Model do analizy Autorzy: Szymon Pająk, Daniel Roch ENERGOPOMIAR Sp. z o.o., Zakład Techniki Cieplnej ( Energetyka Cieplna i Zawodowa nr 6/2013) Aby wykorzystywać potencjał już istniejących scentralizowanych systemów ciepłowniczych, należy świadomie planować inwestycje i modernizacje, które pozwolą zmniejszać koszty ich funkcjonowania, ale przede wszystkim zapewnią odbiorcom bezpieczeństwo dostaw. Pomocne jest tu modelowanie sieci ciepłowniczych istotny element analizy techniczno-ekonomicznej. W celu właściwego określenia stanu początkowego w procesie modernizacji i oszacowania potencjału rozwoju systemu ciepłowniczego na danym obszarze specjaliści ENERGOPOMIARU przygotowali konieczny ich zdaniem zakres analiz pozwalający na wybór odpowiedniego w danych warunkach kierunku rozwoju systemu ciepłowniczego. Niniejsze rozważania są kompilacją doświadczeń, jakie na drodze realizacji prac w zakresie systemów ciepłowniczych pozwoliły na opracowanie wniosków i zaleceń pozwalających na uzyskanie kompletnego obrazu stanu rzeczy i wypracowania możliwych kierunków działań. W tym celu należy opracować: analizę rynku ciepła, która powinna wskazać kierunek zmian zapotrzebowania na ciepło na rozpatrywanym obszarze już objętym przez sieć lub potencjalnie możliwym do przyłączenia do sieci w przyszłości, analizę sieci, której wynikiem będzie lista działań modernizacyjnych i inwestycyjnych pozwalających na bezpieczną jej eksploatację w obecnych warunkach i ewentualny rozwój badanego systemu ciepłowniczego, analizę źródeł, której wynikiem będzie m.in. lista działań zapewniających bezpieczeństwo i pewność dostaw ciepła do współpracującego z nimi systemu ciepłowniczego, analizę ekonomiczną, która od strony kosztowej będzie uzasadniać wypracowane wcześniej warianty techniczne w obrębie sieci i źródeł. Poniżej omówiono bardziej szczegółowo modelowanie sieci ciepłowniczych, które jest istotnym elementem analizy pracy sieci ciepłowniczej jako całości. Modelowanie sieci ciepłowniczych Wykonanie analizy sieci ciepłowniczej ma na celu identyfikację oraz ocenę parametrów pracy sieci ciepłowniczej wraz z przygotowaniem scenariuszy dalszego jej rozwoju jeżeli taka potrzeba została potwierdzona na podstawie analizy rynku, na terenie którego sieć ta jest zlokalizowana. W tym zakresie bardzo pomocne jest opracowanie modelu matematycznego sieci ciepłowniczej pozwalającego na przeanalizowanie dowolnych scenariuszy rozwoju badanego obszaru, związanych zarówno z rozwojem sieci (modernizacje magistral, przyłączenia nowych odbiorców), jak i jej źródeł zasilania (modernizacje ciepłowni i elektrociepłowni). Głównymi celami analiz powinny być: wzrost efektywnego zarządzania siecią ciepłowniczą na terenie badanego obszaru oraz doradztwo przy wyborze niezbędnych zadań inwestycyjnych prowadzących do zwiększenia sprawności produkcji i przesyłu ciepła, a także zwiększenie bezpieczeństwa dostaw ciepła i niezawodności systemu ciepłowniczego. Strona 1 z 5
Ważnym elementem całej analizy jest zgromadzenie danych wejściowych pozwalających na jednoznaczną identyfikację badanej sieci w zakresie: inwentaryzacji rurociągów (średnic, długości, technologii wykonania i czasu eksploatacji izolacji termicznej, stanu technicznego rurociągów) z uwzględnieniem podziału na sieć magistralną i rozdzielczą, wzajemnego położenia węzłów ciepłowniczych w sieci (w tym wysokości położenia węzłów w stosunku do źródła, z którego są zasilane), umiejscowienia źródła lub źródeł ciepła oraz ich zdolności produkcyjnych, wymaganego ciśnienia zasilania i powrotu ciśnienia dyspozycyjnego w każdym z węzłów ciepłowniczych sieci, wymaganego zapotrzebowania na ciepło u odbiorców, pracy układów pompowych na sieci ciepłowniczej (w tym energochłonności pompowni współpracującej z siecią). Zebrane dane stanowią bazę do opracowania modelu matematycznego sieci ciepłowniczej umożliwiającego symulację dowolnych, możliwych technicznie zmian w sieci. Model cieplnoprzepływowy powinien składać się z dwóch wzajemnie uzupełniających się modułów: hydraulicznego umożliwiającego obliczenie m.in. oporów hydraulicznych w układzie, ciśnień dyspozycyjnych, przepustowości rurociągów oraz uwzględniającego skutki przyłączania nowych odbiorców w różnych krytycznych punktach sieci oraz pracy kilku źródeł na zmienne obszary zasilania, cieplnego umożliwiającego obliczenie parametrów wymaganych na źródle lub źródłach i w istotnych punktach sieci w sytuacji zmiany zapotrzebowania na ciepło (zarówno jego zwiększenia, jak i zmniejszenia), wyznaczenie strat ciepła w układzie w zależności od parametrów sieci powiązanych z warunkami atmosferycznymi oraz zmiany strat ciepła z tytułu modernizacji wybranych odcinków sieci. Działające w systemach ciepłowniczych aplikacje GIS (Geographic Information System) zawierają rzeczywiste parametry techniczne dotyczące budowy sieci ciepłowniczych w zakresie ich topografii oraz charakterystyki węzłów, które to dane w stosunkowo łatwy sposób można wykorzystać do budowy opisywanego modelu. Wielkościami hydraulicznymi ograniczającymi model (wprowadzonymi jako warunki niezbędne do fizycznego funkcjonowania sieci) są wielkości wymaganych dyspozycji ciśnienia w węzłach ciepłowniczych. Tak zbudowany model hydrauliczny sieci należy poddać walidacji, bazując na rzeczywistych danych pomiarowych z modelowanego obszaru sieci. Do procesu walidacji niezbędne są także dane dotyczące źródła oraz węzłów ciepłowniczych, które w większości przypadków zawierają niezbędne układy pomiarowe (pomiar ciśnienia dyspozycyjnego). Dzięki wykorzystaniu do obliczeń metod statystycznych można określić stopień zgodności wartości generowanych przez model z rzeczywistą siecią ciepłowniczą. W symulacjach hydraulicznych przyjmuje się następujące założenia: ciśnienie w układzie w żadnym punkcie układu nie może przekroczyć maksymalnego dopuszczalnego ciśnienia w rurociągu ciepłowniczym, ciśnienie w układzie nie może przekroczyć ciśnienia parowania w żadnym punkcie z zachowaniem odpowiedniego marginesu bezpieczeństwa, ciśnienie dyspozycyjne w węzłach nie może być mniejsze niż obecnie stosowane na końcówkach sieci. Strona 2 z 5
Opisany model matematyczny sieci ciepłowniczej stanowi narzędzie obliczeniowe pozwalające na przeprowadzanie wielowariantowych symulacji dla różnych układów pracy sieci i parametrów powiązanych ze zmienną temperaturą zewnętrzną. W wyniku tych kalkulacji uzyskuje się takie dane, jak: ciśnienia zasilania i powrotu we wszystkich punktach analizowanej sieci, ciśnienia dyspozycyjne u odbiorców, opory hydrauliczne na poszczególnych odcinkach sieci, rozpływy wody w magistralach i do poszczególnych odbiorców, wymagana wydajność układów pompowych w źródle, energochłonność układu pompowego, straty ciepła sumaryczne i w poszczególnych odcinkach sieci. Przykład zastosowania modelu optymalizacja pracy sieci i źródeł W ramach prac realizowanych przez ENERGOPOMIAR Sp. z o.o. w 2012 roku przygotowano studium analityczne dla sieci ciepłowniczej eksploatowanej przez jedną z największych spółek ciepłowniczych w Polsce na terenie aglomeracji miejskiej. Analizowane sieci ciepłownicze znajdują się na obszarze ośmiu gmin i miast centralnej części województwa i są zasilane z siedmiu ciepłowni oraz elektrociepłowni, co pokazano na rysunku 1. Rys. 1. Schemat analizowanych sieci ciepłowniczych i źródeł na terenie wybranej aglomeracji Strona 3 z 5
W ramach sieci funkcjonuje ok. 20 magistral (ilość orientacyjna, która zależy od zastosowanej metodyki podziału sieci na magistrale), które tworzą ze sobą sieć połączeń widoczną na rysunku 1. Obszar ten od czasu powstania był obsługiwany przez dwa duże, niezależne przedsiębiorstwa oraz kilka mniejszych ciepłowni, tak więc sieci są rozdzielone fizycznie zasuwami zainstalowanymi na rurociągach magistralnych. Jednocześnie otwarcie jednych zasuw i zamkniecie innych spowoduje teoretyczną możliwość przesłania ciepła z każdego źródła niemal do każdej magistrali znajdującej się na analizowanym obszarze. Sieci na terenie aglomeracji tworzą skomplikowany układ technologiczny, który daje duże możliwości w zakresie optymalizacji jego pracy zarówno od strony źródeł, jak i od strony sieci. Jednym z elementów optymalizacji pracy całego układu ciepłowniczego była analiza pracy źródeł w kierunku maksymalnego obciążania źródeł należących do jednej z krajowych grup energetycznych, aby optymalizować koszty wytwarzania ciepła w tych źródłach. Do podjęcia decyzji o obciążaniu lub odciążaniu poszczególnych źródeł niezbędne było pozyskanie wiedzy w zakresie możliwości wyprowadzenia mocy cieplnej ze źródła na sieci. W tym celu zbudowano matematyczny model całej sieci (rysunek 1) i poddano go wielowariantowym analizom. W ramach prowadzonych prac przeanalizowano techniczne możliwości realnego połączenia poszczególnych obszarów sieci ciepłowniczej obsługiwanych przez kilka źródeł oraz pracę źródeł na zmienne obszary zasilania. Analiza techniczna została uzupełniona analizą ekonomiczną wskazującą poziom nakładów inwestycyjnych niezbędnych do poniesienia w celu umożliwienia pracy źródeł i sieci w sposób optymalny z punktu widzenia właściciela. Do celów analitycznych przyjęto, że dokładne odwzorowanie w modelu matematycznym zostanie zastosowane dla sieci magistralnych, natomiast sieć rozdzielcza i przyłączeni do niej odbiorcy zostaną zobrazowani w postaci tzw. odbiorców zastępczych zlokalizowanych w odpowiednich punktach sieci. W celu prawidłowego odwzorowania warunków eksploatacyjnych panujących na sieci ciepłowniczej w pierwszej kolejności przeanalizowano zestaw danych historycznych obejmujący okres ok. 5 lat wstecz (w zależności od dostępności danych), dotyczący produkcji ciepła w źródłach (strumieni wody sieciowej, temperatur zasilania i powrotu) oraz temperatur otoczenia, przy których produkcja w źródle wystąpiła. Analiza ta była o tyle istotna, że pozwoliła na skonfrontowanie wielkości mocy zamówionej przez odbiorców z rzeczywistą mocą dostarczaną ze źródeł do poszczególnych podobszarów sieci. Na podstawie danych udostępnionych przez właściciela, przygotowano zestaw danych wejściowych odnośnie pracy źródeł na poszczególne podobszary sieci: maksymalna moc cieplna dostarczana ze źródła, ciśnienie zasilania, ciśnienie powrotu, strumień wody sieciowej, wysokość podnoszenia pomp wody sieciowej. Ze względu na dużą rozległość sieci oraz wzajemne położenie poszczególnych źródeł na początku rozważań przyjęto, że cały obszar zostanie podzielony wirtualnie na dwie części zachodnią i wschodnią. W ramach analiz uwzględniono zmienność osiągalnej mocy cieplnej źródeł w czasie (np. ze względu na budowę nowych jednostek wytwórczych lub odstawienia istniejących z tytułu derogacji po roku 2015) oraz przedyskutowano wynikające z tego tytułu zmiany w obszarach zasilania, które będą mogły być przypisane do danego źródła. Ze względu na dość dużą zmienność dostępności mocy wytwórczych w źródłach w poszczególnych latach analiza pracy sieci była wykonana dla kilku wariantów. Strona 4 z 5
Dodatkowo analizę pracy całej sieci wykonano dla trzech różnych wariantów warunków znamionowych (przy temperaturze otoczenia -20 o C), warunków eksploatacyjnych (przy temperaturze otoczenia 0 o C) oraz warunków letnich (przy temperaturze otoczenia +10 o C). Dla zbudowanego modelu przeprowadzono również obliczenia strat ciepła generowanych na magistralnych i rozdzielczych odcinkach sieci dla każdego z wymienionych powyżej wariantów pracy sieci. Analiza pracy sieci w oparciu o dane historyczne oraz wytyczne odnośnie dostępności źródeł w przyszłości pozwoliły na precyzyjne przypisanie obszarów zasilania do poszczególnych źródeł oraz wskazanie odcinków magistralnych, które będą wymagały modernizacji lub budowy w celu zapewnienia ciągłości i bezpieczeństwa dostaw ciepła do odbiorców. Dla analizowanych odcinków magistralnych określono również szacunkowe koszty modernizacji (związanych np. ze zmianą technologii sieci oraz średnicy) lub budowy nowych odcinków, które mają służyć poprawie efektywności wykorzystania źródeł należących do właściciela. Dodatkowo przeanalizowano zmianę (zmniejszenie bezwzględnych i względnych konwekcyjnych strat ciepła) z tytułu modernizacji istniejących odcinków sieci. Analiza zmian obszarów zasilania przypisanych do poszczególnych źródeł spowodowała konieczność wykonania analiz zmian zapotrzebowania energii na pompowanie wody sieciowej na tym obszarze. Dla każdego ze źródeł przygotowano porównanie kosztów pompowania, jakie występują obecnie oraz spodziewanych kosztów pompowania, które wystąpią przy pracy źródła na inny obszar zasilania niż obecnie. Przedmiotową analizę wykonano z uwzględnieniem zmienności obszarów zasilania dla każdego źródła w funkcji zmienności mocy cieplnej osiągalnej dostępnej w danych źródle po kolejnych latach pracy. *** W artykule omówiono problematykę budowania modelu obliczeniowego sieci ciepłowniczej na przykładzie sieci ciepłowniczej zlokalizowanej w centralnej części jednej z polskich aglomeracji. Zwrócono uwagę na zakres danych wejściowych do budowy modelu, danych wejściowych do obliczeń oraz zakres analiz, które można za pomocą zbudowanego modelu wykonać. W oparciu o zbudowany model analizowano przede wszystkim możliwość pracy źródeł na zmienne obszary zasilania oraz zakres modernizacji lub rozbudowy sieci, umożliwiający dociążenie źródeł własnych właściciela sieci. Należy podkreślić, że każdorazowo poziom szczegółowości modelu będzie warunkowana celem analiz, ale bardzo istotnym czynnikiem jest dostępność historycznych danych eksploatacyjnych umożliwiających walidację poprawności modelowania pracy sieci. Literatura [1] Opracowania ENERGOPOMIAR Sp. z o.o. przygotowane w ramach realizacji pracy dla grupy energetycznej, Gliwice 2012 (niepubl.). [2] Załącznik do Regulaminu Konkursu nr 1/PO IiŚ/9.2/2009 Szacowanie strat ciepła w wyniku realizacji projektu, Narodowy Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej. [3] Sieci i Węzły Cieplne Projektowanie, eksploatacja, rozbudowa, modernizacja, red. Żarski K., Wydawnictwo FORUM, Poznań 2012. [4] Malinowski P.: Modelowanie hydrotermiczne i optymalizacja systemów zaopatrzenia w ciepło, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Wrocław 2009. [5] Skowroński M.: Układy Pompowe, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Wrocław 2009. Strona 5 z 5