: 4 tygodnie pracy bloku (co 30 sek) ok. 40MB Biurko w I-20 System archiwizacji danych - co 4 sek. wektor pomiarowy do pamięci dyskowej (ok. 700 analogów p, t, kg/s, Nm3/h) - archiwizacja dead-band 186,7 kg/s 13,5 MPa 539 C 13,2 MPa 534 C 542,4 C 2,60 MPa 2399 kpa 313 C 7 8 15,0 MPa 1 6 2 3 5 4 3 5 2 6 2,8 MPa 245 C 3,63 MPa 0,61 MPa 350 C 1,34 MPa do NDD20 0,43 MPa 243 C 462 C 336 C 188,96 kg/s 10,77 kg/s 12,27 kg/s 350 C LAD30 7,56 kg/s 4,80 kg/s 225 C z kolektora 312 C 0,00 kg/s LAD20 194 C 152,3 C 153,4 C 547,8 kpa 547,8 kpa do kolektora 462 C 0,00 kg/s 151,37 kg/s LAD10 30,59 kg/s 133 C 193,04 kg/s 0,24 MPa 0,100 MPa 275 C z upustu 7 199 C 0,0 MPa 1,37 MPa 6,8 kg/s 84,8 C 181,6 kpa 1 7 5,51 kpa 0,030 MPa 0,68 kg/s 3,01 kg/s 34,1 C 0,71 MPa 5,39 kpa 5,57 kpa 2,71 MPa 7,00 kg/s 293 C 3,24 kg/s 31,54 C 32,81 C 180 kpa 187 kpa 149,4 kg/s 21,0 C 20,6 C 1,37 MPa 1,43 MPa 29,0 C 28,8 C 83,8 C 72 C 5,27 kpa 0,00 kg/s NDD 20 NDD 10 34,9 C 34,6 C 72 kpa 0,00 kg/s MAG20 MAG10 82,5 C 600 kpa 2,81 kg/s 197 C 0,000 kg/s 83,4 C 1,26 MPa 1,56 MPa 126 kg/s 106,35 C 106,64 C 59 C 57 C 156 C 16,4 MPa 156 C 4,02 kg/s LCC30 LCC20 MAW30 LCC11 110

29-12 28-12 27-12 26-12 25-12 24-12 23-12 22-12 21-12 20-12 19-12 18-12 17-12 16-12 15-12 14-12 13-12 12-12 11-12 10-12 09-12 08-12 07-12 06-12 05-12 04-12 03-12 02-12 01-12 30-11 29-11 28-11 27-11 26-11 25-11 24-11 23-11 22-11 21-11 20-11 19-11 18-11 17-11 16-11 15-11 C % t/h 400 380 360 340 320 300 280 20 15 Ilość pary z kotła Części palne w popiele str P 10 5 0 A10 5 0 A10 5 0 A10 5 0 A10 180 170 0 I podajn-w ęgl N1 I podajn-w ęgl N2 I podajn-w ęgl N3 I podajn-w ęgl N4 T spalin za L2 T spalin za L1 160 150 111

1,1 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 1 0,9 0,8 1 I [A] 0,5 0 15-11 17-11 19-11 21-11 23-11 25-11 27-11 29-11 01-12 03-12 05-12 07-12 09-12 11-12 13-12 15-12 17-12 19-12 21-12 23-12 25-12 27-12 29-12 112

8.1. Wprowadzenie 8.2. Tablice wody i pary do MathCada i Excela 8.3. Tablice wody i pary do MathCada i Excela 8.4. Tablice wody i pary omówienie 8.5. Funkcje dla pary mokrej 8.6. Funkcje dla pary mokrej c.d. 8.7. Instalacja tablic 113

Stosowane parametry wody i pary: t temperatura, p ciśnienie, h entalpia właściwa, s entropia właściwa, v objętość właściwa, x stopień suchości Ze względu na szeroki zakres zmienności parametrów (ciśnienia do 100 Mpa, temperatury do 800 o C) obszar wody i pary dzieli się na kilka regionów (8 lub 5) i w każdym z nich sformułowane są oddzielne funkcje aproksymacyjne. W większości regionów parametrami wejściowymi są temperatura i ciśnienie, w pozostałych temperatura i objętość właściwa. Zwykle publikowany jest ograniczony zestaw funkcji aproksymacyjnych, np. h(t,p), s(t,p), v(t,p). W praktyce obliczeniowej czasami pożądane są również funkcje t(p,h) lub t(p,s) te muszą być wyznaczone przez odwracanie. Badaniami własności wody i pary wodnej zajmuje się International Association for the Properties of Water and Steam (IAPWS) Pierwszym standardem były sformułowania IFC-67 (obecnie uznaje się jako przestarzałe) Aktualnie: IAPWS-95 "for general and scientific use" - do obliczeń naukowych (jednofunkcyjne) IAPWS-IF97 industrial do szybkich obliczeń, z podziałem obszaru na 5 regionów (nieciągłości) nie ulegną zmianie przez wiele lat http://gibbs.mech.kyushu-u.ac.jp/~akasaka/propath_man/ http://www.iapws.org/relguide/if97-rev.pdf http://www.nist.gov/srd/nist10.cfm 114

W tabeli zawarto funkcje dla wody i pary w bibliotece dla MathCada (thmcad2008v1.dll) i Excela (ThExcel4.xla). Są to funkcje oparte na standardzie IFC-67. Część funkcji to oryginalne funkcje standardu, pozostałe funkcje odwracające. Zakresy - (0,01-800 o C), (0,0006-100 MPa), dla pary mokrej - (0,01-374,12 o C), (0,0006-22,115 MPa) Tabela 1 4 10 3 3 10 3 h1sat t.x 2 10 3 h2sat ( t.x ) ( ) 4.174 h [kj/kg] 1 10 3 0 0 2 4 6 8 10 0.015 s1sat t.x, s2sat t.x s [kj/kgk] ( ) Obszar pary mokrej ( ) 9.13 Wielkość Obliczana Jednostka Obszar pary mokrej Bez obszaru pary mokrej W całym obszarze Ciśnienie Mpa p(t) p(t,v) Temperatura C t(p) t(p,s) t(p,h) Entalpia wł. kj/kg h (t) h (t) h(t,p) h(p,s) h(t,v) Entropia wł. kj/(kg K) s (t) s (t) s(t,p) s(p,h) s(t,v) Objętość wł. m 3 /kg v (t) v (t) v(t,p) v(p,s) v(p,h) St.suchości - x(p,s) x(p,h) Ciepło wł. kj/(kg K) C p (t) C p (t) C p (t,p) Lepkość d. Pa s (t) (t) (t,p) Przew. ciep. W/(m K) (t) (t) (t,p) 115

4 10 3 3 10 3 W tabeli nazwy funkcji (MathCad i Excel) bibliotecznych: h1sat t.x 2 10 3 h2sat ( t.x ) ( ) h [kj/kg] 1 10 3 Obszar pary mokrej Tabela 2. Implementacja funkcji z Tabeli 1 w MathCadzie i Excelu 4.174 0 0 2 4 6 8 10 0.015 s1sat t.x, s2sat t.x s [kj/kgk] ( ) ( ) 9.13 Wielkość Obliczana Jednostk a Obszar pary mokrej Bez obszaru pary mokrej W całym obszarze Ciśnienie Mpa psat(t) p_tv(t,v) Temperatura C tsat(p) t_ps(p,s) t_ph(p,h) Entalpia wł. kj/kg h1sat(t) h2sat(t) h_tp(t,p) h_ps(p,s) h_tv(t,v) Entropia wł. kj/(kg K) s1sat(t) s2sat(t) s_tp(t,p) s_ph(p,h) s_tv(t,v) Objętość wł. m 3 /kg v1sat(t) v2sat(t) v_tp(t,p) v_ps(p,s) v_ph(p,h) St.suchości - x_ps(p,s) x_ph(p,h) Ciepło wł. kj/(kg K) Cp1Sat(t) Cp2Sat(t) Cp(t,p) Lepkość d. Pa s Visc1Sat(t) Visc2Sat(t) Visc(t,p) Przew. ciep. W/(m K) Lambda1Sat(t) Lambda2Sat(t) Lambda(t,p) 116

Funkcje dla wody i pary można podzielić na następujące kategorie: 1. Przeliczniki (temperatura nasycenia ciśnienie nasycenia) t = t(p); p = p(t) MathCad t = tsat(p); p = psat(t) 2. Funkcje na krzywych granicznych (wykres h-s) np. h = h (t); h = h (t) MathCad h = h1sat(t); h = h2sat(t) gdzie h (t) entalpia wody w temp. nasycenia krzywa graniczna 1 (x=0) na wykresie h-s h (t) entalpia pary w temp. nasycenia krzywa graniczna 2 (x=1) na wykresie h-s 3. Funkcje dwu-parametrowe obowiązujące dla wody, pary przegrzanej i pary mokrej np. funkcje na h h=h(p,s) MathCad h = h_ps(p,s) h=h(t,v) MathCad h = h_tv(p,s) w całym obszarze wykresu h-s krzywe (p,s) oraz (t,v) przecinają się w jednym punkcie więc istnieją odpowiednio jednoznaczne funkcje h(p,s) oraz h(t,v) 4. Funkcje dwu-parametrowe obowiązujące dla wody i pary przegrzanej np. funkcje na h h=h(t,p) MathCad h = h_tp(t,p) krzywe (t,p) przecinają się w jednym punkcie tylko dla wody i pary przegrzanej. Dla pary mokrej krzywe te pokrywają się i w tym obszarze nie ma jednoznacznej funkcji h(t,p). Parametry pary mokrej wyznaczamy przy pomocy funkcji na krzywych granicznych 117

W obszarze pary mokrej można stosować ogólne funkcje h(p,s) lub h(t,v) ale w praktyce dane wejściowe w tym regionie to (t,x) lub (p,x). Entalpia właściwa pary mokrej dla tych danych dane: (t,x) h=h (t)*(1-x)+h (t)*x MathCad h = h1sat(t)*(1-x)+h2sat(t)*x dane: (p,x) t=t(p) h=h (t)*(1-x)+h (t)*x MathCad t=tsat(p) h = h1sat(t)*(1-x)+h2sat(t)*x Objętość właściwa dane: (t,x) v=v (t)*(1-x)+v (t)*x MathCad v = v1sat(t)*(1-x)+v2sat(t)*x dane: (p,x) t=t(p) v=v (t)*(1-x)+v (t)*x MathCad t=tsat(p) v = v1sat(t)*(1-x)+v2sat(t)*x Entropia właściwa dane: (t,x) s=s (t)*(1-x)+s (t)*x MathCad s = s1sat(t)*(1-x)+s2sat(t)*x dane: (p,x) t=t(p) s=s (t)*(1-x)+s (t)*x MathCad t=tsat(p) s = s1sat(t)*(1-x)+s2sat(t)*x 118

Należy unikać jawnego stosowania funkcji h(t,p) (również s(t,p), v(t,p), ) jeśli czynnik może być parą mokrą wtedy entalpię liczymy przecież z wzoru: h=h (t)*(1-x)+h (t)*x O możliwych problemach świadczy poniższy przykład: Przykład 1 Oblicz temperaturę czynnika t 3 za schładzaczem jeśli: D 1 3 kg sek - 1 t 1 415 C p 1 6 MPa D 2 0.5 kg sek - 1 t 2 170 C p 2 6.2 MPa D 1, t 1, p 1 D 2, t 2, p 2 t 3, p 3 I sposób rozwiązujemy równanie: t 3 200 C giv en t 3 f ind t 3 D 1 h_tp t 1, p 1 ( ) D 2 h( t 2, p 2 ) D 1 h t 1, p 1 ( ) D 2 h_tp( t 2, p 2 ) ( ) C p 3 5.9 MPa ( ) h( t 3, p 3 ) + = D 1 + D 2 + = D 1 + D 2 ( ) h_tp( t 3, p 3 ) II sposób rozwiązujemy równanie: ( ) D 2 h( t 2, p 2 ) D 1 h t 1, p 1 ( ) D 2 h_tp( t 2, p 2 ) D 1 h_tp t 1, p 1 + i 3 D 1 + D 2 t 3 t_ph p 3, i 3 ( ) 274.4 C ( ) i 3 + = D 1 + D 2 x 3 x_ph p 3, i 3 ( ) 0.917 Gdyby w rurociągu 3 czynnik był wodą lub parą przegrzaną I sposób byłby skuteczny, ale 119

Pliki ze strony http://fluid.itcmp.pwr.wroc.pl/~zmodl/ Instalacja w MathCadzie. thmcad2008v1.dll - biblioteka kilkuset funkcji (m.innymi tablice) napisana w języku C++. Należy ją umieścić w katalogu...\mathcad\userefi. Podczas uruchamiania MathCad przegląda ten katalog i ładuje wszystkie biblioteki *.dll (dynamic-link library) user_en.xml - plik opisujący funkcje. Należy umieścić (nadpisać) go w katalogu...\mathcad\doc\funcdoc Plik nie jest bezwzględnie potrzebny, dzięki niemu funkcje są widoczne w oknie (menu) InsertFunction Function Category Instalacja w Excelu ThExcel4.xla - plik typu dodatek napisany w VBA. Należy go umieść w dowolnym katalogu, ale najlepiej niech to będzie: C:\Program Files (x86)\microsoft Office\Office12\Library (Excel 2007) C:\Windows\Dane aplikacji\microsoft\addins (Excel 97) Trzeba go uaktywnić przy pomocy menu: Dodatki 120

9.1. Arkusz kalkulacyjny czy pakiet obliczeniowy 9.2. MathCad - cechy 9.3. MathCad - funkcje 9.4. MathCad funkcje 9.5. Excel 9.6. Excel programowanie w VBA 9.7. Excel programowanie w VBA 9.8. Excel przykład aplikacji. Analiza pomiarów. 9.9. Excel przykład aplikacji 121

Przyczyny dużej popularności arkuszy kalkulacyjnych wśród inżynierów energetyków: procesy energetyczne obejmują dyscypliny, które charakteryzują się wciąż niedomkniętymi modelami: mechanika płynów niepewny opis turbulencji; spalanie dla gazów uznane modele tylko dla prostych węglowodorów (CH4) ; stąd np. brak w pełni wiarygodnych pakietów obliczeniowych 3-D. istnieje duża liczba rozwijanych od lat formuł empirycznych (np. wymiany ciepła), które łatwo można wykorzystać w arkuszu kalkulacyjnym; wykorzystanie pakietów obliczeniowych 3-D do takich zagadnień jak np. przepływ ze spalaniem w kotle energetycznym lub pakietów 0-D do symulacji bloku energetycznego jest niezwykle skomplikowane i wykonywane raczej w ośrodkach akademickich; znaczny koszt licencji komercyjnej popularnych pakietów (np. Fluent) Nieco inna sytuacja jest w mechanice dysponującej równaniami teorii sprężystości i algorytmami MES. Tu szeroko stosowane są pakiety obliczeniowe (np. COSMOS/M) 122

Główne cechy: arkusz kalkulacyjny (WYSIWYG) w arkuszu można umieszczać: - tekst, - równania matematyczne, - grafikę. możliwość korzystania z funkcji: - wewnętrznych MathCada, - własnych, zdefiniowanych w MathCadzie, - własnych, przygotowanych w C procedury rozwiązania układu równań nieliniowych Przykład 1 Oblicz moc cieplną grzejnika pokojowego dla danych: strumień wody: D 0.05 kg sek - 1 parametry wlotowe: t 1 65 C p 1 0.3 MPa parametry wylotowe: t 2 55 C p 2 0.3 MPa Rozwiązanie: Q = D i 1 - i 2 ( ) ( (, ) - h_tp( t 2, p 2 )) 2.09 kw Q D h_tp t 1 p 1 biblioteka funkcji na własności wody i gazów w pliku thmcad2008v1.dll http://fluid.itcmp.pwr.wroc.pl/~zmodl/ 123

Funkcje własne w MathCadzie - hermetyzacja kodu A r 2 0.5 W r 10 C r 5 4.2 H r 3.8 O r 1 0.0 4 N r 1 S r 0.4 6 a un 0.9 0 d ash 10 ( ) V 0 0.0 8 89C r + 0.3 75S r V O2 ( ) ( - 1) 0.2 1 V 0 V N2 ( ) 0.7 9 V 0 + 0.0 08N r ( ) V CO2 ( ) 0.0 1 C r + 0.3 75S r 1.8 6 6 + 0.2 65H r - 0.0 3 33O r 5.5 0 6 V H2O ( ) 0.1 11H r + 0.0 1 24W r + 0.0 1 61 V 0 V sp ( ) V N2 ( ) + V H2O ( ) + V CO2 ( ) + V O2 ( ) r H2O ( ) V H2O ( ) V sp ( ) r CO2 ( ) V CO2 ( ) V sp ( ) ash ( ) 0.0 1A r a un 1-0.0 1A r + 1.3 06 V 0 ( ) 0.9 0.8 sp, 1.1, 4.5, 150.7 0.6 ( ) ( sp 1.3) sp,, s, d ash T + 273 r r H2O ( ) + r CO2 ( ) 0.7 8+ 1.6r H2O ( ) k gas rs 4300 sp k ash ash ( ) 3 T 2 2 d ash ( ) 1 - exp - k gas + k ash s - 0.1 1 0.3 7 T - r 1000 0.5 600 800 110 3 1.2 10 3 1.4 10 3 124

rozwiązywanie układu równań nieliniowych Given f(x,y) = 0 g(x,y) = 0 (x,y)=find(x,y) metoda Levenberg-Marquardt Conjugate-Gradient Quasi-Newton własna metoda iteracyjna, współczynniki relaksacji rozwiązywanie równań różniczkowych zwyczajnych 125

Dodatek (biblioteka funkcji własnych): ThExcel4.xla ( Excel 2003), ThExcel5.xlam (Excel 2007) Instalacja dodatku. Umieścić bibliotekę w podkatalogu C:\Documents and Settings \zm\dane Aplikacji\Microsoft\Dodatki lub C:\Program Files\Microsoft Office\Office12\Library\ Aktywować przy pomocy: Przycisk Office Opcje Programu Excel Dodatki Przejdź ThExcel5 Po aktywacji bibliotek funkcje (np. h_tp(t,p) ) są dostępne z poziomu arkusza Złożone zagadnienia obliczeniowe lepiej zakodować w VBA (Visual Basic for Applications), który jest składnikiem Excel a. Dana aplikacja (w naszym przypadku Excel) jest środowiskiem uruchomieniowym dla Basic a. Kod programu napisanego w VBA zawsze zawarty jest w dokumencie utworzonym w Excelu. VBA nie pozwala na tworzenie samodzielnych skompilowanych aplikacji typu EXE. VBA pozwala w wielu przypadkach napisać aplikację nie ustępującą pod względem funkcjonalności programom napisanym przy pomocy takich narzędzi jak Delphi czy C++Builder. 126

Napisać aplikację w VBA obliczającą entalpię wody dla danych: t [ o C] i p [Mpa] Wykorzystać funkcję biblioteczną h_tp(t,p) 1. Upewnij się czy jest widoczna karta Deweloper na wstążce. 2. Jeśli nie - Przycisk Office Opcje Programu Excel Popularne Pokaż kartę Deweloper na Wstążce 3. Na arkuszu wstaw tekst temp1, press1, enth1. 4. W komórkach z prawej zdefiniuj nazwy (najlepiej takie same jak tekst obok) wykorzystaj do tego przycisk na karcie Formuły. Operowanie nazwą komórki zamiast jej adresu jest wygodniejsze przy pisaniu kodu 5. Załącz tryb projektowania i wstaw na arkusz przycisk (formant ActiveX) 6. Wywołaj edytor VBA do napisania procedury, która zostanie wykonana po naciśnięciu przycisku. wywołanie edytora VBA wstawianie formantu AciveX karta Deweloper edytor VBA wstążka przycisk komórki tekstowe komórki danych komórki wyników 127

1. W edytorze VBA utwórz moduł, Insert Module 2. Wypełnij moduł procedurą o nazwie np. MainProc(). 3. Opis procedury Option Explicit - obowiązkowe deklarowanie zmiennych, Option Base 1 - indeksowanie tablic zaczyna się od 1 Public Sub MainProc() - nagłówek funkcji będziedostępna w innych modułach Dim - deklaracje zmiennych... temp1 = Worksheets("Arkusz1").Range("temp1").Value - odczytanie wartosci z komórki o nazwie temp1 znajdującej się na arkuszu o nazwie Arkusz1... enth1 = h_tp(temp1,press1) obliczenie entalpii przy pomocy funkcji bibliotecznej... Worksheets("Arkusz1").Range("temp1").Value = enth1 zapisanie wartosci w komórce o nazwie temp1 znajdującej się na arkuszu o nazwie Arkusz1 4. Należy utworzyć odwołanie do dodatku w którym są funkcje biblioteczne: Tools References ThExcel5. 5. Jak wywołać funkcję MainProc po naciśnięciu przycisku wstawionego na arkusz z listy formantów: - aktywny tryb projektowania - wykonujemy doubleclick na przycisku edytor tworzy automatycznie zręby procedury CommandButton1_Click() (technologia rapid application development) 6. wpisujemy wywołanie Call MainProc 128

129

130

10.1. Nadmiar informacji 10.2. Nadmiar równań 10.3. Uogólniona metoda uzgadniania 10.4. Uogólniona metoda uzgadniania 10.5. Uogólniona metoda uzgadniania 10.6. Uogólniona metoda uzgadniania 10.7. Algorytm 10.8. Algorytm c.d. 10.9. Algorytm c.d. 10.10. Przykład. Formułowanie równań bilansowych. 10.11. Przykład. Formułowanie równań bilansowych. c.d. 10.12. Przykład. Wstępne oszacowanie niewiadomej i niedokładności 10.13. Przykład. Poszukiwanie poprawek na pomiary i obliczenia 10.14. Przykład. Poprawione pomiary i obliczenia. Literatura: J.Szargut, A. Ziębik, Podstawy energetyki cieplnej, 1998,2000 (str.82) 131

Validacja pomiarów Pomiary bezpośrednie odczytujemy z przyrządu pomiarowego Niektóre wielkości są niemożliwe (lub trudne) do zmierzenia najczęściej obliczamy je za pomocą pomocą równań bilansowych (pomiary pośrednie). Problem pojawia się kiedy istnieje kilka równań, z których można wyznaczyć poszukiwaną wielkość. Zwykle wartości tej wielkości otrzymane z każdego z równań różnią się. Wynika to z niepewności pomiarowych jakimi obarczone są pomiary bezpośrednie. Możemy mówić tu o nadmiarze informacji 132

F p2 i p2 F p1 i p1 F k i 3 i 2 i 1 i s2 i s1 F S Przykład: układ z podgrzewaczami regeneracyjnymi. Z powodów konstrukcyjnych nie można często dokonać bezpośredniego pomiaru strumieni pary upustowej Fp1, Fp2 trzeba je obliczyć z równań bilansowych. Mamy niestety aż trzy równania. Jeśli obliczymy je z dwóch pierwszych raczej na pewno nie spełnią trzeciego. F P1 - i 3 2 FP2 Fk i P2 - i S2 Fk ( i2 - i1 ) - FP 2( is 2 - is1) i - i P1 S1 F P1 + F i P2 F S (1) (2) (3) 133

W pewnym układzie możemy zmierzyć bezpośrednio wielkości x 1, x 2, x 3. Zmierzone wartości wynoszą: l 1, l 2, l 3. Niedokładności pomiarów wynoszą: m 1, m 2, m 3,. Poszukujemy wartości l 4 wielkości x 4 Załózmy, że dla układu możemy sformułować dwa równania bilansowe: F ( x 1 2 1 F ( x, x 1 2, x 2, x 3, x, x 3 4, x 4 ) 0 ) 0 (1) (2) Kolejno wyznaczymy nieznaną wartość l 4 i niepewność m 4 z równania (1) i (2). Do dalszych obliczeń przzyjmiemy wartość l 4 o mniejszej niepewności m 4 Równanie bilansowe wykorzystane do obliczenia l 4 będzie spełnione, ale pozostałe nie. Ogólnie możemy zapisać, że F1 ( l1, l2, l3, l4) w1 F2 ( l1, l2, l3, l4) w2 (3) (4) 134

135 Postulujemy aby odszukać poprawki h i pomiarów bezpośrednich i pośrednich ; ; ; ; 4 4 ' 4 3 3 ' 3 2 2 ' 2 1 1 ' 1 h l l h l l h l l h l l + + + + aby spełnione były równania bilansowe: (6) 0 ),,, ( (5) 0 ),,, ( ' 4 ' 3 ' 2 ' 1 2 ' 4 ' 3 ' 2 ' 1 1 l l l l F l l l l F... ),,, ( ),,, ( ),,, ( ),,, ( ),,, ( ),,, ( 4 4 3 2 1 4 3 4 3 2 1 3 2 4 3 2 1 2 1 4 3 2 1 1 4 3 2 1 ' 4 ' 3 ' 2 ' 1 + + + + + h l l l l x F h l l l l x F h l l l l x F h l l l l x F l l l l F l l l l F równania na poprawki można otrzymać rozwijając równania (5,6) w szereg Taylora:

Odrzucając człony wyższego rzędu i korzystając z (5,6) otrzymujemy dwa równania na poprawki: 4 j1 a kj h j -w k ; k 1,2 gdzie: w k F k ( l1, l2, l3, l4) a kj F x k j ( 4 l1, l2, l3, l ); j 1,...,4 W naszym przykładzie do obliczenia czterech poprawek mamy tylko dwa równania. Z wielu możliwych rozwiązań będziemy poszukiwać takich (funkcja celu) aby: 1 2 2 2 2 h2 h3 h4 + + + 2 2 2 2 1 m2 m3 m4 h m min 136

Podsumowanie procedury W pierwszym kroku oszacujemy niepewności wyznaczenia l 4 z równania (1) i (2) i do wyznaczenia l 4 wykorzystamy to dla którego niepewność jest mniejsza. W drugim kroku odszukujemy poprawki h 1, h 2, h 3, h 4 W trzecim kroku obliczamy nowe wartości l 1, l 2, l 3, l 4 137

138 Dane: pomiary bezpośrednie: x 1, x 2, x 3. Zmierzone wartości wynoszą: l 1, l 2, l 3. Niedokładność pomiarów jest jednakowa (dla uproszczenia) i wynosi m. Poszukujemy wartości l 4 wielkości x 4 1. Formułujemy równania bilansowe. Tutaj podajemy tylko dwa ale może być ich więcej. (2) 0 ),,, ( (1) 0 ),,, ( 4 3 2 1 2 4 3 2 1 1 x x x x F x x x x F 2. Z każdego z równań wyznaczamy wartość l 4 2 3 2 3 2 2 2 2 2 1 2 1 2 4 m x f m x f m x f m + + Do dalszych obliczeń przyjmujemy niepewność m 4 mniejszą i odpowiadającą wartość l 4.. (4) ),, ( (3) ),, ( 3 2 1 2 '' 4 3 2 1 1 ' 4 l l l f l l l l f l i niepewność pomiarową m 4. Korzystamy tu z prawa przenoszenia błędu:

3. Wyznaczamy - macierz A wartości pochodnych równań bilansowych : a kj F x k j ( 4 l1, l2, l3, l ); j 1,...,4 k 1,2 - wektor w błędów równań bilansowych : w k F k ( 4 l1, l2, l3, l ); k 1,2 - macierz diagonalną M kwadratów niedokładności : m jj m 2 j ; j 1,...,4 - macierz pomocniczą F : F AM T A 139

4. Wyznaczamy wektor poprawek h h M A T F -1 w 5. Obliczamy poprawione wartości pomiarów bezpośrednich i pośrednich l ' j l j + h j ; j 1,...,4 140

Zadanie 601. Zmierzyć składniki spalin suchych przed zasuwą i za zasuwą. Obliczyć ilość powietrza wnikającego do spalin przez nieszczelności zasuwy. CO2 1 : l 1 0.130 kmol / kmol sp. suchych O2 1 : l 2 0.033 CO2 2 : l 3 0.082 O2 2 : l 4 0.092 " " " " " " : l 5 =? " " zakładamy niedokładność bezwzględną jednakową dla wszystkich p omiarów: m a 0.002 1. Formułowanie równań bilansowych. Wyjaśnienie 1 kmol spalin + kmol pow. => (1+) kmol spalin udziały molowe przed zasuwą za zasuwą czyli: = ( ) CO2 2 (1) = ( + ) O2 2 (2) = ( + ) N2 2 (3) = (4) CO2 1 1 + O2 1 + 0.21 1 N2 1 + 0.79 1 CO2 1 + O2 1 + N2 1 1 CO2 2 + O2 2 + N2 2 1 = (5) CO2 1 O2 1 N2 1 CO2 1 1 + O2 1 + 0.21 1 + N2 1 + 0.79 1 + CO2 1 CO2 2 = + 1 O2 1 + 0.21 O2 2 = + 1 N2 1 + 0.21 N2 2 = + 1 141

Z (3) eliminujemy N2 wykorzystując (4) i (5) CO2 1 - ( 1 + ) CO2 2 = 0 (6) O2 1 - ( 1 + ) O2 2 + 0.21 = 0 (7) CO2 1 - ( 1 + ) CO2 2 + O2 1 - ( 1 + ) O2 2 + 0.21 = 0 (8) równanie (8) odrzucamy bo jest sumą : (6)+(7) Mamy zatem następujący układ równań bilansowych: CO2 1 - ( 1 + ) CO2 2 = 0 (9) O2 1 - ( 1 + ) O2 2 + 0.21 = 0 (10) czyli: F 1 ( CO2 1, O2 1, CO2 2, O2 2, ) CO2 1 - ( 1 + ) CO2 2 ( ) O2 1 ( 1 + ) O2 2 F 2 CO2 1, O2 1, CO2 2, O2 2, - + 0.21 142

2. Wstę pne oszacowanie nie wiadomej i niedok ładności Z równania (9) mamy:. l 1 - l 3 l' 5 l' l 5 0.585 3 0.5 2 2 d l 1 - l 3 d l 1 - l 3 m' 5 m a + dl l 1 3 dl l m' 5 0.046 3 3 Z równania (10) mamy:. l 4 - l 2 l'' 5 l'' 5 0.5-0.21 l 4 0.5 2 2 d l 4 - l 2 d l 4 - l 2 m'' 5 m a + dl 0.21 - l 2 4 dl 0.21 - l m'' 5 0.031 4 4 Ponieważ niedokładność oszacowania l 5 z równania (10) jest mniejsza przyjmujemy: l 5 l'' 5 m 5 m'' 5 143

3. Poszuk iwanie poprawe k na pomiary i obliczenia - macierz wartości pochodnych równań bilansowych: ( ) ( ) d d A F 1, 1 1 l 1, l 2, l 3, l 4, l 5 A F dl 1 2, 1 2 l 1, l 2, l 3, l 4, l 5 CO2 1 = l 1 + h 1 dl 1 ( ) ( ) d d A F 1, 2 1 l 1, l 2, l 3, l 4, l 5 A F dl 2, 2 2 l 1, l 2, l 3, l 4, l 5 O2 1 = l 2 + h 2 2 dl 2 ( ) ( ) d d A F 1, 3 1 l 1, l 2, l 3, l 4, l 5 A F dl 3 2, 3 2 l 1, l 2, l 3, l 4, l 5 CO2 2 = l 3 + h 3 dl 3 ( ) ( ) d d A F 1, 4 1 l 1, l 2, l 3, l 4, l 5 A F dl 4 2, 4 2 l 1, l 2, l 3, l 4, l 5 O2 2 = l 4 + h 5 dl 4 ( ) ( ) d d A F 1, 5 1 l 1, l 2, l 3, l 4, l 5 A F dl 5 2, 5 2 l 1, l 2, l 3, l 4, l 5 = l 5 + h 5 dl 5 - wektor błędów równań bilansowych: ( ) (, ) w -F 1 1 l 1, l 2, l 3, l 4, l 5 w -F 2 2 l 1, l 2, l 3, l 4 l 5 - macierz diagonalna kwadratów niedokładności: 2 2 2 2 2 M m 1, 1 a M m 2, 2 a M m 3, 3 a M m 4, 4 a M m 5, 5 5 - macierz pomocnicza: F AM A T - wektor poprawek: h 1 h 2 h 3 h 4 h 5 MA T F -1 w -0.001735-0.000603 0.002602 0.000904 0.016603 144

4. Poprawione pomiary i obliczenia stare CO2 1 O2 1 CO2 2 O2 2 l' 1 l' 2 l' 3 l' 4 l' 5 l 1 + h 1 l 2 + h 2 l 3 + h 3 l 4 + h 4 l 5 + h 5 0.128 0.032 0.085 0.093 0.517 l 1 l 2 l 3 l 4 l 5 0.13 0.033 0.082 0.092 0.5 145

11.1. Elektrownie kondensacyjne. Blok 220 MW. 11.2. Elektrownie kondensacyjne. Blok 220 MW. 11.3. Podstawowe zależności 11.4. Moc wewnętrzna turbiny 11.5. Rozprężanie 11.6. Straty w rurociągach 11.7. Praca pompy wody zasilającej 11.8. Praca pompy wody zasilającej w obiegu Rankine a 11.9. Przegrzew pary 11.10. Sprawności, wskaźniki. 11.11. Sprawności, wskaźniki. 11.12. Elektrociepłownia z turbiną przeciwprężną 11.13. Zadanie 1 11.14. Zadanie 2. 11.15. Elementy obiegów cieplnych 146

13,5 MPa 539 C 186,7 kg/s 13,2 MPa 534 C 280 C 0,00 kg/s 312 C MIĘDZYBLOKOWY 197 C 1,19 MPa 0,00 kg/s 0,4 kg/s BLOKOWY 248 C 1,20 MPa 15,0 MPa 245 C 225 C 194 C 2,60 MPa 313 C 7 2 2,8 MPa 312 C 3,63 MPa 542,4 C 2399 kpa 0,61 MPa 350 C 1,34 MPa do NDD20 0,43 MPa 243 C 462 C 336 C 188,96 kg/s 10,77 kg/s 12,27 kg/s 350 C LAD30 7,56 kg/s 4,80 kg/s LAD20 LAD10 462 C 8 6 5 3 2 1 z kolektora 30,59 kg/s 152,3 C 547,8 kpa 193,04 kg/s 3 4 0,00 kg/s 153,4 C 547,8 kpa do kolektora 0,00 kg/s 151,37 kg/s 133 C 5 0,24 MPa 275 C 6,8 kg/s 6 0,100 MPa 199 C 1,37 MPa 84,8 C 83,4 C 1,26 MPa NDD20 106,35 C 106,64 C 0,68 kg/s z upustu 7 3,01 kg/s 2,71 MPa 3,24 kg/s 293 C 0,0 MPa 2,81 kg/s 0,65 MW 0,64 MW 1,37 MPa 83,8 C 59 C NDD10 0,00 kg/s 82,5 C 7,35 MW 7,61 MW 149,4 kg/s 1,43 MPa 72 C 72 kpa 57 C 0,030 MPa 5,51 kpa 34,1 C 5,39 kpa 5,57 kpa 31,54 C 32,81 C 34,9 C 71 21,0 C MAG20 181,6 kpa 180 kpa 29,0 C 5,27 kpa 600 kpa 197 C 0,000 kg/s MAG10 34,6 C 0,71 MPa 7,00 kg/s 187 kpa 20,6 C 28,8 C 1,56 MPa 126 kg/s 0,00 kg/s 156 C 16,4 MPa 156 C 4,02 kg/s 16,2 MPa 157 C LCC30 LCC11 LCC20 MAW30 LCC12 147

13,5 MPa 539 C 186,7 kg/s 13,2 MPa 534 C 280 C 0,00 kg/s 312 C MIĘDZYBLOKOWY 197 C 1,19 MPa 0,00 kg/s 0,4 kg/s BLOKOWY 248 C 1,20 MPa 15,0 MPa 245 C 225 C 194 C 2,60 MPa 313 C 7 2 2,8 MPa 312 C 3,63 MPa 542,4 C 2399 kpa 0,61 MPa 350 C 1,34 MPa do NDD20 0,43 MPa 243 C 462 C 336 C 188,96 kg/s 10,77 kg/s 12,27 kg/s 350 C LAD30 7,56 kg/s 4,80 kg/s LAD20 LAD10 462 C 8 6 5 3 2 1 z kolektora 30,59 kg/s 152,3 C 547,8 kpa 193,04 kg/s 3 4 0,00 kg/s 153,4 C 547,8 kpa do kolektora 0,00 kg/s 151,37 kg/s 133 C 5 0,24 MPa 275 C 6,8 kg/s 6 0,100 MPa 199 C 1,37 MPa 84,8 C 83,4 C 1,26 MPa NDD20 106,35 C 106,64 C 0,68 kg/s z upustu 7 3,01 kg/s 2,71 MPa 3,24 kg/s 293 C 0,0 MPa 2,81 kg/s 0,65 MW 0,64 MW 1,37 MPa 83,8 C 59 C NDD10 0,00 kg/s 82,5 C 7,35 MW 7,61 MW 149,4 kg/s 1,43 MPa 72 C 72 kpa 57 C 0,030 MPa 5,51 kpa 34,1 C 5,39 kpa 5,57 kpa 31,54 C 32,81 C 34,9 C 71 21,0 C MAG20 181,6 kpa 180 kpa 29,0 C 5,27 kpa 600 kpa 197 C 0,000 kg/s MAG10 34,6 C 0,71 MPa 7,00 kg/s 187 kpa 20,6 C 28,8 C 1,56 MPa 126 kg/s 0,00 kg/s 156 C 16,4 MPa 156 C 4,02 kg/s 16,2 MPa 157 C LCC30 LCC11 LCC20 MAW30 LCC12 148

Q B Q D D( i 1 -i 5 ) B Q wr P B g Q wr Q D Q B k td m k g N N N N ( i -i ) + D ( i ) w Du 1 3 k 1 -i2 w Q D w Q D td t w t Q D t Nt Du 1 3s k 1-2s ( i -i ) + D ( i i ) N N u ( pomiar) P g (pomiar ) P (pomiar ) u N w m P g N u g P pw P g e tr P k 1 D td N w m N u g P Q B Q D 5 D u 3 2 tw G 2 w tw 1 G g Q c G ( t -t 1) skr w w w2 w tr 4 D k 149

N ( i -i ) + D ( i ) w Du 1 3 k 1 -i2 N ( i -i ) + D ( i ) w D 1 3 k 3 -i2 albo tak 1 D D k N w 1 D D D k N w D u D u 3 2 D D - k D u D u 3 2 D D - k D u 4 4 150

i 1 i 2 i 2a 151

Q B Q D( i ) Q D D( i 1 -i 5 ) B Q wr Q T k -i 5 T Q B k Q D Q T r N N ( i -i ) + D ( i ) w Du 1 3 k 1 -i2 w Q D td N u N w Nu m P Pg g N u g P B g Q wr k r td m g P pw P g e tr P k k td 1 D N w N u r m g P Q B Q T 5 Q D D u 3 2 tw G 2 w tw 1 G g Q c G ( t -t 1) skr w w w2 w tr 4 D k 152

Q B Q D( i - ) B Q wr Q D 1 i wz D Q B k N N ( i -i ) + D ( i ) w Du 1 3 k 1 -i2 w Q D td Nu N u N w m Pg P g N u g P B g Q wr k td m g P pw P g e tr P k 1 D td N w m N u g P Q B wz Q D 5 D u 4 3 2 D k tw G 2 w tw 1 G g Q c G ( t -t 1) skr w w w2 w tr 153

154 wz s t CR i i i i - - 1 2 1 1 D G Q D N t sk 2 t wz Q skr Bez pracy pompy wody zasil.: Dokładniej: wz 1 sk wz 2s 1 wz 1 sk 2s wz 1 D skr D t i i ) i (i ) i (i i i ) i (i ) i (i Q Q Q - - - - - - - - - albo: wz 1 sk wz 2s 1 D p t t i i ) i (i ) i (i Q L N - - - - -

Q B QD D( i1 -iwz ) + D( i3 -i2 ) B Q wr N ( i -i ) + D( i -i ) + D ( i ) w D 1 2 3 4 k 4 -i5 Nu Pg P B g Q wr Q D Q B k td m k g N w Q D P td pw P g e tr N u N w m P P g N u g k 1 D td N w m N u g G P g tr Q B 3 2 Q D 5 4 D u D k tw G 2 w Q skr tw 1 wz 7 6 155

Q P B B Q wr B g Q wr Q k D Q B Sprawność bloku brutto td m g k bb P g BQ N wr w Q D bb td k td N m u N w g m P g N u Pomiary on-line : Pg [MW] łatwy B [kg/s] - problemy Qwr [MJ/kg] - problemy g k 1 D td N w m N u g G P g Q B 3 2 Q D 5 4 D u D k tw G 2 w Q skr tw 1 wz 7 6 156

Q P Q B B B Q wr B g Q wr jednostkowe zużycie pary przez turbinę k Q k td d t m D P g D Q B g 1 D 3 2 k jednostkowe zużycie ciepła przez turbozespół Q D td 4 D u N N w 5 w Q D m D k Q qt P D g td N u tw G 2 w g G tw 1 N u N w P g Q skr m P g N u jednostkowy wskaźnik zużycia energii chemicznej przez blok b b BQ P g wr g 1 bb wz 7 6 157

SRS podstawowe źródło zasilania odb. pary (szczyt. wymienniki ciepła) - szczytowe - do rezerwowania turbiny w przyp. jej odstawienia ( schładzacz po stronie zredukowanej) Sprawność termodynamiczna obiegu -współczynnik ekwiwalencji energii cieplnej (0 1) td Nw + Q Q D c P 1 D P w Q B Q D G D R SRS D S G N w P g 4 Q CS Q CT 2 D k 3 Q C Q c 158

Dane: - sprawność: kotła k =0.87, mechaniczna turb. m =0.98, generatora g =0.98 - wewnętrzna części niskociśnieniowej turbiny wn =0.78, Oblicz: - zużycie paliwa B [kg/s] - sprawność rurociągów zasilających r - natężenia przepływu w up. bloku D 2, D 3, D 5 [kg/s] - temperaturę pary zasilającej odgazowywacz - szybkość przepływu w. chł. w kanale dopr. (F=3 m 2 ) P 170 kg/s 13.4 539 0.2 1 4 P w BQ wr 13.5 542 k Q wr =8200 kj/kg 16.5 241 z 4.3 375 14 15 2 2.2 215 12 R 13 11 3 0.6 2.8 323 0.08 93,5 10 5 8 0.006 6 7 G w G P g 157,4 MW tw 2 t k = 4 Cels. tw 1 20 Cels. 18.5 162 0.6 158,8 1.6 89 9 159

k Dp D m +D wtr Oblicz: - Jednostkowe zużycie ciepła przez turbozespół w warunkach pomiaru - sprawności części WP i SP. - sprawność obiegu D m +D wtr -D III -D IV -D V -D VI D m =D p -D I -D II 1 2 I III IV II V VI 17 dl VII D m +D wtr -D III -D IV -D V -D VI -D VII PWC-1 D I 4 25 cm D III 18 D I 16 D pg D dl 5 D m +D wtr -D III -D IV -D V -D VI PWC-2 D II 30 D m +D wtr -D pg D VII 25 cm 15 19 D I +D II 12 D IV PNC-4 11 D V PNC-5 D VI PNC-6 6 PWC-3 27 cm D III -D pg 14 D p D p +D wtr 13 27 cm 24 cm 10 25 cm 21 22 23 D III -D pg +D IV D III -D pg D III -D pg +D IV +D V 9 PN-100 28 cm 8 PNC-7 7 z odgazowywacza wtryski przegrz. m.st. Dwtr 20 D III -D pg +D IV +D V +D VI 24 25 do skraplacza 160

2 w 1 od sk OG 161

12.1. Proste obiegi cieplne (Excel - Solver) 12.2. Proste obiegi cieplne (MathCad) 12.3. Proste obiegi cieplne (MathCad) 12.4. Proste obiegi cieplne (MathCad) 12.5. Mała elektrociepłownia - schemat 12.6. Mała elektrociepłownia dane wejściowe 12.7. Mała elektrociepłownia algorytm obliczeń 12.8. Blok kondensacyjny 12.9. Blok kondensacyjny - algorytm 12.10. Wymienniki ciepła 162

Zadanie 1. Obiegi cieplne W obiegu Rankine'a zastosowano podgrzew regeneracyjny, gdzie kondensat jest podgrzewany do temperatury nasycenia. Parametry czynnika: - przed turbiną (4 MPa, 480 C), - w upuście (0.5 MPa),- w skraplaczu (6 kpa). Obliczyć sprawność teoretyczną obiegu z regeneracją i bez. Przy pomocy procedury (dodatku) Solver znajdź optymalne ciśnienie upustu. Dane: t 1 = 480 [C] p 1 = 4 [Mpa] p u = 0.5 [Mpa] p sk = 0.006 [Mpa] Rozwiązanie: skropliny przed podgrz.: t sk = t(p sk ) = 36.16 [C] i sk = h1(t sk ) = 151.49 [kj/kg] woda za podgrz.: t wz = t(p u ) = 151.84 [C] i wz = h1(t wz ) = 640.19 [kj/kg] para przed turbiną: s 1 =s(t 1,p 1 ) = 7.03 [kj/kgc] i 1 = h(t 1, p 1 ) = 3400.01 [kj/kg] para w upuście: s ua = s 1 = 7.03 [kj/kgc] i ua = h(p u, s ua ) = 2842.16 [kj/kg] para za turbiną: s 2a = s 1 = 7.03 [kj/kgc] i 2a = h(p sk, s 2a ) = 2165.40 [kj/kg] z bilansu w mieszalniku: u = (i wz - i sk ) / (i ua - i sk ) = 0.1816 spr. teor. ob. bez regeneracji: h t = (i 1 - i 2a ) / (i 1 - i sk ) = 0.38005 spr. teor. ob. z regeneracją: h tr = [(1-u) (i 1 - i 2a ) + u(i 1 - i ua )] / (i 1 - i wz ) = 0.40281 163

Rysunek przedstawia blok energetyczny z regeneracyjnym podgrzewaczem mieszankowym. Dla następujących danych: - zużycie paliwa B=95 kg/s - wartość opałowa paliwa (węgiel) Q wr =8100 kj/kg - parametry czynnika: p 1 =12 MPa, t 1 =480 o C, p 2 =0.005 MPa, p 3 =1.1 MPa - przyrost temp. wody chłodzącej w skraplaczu t=t w2 -t w1 =15 o C - sprawności: k =0.87, w =0.8, m =0.98, g =0.98 - względna moc potrzeb własnych e w =0.08 Obliczyć: - sprawność termodynamiczną obiegu td - moc elektryczną brutto i netto bloku Pg i P - krotność chłodzenia n=g w /D k Przyjmij: - (zpr) założenie pełnej regeneracji ciepła przepływ Du jest tak dobrany, że w pkt. 5 występuje woda wrząca (linia 1) - (bp) w skraplaczu jest brak przechłodzenia skroplin w pkt. 4 występuje woda wrząca (linia 1) - pomijamy pracę pomp Odp.: 0.368, 23.665 MW, 21.336 MW, 33.25 BQ wr 5 D D u 1 3 4 P w G P P g 2 tw 2 G w tw D 1 k 164

B 95 Q wr 8100 p 1 12 t 1 480 P p 2 0.005 p 3 1.1 k 0.87 w 0.8 m 0.98 g 0.98 tr 0.98 e w 0.08 t 15 Rozwiązanie: 1. Obliczenie entalpii w poszczególnych punktach układu: ( ) (, ) (, ) ( ) ( ) ( ) ( - ) ( - ) ( ) ( ) s 1 s_tp t 1, p 1 i 1 h_tp t 1, p 1 i 2s h_ps p 2 s 1 i 2 i 1 - w i 1 i 2s i 3s h_ps p 3 s 1 i 3 i 1 - w i 1 i 3s t 4 tsat p 2 i 4 h1sat t 4 t 5 tsat p 3 i 5 h1sat t 5 Brak przechłodzenia Założenie pełnej regeneracji BQ wr 5 D D u 1 3 4 P w G P g 2 tw 2 G w tw D 1 k 2. Obliczenie strumieni czynnika: ( ) D i 1 - i 5 k B Q wr D D u + D k D k i 4 + D u i 3 D i 5 sprawność kotła bilans mocy ciepła dla podgrzewacz reg. D u D k B Q wr D 266.3 kg i 1 - i 5 s ( ) i 5 - i i 4 D u D 63.5 kg 5 - i 4 63.5 kg i 3 - i 4 s i 3 - i 4 s D k D - D u 202.8 kg s ( ) ( ) ( ) D k i 1 - i 2 + D u i 1 - i 3 tdr D i 1 - i 5 165

3. sprawność termodynamiczna obiegu z regeneracją: tdr 4. moc elektryczna brutto i netto ( ) ( ) ( ) N w D k i 1 - i 2 + D u i 1 - i 3 Q tdr D D i 1 - i 5 P g B Q wr k tdr m g 236.6MW ( ) tr P P g - e w P g 213.4MW D k D - D u 202.8 kg s 0.368 5. natężenie przepływu wody chłodzącej: G w c w ( ) D k i 2 - i 4 t D k ( i 2 - i 4 ) G w Cp1Sat( 20) t 6.744 ton s 6. wskaźniki zużycia pary, ciepła ( ) D d t 1.125 kg D i 1 - i 5 q P g MJ T P g 2.829 MJ MJ 7. sprawność bloku brutto: P g bb B Q wr 30.753% 166

Obok energii elektrycznej elektrociepłownia wytwarza: ciepło dla odbiorcy miejskiego (wyprowadzane przy pomocy gorącej wody sieciowej) parę technologiczną dla pobliskiego zakładu włókienniczego. Konieczne jest uzupełnianie układu chemicznie oczyszczoną wodą (zakład zwraca tylko część skroplin (60%), brak jest układu wykorzystania odmulin, niewielką ilością pary zasila się inne urządzenia) 5 1 2 8 1 - kocioł 2 - turbina ( 2 upusty regulowane i 2 upusty nieregulowane) 3 - skraplacz 4 - odgazowywacz 5 - Podgrzewacz regeneracyjny wysokiego ciśnienia 6 - Podgrzewacz regeneracyjny niskiego ciśnienia 7 Podgrzewacz wstępny (chłodnica pary ze smoczków) 8 szczytowy wymiennik ciepła do ogrzewania wody sieciowej 9 podstawowy wymiennik ciepła do ogrzewania wody sieciowej 10 chłodnica skroplin 11 odbiorniki ciepła wody sieciowej 12 odbiorniki pary technologicznej 4 6 7 12 3 9 10 11 167

Oblicz strumienie: - wody sieciowej: W s, kg/s - pary do wymiennika szczytowego: D ps, kg/s - pary do wymiennika podstawowego: D pp, kg/s - wody zasilającej do kotła: W z, kg/s - pary do podgrzewacza regeneracyjnego wysokiego ciśn.:d 1u, kg/s - wody uzupełniającej: D uz, kg/s - kondensatu do odgazowywacza: D k, kg/s - pary do odgazowywacza: D g, kg/s - pary do podgrzewacza regeneracyjnego niskiego ciśn.: D 2u, kg/s - moc wewnętrzną turbiny N i, kw - orientacyjną moc elektryczną turbozespołu: P g, kw - sprawności części wyso- i niskoprężnej turbiny D sm 0.1 n1 0.7 n2 0.65 D 2 20 D str 0.3 p 2 3.7 t 2 450 D odm 0.6 t z 152 p 1r 1.0 t 1r 305 p z 4.5 p 1r' 0.9 D 1u p 1u 0.6 t 1u 262 p 2r' 0.11 D ps p odg 0.12 * Q s 1410 3 t s4 130 D t 5.5 t s3 95 D pp p 2r 0.12 t 2r 126 W z 0.6D t t D s2 sk t t 80 D g W s t k 60 D 2u p 2u 0.03 t s 80 p 3 0.005 t s1 70 1.2 MPa t uz 40 D sm t sm 100 D uz t sk 31 D k 168

Wymienniki wody sieciowej Q s W s i s4 - i s1 i s4 - i s3 D ps W s i 1r - h1p p 1r ( ) ( - ) - W s i s4 i s1 D ps i 1r - i s D pp i 2r - i s Regeneracja wysokoprężna Odgazowywacz ( ) W z D 2 + D odm + D sm + D str W z i z - i odg D 1u i 1u - h1p p 1u ( ) ( ) Równania bilansu mocy i masy w odgazowywaczu Regeneracja niskoprężna D k ( h1 ( t k ) - h1 ( t sk )) - D sm i 2 - h1 ( 100 ) D ( ) 2u i 2u - h1p ( p 2u ) D sm 0.1 n1 0.7 n2 0.65 D 2 20 D str 0.3 p 2 3.7 t 2 450 D odm 0.6 t z 152 p 1r 1.0 t 1r 305 p z 4.5 p 1r' 0.9 D 1u p 1u 0.6 t 1u 262 p 2r' 0.11 D ps p odg 0.12 * Q s 1410 3 t s4 130 D t 5.5 t s3 95 D pp p 2r 0.12 t 2r 126 W z 0.6D t t D s2 sk t t 80 D g W s t k 60 D 2u p 2u 0.03 t s 80 p 3 0.005 t s1 70 1.2 MPa Moc wewnętrzna turbiny D uz N w D 2 ( i 2 - i 1r) N s ( D 2 - D t - D ps ) ( i 1r - i 1u ) + ( D 2 - D t - D ps - D ) 1u ( i 1u - i 2r) N n ( D 2 - D t - D ps - D 1u - D pp - D ) g ( i 2r - i 2u ) + ( D 2 - D t - D ps - D 1u - D pp - D g - D ) 2u ( i 2u - i 3) N i N w + N s + N n N i 10540.3 t uz 40 D sm t sm 100 D k t sk 31 169

Oblicz: - Jednostkowe zużycie ciepła przez turbozespół w warunkach pomiaru - sprawności części WP i SP. - sprawność obiegu k Dp D m =D p -D I -D II 1 D m +D wtr 2 D m +D wtr -D III -D IV -D V -D VI I III IV II V VI 17 dl VII D m +D wtr -D III -D IV -D V -D VI -D VII PWC-1 D I 4 25 cm D III D I 18 16 D pg D dl PWC-2 D II 30 D m +D wtr -D pg D 25 cm I +D II D IV D V D VI 12 19 PNC-4 PNC-5 PNC-6 15 11 PWC-3 D III -D pg 27 cm D p 14 wtryski przegrz. m.st. Dwtr 27 cm 24 cm 10 25 cm D p +D wtr 21 22 13 23 D III -D pg +D IV D III -D pg D III -D pg +D IV +D V 20 D III -D pg +D IV +D V +D VI 9 PN-100 8 D VII PNC-7 7 28 cm 24 25 5 D m +D wtr -D III -D IV -D V -D VI 6 z odgazowywacza do skraplacza Turbina: Upusty: Skraplacz kondensat: skropliny: D p 178.6 p 1 12.34 p I 4.21 p 7 1.6 t 7 35.5 p 18 4.0 p 19 2.68 t 1 535.3 t I 378 para: p 4 0.005 p 6 1.6 t 6 32 P g 212 10 3 t 18 249 t 19 225 p II 2.82 t II 350 t 4 32.89 p 2 2.6 m 0.97 p 9 1.6 t 9 72 p 20 1.22 p 21 0.5 t 2 535. kondensat: p 8 1.6 t 8 72 Dane pomiarow e t 20 187 t 21 151 g 0.98 p III 1.29 t 5 31 p 10 1.6 p 11 1.6 t III 445 t 10 100 t 11 127 p 22 0.28 p 23 0.13 D wtr 5 p IV 0.52 woda chłodząca: t 22 130 t 23 106 p 12 1.6 p 13 0.6 p wtr 4 t IV 368 t w1 21.4 t 12 147.5 t 13 158.1 p 24 0.036 p 25 0.026 p V 0.3 t w2 30.3 t 24 72 t 25 65 t V 266 p 14 17.5 p 15 17.5 p 30 0.60 p VI 0.15 t 14 162.7 t 15 184.8 t 30 440 t VI 158 p 16 17.5 p 17 17.5 p VII 0.028 t 16 222.9 t 17 244.1 170

1. Numeracja układu 2. Oznaczenie strumieni czynnika 3. Obliczenia entalpii w punktach układu 4. Bilanse mocy cieplnej (i masy) PNC-6 PNC-5 PNC-4 Odgazowywacz PWC-3 PWC-2 PWC-1 5. Obliczenie strumieni przez zastosowanie solvera dla równań bilansu mocy cieplnej (Given... Find) 6. Obliczenie sprawności części WP i SP 7. Problem obliczenia sprawności NP. 8. Problem szacowania zanieczyszczeń podgrzewaczy regeneracyjnych 9. Podwyższanie sprawności bloku D I 18 Dp D m +D wtr k D m +D -D wtr III -D IV -D V -D VI D m =D p -D I -D II 2 1 I III IV II V VI VII 17 dl PWC-1 4 D I 25 cm D III 16 D pg D dl PWC-2 D II 30 D m +D wtr -D pg D VII D 25 cm I +D II D IV D V D VI 12 19 PNC-4 PNC-5 PNC-6 15 11 PWC-3 D III -D pg 27 cm D p 14 wtryski przegrz. m.st. Dwtr 27 cm 24 cm 10 25 cm D p +D wtr 21 22 9 13 23 PN-100 D 8 PNC-7 7 III -D pg +D IV 28 cm D III -D pg D III -D pg +D IV +D V 20 D III -D pg +D IV +D V +D VI 24 25 D m +D wtr -D III -D IV -D V -D VI -D VII 5 D m +D wtr -D III -D IV -D V -D VI 6 z odgazowywacza do skraplacza 171

Obliczenia mocy cieplnej rurowego podgrzewacza powietrza danych: powierzchnia obliczeniowa wymiany ciepł a H 3500 m 2 strumień powietrza V p 100000um 3 godz 1 strumień spalin V s 130000um 3 godz 1 temperatura wlotowa powietrza: tp 1 20 C temperatura wlotowa spalin: ts 1 360 C globalny współ czynnik przenikania ciepł a: k 14 W m 2-1 K sk ł ad spalin CO2 0.12 H2O 0.24 O2 0.03 N2 0.61 funkcje na entalpie spalin i powietrza: ( ) Is( t) ( CO2 CpCO2( t) + H2O CpH2O( t) + O2 CpO2( t) + N2 CpN2( t) ) t kj/ um3 Ip( t) CpAir ( t) t kj/ m3 przybliżenia w stępne: ts 2 ts 1-150 tp 2 tp 1 + 150 Q V p Ip tp 2 rozwiązanie uk ł adu równań: Given Q k H ( ts 1 - tp 2 ) - ts 2 - tp 1 ln ts 1 - tp 2 ts 2 - tp 1 Q V s ( Is( ts 1 ) - Is( ts 2 )) Q V p ( Ip( tp 2 ) - Is( tp 1 )) ( Q ts 2 tp 2 ) Find( Q, ts 2, tp 2 ) T Q 7.821 MW ( ) ( ( ) - Is( tp 1 )) 172

13.1. Definicje 13.2. Wsparcie kogeneracji 13.3. Realizacja wsparcia kogeneracji 13.4. Oszczędność energii pierwotnej 13.5. Obowiązek zakupu energii elektrycznej wytwarzanej w skojarzeniu. 13.6. Straty i potrzeby własne elektrociepłowni 13.7. Jednostkowy koszt produkcji 13.8. Koszty eksploatacji elektrociepłowni 13.9. Podział kosztów między produkcję ciepła i elektryczności 13.10. Systemy ciepłownicze 173

Wytwarzanie skojarzone lub kogeneracja - wytwarzanie w jednym zakładzie energii cieplnej jako produktu głównego i energii elektrycznej jako produktu ubocznego Gospodarka rozdzielona Kogeneracja w rozproszeniu Wskaźnik skojarzenia 174